GPS02坐标系统与时间系统.ppt

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1、GPSGPS原理及应用原理及应用上海海洋大学海洋学院上海海洋大学海洋学院上海海洋大学海洋学院上海海洋大学海洋学院Email:Email:Email:Email:课程类别：海技专业基础课课程类别：海技专业基础课讲授：沈蔚讲授：沈蔚第二章第二章第二章第二章坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统OUTLINEOUTLINEYour Location is:36.067901o N94.171071o W2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 WGS-84坐标系和我国大地坐坐标系和我国大地坐标系标系 坐标系转换坐标系转换 时间系统时间系统3经典大地测量中

2、的坐标系统经典大地测量中的坐标系统常见的坐标系统常见的坐标系统u空间直角坐标系空间直角坐标系u大地坐标系大地坐标系u平面直角坐标系平面直角坐标系2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系4建立测量坐标系的基准面是什么？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天球坐标系与地球坐标系5参考椭球面和参心坐标系参考椭球面和参心坐标系大地水准面海洋陆地地球表面n参考椭球面参考椭球2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系6参心坐标系的特点参心坐标系的特点2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系7平面直角坐标系的建立平面直角坐标系的建立2.1 天球坐标系

3、与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系8高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标定义高斯平面直角坐标系的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高斯分带投影高斯分带投影6度度带带3度度带带2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系9经典大地测量中的坐标系统经典大地测量中的坐标系统v定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？定义一个坐标系统，包含哪两个基本要素？v建立参心坐标系的出发点是什么？建立参心坐标系的出发点是什么？v建立一个

4、参心大地坐标系，必须解决那些问题？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天球坐标系与地球坐标系10卫星定位中的坐标系卫星定位中的坐标系u描述卫星的位置描述卫星的位置天球坐标系天球坐标系u描述地球上的点的位置描述地球上的点的位置地球坐标地球坐标系系2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系11天球和天球坐标系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天球坐标系与地球坐标系12天球天球天轴天轴:地球自地球自转轴的延伸转轴的延伸线线u天极天极:天轴天轴与天球的交与天球的交点点u天天(球球)赤赤道面道面

5、：通过：通过地球质心，地球质心，与天轴垂直与天轴垂直的平面的平面u天球子天球子午面午面：包：包含天轴含天轴,并通过天并通过天球上任何球上任何一点的平一点的平面面2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系13黄道和二分点黄道和二分点 地球绕日公转的地球绕日公转的轨道平面与天球相交轨道平面与天球相交的圆称之为的圆称之为“黄道面黄道面”地球自转与黄道地球自转与黄道（太阳绕地球的运行（太阳绕地球的运行轨道）面法线并不一轨道）面法线并不一致，而夹角成的角致，而夹角成的角 天赤道与黄道相天赤道与黄道相交于两点，当一年中交于两点，当一年中太阳过这两点时分别太阳过这两点时分别是是春分春分和和秋分秋分

6、，在这，在这两天全球各地昼夜等两天全球各地昼夜等长。长。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系14旋进与岁差旋进与岁差二分点由西向东缓慢漂移（也称为二分点由西向东缓慢漂移（也称为“旋旋进进”）。这一现象在我国被称之为）。这一现象在我国被称之为岁差岁差。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系15章章 动动月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极绕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，瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，周期约为周期约为年。这种现象称为年。这种现象称为章动章动。2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系16天球坐标系

7、的两种表示方法天球坐标系的两种表示方法u天球球面坐标系天球球面坐标系 (赤经，赤纬，向径赤经，赤纬，向径)u天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系(X,Y,Z)X,Y,Z)2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系17建立天球坐标系的两个问题建立天球坐标系的两个问题u实际地球的形状近似一个赤道隆起的椭球体，因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使春分点在黄道上产生缓慢的西移岁差

8、、章动岁差、章动2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系18三种天球坐标系三种天球坐标系瞬时真天极瞬时真天极瞬时平天极瞬时平天极一个特定时刻，即一个特定时刻，即标准历元：标准历元：2000.1.152000.1.15：的瞬时：的瞬时平天极平天极2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系19三种天球坐标系三种天球坐标系u瞬时极（真）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坐标轴指向随时间变化u瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时平天极、瞬时平赤道面、瞬时平春分点瞬时平天极、瞬时平赤道面、

