GPS定位的坐标系统和时间系统.ppt

2 1概述2 2GPS使用的坐标系统2 3GPS使用的时间系统 第二章GPS使用的坐标系统和时间系统 2 1概述 1GPS使用的坐标系统2GPS使用的时间系统 GPS定位中 通常采用两种坐标系统 惯性坐标系 InertialSystem 在空间固定的坐标系 坐标原点和坐标轴指向在空间保持不动 用来描述卫星或其他天体的位置和运动状态如协议天球坐标系非惯性坐标系 Non InertialSystem 指与地球体相固联的坐标系统 又叫地固坐标系或地球坐标系 主要用于描述地表 水下或低空测点的空间位置和处理GPS观测数据地固坐标系可分为地心坐标系 参心坐标系和站心坐标系天文坐标系 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系皆属地心坐标系 1GPS使用的坐标系统 确定一个坐标系需要定义三要素 1 坐标原点位置 2 坐标轴指向 3 单位尺度不同时期 不同国家和地区对坐标系统三要素的定义不同协议坐标系 为使用方便 国际上通过协议来统一某些全球坐标系 这种共同确定的坐标系就称为协议坐标系 协议惯性坐标系协议地球坐标系 坐标系统的三要素及协议坐标系 天体和卫星都是高速运行的运动体 时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准 也是利用卫星进行导航定位的重要基准测量时间也需要先定义时间基准 即定义时间的原点和单位尺度历元 天文学上把观测资料所对应的时刻叫历元起始历元 时间的原点 它可根据需要进行选择 不同时间系统可有不同的时间原点 时间单位尺度是由时钟来确定的 不同时钟有不同的度量时间方式从本质上讲 时间系统间的差异体现在时钟上 2GPS使用的时间系统 1 GPS卫星作为高空已知点 其位置是瞬息万变的 时间度量的精度就意味着空间位置精度 例如 若定轨误差要小于1cm 则要求时间精度至少达到2 6 10 6s 2 GPS定位中站星距离是通过测定电磁波信号传播时间来确定的 时间误差与站星距离误差之间的关系是一个线性函数 3 惯性系与地固系之间的坐标转换需要精确的时间尺度 地球在不断地作自转运动 地球上的点位在惯性坐标系中的坐标也以相同的速度变化 时间误差在0 01s 该坐标误差可以达到5m因此 利用GPS技术进行导航定位 需要高精度的时间信息 时间度量的精度对GPS定位非常重要 2 2GPS使用的坐标系统 2 2 1协议天球坐标系2 2 2协议地球坐标系 CTS 2 2 3坐标转换2 2 4地图投影与高斯 克吕格平面直角坐标系 2 2 1协议天球坐标系 主要内容1 天球的基本概念2 天球坐标系3 岁差与章动4 协议天球坐标系 1 天球及其基本概念 天球 CelestialSphere 是一个半径巨大的假想的虚球 是天文学上用来描述天体位置的参照物 天球球面上的点 线 面和圈 天轴 CelestialAxis 地球自转轴所在的直线天极 CelestialPoles 天轴与天球的两个交点 北天极 NCP 南天极 SCP 有日心天球 地心天球和站心天球 天球赤道面 通过地球质心与天轴垂直的平面 与地球赤道面重合天球赤道 天球赤道面与天球相交的大圆时圈 通过天轴的平面与天球相交的半个大圆 黄道 地球公转轨道面与天球相交的大圆 即太阳在天球上的周年视运动轨迹黄道面与赤道面的夹角 称为黄赤交角 约为23 5 黄极 EP EclipticPoles 通过天球中心 且垂直于黄道面的直线与天球的两个交点 靠近北天极的叫北黄极 NEP 靠近南天极的叫南黄极 SEP 天球面上的点 线 面和圈 3 春分点 在太阳沿着黄道作周年视运动周期中 自南半球向北半球运行时 黄道与天球赤道的交点称为春分点 从北向南运行 黄道与天球赤道的交点叫秋分点 天球面上的点 线 面和圈 以天球为参照而建立天球坐标系统 称为天球坐标系两种形式 天球球面坐标系和天球空间直角坐标系 2天球坐标系 天球空间直角坐标系定义 原点O位于天球中心 Z轴指向北天极 NCP X轴指向春分点 Y轴垂直于XOZ平面 与X和Z轴构成右手坐标系任意空间点的坐标可表达为 x y z 天球球面坐标系的定义 原点O与直角坐标系原点重合 位于天球中心赤经 过天体S的时圈与经过春分点的时圈所夹的二面角 逆时针方向计算 取值0 24hour或度分秒赤纬 天体s到原点O的连线与天球赤道面的夹角 取值 90 赤道以北为正向径r 原点O至天体S之间的距离 