1、第二節第二節 衛星坐標系統與時間系統衛星坐標系統與時間系統u描述衛星的位置天球坐標系u描述地球上的點的位置地球坐標系Slide 1目錄目錄u1、天球坐標系、天球坐標系u2、地球坐標系、地球坐標系u3、GPS坐標系統坐標系統u4、時間系統、時間系統 為什么提出坐標系？ 描述物體運動，必須有參照物,為描述物體運動而選擇的所有參照物叫參照系（參考系）。參照系是粗略的，不精確的，必須建立坐標系。準確和完善的描述物體的運動，觀測的結果模擬及 表示或解釋需要建立一個坐標系統。 怎樣定義一個坐標系？ 坐標系固連在參照系上，且與參照系同步運動。要完全定義一個三維空間直角坐標系必須明確指出： 坐標原點的位置。

2、三個坐標軸的指向。 長度單位。Przxyo左手坐標系空間直角坐標系符合右手法則或左手法則：xyzo右手坐標系注： 一經定義坐標系，空間一點對應一組坐標，坐 標系不同，坐標值也不同。 為什么選用空間直角坐標系？ 任一點的空 間位置可由該點在三個坐標面的投影（X，Y，Z）唯一地確定，通過坐標平移、旋轉和尺度轉換，可以將一個點的位置方便的從一個坐標系轉換至另一個坐標系。與某一空間直角坐標系所相應的大地坐標系（B，L，H），只是坐標表現形式不同，實質上是完全等價的，兩者之間可相互轉化。 GPS定位采用坐標系： 在GPS定位測量中，采用兩類坐標系，即天球坐標系與地球坐標系，兩坐標系的坐標原點均在地球的質

3、心，而坐標軸指向不同。天球坐標系是一種慣性坐標系，其坐標原點及各坐標軸指向在空間保持不變，用于描述衛星運行位置和狀態。地球坐標系隨同地球自轉，可看作固定在地球上的坐標系，用于描述地面觀測站的位置。 在空間的位置和方向應保持不變，或僅作勻速直線運動。1 天球坐標系和地球坐標系天球：指以地球質心M為中心，半徑r為任意長度 的一個假想的球體 。一、天球坐標系M黃道黃道Pnsn天球天球赤道赤道Ps天軸與天極：地球自轉軸的延伸直線為天軸；天軸與天球的交點Pn和Ps稱為天極，其中Pn為北天極，為Ps南天極。天球赤道面與天球赤道： 通過地球質心M與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。天球赤道面與天球相交的大圓，

4、稱為天球赤道。 黃道：地球公轉的軌道面 與天球相交的大圓。黃赤交角：黃道與赤道的 夾角。黃極：通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點。其中靠近北天極的交點為北黃極，靠近南天極的交點為南黃極。 春分點：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時，黃道與天球赤道的交點。注：春分點和天球道赤 面，是建立參考系的重要的基準點和基準面。近日點遠日點地球太陽春分點秋分點一、天球和天球坐標系一、天球和天球坐標系天球以地球質心為中心，半徑為任意長度的一個假想球體。Slide 101 1、天球、天球天軸:地球自轉軸的延伸線u天極:天軸與天球的交點u天球赤道面：通過地球質心，與天軸垂直的平面u天球子午面：包

5、含天軸,并通過天球上任何一點的平面Slide 11黃道和春分點黃道和春分點u黃道：地球公轉的軌道面與天球相交的大圓，即地球公轉時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的軌道u春分點：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時黃道與天球赤道的交點Slide 122 2、天球坐標系的兩種表示方法、天球坐標系的兩種表示方法u天球球面坐標系 (赤經，赤緯，向徑)u天球空間直角坐標系 (X,Y,Z)p11Slide 13M黃道黃道Pnsn 原點地球質心M Z軸指向天球北極Pn X軸指向春分點 Y軸垂直于XMZ平面， 與X軸和Z軸構成右 手坐標系統。 ZXY天球空間直角坐標（X，Y，Z）的定義：MzPs天球天

6、球赤道赤道Pnyxsyzxr 天球中心與地球質心M重合，赤經為含天軸和春分點的天球子午面與過天體s的天球子午面之間的夾角，赤緯為原點M至天體s的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑為原點M至天體s的距離。天球球面坐標（，）的定義： 對同一空間點，直角坐標系與其等效的球面坐標系參數間有如下轉換關系： coscosXcossinYsinZ222ZYXXYarctan22arctanYXZMzPs天球天球赤道赤道Pnxsyzxry3 3、建立天球坐標系的兩個問題、建立天球坐標系的兩個問題u實際地球的形狀近似一個赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉軸的方向

7、不再保持不變而使春分點在黃道上產生緩慢的西移歲差、章動P14、15Slide 17歲差：地球實際上不是一個理 想的球體，地球自轉軸 方向不再保持不變，這 使春分點在黃道上產生 緩慢的西移，這種現象 在天文學中稱為歲差。 歲差和章動的影響歲差產生的原因： 日月和其他天體對地球赤道隆起部分的吸引。 主要由日月引力引起。太陽的影響為月球影響的0.46。M黃道黃道Pnsn天球天球赤道赤道歲差周期：25800年，每年春分點西移50.371M黃道Pnsn天球赤道章動：在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極 將繞瞬時平北天極旋轉，大致呈橢圓，這 種現象稱為章動。 章動產生的主要原因： 月球軌道面（白道）位置的

