坐标与时间系统课件(PPT 61页).ppt

第2章坐标与时间系统,昆明理工大学国防科技大学,2020/6/3,3STF,2,主要内容,2.1地球及其地球网格2.2天球及其模型2.3地球坐标系统2.4天球坐标系统2.5常用坐标系统简介2.6时间系统2.7小结,2020/6/3,3STF,3,2.1地球及其地球网格,地图要素：代表地球表面的空间要素。坐标系：地图要素的位置是基于坐标系的。地理网格：空间要素的位置是基于用经度和纬度表示的地理网格的。什么是经线（Latitude）？什么是纬线（Longitude）？地面上点位的确定:通常用经度和纬度来决定。,2020/6/3,3STF,4,2.1地球及其地球网格,2020/6/3,3STF,5,2.1地球及其地球网格,描述和表现地理空间建立地球表面的几何模型如何建立地球表面的几何模型？用一种球体来表示：地球椭球体由一个椭圆绕其短轴旋转而成的地球椭球体的表示：长半径a和短半径b或一个半径和扁率=(ab)/b,2020/6/3,3STF,6,2.1地球及其地球网格,如何选择地球椭球体的长半径a和短半径b？为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。用地球的自然表面？用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面。,2020/6/3,3STF,7,2.1地球及其地球网格,2020/6/3,3STF,8,2.1地球及其地球网格,2020/6/3,3STF,9,2.1地球及其地球网格,但是：大地水准面仍然有起伏。因此：与局部地区（一个或几个国家）的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球体（基准椭球）。例如：克拉索夫斯基，1940，6378245，298.3，北京54坐标系IAG-75，1975，6378140，298.257，国家80坐标系WGS-84，1984，6378137，298.257223563美国,2020/6/3,3STF,10,2.2天球及其模型,什么是天球？以空间某一点（例如观察者）为中心、半径为无穷大的一个圆球。半径是任意长，观测者任何移动，球面形状不变。,2020/6/3,3STF,11,2.2天球及其模型,地平线与天顶,2020/6/3,3STF,12,2.2天球及其模型,观察者与地平线,2020/6/3,3STF,13,2.2天球及其模型,观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系,2020/6/3,3STF,14,2.2天球及其模型,天轴：地轴的延长线，叫做天轴。天极：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是北天极（P），在南极上空的是南天极（P）。天球赤道：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天球）。天球子午圈（面）：通过天极的大圆，叫做（天）子午圈，相应的平面就是天球子午面。,2020/6/3,3STF,15,2.2天球及其模型,2020/6/3,3STF,16,2.2天球及其模型,黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，称为黄道。即当地球绕太阳公转时，地球上的观察者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角，称为黄赤交角，约为23.5度。春分点：定义当太阳在黄道上从南半天球向北半天球运动时，黄道与天球赤道的交点，称为春分点。春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。,2020/6/3,3STF,17,2.2天球及其模型,2020/6/3,3STF,18,2.2天球及其模型,日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动：岁差、章动。岁差？春分点在恒星间的位置不是固定不变的。使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约50.37s。使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间的同一位置的时刻要早一些。回归年的长度比恒星年的长度短。这一现象称为岁差。,2020/6/3,3STF,19,2.2天球及其模型,地球轴的进动（岁差）,2020/6/3,3STF,20,2.2天球及其模型,章动？地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆动为章动。极移？地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为305天。地极的这种运动，称为极移。,2020/6/3,3STF,21,2.2天球及其模型,2020/6/3,3STF,22,2.2天球及其模型,极移与岁差、章动对坐标系的影响？它们是完全不同的地球物理现象。岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变化，但是地球内部的相对位置并没有变化。岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地球表面经度和纬度的改变。