第二章--坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)課件

1、第二章 GPS定位的坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng),能夠熟練的進行不同坐標系基準間的轉(zhuǎn)換； 掌握世界時、原子時、協(xié)調(diào)世界時和GPS時等時間系統(tǒng)的概念及其相互關(guān)系； 掌握GPS時間基準的建立方法；,掌握天球坐標系和地球坐標系的基本概念； 掌握WGS-84坐標系、2000國家大地坐標系、1954北京坐標系、1980國家大地坐標系、地方獨立坐標系以及高程基準的基本概念；,本章學(xué)習(xí)重點：,為什么要研究坐標系統(tǒng)及時間系統(tǒng)？,坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運動，處理觀測數(shù)據(jù)和表達觀測站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。所以，了解GPS測量中的些常用坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)，熟悉它們各自間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是極為重要的。本章將主要介紹天球坐標系

2、與地球坐標系，以及有關(guān)時間系統(tǒng)的概念。,主要內(nèi)容 2.1 天球坐標系與地球坐標系 2.2 WGS-84坐標系和我國大地坐標系 2.3 坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換 2.4 時間系統(tǒng),2.1 天球坐標系與地球坐標系,衛(wèi)星定位常采用空間直角坐標系及其相應(yīng)的大地坐標系，一般取地球質(zhì)心為坐標系的原點。根據(jù)坐標軸指向的不同分為兩類坐標系，即天球坐標系和地球坐標系。,天球坐標系是空間固定的坐標系統(tǒng)（空固系）。這類坐標系統(tǒng)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對于描述衛(wèi)星的運行位置和狀態(tài)極為方便。嚴格說來，衛(wèi)星的運動理論是根據(jù)牛頓引力定律，在慣性坐標系統(tǒng)中建立起來的，而慣性坐標系統(tǒng)在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運動。但是，實

3、際上嚴格滿足這一條件是困難的。,地球坐標系是與地球體相固聯(lián)的坐標系統(tǒng)（地固坐標系）。這類坐標系統(tǒng)對于表達地面觀測站的位置和處理GPS觀測成果尤為方便。它在經(jīng)典大地測量學(xué)(Geodesy)中，具有多種表達形式和極為廣泛的應(yīng)用。,完全定義一個坐標系統(tǒng)必須明確：坐標原點位置、坐標軸的指向和尺度。在GPS測量中,坐標系的原點一般取地球的質(zhì)心，而坐標軸的指向具有一定的選擇性。為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標系統(tǒng)的坐標軸指向，這種共同確認的坐標系，通常稱為協(xié)議坐標系。,2.1.1 相關(guān)概念,天球的基本概念,天球:是指以空間某一點為中心，半徑 r為任意長度的一個假想的球體。,作用:天文

4、學(xué)中通常把參考坐標系建立在天球上。,在天文學(xué)中，通常均把天體投影到天球的球面，并利用球面坐標系統(tǒng)來表達或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。為了建立球面坐標系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點、線、面和圈。在全球定位系統(tǒng)中，為描述衛(wèi)星的位置也將涉及到這些概念。,天軸和天極 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸稱為天軸；天軸與天球的交點Pn、Ps稱為天極，其中Pn稱為北天極， Ps稱為南天極。,天球赤道面與天球赤道 通過地球質(zhì)心并與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。這時天球赤道面與地球赤道面相重。該赤道面與天球相交的大圓稱為天球赤道。,包含天軸并通過地球上任一點的平面，稱為天球子午面。而天球子午面與天球相交的大圓稱為天球子午

5、圈。,通過天軸的平面與天 球相交的半個大圓。,天球子午面與天球子午圈,時圈,黃道 地球公轉(zhuǎn)的軌道與天球相交的大圓，即當?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上運動的軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5。,黃極 通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，其中靠近北天極的交點n，稱為北黃極，靠近南天極的交點s稱為南黃極。,春分點 當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時，黃道與地球赤道的交點。在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)中，春分點和天球赤道面，是建立參考系的重要基準點和基準面。,2.1.2 天球坐標系,天球坐標系的定義： 天球坐標系是以天球及天球上的點、線、圈為基礎(chǔ)建

6、立的坐標系。 任一天體的位置，在天球坐標系中可用兩種形式來描述。,天球空間直角坐標系： 原點位于地球質(zhì)心M；Z軸指向天球北極Pn ，X軸指向春分點，Y軸垂直于XMZ平面，與X軸和Z軸構(gòu)成右手坐標系統(tǒng)。 在天球空間直角坐標系中，天體的坐標為(X，Y，Z)。,天球球面坐標系： 原點位于地球質(zhì)心M，赤經(jīng)為含天軸和春分點的天球子午面與過天體S的天球子午面之間的夾角；赤緯為原點M至天體S的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑長度r為原點M至天體S的距離。 在天球球面坐標系中，天體的坐標為(,r)。,天球空間直角坐標和球面坐標的關(guān)系,在實踐中，以上關(guān)于天球坐標系的兩種表達形式，應(yīng)用都很普遍。由于它們和地球的自

