GPS坐标系统和时间系统.ppt

GPS原理及应用 第二章 GPS坐标系统和时间系统 主要内容 2.1 2.1 天球及天球坐标系 2.2 协议地球坐标系 2.3 GPS坐标系统 2.4 时间系统 2.1.1天球主要点、线、圈 2.1 天球及天球坐标系 定义：以空间某一点为中心、半径为无穷大的 一个圆球。 作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上 分类：站心天球、地心天球、日心天球 天顶（Z）和天底（Z） 天轴（PP）和天极（南、北天极） 天球赤道面和天球赤道 天球子午面和天球子午圈 上子午圈和下子午圈 上赤道点Q和下赤道点Q 天球上的主要点、线、圈 子午线和东西南北点（E、W、S、N） 时圈 春分点和秋分点 春分点和秋分点 v坐标原点 坐标系统建立的三要素 z y x A(X,Y,Z) Z Y X O 起始子午面 赤道 v坐标轴指向 v表示坐标的参数 2.1.2 天球坐标系 天球坐标系是以天球及天球上的点 线圈为基础所建立的坐标系 天球坐标系的定义 v 依天球中心的不同来划分 日心坐标系、地心坐标系、站心坐标系 天球坐标系的分类 v依所依据的天球上的点线圈的不同来划分 时角赤道坐标系 以天球赤道、子午面和上赤道点为依据 用赤纬和时角t表示 v赤经赤道坐标系 以天球赤道、过春分点的时圈和春分点 为依据 用赤经和赤纬表示 v黄道坐标系 以天球黄道、过春分点的黄经圈和春分 点为依据 用黄经l和黄维表示 v视差 由于观测者所处位置不同，而使 观测同一天体的方向发生变化， 这种变化称为视差。视差又有周 年视差（恒星视差）、周日视差 等之分。 地心、站心与日心天球坐标系的关系 视差 v地心、站心与日心天球坐标系的关 系 v 恒星：采用赤经和赤纬表示 v 人造地球卫星：采用赤经、赤纬和距离r表 示 不同天体坐标表示方法的不同 v 天球赤道坐标系( , r) 和天球直角坐 标系(x,y,z) 天球赤道坐标系和天球直角坐标系 v 转换关系 岁差和章动 瞬时平天极、瞬时天球平赤道和瞬 时平春分点（仅考虑岁差） 岁差章动对天球坐标的影响 岁差、章动导致春分点位置发生变化 瞬时真天极、瞬时天球真赤道和 瞬时真春分点（考虑岁差和章 动的综合影响） 岁差章动对天球坐标的影响 协议天球坐标系协议天球坐标系 经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系 协议天球坐标系（CIS）(1) 当前，国际上所采用的天球坐标系 国际大地测量协会和国际天文协议联合会确 定从1984年1月1日起采用 为2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐 标系 Z轴指向J2000.0的平北天极 X轴指向J2000.0的平春分点 Z轴指向J2000.0的平北天极 X轴指向J2000.0的平春分点 当前，国际上所采用的天球坐标系 国际大地测量协会和国际天文协议联合会 确定从1984年1月1日起采用 为2000年1月15日12h（J2000.0）的平天 球坐标系 Z轴指向J2000.0的平北天极 X轴指向J2000.0的平春分点 协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系 进行岁差和章动改正 协议天球坐标系（CIS）(2) 特定时刻的 真天球坐标 章动改正 特定时刻的 平天球坐标 J2000.0的平天球坐标 （协议天球坐标） 岁差改正 1.地球直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X 轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点 ，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。 2.2 协议地球坐标系 图2-2 直角坐标系和大地坐标系 2.地球大地坐标系的定义 地球椭球的中心与地球质心重 合椭球的短轴与地球自转轴重 合。空间点位置在该坐标系中 表述为（L，B，H）。 地球直角坐标系和地球大 地坐标系可用图2-2表示： 对同一空间点，直角坐标系与大地坐标 系参数间有如下转换关系： 3. 直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 v地心坐标系 坐标原点位于地球质心 地心坐标系与参心坐标系 v参心坐标系 坐标原点不位于地球质心 v地心坐标系和参心坐标系的特点 地心坐标系适合于全球用途的应用 参心坐标系适合于局部用途的应用 有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合 更好 保持国家坐标系的稳定 有利于地心坐标的保密 定义：由于地球内部和外部的种种动力学 因素，使得地球体对于自转轴产生相对 运 动，因而引起了地极的移动，这种现象 称 为极移。 极移 极移包括 Chandlar分量（周期1.2年）和周年分量 极移的测定 测定极移 通过测定纬度的变化 ILS（后来的IPMS）和BIH 国际协用原点CIO（1900-1905平均地极） 极原点（JYD）（中国） 岁差、章动和极移 岁差、章动造成天球坐标的变化 极移造成地球坐标的变化 平地球坐标系和瞬时（真）地球坐标系 v瞬时（真）地球坐标系 Z轴与瞬时地球自转轴重合或平 行的地球坐标系 v平地球坐标系 Z轴指向空间中某一固定点（平极 ）的地球坐标系 平地球坐标(X,Y,Z)和瞬时（真）地 球坐标(x,y,z)的转换关系 瞬时（真）地球坐标系与瞬时天球坐标系的关系 v早期的经度零点 1884，美，华盛顿国际经度会议定义：通过英 国Greenwich天文台Airy仪中心的子午线为全 球统一的起始子午线。起始子午线与赤道的交 点称为天文经度零点。 受板块运动、局部地壳运动和极移的影响 经度零点的问题 v格林尼治平均子午线 由多个天文台共同维持 可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的 影响 CIO-BIH经度零点 通过CIO和天文经度零点的子午线 称为起始子午线，其与CIO赤道的 交点称为赤道参考点或CIO-BIH经 度零点 几种常用坐标系之间的关系 观测瞬间的真 天球坐标系 岁差、章动改正 旋转SG角 观测瞬间的真 地球坐标系 平地球坐标系 极移改正 某一历元的平 天球坐标系 vWGS-84坐标系 2.3 GPS坐标系 v国际地球参考框架(ITRF) v北京54旧坐标系 v北京54新坐标系 WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球 是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地 测量常数推荐值，其四个基本参数 WGS-84坐标系 WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系 的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定 义的零度子午面一致而得到的一个新参考系，WGS- 84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定 义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0 的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成 右手坐标系。