在天球球面坐标系中 任意空间点的坐标为 r 在天球球面坐标系中 6hr45min 16 43 岁差与章动 理想惯性坐标系的参考点 线和圈应该保持其惯性天球坐标系中的点 线和圈的定义依赖于地球的自转和公转运动 在日 月及行星引力联合作用下 地球公转轨道面与地球自转轴之间的相互位置要发生改变 即引起岁差和章动 岁差 Precession 章动 Nutation 岁差 Precession 岁差 地球形状接近于一个两极扁平赤道隆起的椭球体 在日月引力和其它天体引力的作用下 使得春分点在黄道上产生缓慢西移现象 称为岁差 在岁差影响下 地球自转轴在空间绕北黄极产生缓慢旋转 从北天极上方观察为顺时针 使北天极以同样方式绕北黄极在天球上产生缓慢旋转把随时间变化的极点叫瞬时极瞬时北天极 观测瞬间的北天极瞬时平北天极 通常把绕北黄极均匀运动的北天极称为瞬时平北天极 简称平北天极 日月岁差 由于地球自转而引起春分点产生每年约50 2 的长期变化行星岁差 是指黄道的缓慢变化而引起春分点的变化 由于岁差的影响 春分点大约每72年西移1 每年西移约50 2 春分点约需25800年绕行一周 称为一个 宇宙年 章动 Nutation 章动 在日月引力作用下 瞬时北天极绕平北天极产生旋转 其轨迹大致成一个椭圆 长半轴约9 2 主周期约为18 6yr 该椭圆叫章动椭圆 这种现象叫章动 岁差和章动影响下 瞬时天球坐标系 ICS 坐标轴的指向在不断变化 它不是一个严格的惯性参考系 不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星运动规律 因此要建立一个与惯性坐标系相接近的天球坐标系 协议天球坐标系通常做法 选择某一时刻t0作为标准历元 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 这个坐标系称为标准历元t0的平天球坐标系 或协议天球坐标系 也叫协议惯性坐标系 CIS 4 协议天球坐标系 目前使用的协议天球坐标系规定如下1980年 国际大地测量学会 IGA 和国际天文学会 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JD2000 0 公历为2000年1月1日12hr00min00s 其坐标轴指向是以标准历元的赤道和春分点所定义 为了将协议天球坐标系中的坐标转换到观测历元t的瞬时天球坐标 通常可分为两步 首先将JD2000 0协议天球坐标系中的坐标转换到观测历元t的瞬时平天球坐标系中 然后再将瞬时平天球坐标系中的坐标 转换到观测历元t的瞬时天球坐标系中本部分内容了解 协议天球坐标系中坐标与瞬时天球坐标系中坐标的相互转换 1地球的形状及几个概念2天文坐标系3地心空间直角坐标系和地心大地坐标系4协议地球坐标系 2 2 2协议地球坐标系 CTS 人们对地球形状的认识是一个逐渐发展的过程现代认为 地球形状接近于两极略扁的椭球 长短半径相差约21km 北半球半径比南半球半径略短 类似于一个梨形 1地球的形状及几个概念 自然地表形状起伏较大且极不规则 不适合用来代表地球的形状人们是利用大地水准面来代替地球的形状 大地水准面 水准面 水处于静止时的表面与水准面相切的平面称为水平面大地水准面 假设在重力作用下 静止海水面无限延伸 穿越大陆 岛屿 山川 平原而形成的一个假想的自行封闭曲面 大地水准面示意图 地球椭球 大地水准面形状不规则 为便于计算 选择规则的椭球来代表大地水准面形状 这个椭球称为地球椭球描述地球椭球 需要确定椭球参数 及其定位和定向椭球参数 描述椭球的大小和形状 国际上常用四个参数表达地球椭球 椭球长半轴a引力常数和地球质量乘积GM地球重力场二阶带球谐系数J2地球自转角速度 Ng 参考椭球 椭球的定位与定向椭球中心与地球质心的关系椭球短轴与地球自转轴的关系起始大地子午面与起始天文子午面的关系参考椭球 一个大小 形状和定位 定向都已确定的地球椭球称为参考椭球参考椭球一经建立 标志着大地坐标系的建成 以大地水准面和参考椭球为基准 可定义不同类型地球坐标系地心空间直角坐标系 地心大地坐标系 协议地球坐标系 2天文坐标系 天文坐标系 是一种以大地水准面和铅垂线为基准的地球坐标系 天文坐标系天文子午面 包含铅垂线方向并与地球瞬时自转轴平行的平面起始天文子午线 全球用来计算天文经度的起始经线 零度经线 也叫本初子午线或首子午线起始天文子午面是起始天文子午线所决定的平面 地面点在天文坐标系中表示 