7、轉(zhuǎn)無關(guān)，所以對于描述天體或人造地球衛(wèi)星的位置和狀態(tài)是方便的。,依據(jù)天球中心的不同可以劃分為： 日心坐標系、地心坐標系、站心坐標系,視差： 由于觀測者所處位置不同，而使觀測同一天體的方向發(fā)生變化，這種變化稱為視差。視差又有周年視差（恒星視差）、周日視差等之分。,地心坐標=站心坐標+周日視差改正 日心坐標=地心坐標+恒星的周年視差改正,2.1.3 歲差與章動對天球坐標的影響,地球的非球形影響歲差現(xiàn)象 地球的形體接近于一個赤道隆起的橢球體，因此，在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，從而使春分點在赤道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差

8、。,在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)(從北天極上方觀察為順時針方向，以下同)，因而使北天極以同樣的方式在天球上繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。,如果月球的引力及其運行的軌道都是固定不變的，同時忽略其它行星引力的微小影響，那么日月引力的影響，僅將使北天極繞北黃極以順時針方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個圓錐面；這時，在天球上，北天極的軌跡近似地構(gòu)成一個以北黃極n為中心，以黃赤交角為半徑的小圓。在這個小圓上，北天極每年西移約為50.371。周期大約為25800年。,在天球上，這種規(guī)律運動的北天極，通常稱為瞬時平北天極(或簡稱為平北天極)，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點，稱為瞬時平天球赤道和瞬時平春分點

9、。,月地距變化章動現(xiàn)象 如果把觀測時的北天極稱為瞬時北天極(或稱真北天極)，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點稱為瞬時天球赤道和瞬時春分點(或稱真天球赤道和真春分點)，那么在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長半徑約為9.2，周期約為18.6年。這種現(xiàn)象稱為章動。,通常均把這種復(fù)雜的運功，分解為兩種規(guī)律的運動，首先是平北天極繞北黃極的運動，這就是上面介紹的歲差現(xiàn)象；其次是瞬時北天極繞平北天極順時針的轉(zhuǎn)功，即章動現(xiàn)象。,如何為了描述北天極在天球上的運動,2.1.4 協(xié)議天球坐標系,Z軸指向瞬時北天極，X軸指向瞬時春分點；,瞬時天球坐標系：,平天球坐標系：,

10、Z軸指向平北天極，X軸指向平春分點；,協(xié)議天球坐標系：,1984年1月1日后，取2000年1月15日的平北天極為協(xié)議北天極，Z軸指向協(xié)議北天極的天球坐標系稱為協(xié)議天球坐標系，X軸指向協(xié)議春分點。,為了將協(xié)議天球坐標系的衛(wèi)星坐標，轉(zhuǎn)換到觀測歷元t的瞬時天球坐標系下，通?？煞譃閮刹剑杭词紫葘f(xié)議天球坐標系中的坐標，換算到觀測瞬間的平天球坐標系下，然后再將瞬時平天球坐標系的坐標，轉(zhuǎn)換到瞬時天球坐標系統(tǒng)。 在實際工作中，坐標系統(tǒng)的這種轉(zhuǎn)換，一般都可借助計算機的相應(yīng)軟件自動完成。,由于天球坐標系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，地球上任一固定點在天球坐標系中的坐標，將隨地球的自轉(zhuǎn)而變化，顯然這在實用上很不方便。為了描述地

11、面觀測站的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標系，即地球坐標系(有時稱地固坐標系)。該系統(tǒng)也有兩種形式。,2.1.5 地球坐標系,原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點E，Y軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標系。,地心空間直角坐標系,地心大地坐標系,地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相合，大地緯度B為過地面點的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高H為地面點沿橢球法線至橢球面的距離。,兩種坐標系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,式中，N 為橢球的卯酉圈曲率半徑， e為橢球的第一偏心率。,若以a、b

12、分別表示所取橢球的長半徑和短半徑，則,在介紹天球坐標系時，所關(guān)心的主要問題，是地球自轉(zhuǎn)軸在空間的指向及其變化。因為天球坐標系與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以，這時地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體本身的變化與否并不重要；而對于與地球體固聯(lián)的坐標系來說，情況就完全不同了，這時地極點是作為地球坐標系的一個重要基準點，自然我們希望它在地球上的位置是固定的，否則地球參考系的Z軸方向?qū)⒂兴淖儯簿褪钦f，地球赤道面和起始子午面的位置均將有所改變。從而引起地球上點的坐標變化。,2.1.6 地極移動與協(xié)議地球坐標系,事實上，人們早已發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置并不是固定的，地極點在地球表面上的位置是隨時間而變化的。這種現(xiàn)象稱為

