坐标系统和时间系统.ppt

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1、GPS原理及应用,讲授:杨利兵,测绘本科生课程,石家庄经济学院,第二讲 坐标系统和时间系统,2.1 天球坐标系与地球坐标系2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.3 坐标系转换2.4 时间系统,地球坐标系：固定在地球上的坐标系天球坐标系：与地球自转无关,2.1 天球坐标系与地球坐标系,坐标系的类型,天球坐标系与地球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,空间直角坐标系（便于进行坐标转换，三个基本要素）天球坐标系（确定卫星位置）大地坐标系（确定观测站位置）站心赤道与站心地平直角坐标系（用于描述卫星与观测站间关系）卫星测量中常用坐标系,预备知识,2.1 天球坐标系与地球坐标系,天球 以地球质

2、心为中心，半径为任意长度的一个假想球体黄道 地球公转轨道在天球上的投影 春分点 黄道自西向东从天赤道以南穿到天赤道以北的那个交点,地球质心,天球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,天球坐标系：天球极轴、春分点轴，加上与这两轴线垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴线构成的坐标系。属于球面坐标系。,天球极轴,春分点轴,2.1 天球坐标系与地球坐标系,球面坐标系与直角坐标系的转换,大地坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,在大地测量中表示地面点的位置 通过一个辅助面（参考椭球面）定义,大地坐标系参数：L：大地经度B：大地纬度H：大地高程,经过长期的测量实践研究证明，大地体与一个以椭圆的短轴为旋转

3、轴的旋转椭球的形状十分近似。测绘工作取此椭球作为地球的参考形状和大小，其外表面为参考椭球面。,参考椭球,2.1 天球坐标系与地球坐标系,参考椭球,2.1 天球坐标系与地球坐标系,椭球方程：,扁率：,第一偏心率：,法截面：过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法线，包含这条法线的平面。卯酉圈：与椭球面上某点的子午面相垂直的法截面同椭球面相截所形成的闭合圈。如PEE 卯酉圈曲率半径：等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度。如Pn,2.1 天球坐标系与地球坐标系,大地坐标系与直角坐标系的转换,(X,Y,Z)(L,B,H),直角坐标系参数,大地坐标系参数,N：P点的卯酉圈曲率半径,站心赤道直角坐标系与

4、站心地平直角坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,站心赤道直角坐标系：与O-XYZ坐标系有简单的平移关系,站心左手地平直角坐标系：z 轴：P1点的法线（指向天顶为正）x 轴：子午线方向（向北为正）y 轴：与x、z轴垂直（向东为正）,球心空间直角坐标系O-XYZ,站心地平极坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,r：测站点P1点至卫星s 的距离卫星方位角A：zp1x 平面与zp1s 的夹角（自zp1x 起算左旋为正）卫星高度角h：p1s 与xp1y 面的夹角（小于）,O,Z,X,Y,P1,x,y,z,s(卫星）,A,h,r,站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的转换,2.1 天球坐标系与地球坐

5、标系,O,Z,X,Y,P1,x,y,z,s(卫星）,A,h,r,(x,y,z)(r,A,h),若已知测站点和卫星的瞬时坐标（由预报星历得到），则可计算卫星在站心地平坐标系中的值，然后转换为站心极坐标系中的值。从而了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角。,利用站心极坐标了解卫星的分布情况,2.1 天球坐标系与地球坐标系,O,Z,X,Y,P1,x,y,z,s(卫星）,A,h,r,已知测站点P和卫星S在球心坐标系O-XYZ（如WGS-84）中的坐标分别依次建立以P为原点的站心赤道、地平坐标系和站心极坐标系依次将卫星坐标转换至上述三种站心坐标系，通过卫星在站心极坐标系中的值，即可了解卫星与观测

6、站之间的瞬时距离、方位角和高度角。,步 骤,2.1 天球坐标系与地球坐标系,O,Z,X,Y,P1,x,y,z,s(卫星）,A,h,r,2.1 天球坐标系与地球坐标系,卫星测量中常用坐标系,瞬时极天球坐标系与极地球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系,瞬时极天球坐标系(x,y,z)ct 原点位于地球质心，z 轴指向瞬时地球自转轴，x 轴指向瞬时春分点，y轴按构成右手坐标系取向。,瞬时极地球坐标系(x,y,z)et 原点与z 轴同上，x 轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y轴按构成右手坐标系取向。,瞬时极天球坐标系与极地球坐标系,2

7、.1 天球坐标系与地球坐标系,岁差和章动引起瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化极移引起瞬时极地球坐标系的坐标轴指向不断变化,瞬时固定,2.1 天球坐标系与地球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,岁 差,在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴绕着黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需25,800年。即春分点沿黄道每25,800年旋转一周。地轴的这种长期运动称为日月岁差。,2.1 天球坐标系与地球坐标系,章 动,月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，周期约为18.6年。这种现象称为章动。,2.1 天球坐标系与地球坐标系,固定极天球坐标系平天球坐标系,

