GPS原理与应用第2章-坐标系统和时间系统

第二章坐标系统与时间系统2023/1/3112概述12023/1/3132.1.1概述①GPS的最主要功能：定位2023/1/31GPS在定位过程中的两类主体：卫星和接收机2.1.1概述②如何建立GPS坐标系统？？42023/1/312.1.1

概述③GPS定位采用两类坐标系统：天球坐标系和地球坐标系坐标系统定义：坐标原点、坐标轴指向和单位尺度协议坐标协议惯性(天球)坐标系(CIS－ConventionalInertialSystem)

协议地球坐标系（CTS－ConventionalTerrestrialSystem）子午面56坐标系统22023/1/31天球（CelestialSphere）天轴（CelestialAxis）天极（CelestialPoles）天球赤道（CelestialEquator）天球子午线（CelestialMeridian）。时圈（HourCircle）黄道（Ecliptic）黄赤交角（ObliquityoftheEcliptic）黄极（EclipticPoles）春分点（VernalEquinox）秋分点（AutumnalEquinox）

2.2.1基本概念--天球地球自转地球公转地球自转轴（天轴）指向不变

地球质心位置不变春分点位置不变

天球黄道平面空间方向稳定不变天球赤道平面空间方向不变春分点轴空间指向稳定不变

2.2.2天球坐标系—基本概念①地球自转轴（天轴）空间指向稳定不变春分点轴空间指向稳定不变与两轴垂直并位于天球赤道平面内的第三轴空间指向稳定不变ZXY2.2.2天球坐标系—基本概念②2.2.2天球坐标系—基本概念③天球球面坐标系（α，δ，r

）

：原点O位于天球中心。α表示赤经（RightAscension），赤经指过天体s的时圈，与经过春分点的时圈所夹的二面角。δ表示赤纬（Declination），赤纬指天体s到原点O的连线与天球赤道面的夹角天球空间直角坐标系（x，y，z)：原点O位于天球中心；Z轴指向北天极（NCP）；x轴指向春分点γ；Y轴垂直于xOz平面，与Z轴和X轴构成右手系。

天球坐标系

102023/1/312.2.2天球坐标系—基本概念④空间直角坐标与球面坐标等价

112023/1/31思考：实际上地球自转轴（天轴）的空间指向、地球（天球）赤道面和地球（天球）黄道面的夹角（黄赤交角）和春分点在天球上的位置是否永远保持稳定不变？2.2.2天球坐标系—基本概念⑤地球运动状态变化弹性地球BECDA液态外核

非匀质天体摄动力

非标准椭球岁差和章动2.2.3基本概念—岁差与章动①132023/1/312023/1/3114岁差岁差是由于日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。在日月引力的共同影响下，使北天极绕黄北极以顺时针方向缓慢地旋转，从而使春分点在黄道上每年西移约50.37秒，其漂移周期大约为25800年。2.2.3基本概念—岁差与章动②岁差（春分点岁差）是由于赤道平面和黄道平面的运动而引起的赤道岁差（日、月岁差）由于太阳、月球以及行星对地球赤道隆起部分的作用力矩而导致赤道平面的进动黄道岁差（行星岁差）太阳系中的行星对地球和月球产生万有引力，还会影响地月系质心绕日公转的轨道平面，使黄道面产生变化，进而使得春分点产生移动2.2.3基本概念—岁差与章动③152023/1/31中国地质大学岁差：北天极（NCP）绕北黄极（NEP）顺时针转动，自转轴围绕北黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤交角ε＝23.5°，周期约为25800年。瞬时平北天极：绕北黄极均匀移动的北天极瞬时北天极：观测瞬间的北天极章动：瞬时北天极围绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形其轨迹，其长半轴约9.2″，主周期约18.6年。2.2.3基本概念—岁差与章动④瞬时真北天极