13、地極移動，簡稱極移。觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置，我們稱為瞬時地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)的極點稱為瞬時極。 通過大量觀測資科的分析表明，地極在地球表面上的運動，主要包含兩種周期性的變化，一種是周期約為一年，振幅約為0.1 的變化；另一種是周期約為432天，振幅約為0.2的變化。后一種周期變化，一般稱為張德勒周期變化。,為了描述地極移動的規(guī)律，通常均取一平面直角坐標系來表達地極的瞬時位置。為此，假設(shè)該面通過地極的某一平均位置（即平極）并與地球表面相切。在此平面上取直角坐標系(xp 、yp)，,設(shè)其原點與平極重合， xp軸指向格林尼治平均天文臺， yp軸指向格林尼治零子午面以西90的子午線方向。于是任一歷

14、元t的瞬時極pn的位置，可表示為(xp 、yp) 。,地極的移動將使地球坐標系坐標軸的指向發(fā)生變化，這對實際工作造成了許多困難。因此，國際天文學(xué)聯(lián)合會和國際大地測量學(xué)協(xié)會，早在1967年便建議，采用國際上5個緯度服務(wù)站，以1900至1905年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準點。,平極的這個位置是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為國際協(xié)議原點,與之相應(yīng)的地球赤道面，稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。在實際工作中，至今仍普遍采用CIO作為協(xié)議地極。以協(xié)議地極為基準點的地球坐標系，稱為協(xié)議地球坐標系，而與瞬時極相應(yīng)的地球坐標系，稱之為瞬時地球坐標系。右圖描繪了從197l至1975年間，相對于

15、CIO地極運動的軌跡。,極移現(xiàn)象主要引起了地球瞬時坐標系相對協(xié)議地球坐標系的旋轉(zhuǎn)（見右圖)。如果以(X Y Z)CTS和(X Y Z)t分別表示協(xié)議地球空間直角坐標系和觀測歷元t的瞬時地球空間直角坐標系，那么其間的關(guān)系為,其中,考慮到地極坐標為微小量，如果僅取至一次微小項，則有,2.1.7 協(xié)議地球坐標系與協(xié)議天球坐標系的關(guān)系,協(xié)議地球坐標系： 原點位于地球質(zhì)心，Z指向國際協(xié)議原點，X軸指向格林尼治平子午面與地球赤道面的交點，Y軸垂直于XMZ平面，由此建立的右手坐標系為協(xié)議地球坐標系 協(xié)議天球坐標系：,原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向2000年1月15日的平北天極，X軸指向協(xié)議春分點，由此建立的右手

16、坐標系稱為協(xié)議天球坐標系。,根據(jù)協(xié)議地球坐標系和協(xié)議天球坐標系的定義可知： 兩坐標系的原點均位于地球的質(zhì)心，故其原點位置相同； 瞬時天球坐標系的Z 軸與瞬時地球坐標系的Z軸指向相同； 兩瞬時坐標系的X軸的指向不同，其間夾角為春分點的格林尼治恒星時。,轉(zhuǎn)換,瞬時天球坐標系,瞬時平天球坐標系,標準歷元的 平天球坐標系,GAST,旋轉(zhuǎn),瞬時地球坐標系,協(xié)議地球坐標系,極移改正,章動,歲差,2.1.8 站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,使用站心坐標系能夠比較直觀方便地描述衛(wèi)星與觀測站之間的瞬時距離、方位角和高度角，了解衛(wèi)星在天空的分布情況。,站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,站心赤道直角坐

17、標系,如右圖，P1是測站，O是球心。以P1為原點建立與球心空間直角坐標系相應(yīng)坐標軸平行的坐標系叫做站心赤道直角坐標系。顯然，站心赤道直角坐標系與球心空間直角坐標系坐標系間有簡單的平移關(guān)系。,站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,站心地平直角坐標系,以P1為原點， P1點的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x、z軸垂直（向東為正）。,站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系,站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系之間的關(guān)系,站心地平直角坐標系與球心空間直角坐標系的關(guān)系,站心地平極坐標系,以測站P1為原點，至衛(wèi)星s的距離r、衛(wèi)星的方位角A、衛(wèi)星的高度角h可以建立站心

