天球坐标系和地球坐标系

1、/book/book.php？ bid=11第一节天球坐标系和地球坐标系2.1.1天球坐标系天球坐标系使用基本历书数据将基本坐标系固定在天球上，历书上列出了有一定数量的恒星的赤道坐标值，以及由于岁差和自转的影响而发生的坐标变化。 常用天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系、天文坐标系。天球坐标系中，天体的空间位置可以用天球空间的直角坐标系或天球球面坐标系两种方法记述。1 .天球空间正交坐标系的定义地球的重心o是坐标原点，z轴指天球的北极，x轴指春分点，y轴垂直于xoz平面，x轴和z轴构成右手坐标系。 在该坐标系中，空间点的位置由坐标(x，y，z

2、)表示。2 .天球坐标系的定义地球的重心o是坐标原点，具有春分点轴和天轴的平面是天球经度(红线)测定基准基准子午面，赤道是天球纬度测定基准来确立球面坐标。 空间点位置在天球坐标系中的表现为(r、)。天球空间直角坐标系和天球球面坐标系的关系如图2-1所示图2-1天球直角坐标系和球面坐标系对于相同空间点，天球空间的直角坐标系和与其相当的天球球面坐标系参数间有如下的变换关系2.1.2地球坐标系地球坐标系有地球的直角坐标系和地球的大地坐标系这两种几何学的表现。1 .地球直角坐标系的定义地球的直角坐标系的定义是，原点o与地球的重心一致，z轴指地球的北极，x轴指地球的赤道面和格林威治子午线的交点，y轴在赤

3、道平面上构成xoz和右手坐标系。2 .地球大地坐标系的定义地球大地坐标系的定义是，地球椭圆体的中心与地球的重心一致，椭圆体的短轴与地球的自转轴一致。 空间点的位置在该坐标系中表现为(l、b、h )。地球直角坐标系和地球大地坐标系可以用图2-2表示图2-2地球正交坐标系和大地坐标系关于同一空间点，正交坐标系和大地坐标系参数间存在如下变换关系2.1.3车站心赤道直角坐标系和车站心平直角坐标系1 .车站心赤道直角坐标系2 .站在心平的直角坐标系上以p1为原点，p1点的法线为z轴(朝天顶正)，子午线方向为x轴(朝北正)，y轴垂直于x、z (朝东正)的坐标系称为车站心平直角坐标系。立心平直角坐标系和立心

4、赤道直角坐标系的变换关系如下3 .站在心平的坐标系上把以站p1为原点，把从站p1到卫星s的距离r、卫星的方位角a、卫星的高度角h作为参数确立的与站心根平直角坐标系p1-xyz等价的坐标系称为站心根平极坐标系p1-rah。车站心平极坐标系和车站心平直角坐标系的关系如下2.1.4卫星测量常用坐标系1 .瞬时极天球坐标系和地球坐标系瞬时极天球坐标系：原点位于地球的重心，z轴指瞬时地球的自转方向(真天极)，x轴指瞬时春分点(真春分点)，y轴指构成右手坐标系的方向。瞬时极地球坐标系：原点位于地球的重心，z轴指的是瞬时地球自转轴方向，x轴指的是瞬时赤道面、瞬时地球自转轴和包含平均天文台赤道基准点的子午面的

5、交点，y轴构成了右手坐标系的方向。瞬时极天球坐标系和瞬时极地球坐标系的关系如图2-4所示。2 .固定极天球坐标系平天球坐标系由于瞬时极天球坐标系的坐标轴的方向不断变化，所以不方便研究卫星的运动，必须确立三轴方向不变的天球坐标系的天球坐标系。 即，选择某一日历时刻，从该瞬间的地球自转轴和春分点的方向，分别减去该瞬间的章动值，用z轴和x轴指定，y轴取向为构成右手坐标系，坐标系原点与真天球坐标系相同。 瞬时极球坐标系和历元平球坐标系的坐标变换是通过以下2次变换来实现的。(1)岁差旋转变换zm(t0)表示历元j2000.0年的平天体坐标系z轴的指向，zm(t )表示逻辑元时刻t的真天体坐标系z轴的指向

6、。 由于岁差引起地球的旋转轴的运动使二坐标系的z轴产生角度a，同样，由于岁差引起的春分点的运动使二坐标系的x轴xm(t0 )和xm(t )产生角度a、za。 通过旋转变换得到两个坐标系间的变换式式中：是论考元的平黄赤交角，分别是黄经章动和交角章动参数。3 .固定极地球坐标系平地球坐标系(1)极移：地球的瞬时自转轴在地球上随时间变化，称为极移，简称极移。(2)瞬时极：将与观测瞬间对应的自转轴所在的位置称为该瞬时的地球极轴，将对应的极称为瞬时极。 沿着瞬时地球的自转轴取向的坐标系称为瞬时极地球坐标系。(3)国际协定原点cio :使用国际上5个纬度服务站的资料，把1900.001905.05年地球旋

7、转轴的瞬时位置的平均位置作为地球的固定极，称为国际协定原点cio。 平地球坐标系的z轴指向cio。图2-5是瞬时极和平极的关系(4)平地坐标系：平地取极坐标原点，z轴指cio，x轴指协定赤道面和格林威治子午线的交点，y轴位于协定赤道面，构成xoz和右手系的坐标系称为平地坐标系。平地球坐标系和瞬时地球坐标系的变换式：下标em表示平地球坐标系，et表示t时的瞬时地球坐标系，是用t时的角度表示的极位移值。4 .坐标系的两种定义方式和协议坐标系通常，理论坐标系的定义首先选择尺寸单位，然后定义坐标原点的位置和坐标轴的方向。 在实际应用中，可以在知道几个测量站的坐标值之后通过观测反向定义其坐标系。 前面的