瞬时真春分点

瞬时真天球赤道

瞬时平北天极

瞬时平天球赤道

瞬时平春分点

非惯性坐标瞬时平天球坐标系

瞬时真天球坐标系

2.2.4天球坐标系—协议天球坐标系①2.2.4天球坐标系—协议天球坐标系②天球参考系统CRS(CelestialReferenceSystem)建立的原因由于赤道平面和黄道平面的运动而引起的岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星的运动规律。为了方便地表示天体在空间的位置或方位，编制天体的星历表，需要在空间建立一个固定的坐标系。182023/1/312.2.4天球坐标系—协议天球坐标系⑤国际天球参考系（InternationalCelestialReferenceSystem—ICRS）J1950.0J2000.0192023/1/31协议天球坐标系：选择某一时刻t0作为标准历元（StandardEpoch），此刻的瞬时北天极、瞬时春分点和瞬时天球赤道经该时刻岁差和章动改正后，可构成一个天球坐标系。称为标准历元t0的平天球坐标系，也叫协议惯性坐标系（CIS）。2.2.4天球坐标系—J20001980年，国际大地测量学会（IAG）和国际天文联合会（IAU）决定，自1984年1月1日后启用新标准历元的协议天球坐标系，以儒略日JD＝2451545.0为标准历元，记为J2000.0，公历为2000年1月1日12h00m00s。原点：地球质心标准历元：2000年1月1日质心力学时（TDB），JD＝2451545.0202023/1/31协议天球坐标瞬时真天球坐标1岁差2章动瞬时平天球坐标2.2.4天球坐标系—坐标转换2.2.5地球坐标系—地球的形状天圆地方（最早）－球形（古希腊毕达哥拉斯公元前6世纪）－200年后亚里士多德证明地圆说-公元前3世纪埃拉托色尼推算出地球子午圈的周长－公元8世纪一行实地测量子午弧长－17世纪末牛顿（英国）和惠更斯（荷兰）应用力学原理提出地扁说－1873利斯廷（德国）提出大地水准面－1945莫洛坚斯基创立用地面重力测量数据研究真实地球自然表面222023/1/312.2.5地球坐标系—基本概念由于地球上一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自转而变化，应用不方便。为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系—地球坐标系地球坐标系与地球固连在一起，随地球一起自转，又称地固坐标系。地球坐标系的主要任务是用以描述地面点在地球上的位置，也可用以描述卫星在近地空间中的位置。232023/1/312.2.5地球坐标系—分类①根据坐标原点所处的位置不同地心坐标系原点位于地球（含大气层）的质量中心；Z轴与地球自转轴重合，X轴和Y轴位于地球赤道面上，其中X轴指向经度零点，Y轴垂直于X轴和Z轴，组成右手坐标系。参心坐标系原点位于参考椭球的中心；Z轴与地球自转轴平行，X轴和Y轴位于参考椭球的赤道面上，其中X轴平行于起始天文子午面，Y轴垂直于X轴和Z轴，组成右手坐标系。242023/1/312.2.5地球坐标系—分类②根据表现形式的不同空间直角坐标系空间大地坐标系两者可以相互转换252023/1/312.2.5地球坐标系—分类②空间直角坐标系与大地坐标系之间的转换其中N为椭球卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心，a、b为椭球的长短半径。极移地极：地球自转轴与地面的交点称为地极；地极的移动称为极移通常用北极点的移动来反映地球自转轴在地球体内的运动极移的表象：地球自转轴通过地球质心在顶角约为0.5”的圆锥面上运动引起极移的原因：地球表面上的物质运动（如海潮、洋流等）以及地球内部的物质运动（如地幔对流等）2.2.5地球坐标系—极移272023/1/312.2.6地球坐标系—协议地球坐标系①国际协议原点（CIO）采用国际上5个纬度服务站，以1900-1905年的平均纬度所确定的平均地极(meanpolar)位置作为基准点，平极的位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置，通常称为国际协议原点（ConventionalInternationalOrigin—CIO）。协议地球坐标系（CTS）与之相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采用CIO作为协议地极（conventionalTerrestrialPole—CTP）；以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系ConventionalTerrestrialSystem—CTS）；与瞬时地极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系282023/1/312.2.6地球坐标系—协议地球坐标系①协议地球（坐标）参考系统（CTRS）由于地面点在瞬时地球坐标系（或真地球坐标系）中的坐标不断发生变化，不适宜用来表示地面点的位置实际应用需要一个坐标轴的指向不随极移改变，真正与地球固连在一起的坐标系，协议地球坐标系就是这样一种坐标系协议地球（坐标）参考框架（CTRF），其定义满足坐标原点位于包括海洋和大气在内的整个地球的质量中心尺度为广义相对论意义上的局部地球框架内的尺度坐标轴的指向最初是BIH1984.0来确定的坐标轴定向随时间的变化满足地壳无整体旋转这一条件292023/1/312.2.6地球坐标系—协议地球坐标系②国际地球参考系统（ITRS）和国际地球参考框架（ITRF）ITRS是协议地球（坐标）参考框架的一种ITRS和ITRF是目前国际上精度最高并被广泛应用的协议地球参考系统和参考框架ITRS是由国际地球自转与参考系统服务组织IERS来负责定义，并用VLBI、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术来予以实现和维持的ITRS的具体实现称为ITRFIERS至今已经发布了十多个版本，最新发布的是ITRF2008302023/1/312.2.6地球坐标系—站心地平坐标系站心地平直角坐标系原点为所选择的测站中心z*轴与过站心的参考椭球面的法线重合，指向天顶为正；x*轴垂直于z*轴，指向参考椭球的短半轴，向北为正；y*轴与x*、z*轴垂直（向东为正），构成左手坐标系。312023/1/312.2.7天球坐标系与地球坐标系之间的转换①从两坐标系的定义上看两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同两瞬时坐标系x轴与X轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。