8、變化。 章動的規律 章動的周期：18.6年 章動橢圓的長半軸：9.2 abr n章動橢圓歲差、章動疊加Pn 歲差章動的疊加效果M黃道Pnsn天球天球赤道赤道黃極天極 為了研究問題的方便，我們把歲差和章動分開研究，分別研究兩種現象的規律，然后再綜合疊加。 在歲差和章動的影響下，瞬時天球坐標系的坐標軸的指向在不斷的變化，將不能直接根據牛頓力學定律來研究衛星的運動規律。 地球的自轉軸不僅受日、月引力作用而使其在空間變化，而且還受地球內部質量不均勻影響在地球內部運動。前者導致歲差和章動，后者導致極移。 歲差、章動和極移的影響極移：地球自轉軸相對地球體的 位置并不是固定的，因而， 地極點在地球表面上的位

9、 置，是隨時間而變化的， 這種現象稱為極移。 研究分析表明，極移周期有兩種：一種周期約為一年，振幅約為0.1的變化；另一種周期約為432天，振幅約為0.2的變化，即張德勒（S.C.Chandler ）周期變化。 地極移動在平面上的投影1971.01975.01CIO-0.2 +0.2 +0.5 瞬時極：隨時間變化的極點。瞬時自轉軸：隨時間變化的自轉軸。 瞬時天球坐標系：原點：地球質心坐標軸指向：z軸指向瞬時地球自 轉軸x軸指向瞬時春分點y軸與x軸、z軸構成 右手坐標系M黃道黃道PnsnZXY 4、協議天球坐標系： 為了建立一個與慣性坐標系統相接近的坐標系，人們通常選擇某一時刻，作為標準歷元，并

10、將此刻地球的瞬時自轉軸（指向北極）和地心至瞬時春分點的方向，經過瞬時的歲差和章動改正后，分別作為X軸和Z軸的指向，由此建立的坐標系稱為協議天球坐標系。在空間的位置和方向應保持不變，或僅作勻速直線運動 協議天球坐標系觀測瞬間的平天球坐標系瞬時天球坐標系歲差章動 協議天球坐標系與瞬時天球坐標系的轉換：二、地球坐標系的定義二、地球坐標系的定義u地心空間直角坐標系u地心大地坐標系P12圖2-2思考：和參心坐標系統的定義有何區別？Slide 28 地球空間直角坐標系的定義： 原點O：地球質心 Z軸：指向地球北極Pn X軸：指格林尼治子午 面與地球赤道的交點E Y軸：垂直于XOZ平面， 與X軸和Y軸構成

11、右手坐標系。赤道赤道平面平面OPPSPNEZXYYXZ二、地球坐標系赤道赤道平面平面OP大地經度L大地緯度BnLB起始子午面起始子午面（首子午面）（首子午面） 大地坐標系的定義： 地球橢圓的中心與地球質心重合，橢球短軸與地球自轉軸重合，大地緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經度L為過地面點的橢球子午面與格林尼治平子午面之間的夾角，大地高H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。PSPNH 任一地面點P在地球坐標系中的坐標，可表示為（X，Y，Z）或（B，L，H），兩種坐標系之間的轉換為： LBHNXcoscos)(LBHNYsincos)(BHeNZsin)1 (2XYLarctan)

12、1 (/)(arctan222HeNYXHNZB)1 (sin/2eNBZH式中，BeaN22sin1/ ，N為該點的卯酉圈曲率半徑。 32三、GPS坐標系統 在在GPSGPS系統中，為了確定用戶接收機的位置，系統中，為了確定用戶接收機的位置，GPSGPS衛星的瞬時位置應當轉換到統一的地球坐標衛星的瞬時位置應當轉換到統一的地球坐標系中。系中。333.1 WGS-84大地坐標系 WGS（World Geodetic System）-84的定義：原點在地球質心，Z軸指向BIH（國際時間局）1984.0定義的協議地球極（CTP-Conventional Terrestrial Pole）方向，X軸指

13、向BIH1984.0的零度子午面 和CTP赤道的交點，Y軸和Z、 X軸構成右手坐標系。它是一 個地固坐標系。343.1 WGS-84大地坐標系 WGS-84坐標系（協議地球參考系）建于1987年，最初用于子午衛星系統（TRANSIT），到第二代衛星導航系統GPS時仍被采用。由這兩種系統測定的同一點位坐標和大地高存在偏差。之后，根據GPS在全球的跟蹤網站的觀測結果，對WGS-84進行修正，使得WGS-84框架的站坐標精度有了進一步提高。353.2 國家大地坐標系1954年北京坐標系 坐標原點坐標原點：前蘇聯的普爾科沃。：前蘇聯的普爾科沃。 參考橢球參考橢球：克拉索夫斯基橢球。：克拉索夫斯基橢球。

