第二章、gps坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

1、第二章 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng),主要內(nèi)容,2.1 天球及天球坐標(biāo)系,2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系,2.3 GPS坐標(biāo)系統(tǒng),2.4 時(shí)間系統(tǒng),2.1.1天球主要點(diǎn)、線、圈,2.1 天球及天球坐標(biāo)系,定義：以空間某一點(diǎn)為中心、半徑為無(wú)窮大的一個(gè)圓球。,作用：天文學(xué)中通常把參考坐標(biāo)建立在天球上分類(lèi)：站心天球、地心天球、日心天球,天頂（Z）和天底（Z’）天軸（PP’）和天極（南、北天極）天球赤道面和天球赤道天球子午面和天球子午圈上子

2、午圈和下子午圈上赤道點(diǎn)Q和下赤道點(diǎn)Q’,天球上的主要點(diǎn)、線、圈,,,,子午線和東西南北點(diǎn)（E、W、S、N） 時(shí)圈,春分點(diǎn)和秋分點(diǎn),春分點(diǎn)和秋分點(diǎn),坐標(biāo)原點(diǎn),坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素,,坐標(biāo)軸指向,表示坐標(biāo)的參數(shù),2.1.2 天球坐標(biāo)系,天球坐標(biāo)系是以天球及天球上的點(diǎn)線圈為基礎(chǔ)所建立的坐標(biāo)系,天球坐標(biāo)系的定義,依天球中心的不同來(lái)劃分日心坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系、站心坐標(biāo)系,天球坐標(biāo)系的分類(lèi),依所依據(jù)的天球上的點(diǎn)線圈的不同來(lái)劃分時(shí)角赤道坐標(biāo)

3、系以天球赤道、子午面和上赤道點(diǎn)為依據(jù)用赤緯?和時(shí)角t表示,赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系以天球赤道、過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)圈和春分點(diǎn)為依據(jù)用赤經(jīng)?和赤緯?表示,黃道坐標(biāo)系以天球黃道、過(guò)春分點(diǎn)的黃經(jīng)圈和春分點(diǎn)為依據(jù)用黃經(jīng)l和黃維?表示,視差由于觀測(cè)者所處位置不同，而使觀測(cè)同一天體的方向發(fā)生變化，這種變化稱為視差。視差又有周年視差（恒星視差）、周日視差等之分。,地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系,視差,地心、站心與日心天球坐標(biāo)系的關(guān)系,恒星：采用赤經(jīng)?和

4、赤緯?表示 人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng)?、赤緯?和距離r表示,不同天體坐標(biāo)表示方法的不同,天球赤道坐標(biāo)系(? ,?, r) 和天球直角坐標(biāo)系(x,y,z),天球赤道坐標(biāo)系和天球直角坐標(biāo)系,轉(zhuǎn)換關(guān)系,歲差和章動(dòng)瞬時(shí)平天極、瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)（僅考慮歲差）,歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響,歲差、章動(dòng)導(dǎo)致春分點(diǎn)位置發(fā)生變化,瞬時(shí)真天極、瞬時(shí)天球真赤道和瞬時(shí)真春分點(diǎn)（考慮歲差和章動(dòng)的綜合影響）,歲差章動(dòng)對(duì)天球坐標(biāo)的影響,協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天

5、球坐標(biāo)系經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo)系,協(xié)議天球坐標(biāo)系（CIS）(1),當(dāng)前，國(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國(guó)際天文協(xié)議聯(lián)合會(huì)確定從1984年1月1日起采用為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn)Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn),當(dāng)前，國(guó)際上所采用的天球坐標(biāo)系國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國(guó)際天文協(xié)

6、議聯(lián)合會(huì)確定從1984年1月1日起采用,為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系Z軸指向J2000.0的平北天極X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn),協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系進(jìn)行歲差和章動(dòng)改正,協(xié)議天球坐標(biāo)系（CIS）(2),,特定時(shí)刻的真天球坐標(biāo),,章動(dòng)改正,特定時(shí)刻的平天球坐標(biāo),,J2000.0的平天球坐標(biāo)（協(xié)議天球坐標(biāo)）,歲差改正,1.地球直角坐標(biāo)系的定義 原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向

7、地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點(diǎn)，Y軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。,2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系,圖2-2 直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系,2.地球大地坐標(biāo)系的定義地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合?？臻g點(diǎn)位置在該坐標(biāo)系中表述為（L，B，H）。 地球直角坐標(biāo)系和地球大地坐標(biāo)系可用圖2-2表示：,對(duì)同一空間點(diǎn)，直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：,3. 直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)