18、地平極坐標系。,站心地平極坐標系與站心地平直角坐標系間有關(guān)系,經(jīng)典大地測量中的坐標系統(tǒng),常見的坐標系統(tǒng) 空間直角坐標系 大地坐標系 平面直角坐標系,2.2 WGS-84坐標系和我國的大地坐標系,建立測量坐標系的基準面是什么？,參心坐標系的特點,地心坐標系 坐標原點位于地球質(zhì)心 參心坐標系 坐標原點不位于地球質(zhì)心 地心坐標系和參心坐標系的特點 地心坐標系適合于全球用途的應(yīng)用 參心坐標系適合于局部用途的應(yīng)用 有利于局部大地水準面與參考橢球面符合更好 保持國家坐標系的穩(wěn)定 有利于地心坐標的保密,2.2.1 WGS-84大地坐標系,類型：協(xié)議地球坐標系，地心地固坐標系 定義:原點：地球的質(zhì)心 Z軸：指

19、向BIH1984.0定義的CTP（協(xié)議地球極）方向 X軸：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點 Y軸：和Z,X構(gòu)成右手系,對應(yīng)于WGS-84大地坐標系有一個WGS-84橢球，其常數(shù)采用IUGG第17屆大會大地測量常數(shù)的推薦值。這里給出WGS-84橢球的兩個最常用的幾何常數(shù)：,橢球第一偏心率：e2=0.00669437999013 地球引力常數(shù)：GM=（39860050.6）108（m3/s2） 正?；A帶諧系數(shù)：J2=（484.166851.30）109（rad/s） 地球自轉(zhuǎn)角速度：=（72921150.1500）1011（rad/s）,WGS-84橢球參數(shù),2.2.2 國家

20、大地坐標系,C80是為了進行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球定位的基本原理，在建立C80坐標系時有以下先決條件： 大地原點在我國中部，具體地點是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)；,1980國家大地坐標系, C80坐標系是參心坐標系，橢球短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點JYD1968.0的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺子午面，X軸在大地起始子午面內(nèi)與Z軸垂直指向經(jīng)度0方向，Y軸與Z、X軸成右手坐標系；, 橢球兩個最常用的幾何參數(shù)為 長半軸 a6378140(m)，扁率 f = 1/298.257 橢球定位時按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。,建國初期，為了迅速開展我國的測

21、繪事業(yè)，鑒于當時的實際情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠東一等鎖相連接，然后以連接呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴大邊端點的原蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系的坐標為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標系就定名為1954年北京坐標系。我們稱為舊1954年北京坐標系。,舊P54坐標系,舊P54坐標系可歸結(jié)為： 屬參心大地坐標系； 采用克拉索夫斯基橢球的兩個幾何參數(shù) 長半軸 a 6378245(m)，扁率 f = 1/298.3 大地原點在原蘇聯(lián)的普爾科沃； 采用多點定位法進行橢球定位； 高程基準為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面； 高程異常以原蘇聯(lián)1955年大地水準面重新平差結(jié)果為起

22、算數(shù)據(jù)，按我國天文水準路線推算而得。,全國天文大地網(wǎng)在1980年國家大地坐標系上進行整體平差完成后，理論上應(yīng)使用該整體平差結(jié)果。但考慮到實用中許多部門和單位有大量測繪成果是舊P54下的，因而產(chǎn)生了所謂的新P54年北京坐標系。,新P54坐標系,新P54是將C80內(nèi)的空間直角坐標經(jīng)三個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心得到的。它具有如下特點： 屬參心大地坐標系； 橢球參數(shù)(P54):長半軸 a6378245(m),扁率 f = 1/298.3 大地原點與C80大地原點相同； 橢球軸向與C80橢球軸向相同； 高程基準為1956年青島驗潮站求出的黃海平均海水面；,新P54點坐標與舊P54點坐標接近

23、，但其精度和C80坐標精度完全一樣。 據(jù)統(tǒng)計，新P54點坐標與舊P54點坐標相比較，就平面坐標而言，縱坐標x差值在-6.5m至+7.8m之間，橫坐標y差值在-12.9m至+9.0m之間，差值在5m以內(nèi)的約占全國80%的地區(qū)。反映在1：5萬比例尺的地形圖上，絕大部分不超過0.1mm。,經(jīng)國務(wù)院批準，我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標系。 2000國家大地坐標系的定義 國家大地坐標系的定義包括坐標系的原點、三個坐標軸的指向、尺度以及地球橢球的4個基本參數(shù)的定義。 原點：包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心；,2000國家大地坐標系,Z軸：由原點指向歷元2000.0的地球參考極的方向

24、，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0的初始指向推算，定向的時間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)； X軸：由原點指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點； Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標系 尺度：采用廣義相對論意義下的尺度。,地球橢球參數(shù) 長半軸 a6378137m 扁率 f=1/298.257222101 地心引力常數(shù) GM3.9860044181014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速度 7.292l1510-5rad s-1,地方獨立坐標系,水準面建立在當?shù)氐钠骄０胃叱堂嫔希?（隱含著一個與當?shù)仄骄０胃叱虒?yīng)的參考橢球） 以當?shù)刈游缇€作為中央子午線 參考橢球

