GPS02坐标系统与时间系统.ppt

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1、GPS原理及应用 上海海洋大学海洋学院 Email: 课程类别：海技专业基础课 讲授：沈蔚 第二章 坐标系统与时间系统 Slide 3 OUTLINE Your Location is: 36.067901o N 94.171071o W 2.1 天球坐标系与地球坐标系 2.2 WGS-84坐标系和我国大 地坐标系 2.3 坐标系转换 2.4 时间系统 Slide 4 经典大地测量中的坐标系统 常见的坐标系统 空间直角坐标系 大地坐标系 平面直角坐标系 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 5 建立测量坐标系的基准面是什么？ 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 6 参考椭球面和参

2、心坐标系 大地水准面 海洋 陆地 地球表面 参考椭球面 参考椭球 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 7 参心坐标系的特点 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 8 平面直角坐标系的建立 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 9 高斯平面直角坐标定义 高斯平面直角坐标系的定义 X 轴：中央子午线的投影 Y 轴：赤道的投影 原点：两轴的交点 假东、假北 为了避免坐标系中出现负值，统一规定将每一带的坐标 轴西移或南移一定距离。 我国的假北为 0，假东为 500km 高斯分带投影 6 度 带 3 度 带 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 10 经典大地测量中的坐标系统

3、定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？ 建立参心坐标系的出发点是什么？ 建立一个参心大地坐标系，必须解决那些问题 ？ 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 11 卫星定位中的坐标系 描述卫星的位置 天球坐标系 描述地球上的点的位置 地球坐标系 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 12 天球和天球坐标系 天球 以地球质心为 中心，半径为任意长度 的一个假想球体。 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 13 天球 天轴 :地球自 转轴的延伸 线 天极 :天轴 与天球的交 点 天 (球 )赤道 面 ：通过地 球质心，与 天轴垂直的 平面 天球子 午面 ：包 含天轴 , 并通过天

4、球上任何 一点的平 面 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 14 黄道和二分点 地球绕日公转的 轨道平面与天球相交 的圆称之为 “黄道面 ” 地球自转与黄道 （太阳绕地球的运行 轨道）面法线并不一 致，而夹角成的角 天赤道与黄道相 交于两点，当一年中 太阳过这两点时分别 是 春分 和 秋分 ，在这 两天全球各地昼夜等 长。 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 15 旋进与岁差 二分点由西向东缓慢漂移（也称为“旋 进”）。这一现象在我国被称之为 岁差 。 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 16 章 动 月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕 瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆

5、轨迹， 周期约为 18.6年。这种现象称为 章动 。 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 17 天球坐标系的两种表示方法 天球球面坐标系 (赤经，赤纬，向径 ) 天球空间直角坐标系 (X,Y,Z) 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 18 建立天球坐标系的两个问题 实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因此 在日月引力和其他天体对隆起部分的作用下，地球 在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变而使 春分点在黄道上产生缓慢的西移 岁差、章动 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 19 三种天球坐标系 瞬时真天极 瞬时平天极 一个特定时刻，即 标准历元： 2000.1.15

6、：的瞬时 平天极 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 20 三种天球坐标系 瞬时极（真）天球坐标系 瞬时真天极、瞬时真赤道面、瞬时真春分点 坐标轴指向随时间变化 瞬时平天球坐标系 瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点 经过了 章动改正 标准历元的平天球坐标系 相应标准历元（ 2000.1.15）的一个特定时刻的平天球坐标系 经过了标准历元到观测历元的 岁差改正 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 21 地球坐标系 空间技术和远程武器的发展，要求提供高精度的地心坐标 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 22 1、地心坐标系的定义 地心空间直 角坐标系 地心大地坐 标系

7、思考：和参心坐标系统的定义有何区别？ 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 23 2、建立地球坐标系的问题：极移 极移 地球自 转轴相对于地球 体的位置不是固 定的，因而地极 点在地球表面的 位置是随时间而 变化的，这种现 象称为极移。 -1 0 . 0 -5 . 0 0 . 0 5 . 0 1 0 . 0 0 . 05 . 01 0 . 01 5 . 02 0 . 0 Po l e Po si t i o n X Po l e (m) Y Po l e (m ) 1 9 9 3 2 0 0 1 瞬时北地极 1900.001905. 00年地球自转轴 的瞬时平均位置 2.1 天球坐标系与