它是一个地固坐标系。 长半径： a=63781372（m）； 地球引力常数： GM=3986005108m3s-20.6108m3s-2； 正常化二阶带谐系数： C20= -484.1668510-61.310-9； J2=10826310-8 地球自转角速度： =729211510-11rads-10.15010-11rads- 1 国际地球参考架 （ITRF） 国际地球参考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球数百个SLR、 VLBI和GPS站所构成 IGS精密星历 Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS 等 技术维持. 提供站坐标及速度场信息 WGS84与ITRF的关系 WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度 ，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同 WGS-84与ITRF的关系 WGS84与ITRF的转换关系 （1）椭球参数有较大误差。 1954年北京坐标系 1. 1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。 存在的问题： （2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西 向东明显的系统性倾斜。 （4）定向不明确。 （3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考 面不统一。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 1980年国家大地坐标系（GDZ80） 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基 础上建立起来的。 （3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密 合，是多点定位。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980 国 家大地坐标（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 新1954年北京坐标系（BJ54新） 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参 心坐标系。 （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在 我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同 ， 其定位相近，但定向不同。 （8）BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参 数，只能进行局部转换。 2.4 时间系统 沙瓶 - Sandglass v世界 时 时间系统的分类 v力学时 v原子时 vGPS时 恒星时 参考点：春分点 定义：春分点两次经过地方上子午圈的时间间 隔为一恒星日。并由此派生出“时”、“分 ”、“秒”等单位；属于地方时。 数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 。 有真恒星时与平恒星时之分 格林尼治恒星时 格林尼治真恒星时 （GAST - Greenwich Apparent Sidereal Time）与格林尼治平恒星时（GMST - Greenwich Mean Sidereal Time） 太阳时 参考点：太阳 定义：太阳中心连续两次经过地方上子 午圈的时间间隔为一太阳日。并由此 派生出“时”、“分”、“秒”等单 位；属于地方时。 数值上等于太阳中心相对于本地子午圈 的时角。 正午（0h）与子夜（12h） 有真太阳时（t）与平太阳时（m） ，真太阳日与平太阳日 平太阳 周年视运动的轨迹在赤道面上 ；运动角速度恒定，且等于真太阳的平均 角速度。 真太阳时与平太阳时之间的关系 定义：格林尼治零子午线处的民用时称为 世界时。 UT0、UT1与UT2 世界时 问题的引出：极移和地球自转的不均 匀（长期趋势变缓，且存在短周期变 化和季节性变化） UT0：未经改正的世界时 UT1：引入极移改正（）的世界时 UT2：引入极移改正（）和地球自转 速度的季节改正（ Ts）的世界时 定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时 间，称为力学时。 2.4.2 力学时 历事（书）时 历书时是以太阳系内的天体公转运动为基 础的时间系统，其规定1900年1月1日12h的 回归年长度的1/31556925.9747为1历书秒 。在该瞬间，历书时与世界时在数值上相 同，其后关系如下 地球动力学时太阳系质心力学时 TDB与TDT的差别是有相对论效应所引 起的 定义 1967年10月，第十三届国际度量衡大会通 过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子 基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐 射振荡9192631770周所持续的时间为1原子 时秒。（原子时秒长的定义） 2.4.3 原子时 原本规定AT与UT2在1958年1月1日0h时相 同，但实际相差0.0039秒，即：(AT- UT2)1958.0 = -0.0039秒。（原子时时刻的 定义） 协调世界时（Universal Time Coordinated UTC ） 与AT秒长相同 通过跳（闰）秒（Leap Seconds），与UT的差 值保持在0.9秒内（通常在6月30日24h或12月 31日24h进行跳秒） 正闰秒（增加1秒）与负闰秒（去掉1秒） 国际原子时（International