第2章 时间系统和坐标系统

©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所1GPS原理及其应用主讲：李征航©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所2第2章GPS测量中所涉及的时间系统和坐标系统©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所32.1有关时间系统的一些概念4有关时间系统的一些基本概念①•时间时间间隔事物运动处于两个（瞬间）状态之间所经历的时间过程，它描述了事物运动在时间上的持续状况时刻发生某一现象的时间5有关时间系统的一些基本概念②•时间基准满足条件：(1)能做连续的周期性运动，且运动周期十分稳定；(2)运动周期具有很好的复现性目前的基准主要有：地球自转、行星公转、原子钟和脉冲星等6有关时间系统的一些基本概念③•守时系统（时钟）•授时和时间比对•时钟的主要技术指标频率准确度频率漂移率频率稳定度©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所72.2恒星时与太阳时8恒星时与太阳时①•恒星时恒星时是以春分点作为参考点的。由于地球自转使春分点连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。以恒星日为基础均匀分割从而获得恒星系统中的“小时”、“分”和“秒”。真春分点和平春分点真恒星时和平恒星时9恒星时与太阳时②•真太阳时真太阳时是以太阳中心作为参考点的，太阳连续两次通过某地的子午圈的时间间隔称为一个真太阳日。以其为基础均匀分割后得到真太阳时系统中的“小时”、“分”和“秒”。•平太阳时以地球自转为基础，以平太阳中心作为参考点而建立起来的时间系统称为平太阳时。即这个假想的平太阳连续两次通过某地子午圈的时间间隔叫做一个平太阳日。以其为基础均匀分割后可获得平太阳时系统中的“小时”、“分”和“秒”。10恒星时与太阳时③•世界时和区时在同一时区统一采用该时区中央子午线上的平太阳时，称为区时。格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时。地球自转的速度是不均匀的地极在地球上的位置在不断移动因此引入改正：其中为极移改正，为季节性改正UT1UT0UT2UT1TUT0TT©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所112.3原子时、协调世界时与GPS时12原子时①•原子时当原子中的电子从某一能级跃迁至另一能级时，会发出或吸收电磁波。这种电磁波的频率非常稳定，而且上述现象又很容易复现，所以是一种很好的时间基准。定义：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周所持续的时间定义为原子时的1秒。1958.0ATUT0.0039（-）13原子时②•国际原子时(TAI)BIPM依据全球约60个时间实验室中的大约240台自由运转的原子钟所给出的数据，经数据统一处理后来给出国际原子时的。14协调世界时①国际无线电科学协会于20世纪60年代建立了协调世界时UTC。协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长，而协调世界时与世界时UT间的时刻差规定需要保持在0.9秒以内，否则将采取闰秒的方式进行调整。15协调世界时②极移（Xp,Yp）及(UT1-UTC)值注：表中给出的值均为0h0min的数值年.月.日MJD极移值（mas）UT1-UTC（ms）误差误差(UT1-UTC)值误差2007.8.2454336206.600.09277.350.09-162.6360.0132007.8.2554337204.700.09274.980.10-162.1860.0122007.8.2654338202.980.09272.570.10-161.9040.0152007.8.2754339201.790.09270.400.10-161.9060.0132007.8.2854340200.910.09268.600.10-162.2350.0132007.8.2954341200.070.09267.010.09-162.8530.0482007.8.3054342199.410.09265.480.10-163.7240.05716GPS时•它是由GPS的地面监控系统和GPS卫星中的原子钟建立和维持的一种原子时。