GPS坐标系统和时间系统

1、第二章 GPS坐标系统和时间系统,主要内容,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,坐标原点,坐标系统建立的三要素

2、,坐标轴指向,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,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,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,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,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,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

3、、站心与日心天球坐标系的关系,视差,地心、站心与日心天球坐标系的关系,恒星：采用赤经和赤纬表示 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,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,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，

4、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（CI

5、S）(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

6、参数间的转换,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,参心坐标系 坐标原点不位于地球质心,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

7、） 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,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,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,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

8、的问题,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,WGS-84坐标系,2.3 GPS坐标系,国际地球参考框架(ITRF),北京54旧坐标系,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，

9、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=108263

10、10-8,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。,

11、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

12、，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

13、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,世界时,时间系统的分类,力学时,原子时,GPS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

14、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

15、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 Atomic