9、瞬时平春分点经过了经过了章动改正章动改正u标准历元的平天球坐标系标准历元的平天球坐标系相应标准历元（相应标准历元（2000.1.152000.1.15）的一个特定时刻的平天球坐标系）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经过了标准历元到观测历元的岁差改正岁差改正2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系20地球坐标系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天球坐标系与地球坐标系211 1、地心坐标系的定义、地心坐标系的定义u地心空间直地心空间直角坐标系角坐标系u地心大地

10、坐地心大地坐标系标系思考：和参心坐标系统的定义有何区别？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天球坐标系与地球坐标系222 2、建立地球坐标系的问题：极移、建立地球坐标系的问题：极移u极移极移地球地球自转轴相对于地自转轴相对于地球体的位置不是球体的位置不是固定的，因而地固定的，因而地极点在地球表面极点在地球表面的位置是随时间的位置是随时间而变化的，这种而变化的，这种现象称为极移。现象称为极移。瞬时北地极瞬时北地极1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系233 3、两种地球坐标系、两种地球坐标系地球坐标

11、系地球坐标系原点原点Z Z轴轴X X轴轴瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系地心地心瞬时北地极瞬时北地极平地球坐标系平地球坐标系地心地心协议地极原点协议地极原点（如1900.001905.00年地球自转轴的瞬时平均位置)与地心和与地心和CIOCIO连线正交之平面和连线正交之平面和格林尼治平子午面的交线格林尼治平子午面的交线瞬时真赤道面和包含瞬时自转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轴的格林尼治平子午面的交线协定地球坐协定地球坐标系？标系？2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系24天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系u联系联系（1 1）原点都位于地球的质心）原点都

12、位于地球的质心（2 2）瞬时自转轴和瞬时天轴重合；即瞬时天球坐标系和瞬）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时地球坐标系的Z Z轴重合轴重合（3 3）X X轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的交轴分别指向春分点和格林尼治天文子午面和赤道的交点，两瞬时坐标系的点，两瞬时坐标系的X X轴夹角为春分点的格林尼治恒星时轴夹角为春分点的格林尼治恒星时GASTGASTu转换转换瞬时天球坐标系瞬时天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系标准历元的标准历元的平天球坐标系平天球坐标系GAST旋转旋转瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系协议地球坐标系协议地球坐标系极移改正极移改正章动章动

13、岁差岁差2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系252.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系26WGS-84WGS-84坐标系坐标系u类型类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEFECEF）u定义定义:原点：地球的质心原点：地球的质心 Z Z轴：指向轴：指向定义的定义的CTPCTP（协议地球极）方向协议地球极）方向 X X轴：指向轴：指向的零子午面和的零子午面和CTPCTP赤道的交点赤道的交点 Y Y轴：和轴：和Z,XZ,X构成右手系构成右手系u椭球椭球（国际大地测量与地球物理联合会第（国际大地测量与地球物理联合会第17

14、17届年会）届年会）P162.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系27我国的大地坐标系我国的大地坐标系u19541954年北京坐标系年北京坐标系类型类型：参心坐标系：参心坐标系建立：建立：与苏联与苏联19421942年普尔科沃坐标系联测年普尔科沃坐标系联测椭球椭球：克拉索夫斯基椭球：克拉索夫斯基椭球问题问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好：参考椭球面与我国大地水准面符合不好u19801980年国家大地坐标系年国家大地坐标系类型类型：参心坐标系：参心坐标系建立建立：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元：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

15、定位和定向素，进行了定位和定向大地原点大地原点：陕西省泾阳县永乐镇：陕西省泾阳县永乐镇椭球椭球：19751975年国际大地测量与地球物理联合会第年国际大地测量与地球物理联合会第1616届年会届年会NO1GEOIDNO22.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系282.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系地方独立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，水准面建立在当地的平均海拔高程面上，水准面建立在当地的平均海拔高程面上，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（隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参（

16、隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参（隐含着一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球）考椭球）考椭球）考椭球）以当地子午线作为中央子午线以当地子午线作为中央子午线以当地子午线作为中央子午线以当地子午线作为中央子午线参考椭球的中心、轴向和参考椭球的中心、轴向和参考椭球的中心、轴向和参考椭球的中心、轴向和 扁率与国家参考椭球相同，扁率与国家参考椭球相同，扁率与国家参考椭球相同，扁率与国家参考椭球相同，长半径有一改正量长半径有一改正量长半径有一改正量长半径有一改正量地方参考椭地方参考椭球？球？292.3 2.3 坐标系统之间的转换坐标系统之间的转换区分区分u坐标变换坐标变换在不同坐标系在不同坐标系表示形