25、的中心、軸向和扁率與國家參考橢球相同，長半徑有一改正量,ITRF坐標框架簡介,國際地球參考框架ITRF(InternationalTerreetrial Reference Frame的縮寫)是一個地心參考框架。它是由空間大地測量觀測站的坐標和運動速度來定義的，是國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS的地面參考框架。由于章動、極移影響，國際協(xié)議地極原點CI0是變化的，所以ITRF框架每年也都在變化。根據(jù)不同的時間段可定義不同的ITRF，如ITRF-93、ITRF-94、ITRF96、ITRF94(1996年7月I日以后的IGS星歷都是在此框架下給出的)等。它們的尺度和定向參數(shù)分別由人衛(wèi)激光測距和IERS公布

26、的地球定向參數(shù)序列確定。,ITRF框架為高精度的GPS定位測量提供較好的參考系，近幾年已被廣泛地用于地球動力學(xué)研究，高精度、大區(qū)域控制網(wǎng)的建立等方面，如青藏高原地球動力學(xué)研究、國家A級網(wǎng)平差、深圳市GPS框架網(wǎng)的建立等都采用了ITRF框架。一個測區(qū)在使用ITRF框架時，一般以高級約束點的參考框架來確定本測區(qū)的框架。例如，在深圳市GPS框架建立時，選用了96國家A級網(wǎng)的貴陽、廣州、武漢三個A級站(其中武漢為IGS永久跟蹤站)為約束基準，而96A級網(wǎng)的參考框架為ITRF-93框架，參考歷元為96.365，所以深圳市GPS框架的基準也選用ITRF-93框架為參考點。,ITRF框架實質(zhì)上也是一種地固坐

27、標系，其原點在地球體系(含海洋和大氣圈)的質(zhì)心，以WGS-84橢球為參考橢球。,PZ-90坐標系,PZ-90坐標系是GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的坐標系，與GPS采用的WGS-84坐標系均屬于地心地固坐標系。 PZ-90坐標系的定義為： 坐標原點位于地球質(zhì)心，Z軸指向國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局（IERS）推薦的協(xié)議地極原點，即19001905年的平均北極，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線的交點，Y軸按右手坐標系定義。,PZ-90坐標系采用的參考橢球參數(shù)為：,長半軸 a6378136m 扁率 f=1/298.257839303 地心引力常數(shù) GM3.9860044181014m3s-2 自轉(zhuǎn)角速

28、度 7.292l1510-5rad s-1,2.3 坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換,區(qū)分 坐標變換 在不同坐標系表示形式之間進行變換 坐標轉(zhuǎn)換 在不同的參考基準間進行變換（基準的轉(zhuǎn)換）,坐標系間的變換,空間大地坐標系 空間直角坐標系 空間直角坐標系 空間大地坐標系 空間大地坐標系 高斯平面直角坐標系,1. (B L H)(X Y Z),式中，N 為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏心率。,若以a、b分別表示所取橢球的長半徑和短半徑，則,2.(X Y Z)(B L H),3. (B L)(x y),高斯投影的計算公式：,坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換包括： 不同參心大地坐標系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換 參心大地坐標系與地心大地坐標系之

29、間的轉(zhuǎn)換 大地坐標與高斯平面坐標之間的轉(zhuǎn)換 實際應(yīng)用中，我們需要將GPS點的WGS-84坐標轉(zhuǎn)換為地面網(wǎng)的坐標。,坐標轉(zhuǎn)換的基本方法,BJ54 WGS84 (B,L)1 (B,L)2 (x,y)1 (x,y)2 (X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 (B,L,H)1 (B,L,H)2,轉(zhuǎn)換參數(shù)的計算,如果不知道兩坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而是知道部分點在兩個坐標系的坐標，稱公共點，須通過公共點的兩組坐標求得轉(zhuǎn)換參數(shù),轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法,三點法：對轉(zhuǎn)換參數(shù)的要求精度不高，或只有三個公共點時，可用三個點的9個坐標，列出9個方程，取其中的7個方程求解,多點法：由公共點在兩個坐標系中的坐標，按照轉(zhuǎn)換模型，以轉(zhuǎn)換

30、參數(shù)為未知數(shù)寫出誤差方程,WGS-84坐標系我國國家坐標系,BJ54,WGS84,(x,y)1,(x,y)2,(B,L)1,(B,L)2,(X,Y,Z)1,(X,Y,Z)2,轉(zhuǎn)換中的參數(shù)設(shè)置,（B L H）WGS-84,（X Y Z）WGS-84,（X Y Z）BJ54/STATE80,（B L H）BJ54/STATE80,（x y）高斯平面,長半軸之差： -108 扁率之差： +0.00480795 原點平移參數(shù)： +15 -150 -90,2.4 時間系統(tǒng),在現(xiàn)代大地測量學(xué)中，為了研究諸如地殼升降和板塊運功等地球動力學(xué)現(xiàn)象，時間也和描述觀測點的空間坐標一樣，成為研究點位運動過程和規(guī)律的一