8、換,地心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心,地心坐標(biāo)系與參心坐標(biāo)系,參心坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)不位于地球質(zhì)心,地心坐標(biāo)系和參心坐標(biāo)系的特點(diǎn)地心坐標(biāo)系適合于全球用途的應(yīng)用參心坐標(biāo)系適合于局部用途的應(yīng)用有利于使局部大地水準(zhǔn)面與參考橢球面符合更好保持國(guó)家坐標(biāo)系的穩(wěn)定有利于地心坐標(biāo)的保密,定義：由于地球內(nèi)部和外部的種種動(dòng)力學(xué) 因素，使得地球體對(duì)于自轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，因而引起了地極的移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱 為極

9、移。,極移,極移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量,極移的測(cè)定測(cè)定極移 – 通過(guò)測(cè)定緯度的變化ILS（后來(lái)的IPMS）和BIH國(guó)際協(xié)用原點(diǎn)CIO（1900-1905平均地極）極原點(diǎn)（JYD）（中國(guó)）,歲差、章動(dòng)和極移歲差、章動(dòng)造成天球坐標(biāo)的變化極移造成地球坐標(biāo)的變化,平地球坐標(biāo)系和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系,瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系 Z軸與瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸重合或平行的地球坐標(biāo)系,平地球坐標(biāo)系 Z軸

10、指向空間中某一固定點(diǎn)（平極）的地球坐標(biāo)系,平地球坐標(biāo)(X,Y,Z)和瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)(x,y,z)的轉(zhuǎn)換關(guān)系,瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系,早期的經(jīng)度零點(diǎn)1884，美，華盛頓國(guó)際經(jīng)度會(huì)議定義：通過(guò)英國(guó)Greenwich天文臺(tái)Airy儀中心的子午線為全球統(tǒng)一的起始子午線。起始子午線與赤道的交點(diǎn)稱為天文經(jīng)度零點(diǎn)。受板塊運(yùn)動(dòng)、局部地殼運(yùn)動(dòng)和極移的影響,經(jīng)度零點(diǎn)的問(wèn)題,格林尼治平均子午線由多個(gè)天文臺(tái)共同維持可減少板塊運(yùn)

11、動(dòng)、局部地殼運(yùn)動(dòng)和觀測(cè)誤差的影響,CIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn) 通過(guò)CIO和天文經(jīng)度零點(diǎn)的子午線稱為起始子午線，其與CIO赤道的交點(diǎn)稱為赤道參考點(diǎn)或CIO-BIH經(jīng)度零點(diǎn),幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系,,觀測(cè)瞬間的真天球□坐標(biāo)系,歲差、章動(dòng)改正,,旋轉(zhuǎn)SG角,觀測(cè)瞬間的真地球坐標(biāo)系,平地球坐標(biāo)系,極移改正,,,某一歷元的平天球坐標(biāo)系,WGS-84坐標(biāo)系,2.3 GPS坐標(biāo)系,國(guó)際地球參考框架(ITRF),北京54舊坐標(biāo)系,北京54新坐標(biāo)系,

12、WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)：WGS-84采用的橢球是國(guó)際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)第17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)推薦值，其四個(gè)基本參數(shù),WGS-84坐標(biāo)系,WGS-84的定義：WGS-84是修正NSWC9Z-2參考系的原點(diǎn)和尺度變化，并旋轉(zhuǎn)其參考子午面與BIH定義的零度子午面一致而得到的一個(gè)新參考系，WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道

13、的交點(diǎn)，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。它是一個(gè)地固坐標(biāo)系。,長(zhǎng)半徑： a=6378137±2（m）；地球引力常數(shù)： GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；正?；A帶諧系數(shù)： C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9； J2=108263×10-8,地球自轉(zhuǎn)角速度： ω=7292

14、115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1,國(guó)際地球參考架 （ITRF）,國(guó)際地球參考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球數(shù)百個(gè)SLR、VLBI和GPS站所構(gòu)成,–IGS精密星歷 –Z軸指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等 技術(shù)維持. –提供站坐標(biāo)及速度場(chǎng)信

15、息,WGS84與ITRF的關(guān)系WGS84地面站坐標(biāo)精度為1m到2m的精度，ITRF則為厘米級(jí)精度引力常數(shù)不同,WGS-84與ITRF的關(guān)系,WGS84與ITRF的轉(zhuǎn)換關(guān)系,（1）橢球參數(shù)有較大誤差。,1954年北京坐標(biāo)系,1. 1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊） 坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。 存在的問(wèn)題：,（2）參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面存在著自西

16、 向東明顯的系統(tǒng)性傾斜。,（4）定向不明確。,（3）幾何大地測(cè)量和物理大地測(cè)量應(yīng)用的參考 面不統(tǒng)一。,坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。參考橢球：1975年國(guó)際橢球。,1980年國(guó)家大地坐標(biāo)系（GDZ80）,平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。特點(diǎn)：（1）采用1975年國(guó)際橢球。,（2）參心大地坐標(biāo)系是在1954年北京坐標(biāo)系基 礎(chǔ)上建立起來(lái)的。,（3）橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境內(nèi)最為密