极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引起地球表面上各地经度和纬度的变化。,2020/6/3,3STF,23,2.3地球坐标系统,地球坐标系是围绕地球椭球建立起来的。又称为全球坐标系统（GlobalCoordinateSystem）或大地坐标系。以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置的参考系。如何确定坐标系？选择了相应的椭球确定坐标原点及其坐标轴的方向确定它与大地水准面的相关关系,2020/6/3,3STF,24,2.3地球坐标系统,空间直角坐标系原点位于地球椭球的中心EarthCentered,EarthFixedCartesiancoordinatesZ轴指向地球的自转轴北极X轴指向格林威治子午线与地球赤道的交点Y轴位于赤道面上按右手系与X轴呈90度夹角,2020/6/3,3STF,25,2.3地球坐标系统,赤道和本初子午线,2020/6/3,3STF,26,2.3地球坐标系统,大地坐标系和空间直角坐标系,2020/6/3,3STF,27,2.3地球坐标系统,球面坐标系以参考椭球中心为原点。用大地经纬度和大地高程来描述空间点位置。用（B,L,H）来表示。纬度B和经度L表示，其中高度H为空间点到椭球面的垂直距离。问题：由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测得的大地坐标之间存在一定的差异。,2020/6/3,3STF,28,2.3地球坐标系统,地图投影地球椭球面是不可展曲面我们习惯操作的纸质地图和数字地图是建立在二维平面坐标基础上的需要把球形的地球表面的点映射到一个平面上这种从球形表面到平面的转换就称为地图投影实质就是建立地球椭球面上点的坐标（m,n）与平面上对应的坐标（x,y）之间的函数关系,2020/6/3,3STF,29,2.3地球坐标系统,2020/6/3,3STF,30,2.3地球坐标系统,地图投影的种类不同的投影方式具有不同的形态和变形特征常见的投影是把参考椭球向一个几何投影面投影圆柱投影：圆柱为投影面的投影称为圆柱投影圆锥投影：以圆锥面为投影面的投影称为圆锥投影方位投影：以平面为投影面的投影称为方位投影,2020/6/3,3STF,31,2.3地球坐标系统,2020/6/3,3STF,32,2.3地球坐标系统,高斯投影高斯克吕格投影的简称，又称为横轴墨卡托投影。一种横轴等角圆柱投影，以椭圆柱作为投影面，并与椭球体相切于一条经线上，该经线即为投影带的中央经线。按等角方式将中央经线东西一定范围内的区域投影到椭圆柱表面上，再展成平面，便构成了横轴等角切椭圆柱投影。,2020/6/3,3STF,33,2.3地球坐标系统,中央经线,X,Y,500km,例如：6度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网。投影带中央经线投影后的直线为y轴，赤道投影后为x轴。为了使得经度坐标值不出现负值，规定每带的中央经线西移500km。,2020/6/3,3STF,34,2.3地球坐标系统,我国几乎所有的测绘成果都采用高斯投影具体又有3度带和6度带高斯投影,2020/6/3,3STF,35,2.3地球坐标系统,我国小比例尺图（圆锥投影）,2020/6/3,3STF,36,2.4天球坐标系统,天球坐标系又称为恒星坐标系，用来确定天体在天球上的位置。天球的几何形状是正球。既可以用直角坐标系，也适合用球面坐标系表示天体的位置。,2020/6/3,3STF,37,2.4天球坐标系统,2020/6/3,3STF,38,2.4天球坐标系统,天球空间直角坐标系地球质心O为坐标原点。Z轴指向天球北极。X轴指向春分点。Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。,2020/6/3,3STF,39,2.4天球坐标系统,天球球面坐标系地球质心O为坐标原点。春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准(基准子午面)，赤道为天球纬度（赤纬）测量基准而建立球面坐标。向径r表示天体到地球质心的距离。空间点S的位置为（r，）。,2020/6/3,3STF,40,2.4天球坐标系统,天球球面坐标系的作用？常用的星表、星图上恒星的坐标位置均用天球球面坐标系来表示。该坐标系对恒星来说是固定的，因此用赤经和纬经来表示天体在天球上的位置较为合适。问题：地球自转轴的岁差、章动和极动等现象。,2020/6/3,3STF,41,2.4天球坐标系统,解决方案：北极和春分点：“平”和“瞬时”两种位置表示。平天球球面坐标系：Z轴指向平北天极，X轴指向平春分点。瞬时天球球面坐标系：Z轴指向瞬时北天极，X轴指向瞬时春分点（真春分点）。在精度要求不高的时候，一般多使用平坐标系系列。协议天球坐标系：1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天极为协议北天极。Z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，X轴指向协议春分点。,2020/6/3,3STF,42,2.5常用坐标系统简介,WGS-84世界大地坐标系由美国国家影像制图局（NIMA）和其前身美国国防部测绘局（DMA）制定的。GPS采用。一个地固空间直角坐标系。原点在地球质心。（又称地心坐标系）Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球极（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。