地面一点P在天文坐标系中可表示为P 正 天文经度 即过P点的天文子午面与起始天文子午面的夹角 为天文纬度 即过P点的铅垂线方向与瞬时赤道面的夹角 正表示正高 即P点沿铅垂线方向到大地水准面的距离 地球存在极移现象 天文坐标系也是不稳定的地球坐标系是随时间而变化 称瞬时地球坐标系极移 地球极点在地表的位置随时间而改变的现象极移使地面点的天文坐标产生类似周期性变化需要定义协议地球坐标类似 即选取一段时间地极在地表运动轨迹的平均位置来定义天文坐标系 这个位置称为平均极点 简称平极1967年 根据1900 1906年期间 平均历元1903 0 5个纬度站的观测结果 国际上采用1903 0平极作为地极原点 称为国际协议原点 CIO ConventionalinternationalOrigin 天文坐标系地极原点的确定 天文坐标系经度原点E的确定 国际上曾将通过格林尼治天文台的子午线作为起始子午线20世纪60年代 国际时间局 BIH 决定改用平均天文台来保持起始天文子午线的位置 习惯上仍称格林尼治平均天文台 这个坐标系统称为BIH1968 BIH1968系统定义如下经度原点E 起始天文子午线与赤道的交点 由平均天文台40多个天文台站的观测值综合确定地极原点采用国际协议原点 CIO 此后出台了更加稳定和科学的BIH1979和BIH1984采用BIH1984以后 地固坐标框架就相对固定了 避免了用一个天文台来保持经度原点的不科学 同时地面点的天文坐标也不会因极移而产生影响 3地心空间直角坐标系和地心大地坐标系 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系是GPS定位常用的坐标系统 地心空间直角坐标系与地球椭球无关地心大地坐标系则是一种以椭球面和法线为基准的地球坐标系 地心空间直角坐标系 原点O与地球质心重合 Z轴指向地球北极 X轴指向经度原点E Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系 空间点P的坐标可表示为P X Y Z 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系确定 地心大地坐标系 地球椭球中心与地球质心重合 椭球短轴与自转轴重合 起始大地子午面与起始天文子午面重合 地面点在地心大地坐标系中的坐标 在地心大地坐标系中 地面点P可表示为P L B H L为大地经度 过P点的大地子午面与起始子午面的夹角 即ZOX平面和ZOP平面的夹角 B为大地纬度 P点的法线方向与赤道面的夹角 过点P的椭球面法线与XOY平面的夹角H为大地高 即P点沿法线方向到椭球面的距离 以远离椭球面中心为正方向 天文坐标系 地心空间直角坐标系和地心大地坐标系之间的转换 了解内容 设任意地面点P 其天文坐标 地心空间直角坐标和地心大地坐标分别为 正 X Y Z 和 L B H 它们之间的换算关系为 为大地水准面差距 式中 N为过P点的卯酉圈曲率半径 a e分别为大地坐标系对应椭圆的长半轴和第一偏心率 为P点的垂线偏差在子午圈的分量 为P点的垂线偏差在卯酉圈的分量 4协议地球坐标系 地球坐标系与地球自转相关 地球坐标系的建立与取决于自转轴相对于地球本身的运动和经度原点E的稳定性为了固定地极位置 国际上采用协议地极 CTP 来统一地心坐标系协议地球坐标系 以协议地极为基准建立的坐标系国际协议原点 CIO 是一种目前仍被普遍采用的协议地极 CTP 协议地球坐标系需要确定如下要素 1 确定协议地极和起始天文子午线 2 椭球参数 3 椭球的定位 定向目前国际通用的协议地球坐标系是WGS 84坐标系 定义协议地球坐标系要素 WGS WorldGeodeticSystem 是美国国防部制图局经过多年研究和完善 发展起来的一种新的世界大地坐标系类型 协议地球坐标系 地心地固坐标系1987年1月7日起 GPS采用WGS 84作为其地球坐标系统几何定义 原点 地球质心Z轴 Z轴指向BIH1984 0定义的协定地球极 CTP X轴 指向BIH1984 0经度原点Y轴 与Z X轴构成右手坐标系 WGS 84坐标系 WGS 84椭球四个基本常数为 长半轴a 6378137 2m 地心引力常数 含大气层 GM 3986005 0 6 108 m3 s 2 重力场正常化二阶带球谐系数C2 0 484 16685 10 6 1 30 10 9地球自转角速度 7292115 10 11 0 1500 10 11 