GPS坐标系统和时间系统分解.pptx
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1、GPSGPS原理与应用原理与应用第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Chapter 2 Coordinate and Time SystemChapter 2 Coordinate and Time System测绘工程系主讲:刘辉第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System主要内容主要内容The main contents2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系 Conventional Celestial Sphere Coordinate System2.2 2.2
2、 协议地球坐标系协议地球坐标系Conventional Earth Coordinate System2.3 WGS-842.3 WGS-84坐标系和我国的大地坐标系坐标系和我国的大地坐标系World Geodetic System-1984 1984 and our national Geodetic Coordinate System2.4 2.4 时间系统时间系统 Time System第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和
3、时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System 坐坐标标系系统统与与时时间间系系统统是是描描述述卫卫星星运运动动,处处理理观观测测数数据据和和表表达达观观测测站站位位置置的的数数学学与与物物理理基基础础。所所以以,了了解解GPSGPS测测量量中中的的些些常常用用坐坐标标系系统统和和时时间间系系统统,熟熟悉悉它它们们各各自自间间的的转转换换关关系系,是是极极为为重重要要的的。本本章章将将主主要要介介绍绍天天球球坐坐标标系系与与地地球球坐坐标标系系,以以及及有有关关时时间系统的概念。间系统的概念。概概 述述第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系
4、统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System 一类是在空间固定的坐标系统(空固系)一类是在空间固定的坐标系统(空固系)。这类坐标系统与地球自转无关,对于这类坐标系统与地球自转无关,对于描述卫星的运描述卫星的运行位置和状态行位置和状态极为方便。严格说来,卫星的运动理极为方便。严格说来,卫星的运动理论是根据牛顿引力定律,在惯性坐标系统中建立起论是根据牛顿引力定律,在惯性坐标系统中建立起来的,而惯性坐标系统在空间的位置和方向应保持来的,而惯性坐标系统在空间的位置和方向应保持不变,或仅作匀速直线运动。但是,实际上严格满不变,或仅作匀速直线
5、运动。但是,实际上严格满足这一条件是困难的。在天体测量中,惯性参考系足这一条件是困难的。在天体测量中,惯性参考系一般都是通过基本星表坐标系统来近似实现的。一般都是通过基本星表坐标系统来近似实现的。另一类是与地球体相固联的坐标系统(地另一类是与地球体相固联的坐标系统(地固坐标系)固坐标系)。这类坐标系统对于。这类坐标系统对于表达地面观测站的表达地面观测站的位置位置和处理和处理GPSGPS观测成果尤为方便。它在经典大地观测成果尤为方便。它在经典大地测量学测量学(Geodesy)中,具有多种表达形式和极为广中,具有多种表达形式和极为广泛的应用。泛的应用。第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐
6、标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System 坐标系统是由原点坐标系统是由原点(origin)位置、坐标轴位置、坐标轴(Coordinate axis)的指向和尺度的指向和尺度(Scale)所定义的。所定义的。在在GPSGPS测量中测量中,坐标系的原点一般取地球的质心坐标系的原点一般取地球的质心(the mass center of the earth),而坐标轴的指向,而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便,国际上都具有一定的选择性。为了使用上的方便,国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向,通过协议来确定某些
7、全球性坐标系统的坐标轴指向,这种共同确认的坐标系,通常称为这种共同确认的坐标系,通常称为协议坐标系协议坐标系(Conventional Coordinate System)。第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统Coordinate and Time System第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系一、天球的基本概念一、天球的基本概念 天球天球:是指以地是指以地球质心球质心M为中心,为中心,半径半径r为任意长度的为任意长度的一个假
8、想的球体。一个假想的球体。Conventional Celestial Coordinate System2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系 在天文学中,通常均在天文学中,通常均把天体把天体(celestial bodies)投影投影(project)到到天球的球面,并利用球面天球的球面,并利用球面坐标系统来表达或研究天坐标系统来表达或研究天体的位置及天体之间的关体的位置及天体之间的关系。为了建立球面坐标系系。为了建立球面坐标系统,必须确定球面上的一统,必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。些参考点、线、面和圈。在全球定位系统中,为描在全球定位系统中,为描述卫星的位置也将涉及到述卫
9、星的位置也将涉及到这些概念。这些概念。第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 通过地球质心并与天轴垂直的平面,称为天球赤道面。通过地球质心并与天轴垂直的平面,称为天球赤道面。这时天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相这时天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。交的大圆称为天球赤道。地球自转轴的延伸称为天地球自转轴的延伸称为天轴;天轴与天球的交点轴;天轴与天球的交点Pn、Ps称为天极称为天极,其中其中Pn
