34第二章 坐标系统和时间系统

引言1.为什么要研究坐标系统和时间系统2要求：1）卫星在其轨道上运动的坐标系2）卫星运动的坐标系与地面所在的坐标系之间的关系（实现坐标之间的转换）3.卫星定位中常采用空间直角坐标系及其相应的大地坐标系,(一般取地球质心为坐标系的原点)4.分类:1)地球坐标系(随同地球自转,固定在地球上)2)天球坐标系(与地球自转无关,便于描述地球卫星的位置)第二章坐标系统和时间系统2.1天球坐标系与地球坐标系2.2WGS-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2.1天球坐标系与地球坐标系空间直角坐标系（便于进行坐标转换，三个基本要素,即:坐标原点位置,三个坐标轴的指向,长度单位)2.1.1天球坐标系（确定卫星位置）2.1.2大地坐标系（确定观测站位置）2.1.3站心赤道与站心地平直角坐标系（用于描述卫星与观测站间关系）2.1.4卫星测量中常用坐标系预备知识2.1天球坐标系与地球坐标系天球以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体黄道地球公转轨道在天球上的投影春分点黄道自西向东从天球赤道以南穿到天球赤道以北的那个交点地球质心春分点和天球赤道面是建立天球坐标系的基准点和基准面2.1.1天球坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系1.构成:1)天球极轴2)春分点轴3)与这两轴线垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴线构成的坐标系。属于球面坐标系。天球极轴春分点轴2.1天球坐标系与地球坐标系)/arctan()/arctan(22222YXZXYZYXrsincossincoscosrZrYrX球面坐标系与直角坐标系的转换（等效的）(X,Y,Z)(r,α,δ)直角坐标系参数球面坐标系参数坐标原点和坐标轴指向相同2.1.2大地坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系在大地测量中表示地面点的位置1.通过一个辅助面（参考椭球面）定义2.参考椭球面:大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似。测绘工作取此椭球作为地球的参考形状和大小，其外表面为参考椭球面。椭球方程1222222bZaYaX扁率aba第一偏心率222abae3.1)法截面：过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法线，包含这条法线的平面。2)卯酉圈：与椭球面上某点的子午面相垂直的法截面同椭球面相截所形成的闭合圈。如PEE’3)卯酉圈曲率半径：等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度。如Pn2.1.2大地坐标系4.大地坐标系1）大地纬度B：过空间点P的椭球面法线与XOY面的夹角2）大地经度：ZOP平面与ZOX平面的夹角，自ZOX平面起算右旋为正3）大地高：过P点的椭球面法线上自椭球至P点的距离，以远离椭球面中心方向为正2.1天球坐标系与地球坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系大地坐标系与直角坐标系的转换BHeNZLBHNYLBHNXsin])1([sincos)(coscos)(2(X,Y,Z)(L,B,H)直角坐标系参数大地坐标系参数)1(sin/)]})1((/[)(arctan{)/arctan(2222eNBZHHeNYXHNZBXYLN：P点的卯酉圈曲率半径2.1.3站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系ZYXP1站心赤道直角坐标系：与O-XYZ坐标系有简单的平移关系(看书）xyzP1站心左手地平直角坐标系：z轴：P1点的法线（指向天顶为正）x轴：子午线方向（向北为正）y轴：与x、z轴垂直（向东为正）二者可通过旋转变换互相转换一.球心空间直角坐标系O-XYZ2.站心地平直角坐标系→站心赤道直角坐标系1.先将y轴反向得y’2.绕y’旋转(90度-B)3.绕Z轴旋转(180度-L)'看书上公式站心地平直角坐标站心赤道直角坐标(180)(90)sincossincossinsincoscossincos0sinzyyXxYRLRBRyzZBLLLxBLLBLyBBz地平站赤地平cos(180)sin(180)0sin(180)cos(180)0001zLLRLLcos(90)0sin(90)010sin(90)0cos(90)yBBRBB100010001yR二.站心地平极坐标系2.1.3站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系rAhP1r：测站点P1点至卫星s的距离卫星方位角A：zp1x平面与zp1s的夹角（自zp1x起算左旋为正）卫星高度角h：p1s与xp1y面的夹角（小于π）OZXYP1xyzs(卫星）Ahr站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的转换2.1天球坐标系与地球坐标系hrzhAryhArxsincossincoscos)/arctan()/arctan(22222yxzhxyAzyxrOZXYP1xyzs(卫星）Ahr(x,y,z)(r,A,h)1.若已知测站点和卫星的瞬时坐标（由预报星历得到）→(计算)卫星在站心赤道坐标系中的值→卫星在站心地平坐标系中的值→转换为站心极坐标系中的值→从而了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角。利用站心极坐标了解卫星的分布情况2.1天球坐标系与地球坐标系OZXYP1xyzs(卫星）Ahr已知测站点P和卫星S在球心坐标系O-XYZ（如WGS-84）中的坐标分别依次建立以P1为原点的站心赤道、地平坐标系和站心极坐标系依次将卫星坐标转换至上述三种站心坐标系，通过卫星在站心极坐标系中的值，即可了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角。步骤2.1天球坐标系与地球坐标系OZXYP1xyzs(卫星）AhrXYZ球心坐标系→站心赤道坐标系→站心地平坐标系→站心地平极坐标系2.1.4卫星中测量常用坐标系1.卫星测量是利用空中卫星的位置确定地面观测点的位置2.卫星测量中常定义地球质心为坐标系的原点(卫星围绕地球质心运动)3.