14、 平差方法平差方法：分區分期局部平差。：分區分期局部平差。 存在問題存在問題：（：（1 1）橢球參數有較大誤差。）橢球參數有較大誤差。 （2）參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統性傾斜。 （3）幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統一。 （4）定向不明確。36GPS坐標系統 1980年國家大地坐標系 坐標原點坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮。：陜西省涇陽縣永樂鎮。 參考橢球參考橢球：19751975年國際橢球。年國際橢球。 平差方法平差方法：天文大地網整體平差。：天文大地網整體平差。 特點特點：（：（1 1）采用）采用19751975年國際橢球。年國際橢球。 （2）參心大地坐標系

15、是在1954年北京坐標系基礎上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為密合，是多點定位。 （4）定向明確。 （5）大地原點地處我國中部。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。373.2 國家大地坐標系 新1954年北京坐標系（BJ54新） 新1954年北京坐標系（BJ54新）是由1980年國家大地坐標（GDZ80）轉換得來的。原1954年北京坐標系又稱為舊1954北京坐標系（BJ54舊）。由于在全國的以GDZ80為基準的測繪成果建立之前，BJ54舊的測繪成果仍將存在較長時間，而BJ54舊與GDZ80之間差距較大，給成果的使用帶來不便，因此建立BJ54新作為過渡坐標系。 38

16、3.3 國家大地坐標系l2000國家大地坐標系國家大地坐標系 由國家由國家GPS大地控制網、國家重力基本網及用常規大地測大地控制網、國家重力基本網及用常規大地測量技術建立的國家天文大地網聯合平差獲得的三維地心坐量技術建立的國家天文大地網聯合平差獲得的三維地心坐標系統。標系統。 四、時間系統四、時間系統u時間：包含時刻和時間間隔兩種意義時間：包含時刻和時間間隔兩種意義u時間系統：作為測時的基準，包含時間尺度時間系統：作為測時的基準，包含時間尺度（單位）和原點（起始歷元），一般來說任（單位）和原點（起始歷元），一般來說任何一個可觀測的周期運動現象，只要滿足：何一個可觀測的周期運動現象，只要滿足：連

17、續性，穩定性，復現性均可作為時間基準連續性，穩定性，復現性均可作為時間基準Slide 394.1 4.1 常用的時間系統常用的時間系統u世界上現在通用的世界上現在通用的時間系統時間系統時什么？時什么？時間的單位尺度時間的單位尺度不同；不同；度量時間的時鐘度量時間的時鐘不同不同Slide 401 1、世界時系統、世界時系統世界時系統世界時系統恒星時恒星時春分點春分點太陽時太陽時太陽太陽根據天體的周日視運根據天體的周日視運動反映地球的自轉；動反映地球的自轉；平太陽時平太陽時平太陽平太陽Slide 41恒星時恒星時v恒星時選取春分點作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統。參照于遙遠

18、星體的地球自轉周期參考點：一個天體或天球上某個特殊點測站點子午圈參考點連續兩次經過測站點子午圈的時間段Slide 42太陽時太陽時參照于太陽的地球自轉周期v太陽時選取太陽作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統。Slide 43平太陽時平太陽時v太陽時的問題太陽時的問題真太陽的周日視運動不均勻，并真太陽的周日視運動不均勻，并不嚴格等于地球自轉周期。冬長夏短，最長和最短不嚴格等于地球自轉周期。冬長夏短，最長和最短可相差可相差51秒；秒；v平太陽平太陽假設一個參考點的運動速度等于真太陽假設一個參考點的運動速度等于真太陽周年視運動平均速度，且該點在赤道上作周年運動。周年視運動平均速度

19、，且該點在赤道上作周年運動。v平太陽時平太陽時以平太陽的周日視運動為基礎建立的以平太陽的周日視運動為基礎建立的時間系統。時間系統。Slide 44世界時世界時UTUT世界時世界時以平子夜為零時的格林尼治平太陽時以平子夜為零時的格林尼治平太陽時UTUT極移改正極移改正UT1UT1地球自轉地球自轉速度改正速度改正UT2UT2v長期變化：潮汐影響使地球自轉速度變慢；v季節性變化：大氣層中的氣團歲季節變化；v不規則變化：地球內部的物質運動；Slide 454.2 原子時系統原子時系統u1.隨著科學技術的發展對時間系統準確度和穩定隨著科學技術的發展對時間系統準確度和穩定度要求的不斷提高，人們發現世界時系

20、統并不是度要求的不斷提高，人們發現世界時系統并不是一個嚴格均勻的時間系統。一個嚴格均勻的時間系統。u2.物質內部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻物質內部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率具有很高的穩定性，所以人們在率具有很高的穩定性，所以人們在20世紀世紀50年年代建立了以物質內部原子運動特征為基礎的原子代建立了以物質內部原子運動特征為基礎的原子時系統。時系統。4.2 4.2 原子時原子時ATIATIv原子時秒長原子時秒長位于海平面的銫位于海平面的銫133133原子基態兩原子基態兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩91926317709192631770周所持續的時間，為一原子時秒。周所