其起点为1980年1月6日0h00m00s。C0由专门的单位测定并公布s0TAIGPST19C0UTC-GPSTnC整秒17GLONASS时•与GPS时相类似，俄罗斯（前苏联）的GLONASS为满足导航和定位的需要也建立了自己的时间系统，我们将其称为GLONASS时。该系统采用的是莫斯科时（第三时区区），与UTC间存在三小时的偏差。h1UTC3GLONASSC©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所182.4建立在相对论框架下的时间系统19建立在相对论框架下的时间系统①•地球动力学时(TDT)地球动力学时是用于解算围绕地球质心运动的天体(如人造卫星)的运动方程、编算卫星星历时所用的一种时间系统。1991年第21届IAU大会又决定将TDT改称为地球时TT，以避免使用动力学（Dynamical）这个容易引起争议的名词。目前在计算GPS卫星的运动方程、编算其星历时都采用地球时TT。TDTTDI32.184TDTGPST51.18420建立在相对论框架下的时间系统②•太阳系质心动力学时TDB太阳系质心动力学时简称为质心动力学时。这是一种用以解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程、编制行星星表时所用的一种时间系统。21建立在相对论框架下的时间系统③•地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB地心坐标时TCG是远点位于地心的天球坐标系中所使用的第四维坐标：时间坐标。它是把TDT从大地水准面上通过相对论转换到地心时的类时变量。太阳质心时TCB是太阳系质心天球坐标中的第四维坐标。它是用于计算行星绕日运动的运动方程中的时间变量，也是编制行星星表时的独立变量。©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所222.5GPS中所涉及的一些长时间计时方法23历法①•阳历阳历也称公历，是以太阳的周年视运动为依据而制定的。太阳中心连续两次通过春分点所经历的时间间隔为一个回归年，其长度为：儒略历格里历)(00000616.024218968.3651日回归年t24历法②•阴历阴历是根据月相的变化周期（朔望月）制定的一种历法。该历法规定单月为30日，双月为29日，每月平均为29.5日，与朔望月的长度29.53059……日很接近。•阴阳历阴阳历是一种兼顾阳历和阴历特点的历法，阴阳历中的年以回归年为依据，而月则按朔望月为依据，阴阳历中的月仍采用大月为30日，小月为29日，平均每月为29.5日。25儒略日和简化儒略日•儒略日儒略日是一种不涉及年、月等概念的长期连续的记日法，在天文学、空间大地测量和卫星导航定位中经常使用。儒略日的起点为公元前4713年1月1日12h，然后逐日累加。•简化儒略日MJD=JD-2400000.5•年积日年积日是仅在一年中使用的连续计时法。每年的1月1日计为第1日，2月1日为第32日，依此类推。©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所262.6天球坐标系27•坐标框架（参考框架）物体在空间的位置、运动速度和运动轨迹等都需要在一定的坐标系中来加以描述。坐标系统是由一系列的原则、规定，从理论上来加以定义的，其具体的实现则称为坐标框架或参考框架。28岁差①•定义由于天球赤道和天球黄道的长期运动而导致的春分点（天球赤道和天球黄道的一个交点）的进动称为岁差。•赤道岁差由于太阳、月球以及行星对地球上赤道隆起部分的作用力矩而引起天球赤道的进动，最终导致春分点每年在黄道上向西移动约的现象称为赤道岁差。29岁差②•黄道岁差由于行星的万有引力而导致地月系质心绕日公转平面（黄道面）发生变化，从而导致春分点在天球赤道上每年向东运动约的现象称为黄道岁差。