第2章 GPS坐标系统和时间系统

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1、测绘工程系主讲：刘辉主要内容主要内容The main contents2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系 Conventional Celestial Sphere Coordinate System2.2 2.2 协议地球坐标系协议地球坐标系Conventional Earth Coordinate System2.3 WGS-842.3 WGS-84坐标系和我国的大地坐标系坐标系和我国的大地坐标系World Geodetic System-1984 1984 and our national Geodetic Coordinate System2.4 2.4 时间系统时间系统 T

2、ime SystemCoordinate and Time SystemCoordinate and Time System 坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。所所以，了解以，了解GPSGPS测量中的测量中的些常用坐标系统和时间系些常用坐标系统和时间系统，熟悉它们各自间的转换关系，是极为重要的统，熟悉它们各自间的转换关系，是极为重要的。本章将主要介绍天球坐标系与地球坐标系，以。本章将主要介绍天球坐标系与地球坐标系，以及有关时间系统的概念。及有关时间系统的概念。概概 述述

3、Coordinate and Time System 一类是在空间固定的坐标系统（空固系）一类是在空间固定的坐标系统（空固系）。这类坐标系统与地球自转无关，对于这类坐标系统与地球自转无关，对于描述卫星的描述卫星的运行位置和状态运行位置和状态极为方便。严格说来，卫星的运极为方便。严格说来，卫星的运动理论是根据牛顿引力定律，在惯性坐标系统中动理论是根据牛顿引力定律，在惯性坐标系统中建立起来的，而惯性坐标系统在空间的位置和方建立起来的，而惯性坐标系统在空间的位置和方向应保持不变，或仅作匀速直线运动。但是，实向应保持不变，或仅作匀速直线运动。但是，实际上严格满足这一条件是困难的。在天体测量中，际上严格

4、满足这一条件是困难的。在天体测量中，惯性参考系一般都是通过基本星表坐标系统来近惯性参考系一般都是通过基本星表坐标系统来近似实现的。似实现的。 另一类是与地球体相固联的坐标系统（地另一类是与地球体相固联的坐标系统（地固坐标系）固坐标系）。这类坐标系统对于。这类坐标系统对于表达地面观测站表达地面观测站的位置的位置和处理和处理GPSGPS观测成果尤为方便。它在经典大观测成果尤为方便。它在经典大地测量学地测量学( (Geodesy) )中，具有多种表达形式和极为中，具有多种表达形式和极为广泛的应用。广泛的应用。Coordinate and Time System 坐标系统是由原点坐标系统是由原点( (

5、origin) )位置、坐标轴位置、坐标轴( (Coordinate axis) )的指向和尺度的指向和尺度( (Scale) )所定义的。所定义的。在在GPSGPS测量中测量中, ,坐标系的原点一般取地球的质心坐标系的原点一般取地球的质心（the mass center of the earth) )，而坐标轴的指向，而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便，国际上具有一定的选择性。为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴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，通常称为指向，这种共同确认的坐标系，通常称为协议坐协议坐标系标系(

6、(Conventional Coordinate System) )。Coordinate and Time System2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系一、天球的基本概念一、天球的基本概念 天球天球: :是指以地是指以地球质心球质心M为中心，为中心，半径半径r为任意长度的为任意长度的一个假想的球体。一个假想的球体。 Conventional Celestial Coordinate System2.1 2.1 协议天球坐标系协议天球坐标系 在天文学中，通常均在天文学中，通常均把天体把天体( (celestial bodies) )投影投影( (project) )到天球的球到天球

7、的球面，并利用球面坐标系统面，并利用球面坐标系统来表达或研究天体的位置来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。为了及天体之间的关系。为了建立球面坐标系统，必须建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、确定球面上的一些参考点、线、面和圈。在全球定位线、面和圈。在全球定位系统中，为描述卫星的位系统中，为描述卫星的位置也将涉及到这些概念。置也将涉及到这些概念。 通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。通过地球质心并与天轴垂直的平面，称为天球赤道面。这时天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相这时天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。交的大圆称为天球赤道

8、。 地球自转轴的延伸称为地球自转轴的延伸称为天轴；天轴与天球的交点天轴；天轴与天球的交点Pn、Ps称为天极称为天极，其中其中Pn称为北天称为北天极，极， Ps称为南天极。称为南天极。2 2、天球赤道面与天球赤道、天球赤道面与天球赤道 1 1、天轴和天极、天轴和天极( (celestial axis and celestial pole) 包含天轴并通过地球上包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球任一点的平面，称为天球子午面子午面(Meridian Plane; Meridional)。而天球子而天球子午面与天球相交的大圆称午面与天球相交的大圆称为天球子午圈为天球子午圈( (Celestia

9、l Meridian) ) 。3 3、天球子午面与天球子午圈、天球子午面与天球子午圈 通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。4 4、时圈、时圈5 5、黄道、黄道(ecliptic)(ecliptic) 地球公转的轨道与天球地球公转的轨道与天球相交的大圆，即当地球绕太相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动所见到的太阳在天球上运动的轨迹。黄道面与赤道面的的轨迹。黄道面与赤道面的夹角夹角 称为称为黄赤交角黄赤交角，约为，约为23.5。（Obliquity of the ecliptic ）The inters

10、ection plane of the earths orbit with the celestial sphere, along which the sun appears to move as viewed from the earth. 通过天球中心，且垂直通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交于黄道面的直线与天球的交点，其中靠近北天极的交点点，其中靠近北天极的交点 n，称为北黄极，靠近南天称为北黄极，靠近南天极的交点极的交点 s称为南黄极。称为南黄极。6 6、黄极、黄极(ecliptic pole)(ecliptic pole) 当太阳在黄道上从天球当太阳在黄道上从天球南半球向北

11、半球运行时，黄南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点道与地球赤道的交点 。在。在天文学和卫星大地测量学中，天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面，是建春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基立参考系的重要基准点和基准面。准面。7 7、春分点、春分点（equinox ）Either of two points on the celestial sphere at which the ecliptic intersects the celestial equator.空间直角坐标系空间直角坐标系: :the spatial rectangle coordinate system球