31、個重要分量，從而形成空間與時間參考系中的四維大地測量學(xué)。 在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時間系統(tǒng)是精確描述天體和人造衛(wèi)星運行位置及其相互關(guān)系的重要基準，因而也是人們利用衛(wèi)星進行導(dǎo)航和定位的重要基準。,2.4.1 有關(guān)時間的基本概念,時間的兩個概念 時間有“時刻”和“時間間隔”兩個概念。 時刻，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星測量學(xué)中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱為歷元。 時間間隔，系指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時刻之差。 時間間隔測量也稱為相對時間測量，而時刻測量相應(yīng)地稱為絕對時間測量。,在GPS定位中，時間的重要意義,GPS衛(wèi)星作為一個高空觀測目標，其位置是不斷變化的。因此在給出

32、衛(wèi)星運行位置的同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時刻。例如，當要求GPS衛(wèi)星的位置誤差少于1cm時，則相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于2.610-6秒。（衛(wèi)星運行速度約34km/s）,GPS測量是通過接收和處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，來確定用戶接收機(即觀測站)至衛(wèi)星的距離(或距離差)，進而確定觀測站的位置。因此，準確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。如果要求上述距離誤差小于1cm ，則信號傳播時間（時間間隔）的測定誤差應(yīng)不超過310-11秒。（光速約3108km/s， 精確值為2.99792458108km/s ）,由于地球的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在天球坐標系中，地球上點的位置是不斷變化的。若要求赤

33、道上一點的位置誤差不超過1cm，則時刻的測定誤差須小于210-5秒。（地球自轉(zhuǎn)速度約3km/s）,確定時間的基準,測量時間，同樣必須建立一個測量的基準，即時間的單位(尺度)和原點(起始歷元)。其中時間的尺度是關(guān)鍵，而原點可以根據(jù)實際應(yīng)用加以選定。一般來說，任何一個可觀察的周期運動現(xiàn)象，只要符合以下要求，都可以用作確定時間的基準。,運動應(yīng)是連續(xù)的，周期性的； 運動的周期應(yīng)具有充分的穩(wěn)定性； 運動的周期必須具有復(fù)現(xiàn)性，即要求在任何地方和時間，都可以通過觀測和實驗復(fù)現(xiàn)這種周期性運動。,在實踐中，由于我們所選的上述周期運動現(xiàn)象不同，便產(chǎn)生了不同的時間系統(tǒng)。在GPS測量中，具有重要意義的時間系統(tǒng)主要有三

34、種：即恒星時、力學(xué)時和原子時。,2.4.2 世界時系統(tǒng)(Universal Time UT),地球在空間的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，而且比較均勻。所以人類最先建立的時間系統(tǒng)，便是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準的世界時系統(tǒng)。但是，由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時，所選空間參考點不同，世界時系統(tǒng)又包括恒星時、平太陽時、世界時等不同的形式。,恒星時(Sidereal Time ST),以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間，稱為恒星時。春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一個恒星日，含24個恒星小時。所以恒星時在數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。因為恒星時是以春分點通過本地子午圈時為原點計算的，同一瞬間對

35、不同測站的恒星時各異，所以恒星時具有地方性，有時也稱之為地方恒星時。,平太陽時(Mean Solar Time MT),由于地球的公轉(zhuǎn)軌道為一橢圓，根據(jù)天體運動的開普勒定律已知，太陽的視運動速度是不均均的。如果以真太陽作為觀察地球自轉(zhuǎn)運動的參考點，那將不符合建立時間系統(tǒng)的基本要求。為此，假設(shè)一個參考點的視運動速度，等于真太陽周年運動的平均速度，且其在天球赤道上作周年視運動。這個假設(shè)的參考點，在天文學(xué)中稱為平太陽。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔，為一個平太陽日，而一個平太陽日包含有24個平太陽時。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性，故常稱為地方平太陽時或地方平時。,以平子夜為零時起算的格

36、林尼治平太陽時稱為世界時。世界時與平太陽時的尺度基準相同，其差別（12小時)僅在于起算點不同。,世界時系統(tǒng)是以地球的自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，地球自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部的位置并不是固定的，即有極移現(xiàn)象并且地球的自轉(zhuǎn)速度也不均勻，它不僅包合有長期的減緩趨勢，而且還具有一些短周期的變化和季節(jié)性的變化，情況甚為復(fù)雜。,世界時(Universal Time UT),這樣一來，地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，就破壞了上述建立時間系統(tǒng)的基本條件。為了彌補這一缺陷，從1956年開始，1）在世界時UT0中引入了極移改正,得到世界時UT1（含有地球自轉(zhuǎn)速度變化的影響）；2）在UT1中加入地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正