二者的转换过程如右图：322023/1/312.2.7常用的坐标系统—国际地球参考系统①协议地球坐标系CTS又称为国际地球参考系统（InternationalTerrestrialReferenceSystem-ITRS）国际地球参考系统是理论定义；国际地球参考框架（InternationalTerrestrialReferenceFrame-ITRF）是具体实现ITRS与ITRF由国际地球自转与参考系统服务（InternationalEarthRotationandReferenceSystemService-IERS）组织维持与更新332023/1/312.2.7常用的坐标系统—国际地球参考系统②ITRS的定义(参见IERSConventions,1996，2003，2010)原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心长度单位为米.这一尺度同地心局部的TCG(地心坐标时)时间坐标一致；定向在1984.0时与BIH的定向一致定向的时间演变由整个地球的水平构造运动无净旋转条件保证342023/1/31ITRF(InternationalTerrestrialReferenceFrame)ITRF是ITRS的具体实现是由IERS中心局利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标/速度和EOP参数。自1988年起，IERS已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000、ITRF2005、ITRF2008等全球参考框架。ITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。http://lareg.ensg.ign.fr/ITRF/solutions.html2.2.7常用的坐标系统—国际地球参考系统③352023/1/312.2.7常用的坐标系统—世界大地坐标系统美国国防部建立，先后有WGS-60，WGS-66，WGS72，WGS84这几个版本世界大地坐标系WGS属于协议地球坐标系CTS，WGS可看成CTS的近似系统。WGS84是目前GPS系统广播星历和NIMA精密星历的参考框架WGS84几何意义：原点位于地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z，X轴构成右手坐标系。对应WGS-84大地坐标系有WGS-84椭球。362023/1/312.2.7常用的坐标系统—PZ-90坐标系统PZ90是GLONASS卫星广播星历的参考框架原点为地心，Z轴指向协议地极CTP，X轴指向地球赤道面和国际时间局BIH定义的零子午线的交点，Y轴与Z轴构成右手坐标系PZ参考框架的实现由26个地面跟踪站点的地心坐标和速度实现372023/1/31ITRF(InternationalTerrestrialReferenceFrame)GTRF-GalileoTerrestrialReferenceFrame伽利略系统所使用的参考框架遵守ITRS的定义目前已经实现了三个版本，初步开始为GTRF提供服务2.2.7常用的坐标系统-伽利略地球参考框架382023/1/312.2.7常用的坐标系统—我国主要的坐标系统①392023/1/31类型名称说明地心坐标系统CGCS2000国家地心坐标系统参心坐标系统1954年北京坐标系区域性的参心坐标系统1980年西安坐标系区域性的参心坐标系统新1954年北京坐标系区域性的参心坐标系统格网坐标系统包含两种：1由大地坐标系经地图投影而成的平面坐标系统2由用户根据应用需求自行定义的独立坐标系统CGCS2000坐标系已于2008年7月1日正式启用高精度2000国家GPS大地网和全国天文大地网全国GPS一、二级网（534点），1991-1997年布设；国家GPSA、B级网（818点），1991-1996年布设；地壳运动监测网（336点），包括全国GPS地壳运动监测网（21点）；中国地壳运动观测网络（1081点），包括基准网（25点）、基本网（56点）和区域网（1000点）。402.2.7常用的坐标系统—我国主要的坐标系统②2.2.7常用的坐标系统—我国的大地坐标系统③参心坐标系统参考框架高斯投影方式墨卡托投影方式1954年北京坐标系1980西安坐标系相对独立的平面坐标系天文大地网天文大地网区域控制网412023/1/312.2.8全球卫星导航与TRS和TRF的关系导航系统使用的参考系统相应的参考框架说明GNSSITRSITRF国际地球参考框架GNSSITRSIGSIGS建立的全球参考框架COMPASSa－－待定(COMPASSTRF)GPSWGSWGS84逐渐向ITRF靠拢GLONASS－PZ90GLONASS使用GalileoITRSGTRF完成了初始实现注1：ITRF为目前国际上公认的最精密的地球参考框架，GPS、Galileo等所用的坐标系统均与其对准。注2：IGS与ITRF相似，但仅使用GPS数据进行实现。a:COMPASS导航系统的地球参考系统与参考框架待定。422023/1/3143时间系统32023/1/31442.3.1基本概念-时间时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准“时间”的含义包含了“时刻”和“时间间隔”两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。时间间隔测量称为相对时间测量而时刻测量相应称为绝对时间测量2023/1/31452.3.1基本概念-GPS时间系统在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于2.610-6s（GPS卫星运行速度平均约为3.9km/s）准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于310-11s(光速度约为310-8m/s)由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小于210-5s。(地球自转平均速度470m/s)2023/1/31462.3.1基本概念-时间系统的分类世界时系统恒星时（SiderealTime，ST）平太阳时（MeanSolarTime,MT）世界时（UniversalTime，UT）UT0,UT1,UT2力学时DT太阳系质心力学时（BarycentricDynamicTime，TDB）地球质心力学时（TerrestrialDynamicTime，TDT）原子时国际原子时（法语TempsAtomiqueInternational，TAI）协调世界时UTCGPST2023/1/31472.3.2世界时系统–恒星时①恒星时（SiderealTime，ST）以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星小时。恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有地方性，也称地方恒星时。2023/1/31482.3.2世界时系统–恒星时②周日视运动由于地球每天自西向东自转一周，造成了太阳每天早上从东方升起，晚上又从西方落下的自然现象（东升西落）。因为这种现象是地球自转造成的人的视觉效果，所以天文学上把太阳的这种运动叫做周日视运动。月亮的周日视运动大家也很熟悉，所不同的是月亮每天升起的时间变化比较大，平均每天比前一天晚升起50分钟