10、称为北天极,称为北天极,Ps称为南天极。称为南天极。2 2、天球赤道面与天球赤道、天球赤道面与天球赤道 1 1、天轴和天极、天轴和天极(celestial axis and celestial pole)第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 包含天轴并通过地球上包含天轴并通过地球上任一点的平面,称为天球任一点的平面,称为天球子午面子午面(Meridian Plane;Meridional)。而天球子午而天球子午面与天球相交的大圆称为面与天球相交的大圆称为天球子午圈天球子午圈(Celestial Meridian)。3 3、天球子午面
11、与天球子午圈、天球子午面与天球子午圈 通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。4 4、时圈、时圈第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统5 5、黄道、黄道(ecliptic)(ecliptic)地球公转的轨道与天球地球公转的轨道与天球相交的大圆,即当地球绕太相交的大圆,即当地球绕太阳公转时,地球上的观测者阳公转时,地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动所见到的太阳在天球上运动的轨迹。黄道面与赤道面的的轨迹。黄道面与赤道面的夹角夹角 称为称为黄赤交角黄赤交角,约为,约为23.5。(Obliquity of
12、the ecliptic)The intersection plane of the earths orbit with the celestial sphere,along which the sun appears to move as viewed from the earth.第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 通过天球中心,且垂直通过天球中心,且垂直于黄道面的直线与天球的交于黄道面的直线与天球的交点,其中靠近北天极的交点点,其中靠近北天极的交点 n,称为北黄极,靠近南天称为北黄极,靠近南天极的交点极的交点 s称为南黄极。
13、称为南黄极。6 6、黄极、黄极(ecliptic pole)(ecliptic pole)第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 当太阳在黄道上从天球当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时,黄南半球向北半球运行时,黄道与地球赤道的交点道与地球赤道的交点。在。在天文学和卫星大地测量学中,天文学和卫星大地测量学中,春分点和天球赤道面,是建春分点和天球赤道面,是建立参考系的重要基准点和基立参考系的重要基准点和基准面。准面。7 7、春分点、春分点(equinox)Either of two points on the celestial s
14、phere at which the ecliptic intersects the celestial equator.空间直角坐标系空间直角坐标系:the spatial rectangle coordinate system球面坐标系球面坐标系:the spherical coordinate system 天球坐标系天球坐标系:Celestial Coordinate System第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统二、天球坐标系二、天球坐标系 任一天体的位置,在天球任一天体的位置,在天球坐标系中可用两种形式来描述。坐标系中
15、可用两种形式来描述。1、天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系 在天球空间直角坐标系中,天体的坐标为在天球空间直角坐标系中,天体的坐标为(X,Y,Z)。原点位于地球质心原点位于地球质心M;Z轴指向天球北极轴指向天球北极Pn ,X轴轴指向春分点指向春分点,Y轴垂直于轴垂直于XMZ平面,与平面,与X轴和轴和Z轴构轴构成右手坐标系统。成右手坐标系统。第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统二、天球坐标系二、天球坐标系 2、天球球面坐标系天球球面坐标系 原点位于地球质心原点位于地球质心M,赤赤经经为含天轴和春分点的天球为含天轴和春分点的天球子午面
16、与过天体子午面与过天体S的天球子午的天球子午面之间的夹角;赤纬面之间的夹角;赤纬为原点为原点M至天体至天体S的连线与天球赤道的连线与天球赤道面之间的夹角,向径长度面之间的夹角,向径长度r为为原点原点M至天体至天体S的距离。的距离。在天球球面坐标系中,天体的坐标为在天球球面坐标系中,天体的坐标为(,r)。GAMIT第二章第二章第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 3、天球空间直角坐标和球面坐标的关系天球空间直角坐标和球面坐标的关系 在实践中,以上关于天球坐标系的两种表达形式,应用都很普在实践中,以上关于天球坐标系的两种表达形式,应用都很普遍。遍。
17、由于它们和地球的自转无关,所以对于描述天体或人造地球卫由于它们和地球的自转无关,所以对于描述天体或人造地球卫星的位置和状态是方便的。星的位置和状态是方便的。第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 天球坐标系的建立,是基于天球坐标系的建立,是基于假设地假设地球为均质的球体球为均质的球体,且,且没有其它天体摄动没有其它天体摄动力影响力影响的理想情况,即假定地球的自转的理想情况,即假定地球的自转轴在空间的方向是固定的,因而春分点轴在空间的方向是固定的,因而春分点在天球上的位置保持不变。但是,实际在天球上的位置保持不变。但是,实际上上地球的形体接近于一个赤道隆起的椭地球的形体接近于一个赤道