37、得到世界時UT2。 UT2雖經(jīng)地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的改正，但仍含有地球自轉(zhuǎn)速度長期變化和不規(guī)則變化的影響，所以世界時UT2仍不是一個嚴格均勻的時間系統(tǒng)。,2.4.3 原子時(Atomic TimeTA),隨著空間科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代天文學(xué)與大地測量學(xué)新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對時間準確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)，已難以滿足要求。為此，人們從20世紀50年代，便建立了以物質(zhì)內(nèi)部原子運動的特征為基礎(chǔ)的原子時間系統(tǒng)。 因為物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性，所以由此而建立的原子時，便成為當代最理想的時間系統(tǒng)。,原子時秒長的定義為：位于海平面上的銫原子基

38、態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射振蕩9 192 631 770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。該原子時秒作為國際制秒(SI)的時間單位。 這一定義嚴格地確定了原子時的尺度，而原子時的原點由下式確定： TA=UT2-0.0039 s,在衛(wèi)星大地測量學(xué)中，原子時作為高精度的時間基準，普遍地用于精密測定衛(wèi)星信號的傳播時間。,原子時出現(xiàn)，得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，許多國家都建立了各自的地方原子時系統(tǒng)。但不同的地方原子時之間存在著差異。為此，國際上大約有100座原子鐘，通過相互比對，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時。,原子時是通過原子鐘來守時和授時的。因此，原子鐘振蕩器頻率的準確

39、度和穩(wěn)定度便決定了原子時的精度。,當前常用的幾種頻率標準的特性，如下表所列。,2.4.4 協(xié)調(diào)世界時(Coordinate Universal TimeUTC),在許多應(yīng)用部門，如大地天文測量、導(dǎo)航和空間飛行器的跟蹤定位等部門，當前仍需要以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時。但是，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，近二十年來，世界時每年比原子時約慢1秒，兩者之差逐年積累。為了避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大的偏差，所以，從1972年便采用了一種以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷的時間系統(tǒng)，這種時間系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)世界時(UTC)，或簡稱協(xié)調(diào)時。,協(xié)調(diào)世界時的秒長嚴格等于原子時的秒長，采用

40、閏秒(或跳秒)的辦法使協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。當協(xié)調(diào)時與世界時的時刻超過0.9s 時，便在協(xié)調(diào)時中引入一閏秒(正或負)，閏秒一般在12月31日或6月30日末加入。具體日期由國際時間局安排并通告。,為了使采用世界時的用戶得到精度較高的UT1時刻，時間服務(wù)部門發(fā)播協(xié)調(diào)時(UTC)時號的同時，還給出UT1與UTC的差值。這樣用戶便可容易地由UTC得到相應(yīng)的UT1。目前，幾乎所有國家時號的發(fā)播，均以UTC為基準。時號發(fā)播的同步精度約為 0.2ms。,2.4.5 GPS時（GPST),為了精密導(dǎo)航和定位的需要，全球定位系統(tǒng)(GPS)建立了專用的時間系統(tǒng)。該系統(tǒng)可簡寫為GPST，由GPS的主控站原子鐘

41、所控制。 GPS時屬原子時系統(tǒng)，其秒長與原子時相同，但與國際原子時具有不同的起點。所以，GPST與ATI在同一瞬間均有一常量偏差，其間關(guān)系為 ATI一GPST19(s）,GPS時與協(xié)調(diào)時的時刻，規(guī)定于1980年1月6日0時相一致。其后隨著時間的積累，兩者之間的差別將表現(xiàn)為秒的整倍數(shù)。至1987年這個差值為4秒，而到1989年其值已達5秒，目前為13s。在GPS測量中，應(yīng)用的幾種主要時間系統(tǒng)之間的差別見下圖。,2.4.6 GPS定位中的時間表示方法,一、歷法（日歷表示法） 表示方法：年、月、日、時、分、秒。 （2010.03.25/10：15：31） 基礎(chǔ)：建立在地球繞日公轉(zhuǎn)、月球繞地公轉(zhuǎn)等 特

42、點：反映季節(jié)變化，與日常生活密切相關(guān)；非連續(xù)，不利于數(shù)學(xué)表達。,歷法是天文學(xué)的分支學(xué)科。它是一種推算年、月、日的時間長度和它們之間的關(guān)系，制定時間的序列的方法。簡單說來，就是為人們?yōu)榱松鐣a(chǎn)時間的需要而創(chuàng)立的長時間的記時系統(tǒng)。歷法能使人類確定每一日再無限的時間中的確切位置并記錄歷史。 歷法以使用方便為目的，按一定法則，科學(xué)地安排年月日。日以上的時間系統(tǒng)計量與安排屬于歷法范疇。歷法是在人類生產(chǎn)與生活中逐漸形成的，年、月、日都直接與天體運行周期相關(guān)。很早以來，人們就把四季更迭的周期定為年，把月亮盈虧變化的周期定為月。一回歸年365.2422日，一朔望月為29.5306日，它們既不是月的整數(shù)倍，也