,2020/6/3,3STF,43,2.5常用坐标系统简介,1954年北京坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球（苏）。大地坐标系。问题：椭球参数有较大误差。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。定向不明确。新的1980年国家大地坐标系。,2020/6/3,3STF,44,2.6时间系统,时间的概念现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度极高。卫星定轨、飞机和车辆导航等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。现代大地测量基准应是包括时间在内的四维基准。GPS测量中，时间的意义确定GPS卫星的在轨位置；确定测站位置；确定地球坐标系与天球坐标系的关系。,2020/6/3,3STF,45,2.6时间系统,时间的概念时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。,2020/6/3,3STF,46,2.6时间系统,世界时UT（UniversalTime）系统度量时间一般用周期性运动来作为测量的基准。这种周期性运动必须是均匀的和连续的。把地球自转作为时间基准，称为世界时。世界时系统又可以分为恒星时和平太阳时由于观察地球自转运动时，所采用的空间参考点不同。,2020/6/3,3STF,47,2.6时间系统,世界时系统恒星时：恒星时的参考点是春分点。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。由于恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点计算的，同一瞬时对不同的测量站的恒星时各异，所以恒星时具有地方性，属于地方时。,2020/6/3,3STF,48,2.6时间系统,世界时系统平太阳时利用太阳的视运动来确定时间基准，就是太阳时。地球相对于太阳自转一周的时间称为真太阳日。一年中最长和最短的太阳日相差51s，按照真太阳日来计算时就很不准确。假想一个太阳，其视运动速度是均匀的，为真太阳视运动的全年平均值，假想的太阳称为平太阳。地球相对于平太阳自转一周的时间称为平太阳日。,2020/6/3,3STF,49,2.6时间系统,天体的视运动（apparentmotion）此图为北极拍摄,2020/6/3,3STF,50,2.6时间系统,行星的视运动动画,2020/6/3,3STF,51,2.6时间系统,世界时系统世界时以本初子午线的平子夜起算的平太阳时。又称格林尼治平时。各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。由于地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的时间系统。,2020/6/3,3STF,52,2.6时间系统,英国伦敦格林威治（一译格林尼治）天文台（旧址）埃里中星仪所在的子午线作为时间和经度计量的标准参考子午线，称为本初子午线，又称零子午线。图中是摆放中星仪的屋子，经线穿过屋子中央。,2020/6/3,3STF,53,2.6时间系统,历书时系统根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，属于动力学时（DynamicalTime）。历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的时间系统，描述天体运动的动力学方程中作为时间自变量所体现的时间，或天体历表中应用的时间。它是由天体力学的定律确定的均匀时间。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。,2020/6/3,3STF,54,2.6时间系统,历书时系统1958年国际天文学联合会决议决定：自1960年开始用历书时代替世界时作为基本的时间计量系统。规定天文年历中太阳系天体的位置都按历书时推算。历书时与世界时之差可由观测太阳系天体（主要是月球）定出。历书时的测定精度较低，1967年起已被原子时代替作为基本时间计量系统。,2020/6/3,3STF,55,2.6时间系统,原子时系统由于地球自转的季节性变化及其其他不规则的变化，世界时并不是一个很严格均匀的时间系统。物资内部原子运动的规律性非常稳定，从而研究出原子时系统IAT（InternationalAtomicTime）当代最理想的时间系统。原子时系统是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。原子时的初始历元规定为1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。,2020/6/3,3STF,56,2.6时间系统,原子时系统这是一种均匀的时间计量系统。1967年起，原子时已取代历书时作为基本时间计量系统。原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。原子时由原子钟的读数给出。国际计量局收集各国各实验室原子钟的比对和时号发播资料，进行综合处理，建立国际原子时。国际原子时是在1977年建立，通过100台原子钟比对求得。,2020/6/3,3STF,57,2.6时间系统,协调世界时系统在天文导航、空间分析器跟踪、