坐标系分类a:天球坐标系1)三轴指向天球的参考点(或方向)2)用于表示天球和人造地球卫星的运动b:地球坐标系1)三轴指向地球的参考点(或方向)2)用于表示地面上观测站的位置2.1天球坐标系与地球坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系卫星测量中常用坐标系2.1.4.1瞬时极天球坐标系与地球坐标系2.1.4.2固定极天球坐标系—平天球坐标系2.1.4.3固定极地球坐标系—平地球坐标系2.1.4.4坐标系的两种定义方式与协定坐标系瞬时极天球坐标系(x,y,z)ct1.原点位于地球质心，2.z轴指向瞬时地球自转轴，3.x轴指向瞬时春分点，4.y轴按构成右手坐标系取向。瞬时极地球坐标系(x,y,z)et1.原点与z轴同上，2.x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，3.y轴按构成右手坐标系取向。(公式看书）yetxetxct2.1.4.1瞬时极天球坐标系与极地球坐标系二者可互相转换2.1天球坐标系与地球坐标系2.1.4.2固定极天球坐标系—平天球坐标系(1)1.岁差和章动引起瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化2.岁差:在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴绕着黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需25,800年。即春分点沿黄道每25,800年旋转一周。地轴的这种长期运动称为日月岁差。2.1天球坐标系与地球坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系2.1.4.2固定极天球坐标系—平天球坐标系(2)3.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4.固定极天球坐标系—平天球坐标系建立一个三轴指向不变的天球坐标系历元平天球坐标系（平天球坐标系）岁差和章动的影响瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化2.1.4.2固定极天球坐标系—平天球坐标系(3)公式看书P212.1.4.2固定极天球坐标系—平天球坐标系(4)5.平天球坐标系的建立1).坐标原点位于地心2).Z轴指向所选定的一个历元时刻t的平天极3).X轴指向历元时刻t的平春分点4).Y轴与X,Z轴构成右手坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系2.1.4.3固定极地球坐标系—平地球坐标系(1)1.地极的移动：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变化。2.国际协定原点CIO：ConventionalInternationalorigin国际大地测量与地球物理联合会以1900.00~1905.05年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极。(平天球坐标系的Z轴指向国际协定原点)2.1天球坐标系与地球坐标系CIOxyxpyp瞬时极与平地极国际极移局公布xp和yp3xp指向格林尼治平子午圈Yp指向经度为270度的方向2.1.4.3固定极地球坐标系—平地球坐标系(2)补充:1971~1975年间地极相对于CIO的移动轨迹2.1天球坐标系与地球坐标系4.固定极地球坐标系—平地球坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系建立一个三轴指向不变的地球坐标系平地球坐标系地极移动的影响瞬时极地球坐标系的坐标轴指向不断变化2.1.4.3固定极地球坐标系—平地球坐标系(2)2.1.4.3固定极地球坐标系—平地球坐标系(3)5.平天球坐标系的建立1).z轴指向国际协定原点CIO2).坐标原点的x,y值在观测后公布3).可与瞬时极地球坐标系转换转换公式看书2.1天球坐标系与地球坐标系2.1.4.4坐标系的两种定义方式与协定坐标系1.理论坐标系尺度单位、原点、坐标轴2.协定坐标系由观测点的坐标定义3.GPS采用的坐标系统是跟踪站坐标值定义的协定坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.2.1.WGS-84坐标系2.2.2.国家大地坐标系2.2.3.地方独立坐标系2.2.4.ITRF坐标框架简介2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系问题的引入：GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS—84大地坐标系，又GPS卫星星历是以WGS—84坐标为依据建立的2.2.1.WGS-84坐标系(1)1.建立:1)原点位于地球质心，2)Z轴指向BIH（国际时间局BureauInternationaldeI’Heure）1984.0定义的协议地球极CTP（ConventionalTerrestrialPole）方向，3)X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，三轴构成右手坐标系。2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系地球表面与各种椭球之间的关系2.2.1.WGS-84坐标系(2)22.2.1.WGS-84坐标系(3)3.WGS-84椭球（四个基本常数）1)、国际大地测量和物理联合会第17届大会的推荐值：2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系基本参数137m3786a10-484.166856-02.C-238sm100059863GMsrad101152927-111-其中:GM代表地心引力常数(含大气层)C2.0代表正常二阶带谐系数可推导出：第一偏心率，第二偏心率，扁率（看书）2）大地水准面高N=大地高H–正高H正2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.2.2国家大地坐标系2.2.2.1.1954年北京坐标系2.2.2.21980年国家大地坐标系1.建国初期，由于冷战和特定历史条件，我国的54坐标系源于前苏联1942年的普尔科沃坐标系2.椭球参数和大地原点一致3.采用克拉索夫斯基椭球，椭球常数与WGS-84不同，椭球的中心与地球质心不重合。2.2.2国家大地坐标系2.2.2.11954北京坐标系4.大地高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准5.高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的2.2