GPS原理及其应用第二章 时间系统与坐标系统2

1、1第二章 时间系统与坐标系统22.6 天球坐标系3天球坐标系与地球坐标系地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运动，以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系与地球自转无关，空间固定的坐标系称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态4天球的基本概念黄道赤道春分点 天轴：地球自转轴的延伸线。 天极：天轴与天球面的交点，Pn 、Ps。 天球赤道面：过球心且与天轴垂直的平面。赤道 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圈。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5。 黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点， n、s。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球到北半球运

2、行时，黄道与天球赤道的交点。5XZY地心S春分点 原点位于地球的质心； Z轴指向天球的北天极Pn； X轴指向春分点； Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。yxz天球坐标系的定义6岁差与章动的影响 在日月引力及其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变。绕北黄极缓慢地旋转。长周期运动：岁差( Precession ) 短周期运动：章动( Nutation ) 分离结果：天极发生变化 天球赤道变化 春分点变化AB太阳月球OM7岁差的概念定义由于天球赤道和黄道的长期运动而导致春分点产生进动的现象类型赤道岁差由于太阳、月球及行星对地球赤道部分的作用力矩引起天球赤道的进动，

3、导致春分点每年在黄道上西移约50.39的现象黄道岁差由于行星的万有引力导致黄道面发生变化，使得春分点在天球赤道上每年东移约0.1 的现象总岁差赤道岁差与黄道岁差在黄道上的分量之和岁差模型8岁差黄道Pnsn天球赤道Ps主要由于日月引力引起北天极绕北黄极顺时针旋转每年春分点西移50.39岁差周期：25800年真天极 平天极真赤道 平赤道真春分点 平春分点9章动的概念定义由于日、月及各大行星与地球间相对位置存在周期性变化，导致瞬时北天极及瞬时春分点的位置在岁差基础上还存在各种微小的周期性变化章动模型（ e.g.IAU2000章动模型）日月章动模型由678个不同幅度、不同周期的周期项组成行星章动模型由

4、687个不同幅度、不同周期的周期项组成10M黄道Pnsn天球赤道Ps真北天极绕平北天极作顺时针椭圆运动章动椭圆长半径：9.2 短半径： 6.9a岁差、章动叠加n章动椭圆章动的周期：18.6年Pn章动11真地心天球赤道坐标系 原点：地球质心坐标轴指向：Z轴指向瞬时地球自转轴X轴指向瞬时真春分点Y轴与X轴、Z轴成右手系M黄道Pnsn天球赤道PsXYZ（瞬时真北极）12平地心天球赤道坐标系 原点：地球质心坐标轴指向：Z轴指向历元平北极X轴指向历元平春分点Y轴与X轴、Z轴成右手系M黄道Pnsn天球赤道PsXYZ（历元平北极）13协议地心天球赤道坐标系由于地球的旋转轴不断变化，通常约定某一参考时刻t0(

5、J2000.0) 作为参考历元，把该历元的平天球坐标系作为协议天球坐标系国际天球坐标系GCRS（地心天球坐标系）坐标原点位于地心，X轴指向J2000.0时的平春分点，Z轴指向J2000.0时的平北天极，Y轴垂直于X轴与Z轴组成右手坐标系用于计算卫星轨道，编制卫星星历GPS轨道在GCRS中建立和解算，再换算至ITRS中BCRS（质心天球坐标系）坐标原点位于太阳系质心用于计算行星轨道，编制行星星表14M黄道P0历元平赤道YPt瞬时平赤道ZP0：历元平北极Pt：瞬时平北极XtYtZtX岁差旋转变换 15P0：历元平北极Pt：瞬时平北极历元平天球坐标系 瞬时平天球坐标系 岁差旋转变换 黄道历元平赤道X

6、YPt瞬时平赤道XtYtZtZP0M岁差参数 根据岁差模型由TDB（TT）时间计算得到16章动旋转 瞬时平天球坐标系 瞬时真天球坐标系 黄经章动 及交角章动 根据章动模型IAU 2000A或IAU 2000B由时间计算黄经章动 及交角章动 根据章动模型IAU 2000A或IAU 2000B由时间计算黄经章动 及交角章动 根据章动模型IAU 2000A或IAU 2000B由时间计算17协议天球坐标系 瞬时平天球坐标系 瞬时真天球坐标系 瞬时真地球坐标系 岁差旋转变换 章动旋转变换 ？ ？协议地球坐标系 182.7 地球坐标系19地球坐标系XYZ起始子午圈赤道大地高H地面点法线ZX地球北极地心MY

7、 参考椭球大地纬度 B大地经度LG20极移地球自转轴受到地球内部质量不均匀影响而在地球体内部运动。从而导致地极在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象叫地极移动，简称极移国际协议原点CIO采用国际上5个纬度服务站以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，称为国际协议原点CIO 目前国际上采用BIH1984.0协定地球极（CTP）瞬时极与平极的关系瞬时极平极yx（xp，yp）21瞬时地球坐标系与协议地球坐标系转换瞬时地球坐标系协议地球坐标系CTS原 点地球质心地球质心Z 轴瞬时极国际协议原点CIOX 轴瞬时赤道与零子午线交点协议赤道与零子午线交点Y 轴右手系右手系ZDTZCTSYDT

8、YCTSXCTSXDT定义22ITRS与ITRFITRS定义实现和维持ITRS的大地测量技术ITRF由一组IERS测站的站坐标（空间直角坐标）、站坐标的年变化率及相应的地球定向参数实现IGS的精密星历采用这一框架12个不同版本的ITRF（ITRF88 ITRF2008）不同版本ITRF间的坐标转换（7参数模型）地面站在某一ITRF框架中的坐标（2-37式）23WGS84GPS广播星历所使用的坐标系统理论上，WGS84与ITRS一致采用空间大地坐标的形式表示点的位置WGS84的三次精化WGS84 (G730)WGS84 (G873)WGS84 (G1150)与ITRF2000符合程度为1cm242.8 ITRS与GCRS之间的坐标转换25协议天球坐标系平天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系?极移旋转矩阵W岁差旋转矩阵P章动旋转矩阵N26ZDT (Zt)春分点rOYtXtGASTXDTGGAS