18、隆起的椭球体球体,因此,在日月引力和其它天体引,因此,在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下,地球在绕力对地球隆起部分的作用下,地球在绕太阳运行时,自转轴的方向不再保持不太阳运行时,自转轴的方向不再保持不变,从而使春分点在赤道上产生缓慢的变,从而使春分点在赤道上产生缓慢的西移,这种现象在天文学中称为西移,这种现象在天文学中称为岁差。岁差。三、岁差与章动(三、岁差与章动(precession and nutation )1 1)地球的非球形影响)地球的非球形影响岁差现象岁差现象第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 在岁差的影响下,在岁差的影响下,地球自转轴在空间绕北地球自转
19、轴在空间绕北黄极产生缓慢的旋转黄极产生缓慢的旋转(从北天极上方观察为从北天极上方观察为顺时针方向顺时针方向,以下同,以下同),因而使北天极以同样,因而使北天极以同样的方式在天球上绕北黄的方式在天球上绕北黄极产生旋转。极产生旋转。第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 如果如果月球的引力及其运行的轨道都月球的引力及其运行的轨道都是固定不变的,同时忽略其它行星引力是固定不变的,同时忽略其它行星引力的微小影响的微小影响,那么日月引力的影响,仅,那么日月引力的影响,仅将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢地旋转,构成一个圆锥面;这时,在天地旋转,构成一个圆锥面
20、;这时,在天球上,北天极的轨迹近似地构成一个以球上,北天极的轨迹近似地构成一个以北黄极北黄极 n为中心,以黄赤交角为中心,以黄赤交角 为半径为半径的小圆。在这个小圆上,北天极每年西的小圆。在这个小圆上,北天极每年西移约为移约为50.37150.371。周期大约为。周期大约为2580025800年。年。地球自转轴在空间的方向变化,主要是由日月引力共地球自转轴在空间的方向变化,主要是由日月引力共同作用的结果,其中又以月球的引力影响为最大。由于太同作用的结果,其中又以月球的引力影响为最大。由于太阳远较月球距地球为远,所以其引力的影响仅为月球影响阳远较月球距地球为远,所以其引力的影响仅为月球影响的的0
21、.460.46倍。倍。第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 在天球上,这种规律运在天球上,这种规律运动的北天极,通常称为瞬时动的北天极,通常称为瞬时平北天极平北天极(或简称为平北天极或简称为平北天极),而与之相应的天球赤道和,而与之相应的天球赤道和春分点,称为瞬时天球平赤春分点,称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点。道和瞬时平春分点。instantaneous average north celestial pole 第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 在太阳和其它行星引力的影响下,在太阳和其它行星引力的影响下,月球的运行轨道以及月地之月球的运行轨道以及月地之间的距离
22、都是不断变化的间的距离都是不断变化的,所以,北天极在天球上绕北黄极旋转的,所以,北天极在天球上绕北黄极旋转的轨迹,实际上要复杂得多。轨迹,实际上要复杂得多。2 2)月地距变化)月地距变化章动现象章动现象 如果把观测时的北天极称为瞬时如果把观测时的北天极称为瞬时北天极北天极(或称真北天极或称真北天极),而与之相应,而与之相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点道和瞬时春分点(或称真天球赤道和或称真天球赤道和真春分点真春分点),那么在日月引力等因素,那么在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转,大致成椭圆
23、形轨迹,天极产生旋转,大致成椭圆形轨迹,其长半径约为其长半径约为9.29.2,周期约为,周期约为18.618.6年。年。这种现象称为这种现象称为章动章动。第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 3)如何为了描述北天极在天球上的运动如何为了描述北天极在天球上的运动 通常均把这种复杂的运通常均把这种复杂的运功,分解为功,分解为两种规律的运两种规律的运动,首先是平北天极绕北动,首先是平北天极绕北黄极的运动,这就是上面黄极的运动,这就是上面介绍的岁差现象;其次是介绍的岁差现象;其次是瞬时北天极绕平北天极顺瞬时北天极绕平北天极顺时针的转功,即章动现象。时针的转功,即章动现象。在岁差和章动的共
24、同影响在岁差和章动的共同影响下,瞬时北天极绕北黄极下,瞬时北天极绕北黄极旋转的轨迹,实际上如右旋转的轨迹,实际上如右图所示。图所示。第二章第二章 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统 在岁差和章动的影响下,瞬时天球坐标系的坐标轴指在岁差和章动的影响下,瞬时天球坐标系的坐标轴指向是在不断地旋转。在这种非惯性坐标系统中,不能直接向是在不断地旋转。在这种非惯性坐标系统中,不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。为了建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系,人们为了建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系,人们通常选择某一时刻通常选择某一时刻t0作为标准历元作为标准历元
25、(epoch),并将此时刻地,并将此时刻地球瞬时自转轴球瞬时自转轴(指向北极指向北极)和地心至瞬时春分点的方向,经和地心至瞬时春分点的方向,经该时刻的岁差和章动改正后,分别作为该时刻的岁差和章动改正后,分别作为Z轴和轴和X轴的指向。轴的指向。由此所构成的空固坐标系,称为所取标推历元由此所构成的空固坐标系,称为所取标推历元t0的平天球的平天球坐标系或协议天球坐标系,也称协议惯性坐标系坐标系或协议天球坐标系,也称协议惯性坐标系(Conventional Inertial SystemCIS)。天体的星历通常天体的星历通常都是在该系统中表示的。都是在该系统中表示的。四、四、协议天球坐标系的定义和换算
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- GPS 坐标 系统 时间 分解
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