8、地球坐标系 Slide 24 3、两种地球坐标系 地球坐标系 原点 Z轴 X轴 瞬时地球坐标系 地心 瞬时北地极 平地球坐标系 地心 协议地极原点 （如 1900.001905. 00年地球自转轴 的瞬时平均位置 ) 与地心和 CIO连线正交之平面和 格林尼治平子午面的交线 瞬时真赤道面和包含瞬时自转 轴的格林尼治平子午面的交线 协定地球坐 标系？ 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 25 天球坐标系与地球坐标系 联系 （ 1）原点都位于地球的质心 （ 2）瞬时自转轴和瞬时天轴重合；即瞬时天球坐标系和瞬 时地球坐标系的 Z轴重合 （ 3） X轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的

9、交 点，两瞬时坐标系的 X轴夹角为春分点的格林尼治恒星时 GAST 转换 瞬时天球坐标系 瞬时平天球坐标系 标准历元的 平天球坐标系 GAST 旋转 瞬时地球坐标系 协议地球坐标系 极移改正 章动 岁差 2.1 天球坐标系与地球坐标系 Slide 26 2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系 Slide 27 WGS-84坐标系 类型 ：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ ECEF） 定义 :原点：地球的质心 Z轴：指向 BIH1984.0定义的 CTP（ 协议地球极）方向 X轴：指向 BIH1984.0的零子午面和 CTP赤道的交点 Y轴：和 Z,X构成右手系 椭球 （国际大地测量与地球物

10、理联合会第 17届年会） 235631 / 2 9 8 .2 5 7 2: 2m 6378137 :长 半 径 f扁率 P16 2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系 Slide 28 我国的大地坐标系 1954年北京坐标系 类型 ：参心坐标系 建立： 与苏联 1942年普尔科沃坐标系联测 椭球 ：克拉索夫斯基椭球 问题 ：参考椭球面与我国大地水准面符合不好 1980年国家大地坐标系 类型 ：参心坐标系 建立 ：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元 素，进行了定位和定向 大地原点 ：陕西省泾阳县永乐镇 椭球 ： 1975年国际大地测量与地球物理联合会第 16届年会 N O1 GE

11、OID N O2 2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系 Slide 29 2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系 地方独立坐标系 水准面建立在当地的平均海拔高程面上， （隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参 考椭球） 以当地子午线作为中央子午线 参考椭球的中心、轴向和 扁率与国家参考椭球相同， 长半径有一改正量 地方参考椭 球？ Slide 30 2.3 坐标系统之间的转换 区分 坐标变换 在不同坐标系 表示形 式 之间进行变换 坐标转换 在不同的 参考基准 间 进行变换（基准的转换） Slide 31 一、坐标系的变换 空间大地坐标系 空间直角坐标系 空间直角坐标系 空间大地坐标系

12、 空间大地坐标系 高斯平面直角坐标系 Slide 32 1、 (B L H) (X Y Z) 该点卯酉圈曲率半径（ 其中： ),s i ne-1/ c osc os)1( s i nc os)( c osc os)( 2 2 BaN LBHeNZ LBHNY LBHNX 需要哪些参数？ Slide 33 2、 (X Y Z) (B L H) )1/( / c os YX ) X Y (t a nL Bt a ne1 t a n BeC Z YX 1 t a nB 222 2 22 1 22 2 22 1 eee baC N B H 其中： 需要哪些参数？ Slide 34 3、 (B L) (

13、x y) 2c os )t a nt a n185(c os 120 )t a n1(c os 6 c os )49t a n5(c oss i n 24 c oss i n 2 2 425 5 223 4 4222 42 e S BBB N BB N BNy BBB N BB N Sx 弧长该点到赤道的子午线 线的经差该点经度到中央子午 其中： 高斯投影的计算公式： 需要哪些参数？ Slide 35 二、坐标转换的基本方法 X Y Z X Y Z BJ54 WGS84 (B,L)1 (B,L)2 (x,y)1 (x,y)2 (X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 Slide 36 转换参数的计算

14、 如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点 在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两 组坐标求得转换参数 Slide 37 转换参数的求解方法 三点法 ：对转换参数的要求精度不高，或只有 三个公共点时，可用三个点的 9个坐标，列出 9 个方程，取其中的 7个方程求解 多点法 ：由公共点在两个坐标系中的坐标，按 照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方 程 Z Y X B u B B B I i I i I i I i I i I i I i I i I i I i I i I i II i II i II i Z Y X XYZ XZY YZX Z Y X Z Y X 0 0 0 0

15、100 0010 0001 Slide 38 WGS-84坐标系 我国国家坐标系 BJ54 WGS84 (x,y)1 (x,y)2 (B,L)1 (B,L)2 (X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 Slide 39 转换中的参数设置 （ 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 提供转换参数 七参数 椭球参数 椭球参数 投影参数 三个平移 椭球参数差 （化简） 长半轴之差： -108 扁率之差： +0.00480795 原点平移参数： +15 -150 -90 Sli