rad s 1 WGS 84椭球基本参数 2 2 3坐标转换 坐标转换是GPS定位中常用的一种运算卫星位置是在惯性坐标系下描述的 而地面点位置则须在地固坐标系计算 需将观测历元t的瞬时天球坐标系转换到协议地球坐标系中 才能进行计算地面点所在国家和地区不同 需将地面点在协议地球坐标系中坐标转换到它所在区域的坐标系中坐标转换包括协议天球坐标系和协议地球坐标系的转换 自学 参心坐标系与协议地球坐标系的转换 参心坐标系与协议地球坐标系的转换 参心坐标系的建立参心坐标系与协议地球坐标系的坐标转换 参心坐标系的建立 建立参心坐标系的关键是确定参心椭球参心椭球与地球椭球不同 它不要求满足与全球大地水准面差距最小 满足某一特定区域水准面差距最小即可参心椭球中心一般不在地球质心上 须满足双平行条件 1 其短轴平行于地球自转轴 2 其起始大地子午面平行于起始天文子午面 中国使用的参心坐标系 19世纪以来 世界上许多国家都使用各自的参心椭球 建立不同参心坐标系 1949年以后 中国使用的参心坐标系主要有两种 1 1954年北京坐标系 2 1980年国家大地坐标系 1954年北京坐标系的确定 20世纪50年代 采用苏联的克拉索夫斯基椭球元素 a 6378245m 扁率 1 298 3 和大地原点 位于苏联的普尔科沃 通过与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测和计算而建立的大地坐标系 定名为1954北京坐标系 简称54北京坐标系北京 54坐标系从建立至今 在我国各行各业得到应用在椭球参数 椭球定向 椭球面与大地水准面的密合程度等方面存在缺陷 1980年国家大地坐标系 简称80坐标系 其定义如下 大地原点 位于陕西省泾阳县永乐镇短轴Z轴平行于由地心指向1968 0地极原点的方向 大地起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面 X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度零方向 Y轴与Z X轴构成右手坐标系椭球参数采用1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会的推荐值 四个基本常数是 a 6378140 5m GM 3986005 3 108 m3 s 2 J2 108263 1 10 8 7292115 10 11 rad s 1 1980年国家大地坐标系原点位置 大地原点 位于陕西省泾阳县永乐镇与54系相比 80坐标系的椭球参数 椭球定位 椭球面与大地水准面的密合程度以及地心坐标转换参数均有较大改善 明显优于54北京坐标系 2 2 4地图投影与高斯 克吕格平面直角坐标系 1地图投影2高斯 克吕格平面直角坐标系3投影分带与编号 2 4GPS使用的时间系统 时间系统也有尺度 时间单位 和原点 起始历元 尺度和原点结合起来 才能给出时刻的概念理论上 任何可复制的周期运动 只要满足运动连续 周期恒定 可观测和用实验可复现四个条件 都可作为时间尺度按不同的周期运动 可将目前常用的高精度时间系统分为 1 以地球周期性自转运动为基准的时间系统 如恒星时 2 以地球绕太阳周期性公转运动为基准的时间系统 如历书时 3 以原子核外电子在能级跃迁时辐射或吸收的电磁波频率为基准的时间系统 如原子时 2 4GPS使用的时间系统 2 4 1恒星时 真太阳时 平太阳时与世界时2 4 2历书时 ET EphemerisTime 2 4 3原子时 协调世界时和GPS时间2 4 4力学时 DT DynamicTime 2 4 5其它记时系统 2 4 1恒星时 真太阳时 平太阳时与世界时 以地球周期性自转运动为基准的时间系统1恒星时2真太阳时3平太阳时4世界时 1恒星时 恒星时是以地球周期性自转运动为基准的时间系统 以春分点为参考点 由春分点的周日视运动所定义的时间系统恒星时时间尺度 春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日 一恒星日分为24个恒星时恒星时的原点 以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 恒星时具有地方性 同一瞬间对不同测站的恒星时不同 又称为地方恒星时 2真太阳时与平太阳时 真太阳时 以真太阳为参考点 以真太阳的周日视运动为基础建立的时间系统 或叫视太阳时 