像太阳和月亮一样，满天的繁星也不是每天都固定在星空中某个地方不动，它们也是每天都在作周日视运动，只不过很多人都没有注意到恒星的这种运动。2023/1/31492.3.2世界时系统–平太阳时平太阳时（MeanSolarTime,MT）由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律，可知太阳的视运动速度是不均匀的，如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基本要求。假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含24个平太阳时平太阳时也具有地方性，常称为地方平太阳时或地方平时2023/1/31502.3.2世界时系统–世界时世界时（UniversalTime，UT）以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。1956年以前，秒被定义为一个平太阳日的1/86400，是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。由于自转的不稳定性，在UT0中加入极移改正得UT1。加入地球自转角速度的季节改正得UT2。虽然经过改正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化的影响，世界时UT2不是一个严格均匀的时间系统。在GPS测量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算。2023/1/31512.3.3力学时系统①在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编算的，其中所采用的独立变量是时间参数T，这个数学变量T定义为力学时。根据描述运动方程所对应的参考点不同，力学时分为：太阳系质心力学时（BarycentricDynamicTime－TDB）是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。地球质心力学时（TerrestrialDynamicTime—TDT）是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。在GPS定位中，地球质心力学时，作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量，被用于描述卫星的运动。2023/1/31522.3.3力学时系统②TDT的基本单位是国际制秒（SI），与原子时的尺度一致。国际天文学联合会（IAU）决定，1977年1月1日原子时（TAI）零时与地球质心力学时的严格关系如下：

TDT=TAI+32.184S若以T表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差，则可得：

T=TDT-UT1=TAI-UT1+32.184S2023/1/31532.3.3原子时系统①物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度和复现性，由此建立的原子时成为最理想的时间系统。原子时秒长的定义:位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒。原子时秒为国际制秒