8、方法称为坐标系的理论定义。 由一组已知测量站点定义的坐标系称为协议坐标系。第二节wgs-84坐标系和我国大地坐标系2.2.1wgs-84坐标系wgs-84的定义： wgs-84是一种新的参考系统，修改了nswc9z-2参考系统的原点和比例变化，并旋转以使其参考子午面与bih定义的零度子午面一致，wgs-84坐标系的原点位于地球的重心，z轴为bih1984.0定义的协定地球极(ctp )方向这是固定坐标系。wgs-84椭球体及其相关常数： wgs-84采用的椭球体是国际大地测量和地球物理联盟第17届大会大地测量常数的推荐值，其四个基本参数长半径： a=63781372(m )地球引力常数： gm

9、=3986005108m3s-20.6108m3s-2；正常化二次频带调节系数： c20=-484.1668510-61.310-9；j2=10826310-8地球自转角速度：=7292510-11 rads-10.15010-11 rads-1建立wgs-84世界大地坐标系的重要目的之一是建立世界统一的地底坐标系。2.2.2国家大地坐标系1.1954年北京坐标系(bj54旧)坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭圆体：克拉索夫斯基椭圆体。均衡化方法：区分、分析、分析、分析、分析、分析。有问题： (1)椭球参数有很大的误差。(2)参考椭圆体面和我国大地水准面有从西向东明显的系统倾斜。(3)几何大地

10、测量和物理大地测量应用的参考面不统一。(4)方向性不明确。2.1980年国家大地坐标系(gdz80 )坐标原点：陕西省洼阳县永乐町。参考椭圆体： 1975年国际椭圆体。差距方法：天文大地网整体的差距。特征： (采用1975年的国际椭圆体。(2)参心大地坐标系是基于1954年北京坐标系建立的。(3)椭圆体的面与大地水平相似的面是中国国内最紧密、多点定位。(4)方向性明确。(5)大地原点在我国中部。(6)大地海拔标准采用1956年黄海海拔。3 .新1954年北京坐标系(bj54新)新1954年北京坐标系(bj54新)是1980年从国家大地坐标系(gdz80 )转换而来的。坐标原点：陕西省洼阳县永乐

11、町。参考椭圆体：克拉索夫斯基椭圆体。差距方法：天文大地网整体的差距。bj54的新特征：(1)采用克拉索夫斯基椭圆体。(2)是综合gdz80和bj54自古以来制作的中心坐标系。(3)采用多点定位。 但是，椭圆体面和大地水平方面在中国国内并不是最佳拟合。(4)方向性明确。(5)大地原点与gdz80相同，但大地起算数据不同。(6)大地海拔标准采用1956年黄海海拔。(与bj54相比，椭球体的参数相同，虽然位置接近，但是方向不同。(8)bj54没有旧的bj54和新的全国统一的转换参数，只能进行局部转换。2.2.3地方独立坐标系在生产中，我们通常将控制网投影到当地的平均海拔面上，以当地子午线为中央子午线

12、进行高斯投影，建立地方独立坐标系。 地方独立坐标系抑制与当地平均标高对应的参照椭圆体地方参照椭圆体。 地方参照椭圆体的中心、轴方向和扁平率与国家参照椭圆体相同，其长半径有修正量。如果地方独立坐标系位于标高h的曲面上，该地方的大地水准面的差设为，那么该曲面距国家参照椭圆体的高度如下也以独立坐标系的定义而闻名因此，地方参照椭圆体和国家参照椭圆体的关系可以表现如下第三节坐标系之间的变换2.3.1不同空间直角坐标系之间的变换为了进行不同空间直角坐标系间的坐标变换，需要求出坐标系间的变换参数。 变换参数通常是利用核电站的两个坐标值，在一定的数学模型中计算的。 重叠点数在3个以上的情况下，可以使用蜂鸣器7

13、参数法进行变换。将xdi和xgi分别作为地面网点和gps网点的中心和中心坐标向量。 根据布鲁萨的模特2.3.2不同大地坐标系的变换不同的大地坐标系换算包括三个平移参数、三个旋转参数、一个尺寸变化参数和两个地球椭圆体元素变化参数。 不同大地坐标系的换算公式如下上式一般被称为广义的测地微分式或广义的变换椭圆体微分式。 如果省略旋转参数和比例变化参数的影响，则简化为一般的测地微分式。 根据3个以上共同点的2个大地坐标值，可以列举9个以上的方程式，可以用最小二乘法求出8个变换参数。2.3.3大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算大地坐标系和空间大地直角坐标系的换算是生产实践中经常遇到的问题，用l、b和h

14、计算x、y、z可以用公式直接计算，用x、y、z求解第四节时间系统2.4.1恒星时间st定义：以春分点为基准点，根据星期天的视运动决定的时间称为恒星时。测量时间单位：恒星日、恒星时间、恒星分、恒星秒恒星日=24个恒星时间=1440个恒星分=86400个恒星秒分类：真恒星时和和平恒星时。2.4.2平太阳时mt定义：以平太阳为基准点，由该星期天的视运动决定的时间称为平太阳时。测量时间单位：平太阳日、平太阳时间、平太阳分、平太阳秒1日平均太阳日=24日平均太阳时间=1440日平均太阳分=86400日平均太阳秒平太阳时与日常生活中使用的时间系统一致，通常，时钟指示的时刻是平太阳时。2.4.3世界时间ut定义：将从平子午夜零时起计算的格林威治平均太阳时定义为世界时ut。2.4.4原子钟iat原子钟是根据物质内部原子运动的特征制成的时间系统。原子钟的尺度标准：国际制秒(si )。原子钟的原点由at=ut2-0.0039(s )的公式决定2.4.5世界协调时utc