•总岁差和岁差模型赤道岁差和黄道岁差在黄道上的分量之和称为总岁差。迄今为止有L77、IAU2000、IAU2006、B03、F03等模型30岁差③•岁差改正31章动①•基本概念由于月球、太阳和各大行星与地球间的相对位置存在周期性的变化，因此作用在地球赤道隆起部分的力矩也在发生变化，地月系质心绕日公转的轨道面也存在周期性的摄动，因此在岁差的基础上还存在各种大小和周期各不相同的微小的周期性变化——章动。•章动模型IAU1980模型和IAU2000模型32章动②•日、月章动•行星章动33章动③•章动改正34天球坐标系①•概念天球坐标系是用以描述自然天体和人造天体在空间的位置或方向的一种坐标系。依据所选用的坐标原点的不同可分为站心天球坐标系、地心天球坐标系和太阳系质心天球坐标系等。•真地心天球赤道坐标系我们把坐标原点位于地心，X轴指向真春分点，Z轴指向真北天极，Y轴垂直于X轴和Z轴组成的右手坐标系称为真地心天球赤道坐标系或瞬时地心天球赤道坐标系。35天球坐标系②•平地心天球赤道坐标系我们把坐标原点位于地心，X轴指向平春分点，Z轴指向平北天极，Y轴垂直于X轴和Z轴组成的右手坐标系称为平地心天球赤道坐标系。•协议地心天球赤道坐标系国际天球坐标系的X轴指向J2000.0（JD=2451545.0）时的平春分点，Z轴指向J2000.0时的平北天极，Y轴垂直于X轴和Z轴组成右手坐标系。©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所362.7地球坐标系37•地球坐标系地球坐标系也称大地坐标系。由于该坐标系将随着地球一起自转，也被称为地固坐标系。地球坐标系的主要任务是用于描述物体在地球上的位置或在近地空间的位置。根据坐标原点所处的位置的不同，地球坐标系可分为参心坐标系和地心坐标系。38极移•概念地球自转轴与地面的交点称为地极。由于地球表面的物质运动（如洋流、海潮等）以及地球内部的物质运动（如地幔的运动），会使极点（严格地说应该是天球历书极）的位置产生变化。这种现象称为极移。XYpXpYλ=270°CIOλ=0°p39瞬时(真)地球坐标系为了便于应用，在建立地球坐标系时我们总是要将坐标轴与地球上一些重要的点、线、面重合（或平行）。例如，让Z轴与地球自转轴重合（或平行），让X轴位于起始子午面与赤道面的交线上（或平行于该线）等。然而由于存在极移，瞬时地球坐标系中的三个坐标轴在地球本体内的指向是在不断变化的，因此地面固定点的坐标也会不断发生变化，显然瞬时地球坐标系不宜用来表示点的位置。40协议地球坐标系①•ITRS坐标原点位于包括海洋和大气层在内的整个地球的质量中心；尺度为广义相对论意义下的局部地球框架内的尺度；坐标轴的指向是由BIH1984.0来确定的；坐标轴指向随时间的变化应满足“地壳无整体旋转”这一条件。41协议地球坐标系②•ITRFITRF是由一组IERS测站的站坐标站坐标的年变化率以及相应的地球定向参数EOP来实现的，ITRF是目前国际上公认的精度最高的地球参考框架。•ITRF不同版本之间转换42协议地球坐标系③•世界大地坐标系世界大地坐标系是美国建立的全球地心坐标系，曾先后推出过WGS60、WGS66、WGS72和WGS84等不同版本。其中WGS84于1987年取代WGS72而成为全球定位系统广播星历所使用的坐标系，并随着GPS导航定位技术的普及推广而被世界各国所广泛使用。©2010武汉大学测绘学院卫星应用工程研究所432.8ITRS与GCRS之间的转换44ITRS与GCRS之间的转换①•说明由于地球自转，地球坐标系并不是一个惯性坐标系，而轨道计算是建立在牛顿力学的基础上的，因此定轨工作不能在地球坐标系中进行。如前所述，GCRS是一个相当不错的准惯性坐标系，定轨工作一般都在该坐标系中进行，但是用户利用卫星导航定位系统最终是为了求得在地球坐标系中的位置和速度，因而还必须把GCRS中所求得的卫星轨道（卫星位置和速度）转换到地球坐标系ITRS（WGS84）中去。45ITRS与GCRS之间的转换②•ITRS与GCRS转换关系46ITRS与GCRS之间的转换③•转换步骤把GCRS转换至观测时刻ti的平天球坐标系把ti时的平天球坐标系转换为同一时刻的真天球坐标系把ti时的真天球坐标系转换为同一时刻的真地球坐标系把ti时的真地球坐标系转换