8、坐标原点位于地心，z 轴指向所选定的一个历元时刻t 的平天极，x 轴指向历元时刻t 的平春分点，y 轴与x 轴、z 轴构成右手坐标系。通过岁差与章动旋转变换与瞬时极天球坐标系转换。,固定极天球坐标系平天球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,地极移动,2.1 天球坐标系与地球坐标系,地极的移动：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变化。国际协定原点CIO：国际大地测量与地球物理联合会以19001905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极。,2.1 天球坐标系与地球坐标系,19711975年间地极相对于CIO的移动轨迹,CIO,固定极地球坐标系平地球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,

9、固定极地球坐标系平地球坐标系,2.1 天球坐标系与地球坐标系,z 轴指向国际协定原点CIO 坐标原点的x,y 值在观测后公布 可与瞬时极地球坐标系转换,2.1 天球坐标系与地球坐标系,坐标系的两种定义方式,理论坐标系 尺度单位、原点、坐标轴 协定坐标系 由观测点的坐标定义,GPS采用的坐标系统是跟踪站坐标值定义的协定坐标系,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,WGS-84坐标系 国家大地坐标系 地方独立坐标系,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,WGS(World Geodetic System)-84坐标系,原点位于地球质心，Z 轴指向BIH（国际时间局Bureau Inte

10、rnational de IHeure）1984.0定义的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole）方向，X 轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，三轴构成右手坐标系。,WGS84世界大地坐标系,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,地球表面与各种椭球之间的关系,WGS-84椭球（四个基本常数）,1、国际大地测量和物理联合会第17 届大会的推荐值：,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,、大地水准面高N=大地高 H 正高H正,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,国家大地坐标系,1954年北京坐标系 1980年国家大地坐标

11、系,建国初期，由于冷战和特定历史条件，我国的54坐标系源于前苏联1942年的普尔科沃坐标系椭球参数和大地原点一致采用克拉索夫斯基椭球，椭球常数与WGS-84不同，椭球的中心与地球质心不重合。,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,1954北京坐标系,大地高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,1980年国家大地坐标系,大地原点设在陕西泾阳县永乐镇Z轴平行于由地球地心指向1986.0地极原点（JYD）的方向；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向

12、经度零方向；Y轴与Z，X轴成右手系；,高程基准是1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面（水准原点在青岛市内一个山洞中，高程为72.260m）；新54坐标系；,2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系,地方独立坐标系,水准面建立在当地的平均海拔高程面上，（隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球）以当地子午线作为中央子午线参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，长半径有一改正量,五、ITRF坐标框架简介,2.3 坐标系转换,不同空间直角坐标系的转换（七个转换参数）用基线向量求解转换参数,目的：将WGS-84坐标转化为地面网坐标,不同大地坐标系之间的转换（九个转换参数）大地坐标转换为高

13、斯平面坐标（高斯投影公式）,对于地面网原点,减去上式,2.4 时间系统,重要性：每给出卫星位置的同时，必须给出对应的瞬间时刻。卫星定轨时若要求卫星位置误差小于1cm时，相应的时刻误差应小于2.6s。测定站星距离时，若要求距离误差小于1cm，信号传播时间的误差应小于0.03ns。时间系统：尺度（时间单位）、原点（历元）,以地球自转为基础恒星时、平太阳时、世界时：以观测者的子午线为基准的时间。用天球上某些真实的或假想的参考点的时角来计量。与观测者的子午线有关，具有地方性以物质内部原子运动的特征为基础原子时、GPS时,2.4 时间系统,时间系统分类,2.3 时间系统,恒星时ST（Sidereal T

14、ime）,恒星日：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。一恒星日分为24个恒星时。恒星时具有地方性：同一瞬间不同测站的恒星时不同,2.3 时间系统,平太阳时MT（Mean Solar Time）,平太阳：一个天球上的假设点，在天球上的视运动是均匀的。平太阳日：平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔。平太阳时具有地方性,2.3 时间系统,世界时UT（Universal Time）,以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时与平太阳时尺度相同，但起算点不同UT1：在UT中加入极移改正。（仍广泛使用，但不再作为时间尺度，只表征地球自转相对恒星的角位置。）UT2：UT1加上地球自转速度季节性变化

15、,2.3 时间系统,2.3 时间系统,原子时ATI（International Atomic Time）,原子秒长：铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9,192,631,770周所持续的时间。起点：1958年1月1日0时0秒。,2.3 时间系统,协调世界时UTC（Coordinate Universal Time）,采用原子秒长，因原子时比世界时每年快约1秒，使用跳秒的方法使协调时与世界时的时刻接近，其差不超过1秒,GPS时间系统,2.3 时间系统,尺度：原子时秒长 原点：1980年1月6日协调世界时0时 与协调世界时的差异定期公布 与原子时有19秒的常量偏差,GPS时间系统与各种时间系统,2.3 时间系统,原子时,协调世界时,修正世界时,作 业,描述卫星和地面观测站的空间位置，应分别采用何种坐标系？原因是什么？为什么讲站心地平极坐标系可以描述卫星与观测站之间的相对位置信息？（要求用图说明）目前使用的时间系统有哪些主要分类？,