GPS卫星定位原理及其应用GPS定位的坐标系统与时间系统

2020/5/191GPS卫星定位原理及其应用GPS定位的坐标系统与时间系统2020/5/192坐标系统的类型1.在空间固定的坐标系2.与地球体相固联的坐标系统一一对应坐标系定义的三要素：坐标原点的位置三个坐标轴的指向坐标轴长度单位（尺度）2020/5/193协议坐标系在GPS定位中，坐标系的原点一般取地球的质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便和坐标系统的通用性，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向。这种共同确认的坐标系，通常称为协议坐标系。协议天球坐标系协议地球坐标系2020/5/194协议天球坐标系中常用名词黄道MεrPnPsпnпn天球的定义：以地球的质心M为中心，半径R为任意长度的一个假想球体。天轴：地球自转轴的延伸直线为天轴。天极：天轴与天球的交Pn和Ps为天极。天球子午面：包含天轴并通过地球上任一点的平面。天球子午圈：天球子午面与天球相交的大圆。2020/5/195协议天球坐标系中常用名词时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆。黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角ε。黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。黄道MεrPnPsпnпn靠近北天极的交点为北黄极。靠近南天极的交点为南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时黄道与天球赤道的交点r。2020/5/196天球坐标系天球空间直角坐标系天体S的坐标为：（x,y,z)天球球面坐标系天体S的坐标为：（α，δ，r）SrPnαzyxrδ天球赤道M2020/5/197天球直角坐标系与球面坐标系之间的转换SrPnαzyxrδ天球赤道M2020/5/198岁差和章动现象岁差：由于地球的实际形体接近于一个赤道隆起的椭球体，因此，在日月引力和其它天体引力，对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，这种现象称为章动。2020/5/199协议天球坐标系由于在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴的指向，在不断地发生变化，通常选择某一时刻T作为标准历元，并将此时地球的瞬时自转轴和地心到瞬时春分点的方向。经该时刻的岁差和章动改正后，分别作为Z轴和X轴的指向。由此所构成的坐标系称为所取标准历元T的协议地球坐标系，也称为协议惯性坐标系（CIS——ConventionalInertialSystem）2020/5/1910协议天球坐标系的卫星坐标的转换1.将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标系（由于岁差引起的坐标轴指向的不同）CISMtzyxfzyx)()()(323RRzRf1000cossin0sincos)(3zzzzzRcos0sin010sin0cos)(2R1000cossin0sincos)(3R2020/5/1911协议天球坐标系的卫星坐标的转换2.将瞬时平天球坐标系转换成瞬时天球坐标系（由于地球自转轴的章动现象引起的）MttzyxNzyx)()()(131RRRN)cos()sin(0)sin()cos(0001)(1R1000)cos()sin(0)sin()cos()(3R)cos()sin(0)sin()cos(0001)(1R2020/5/1912天球瞬时坐标系与协议坐标系之间的转换CIStzyxNfzyx2020/5/1913地球坐标系空间直角坐标系S点坐标可表示为（X，Y，Z）大地坐标系S点坐标可表示为（B，L，H）SEPnLZYXB天球赤道OH2020/5/1914地球空间直角坐标系和大地坐标系之间的转换SEPnLZYXB天球赤道OH其中：N为椭球的卯酉圈曲率半径2020/5/1915极移现象与协议地球坐标系地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而地极点在地球表面上的位置，是随时间而变化的。这种现象称为地极移动，简称为极移。国际上采用平均地极作为基准点，这一基准点通常称为协议原点也称为协议地极，以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系（ConventionalTerrestrialPole----CTP）。瞬时极相应的地球坐标系，称为瞬时地球坐标系。2020/5/1916协议地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换tCTSZYXMZYX)()(12ppyRxRM11001ppppyxyx2020/5/1917协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换1.两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同；2.瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴相同；3.两瞬时坐标系统x轴与X轴的指向不同，期间夹角为α；ttzyxRZYX)(31000cossin0sincos)(3RtCTSzyxMRZYX)(3CISCTSzyxNfZYX)()()()(3123RyRxRMRpp2020/5/1918坐标系转换过程瞬时天球坐标系瞬时地球坐标系瞬时平天球坐标系岁差旋转变换章动旋转变换协议地球坐标系极移变换真春分点时角变换协议天球坐标系2020/5/1919地球坐标系的其它表达形式1.地球参心坐标系由于选择作为基本参考面参考椭球面的中心与地球质心不相重合,其中心一般位于地球质心附近,这种原点位于地球质心的坐标系通常称为地球参心坐标系.2.天文坐标系在地心大地坐标系中,如果以大地水准面代替其中的椭球面,则相应的坐标系通常称为天文坐标系.3.站心坐标系原点位于观测站O,Z轴与观测站的椭球法线相重合,X轴垂直与Z轴指向椭球的短轴,Y轴垂直与XOZ平面.4.高斯平面直角坐标系2020/5/1920卫星大地测量基准WGS-84坐标系国家大地坐标系1.1954北京坐标系2.1980年国家大地坐标系各坐标系的差异：1.坐标原点2.坐标轴的指向3.采用的参考椭球2020/5/1921时间系统时间系统的定义：1.尺度（时间单位）2.原点时间尺度：运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。2020/5/1922常用的时间系统世界时原子时力学时协调世界时ＧＰＳ时间系统尺度：ATI秒长原点：1980.1.6UTC0时