ApparentSolarTime 可用TAST表示真太阳周年视运动是不均匀的 真太阳周日视运动并不严格等于地球自转周期 真太阳时并不适合用来建立一个时间系统 需要建立一个平太阳时时间系统赤道平太阳 假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年视运动的平均速度 且该点在赤道上作周年视运动 那么这个参考点在天文学上称为赤道平太阳 简称平太阳 平太阳时 以平太阳为参考点 由平太阳的周日视运动所定义的时间系统 称为平太阳时系统时间尺度 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 一平太阳日分为24平太阳时原点 以平太阳通过本地子午圈的时刻为起算原点 所以平太阳时在数值上等于平太阳相对于本地子午圈的时角平太阳时也具有地方性 因此叫地方平太阳时或地方平时 3世界时UT UniversalTime 世界时 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时 比平太阳时晚12小时 受地球自转运动速度不均匀和极移影响长期变化 潮汐影响使地球自转速度变慢 季节性变化 大气层中的气团随季节变化不规则变化 地球内部的物质运动国际天文联合会 IAU 对世界时的改正 UT0 未经任何改正的世界时UT1 加入极移 的世界时UT2 在UT1中加入季节性改正 Ts UT2还包括长期变化和不规则变化 其稳定性在10 8左右 2 4 2历书时 ET EphemerisTime 历书时 从太阳平黄经279 41 48 04 瞬间起算 这个瞬间定义为历书时1900年1月1日12时整基本时间单位 历书秒 1900年1月1日12时瞬间的回归年长度的1 31556925 9747精度 达10 11 10 9量级 高于恒星时 世界时等以地球自转为基准的时间系统缺点 精度有限 且不能实时给出精确的历书时 2 4 3原子时 协调世界时和GPS时间 以原子核外电子在能级跃迁时辐射或吸收的电磁波频率为基准的时间系统1原子时2协调世界时UCT UniversalCoordinatedTime 3GPS时间系统 1原子时 以物质内部原子运动特征为基础的时间系统 为原子时系统秒长 铯原子基态的两个超精细能级 在零磁场中跃迁辐射振荡9162631770周所持续的时间原点 AT UT2 1958 1 1 0 0 0039s国际原子时 国际上为统一世界各国时间 将100多台原子钟 通过相互比对 推算出统一的原子时系统 称为国际原子时 IAT IAT的稳定度约为10 13 在GPS定位中 原子时用来测定卫星信号传播时间 1958 0 t UT2 IAT 地球自转速度长期性变慢 世界时每年比原子时慢约一秒 2协调世界时UCT UniversalCoordinatedTime 协调世界时 UCT 从1972年开始 国际上开始使用一种以原子时秒长为基准 时刻上接近世界时的折衷时间系统原子时秒长稳定 世界时在天体测量 大地测量 地球自转速度研究等方面广泛应用润秒 当协调时和世界时相差超过 0 9秒时 便在协调时上加入一个润秒 跳秒 跳秒由国际自传服务组织发布 一般在12 31或6 30进行 2006年元旦 我国时钟拨慢 7时59分59秒 7时59分60秒 8时00分00秒 3GPS时间系统 GPS时间系统 GPST 为满足精密导航定位需要而建立的 以原子时为基准的GPS专用时间系统 该系统主要由GPS主控站的原子钟控制秒长 与国际原子时IAT相同原点 与IAT有一常量偏差 关系为 IAT GPST 19 秒 GPST与协调时 在1980年1月6日0时一致 其后 随着时间推移和跳秒累积 GPST与UCT之差增大 差值总保持秒的整数倍 没有跳秒GPS卫星导航电文中载有GPST与UCT的关系及其常数差 1958 0 t UT1 IAT 1972 0 UTC t GPST 1980 1 6 19s 2 4 4力学时 DT DynamicTime 1地球力学时 TDT TerrestrialDynamicTime 2太阳系质心力学时 BDT BarycentricDynamicTime 2 4 5其它记时系统 1年单位系统2历法 习题 1 名词解释天球黄道春分点赤经赤纬岁差章动极移原子时2 WGS 84坐标系属于什么类型的坐标系 如何定义的 3 中国的80坐标系属于什么坐标系 如何定义的 4 GPS时和协调世界时是如何定义的