16、de 40 时间系统 常用的时间系统 GPS时间系统 时间系统间的转换 2.4 时间系统 Slide 41 意义： 卫星的位置误差 1cm， 要求相应的时 刻误差应小于 2.6x10-6秒； 测距误差 1cm， 要求信号传播时间的 测量误差，应不超过 3x10-11秒； Slide 42 一、时间系统 时间：包含时刻和时间间隔两种意义 时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度 （单位）和原点（起始历元），一般来说任 何一个可观测的周期运动现象，只要满足： 连续性，稳定性，复现性均可作为时间基准 漏壶、钟摆 Slide 43 二、常用的时间系统 世界上现在通用的 时间系统 时什么？ 时间的单位尺度

17、 不同； 度量时间的时钟 不同 Slide 44 常用的几类时间系统 恒星时和太阳时 历书时 原子时 地球的周 期性自转 地球的周 期性公转 原子核外电子能 级跃迁时辐射的 电磁波的频率 Slide 45 1、世界时系统 世界时系统 恒星时 春分点 太阳时 太阳 根据天体的周日视运 动反映地球的自转； 810 稳定性： 平太阳时 平太阳 Slide 46 恒星时 恒星时 选取春分点作为参考 点，用它的周日视运动周期来描 述时间的时间计量系统。 参照于遥远星体的地球自转周期 参考点：一个天 体或天球上某个 特殊点 测站点子 午圈 参考 点连 续两 次经 过测 站点 子午 圈的 时间 段 Slid

18、e 47 太阳时 参照于太阳的地球自转周期 太阳时 选取太阳作为参 考点，用它的周日视运动周 期来描述时间的时间计量系 统。 Slide 48 平太阳时 太阳时的问题 真太阳的周日视运动不均匀，并不严 格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差 51 秒； 平太阳 假设一个参考点的运动速度等于真太阳周年 视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。 平太阳时 以平太阳的周日视运动为基础建立的时间 系统。天文学上假定由一个太阳（平太阳）在天赤道上 （而不是在黄赤道上）作等速运行，其速度等于运行在 黄赤道上真太阳的平均速度，这个假想的太阳连续两次 上中天的时间间隔，叫做一个 平太阳日 ，这也相当

19、于把 一年中真太阳日的平均称为平太阳日，并且把 1/24平太 阳日取为 1平太阳时 。通常所谓的“日”和“时”，就 是平太阳日和平太阳时的简称。 Slide 49 世界时 UT 世界时 以平子夜为零时的格林尼治平太阳时 UT 极移改正 UT1 地球自转 速度改正 UT2 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； Slide 50 2、原子时 ATI 原子时秒长 位于海平面的铯 133原子基态两 个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡 9192631770周所持续的时间，为一原子时秒。 国际原子时 国际上约 100座原子钟，通

20、过相 互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。 1310 稳定性： Slide 51 原子时 原子时原点 UT2(1958.1.1.0)-0.0039s UT2 IAT 1958.0 t (地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒 ) Slide 52 3、协调世界时 UTC 协调世界时 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 的折衷的 时间系统。 秒长稳定 广泛应用于天体测量， 大地测量，研究地球自 转速度 Slide 53 协调世界时 t UT1 1972.0 UTC 1958.0 IAT 闰秒 当协调时和世界时相差超过正负 0.9秒

21、时，便 在协调时上加入一个闰秒（跳秒）。 （跳秒由国际自转服务组织发布，一般在 12.31或 6.30进行） 在 2006年的元旦，我国的时钟将拨慢： 7时 59分 59秒 7时 59分 60秒 8时 00分 00秒。 Slide 54 三、 GPS时间系统 GPST属于原子时系统 秒长与原子时相同 原点： 1980年 1月 6日的 UTC零时 没有跳秒 t UT1 1972.0 UTC 1958.0 IAT t 1980.1.6 19s GPST Slide 55 总结 站心直角 坐标系 站心极 坐标系 站心赤道 坐标系 站心地平 坐标系 高斯平面直 角坐标系 天文坐标系 参心大地 坐标系 参心空间直 角坐标系 地心大地 坐标系 地心空间直 角坐标系 投影平面 地心 参心 站心 总地 球椭 球面 参考 椭球 面 大地 水准 面 表 示 方 式 坐 标 原 点 参 考 面 地球坐标系统 笛卡尔坐标 曲线坐标 平面直角坐标 Slide 56 思考 试比较参心坐标系和地心坐标系。 各类天球坐标系和地球坐标系的关系是什 么 ?如何转换？ 不同的参心坐标系之间的转换和参心坐标 系到地心坐标系之间的转换有不同吗？ 不同类型的时间系统有哪些特点和区别？ 联系是什么？