43、不是日的整數(shù)倍，使用起來很不方便。因此在人為規(guī)定歷法中的年和月都是整數(shù)日，這種整數(shù)日的年和月，稱為歷年和歷月。,二、儒略日（Julian Date） 定義：是指從-4712年1月1日（即公元前4713年1月1日）正午開始的天數(shù)。 提出：由J. J. Scaliger在1583年提出的，所以該系統(tǒng)的名稱源自Julius Scaliger。 特點：連續(xù)的，利于數(shù)學(xué)表達；不直觀。,2010.03.25的儒略日：2455280.5,儒略日（Julian Date）來源 由法國學(xué)者Joseph Justus Scliger（1540-1609）在1583年所創(chuàng)，這名稱是為了紀念他的父親意大利學(xué)者Juli

44、us Caesar Scaliger（1484-1558）。 儒略日的起點訂在公元前4713年（天文學(xué)上記為 -4712 年）1月1日格林威治時間平午（世界時12:00），即JD0 指定為 4713 B.C.1月1日12:00 UT到4713 B.C.1月2日12:00 UT的24小時。每一天賦予了一個唯一的數(shù)字，順數(shù)而下，如：1996年1月1日12:00:00的儒略日是2450084。這個日期是考慮了太陽、月亮的運行周期，以及當時收稅的間隔而訂出來的。,Joseph Scliger定義儒略周期為7980年，是因28、19、15的最小公倍數(shù)為281915=7980。其中： 28年為一太陽周期(

45、solar cycle)，經(jīng)過一太陽周期，則星期的日序與月的日序會重復(fù)。 19年為一太陰周期，或稱默冬章(Metonic cycle)，因235朔望月=19回歸年，經(jīng)過一太陰周期則陰歷月年的日序重復(fù)。 15年為一小紀(indiction cycle)，此為羅馬皇帝君士坦?。–onstantine）所頒，每15年評定財產(chǎn)價值以供課稅，成為古羅馬用的一個紀元單位， 故以7980年為一儒略周期，而所選的起點公元前4713年，則是這三個循環(huán)周期同時開始的最近年份。,三、約化儒略日（Modified Julian Date - MJD） 定義：從儒略日中減去2,400,000.5天得到，給出的是從185

46、8年11月17日子夜開始的天數(shù)。 特點：連續(xù)的，利于數(shù)學(xué)表達，數(shù)值比儒略日小。 2010.03.25的儒略日：55280,由于儒略日數(shù)字位數(shù)太多，國際天文學(xué)聯(lián)合會于1973年采用簡化儒略日（MJD），其定義為 MJD = JD - 2400000.5。MJD相應(yīng)的起點是1858年11月17日世界時0時。 例如1979年10月1日零時儒略日數(shù)為2,444,147.5。天文年歷附表載有各年每月零日世界時12時的儒略日數(shù)。,四：年積日 定義：從當年1月1 日開始的天數(shù)。 2010.03.25的年日：84 五、GPS時 定義：以1980年1 月6日子夜為起點，用周數(shù)和周內(nèi)的秒數(shù)來表示。,2010.03

47、.25/10：15：31 ： GPS周數(shù)：1576 周內(nèi)天數(shù)：4（星期天為0） GPS秒： 382531 S 該天精密星歷文件名：igs15764.sp3,下載地址：/igscb/product/,2.4.7 GPS定位中的時間換算,一、由日歷時間轉(zhuǎn)換到儒略日和GPS時,Sub Get_GPSTime(Uyear, Umonth, Uday, Uhour, Umint, Usecond, GPSTime, dayofy, _ dayofw, WeekNo, MJDOb) Dim ttlday As Double If Uyear 12 Or Uda

48、y 31 Then End 統(tǒng)計觀測日期從1月1日起算共幾天 If Umonth = 1 Then dayofy = Uday If Umonth = 2 Then dayofy = 31 + Uday If Umonth 2 Then 判斷今年是否是閏年 YNBZ1 = Uyear Mod 4: YNBZ2 = Uyear Mod 100: YNBZ3 = Uyear Mod 400 If (YNBZ1 = 0 And YNBZ2 0) Or YNBZ3 = 0 Then Addone = 1 Else Addone = 0 End If End If,If Umonth = 3 Then dayofy = 59 + Addone + Uday If Umonth = 4 Then dayofy = 90 + Addo