17、 合，是多點(diǎn)定位。,（4）定向明確。,（5）大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部。,（6）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。,新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由1980國(guó)家大地坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來(lái)的。 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。,新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）,參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。,BJ54新的特點(diǎn) ：（1）采用克拉索夫斯基橢球。（2）是綜合GDZ80和BJ54舊 建立起

18、來(lái)的參心坐標(biāo)系。,（3）采用多點(diǎn)定位。但橢球面與大地水準(zhǔn)面在 我國(guó)境內(nèi)不是最佳擬合。（4）定向明確。,（5）大地原點(diǎn)與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。（6）大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。,（7）與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同， 其定位相近，但定向不同。（8）BJ54舊 與BJ54新 無(wú)全國(guó)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參 數(shù)，只能進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。,2.4 時(shí)間系統(tǒng),沙瓶 - Sandglass,世

19、界時(shí),時(shí)間系統(tǒng)的分類(lèi),力學(xué)時(shí),原子時(shí),GPS時(shí),恒星時(shí),參考點(diǎn)：春分點(diǎn)定義：春分點(diǎn)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一恒星日。并由此派生出“時(shí)”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時(shí)。,數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。 有真恒星時(shí)與平恒星時(shí)之分,格林尼治恒星時(shí) － 格林尼治真恒星時(shí)（GAST - Greenwich Apparent Sidereal Time）與格林尼治平恒星時(shí)（GMST - Greenwich

20、 Mean Sidereal Time）,太陽(yáng)時(shí),參考點(diǎn)：太陽(yáng)定義：太陽(yáng)中心連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)地方上子午圈的時(shí)間間隔為一太陽(yáng)日。并由此派生出“時(shí)”、“分”、“秒”等單位；屬于地方時(shí)。,數(shù)值上等于太陽(yáng)中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。正午（0h）與子夜（12h）,有真太陽(yáng)時(shí)（t?）與平太陽(yáng)時(shí)（m），真太陽(yáng)日與平太陽(yáng)日,平太陽(yáng) – 周年視運(yùn)動(dòng)的軌跡在赤道面上；運(yùn)動(dòng)角速度恒定，且等于真太陽(yáng)的平均角速度。真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)之間的關(guān)系,定義：格林尼治零

21、子午線處的民用時(shí)稱為世界時(shí)。UT0、UT1與UT2,世界時(shí),問(wèn)題的引出：極移和地球自轉(zhuǎn)的不均勻（長(zhǎng)期趨勢(shì)變緩，且存在短周期變化和季節(jié)性變化）UT0：未經(jīng)改正的世界時(shí),UT1：引入極移改正（??）的世界時(shí)UT2：引入極移改正（??）和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)改正（ ?Ts）的世界時(shí),定義：根據(jù)行星在太陽(yáng)系中的運(yùn)動(dòng)所得到的時(shí)間，稱為力學(xué)時(shí)。,2.4.2 力學(xué)時(shí),,歷事（書(shū)）時(shí)歷書(shū)時(shí)是以太陽(yáng)系內(nèi)的天體公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的時(shí)間系統(tǒng)，其規(guī)定190

22、0年1月1日12h的回歸年長(zhǎng)度的1/31556925.9747為1歷書(shū)秒。在該瞬間，歷書(shū)時(shí)與世界時(shí)在數(shù)值上相同，其后關(guān)系如下,地球動(dòng)力學(xué)時(shí)太陽(yáng)系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDB與TDT的差別是有相對(duì)論效應(yīng)所引起的,定義1967年10月，第十三屆國(guó)際度量衡大會(huì)通過(guò)：位于海平面上的銫133（Cs133）原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為1原子時(shí)秒。（原子時(shí)秒長(zhǎng)的定義）,2.4.3 原子時(shí),原本規(guī)定AT與U

23、T2在1958年1月1日0h時(shí)相同，但實(shí)際相差0.0039秒，即：(AT-UT2)1958.0 = -0.0039秒。（原子時(shí)時(shí)刻的定義）,協(xié)調(diào)世界時(shí)（Universal Time Coordinated – UTC）與AT秒長(zhǎng)相同通過(guò)跳（閏）秒（Leap Seconds），與UT的差值保持在0.9秒內(nèi)（通常在6月30日24h或12月31日24h進(jìn)行跳秒）正閏秒（增加1秒）與負(fù)閏秒（去掉1秒）,國(guó)際原子時(shí)（Internationa

24、l Atomic Time – IAT）1977年建立通過(guò)100臺(tái)原子鐘比對(duì)求得國(guó)際原子時(shí)（IAT）與歷事（書(shū)）時(shí)（ET）,GPS時(shí)（GPS Time – GPST）原子時(shí)，1986年1月6日0h與UTC重合。IAT – GPST = 19s從1986年1月6日0h到目前（2002.9.17），UTC又跳（閏）了13秒,2.4.4 GPS時(shí),1. 什么是歲差和章動(dòng)?北天極在天球上是 怎樣運(yùn)動(dòng)？,思考題,2. 什么是天