2第一章GPS坐标系统和时间系统(精品)

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,z,y,x,A(X,Y,Z,),Z,Y,X,O,起始子午面,赤道,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、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，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（,CIS,）,(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）,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,S,G,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，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=10826310-8,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。,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，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（,T,s,）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 Time IAT,）,1977,年建立,通过,100,台原子钟比对求得,国际原子时（,IAT,）与历事（书）时（,ET,）,GPS,时（,GPS Time GPST,）,原子时，,1986,年,1,月,6,日,0h,与,UTC,重合。,IAT GPST = 19s,从,1986,年,1,月,6,日,0h,到目前（,2002.9.17,），,UTC,又跳（闰）了,13,秒,2.4.4 GPS,时,1.,什么是岁差和章动,?,北天极在天球上是,怎样运动？,思考题,2.,什么是天球,?,简述天球上的主要点、,线、圈,?,3.,简述时间类型,?,4.,区别协议天球坐标系和地球坐标系统,?,