17、表示形式式之间进行变换之间进行变换u坐标转换坐标转换在不同的在不同的参考基准参考基准间间进行变换（基准的转换）进行变换（基准的转换）30一、坐标系的变换一、坐标系的变换u空间大地坐标系空间大地坐标系 空间直角坐标系空间直角坐标系u空间直角坐标系空间直角坐标系 空间大地坐标系空间大地坐标系u空间大地坐标系空间大地坐标系 高斯平面直角坐标系高斯平面直角坐标系 311 1、(B L H)B L H)(X Y Z)(X Y Z)需要哪些参数？需要哪些参数？322 2、(X Y Z)X Y Z)(B L H)(B L H)需要哪些参数？需要哪些参数？333 3、(B L)(B L)(x y)(x y)高

18、斯投影的计算公式：高斯投影的计算公式：需要哪些参数？需要哪些参数？34二、坐标转换的基本方法二、坐标转换的基本方法 BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(x,y)1 (x,y)2(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)235转换参数的计算转换参数的计算u如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点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组坐标求得转换参数36转换参数的求解方法转换参数的求解方法三点法三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共

19、点时，可用三个点的三个公共点时，可用三个点的9 9个坐标，列出个坐标，列出9 9个方程，取其中的个方程，取其中的7 7个方程求解个方程求解多点法多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按：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照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程程37WGS-84WGS-84坐标系坐标系我国国家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)238转换中的参数设置转换中的参数设置（B L H）WGS-84（X Y Z）WGS-84（X Y Z）BJ54/STATE

20、80（B L H）BJ54/STATE80（x y）高斯平面高斯平面提供转换参数提供转换参数七参数七参数椭球参数椭球参数椭球参数椭球参数投影参数投影参数三个平移三个平移椭球参数差椭球参数差（化简）（化简）长半轴之差：长半轴之差：-108原点平移参数：原点平移参数：+15 -150 -9039u时间系统时间系统u常用的时间系统常用的时间系统uGPS时间系统时间系统u时间系统间的转换时间系统间的转换2.4 时间系统时间系统40意义：意义：u卫星的位置误差卫星的位置误差1cm，x10-6秒；秒；u测距误差测距误差1cm，要求信号传播时间的要求信号传播时间的测量误差，应不超过测量误差，应不超过3x10

21、-11秒；秒；41一、时间系统一、时间系统u时间：包含时刻和时间间隔两种意义时间：包含时刻和时间间隔两种意义u时间系统：作为测时的基准，包含时间尺度时间系统：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（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性，稳定性，复现性均可作为时间基准u漏壶、钟摆漏壶、钟摆42二、常用的时间系统二、常用的时间系统u世界上现在通用的世界上现在通用的时间系统时间系统时什么？时什么？时间的单位尺度时间的单位尺度不同；不同；度量时间的时钟度量

22、时间的时钟不同不同43常用的几类时间系统常用的几类时间系统u恒星时和太阳时恒星时和太阳时u历书时历书时u原子时原子时地球的周地球的周期性自转期性自转地球的周地球的周期性公转期性公转原子核外电子能原子核外电子能级跃迁时辐射的级跃迁时辐射的电磁波的频率电磁波的频率441 1、世界时系统、世界时系统世界时系统世界时系统恒星时恒星时春分点春分点太阳时太阳时太阳太阳根据天体的周日视运根据天体的周日视运动反映地球的自转；动反映地球的自转；平太阳时平太阳时平太阳平太阳45恒星时恒星时v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

23、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46太阳时太阳时参照于太阳的地球自转周期v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。47平太阳时平太阳时v太阳时的问题太阳时的问题真太阳的周日视运动不均匀，并不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，最长和最短可相差严格等于地球自转周期。冬长夏短，最长和最短可相差51秒；秒；v平太阳平太阳假设一个参考点的运动速度等于真太阳周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。年视运动平均速度，且该点在赤道上作周年运动。v平太阳时平太阳时以平太阳的周日视运

24、动为基础建立的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，叫做一个次上中天的时间间隔，叫做一个平太阳日平太阳日，这也相当于，这也相当于把一年中真太阳日的平均称为把一年中真太阳日的平均称为平太阳日平太阳日，并且把，并且把1/24平平太阳日取为太阳日取为1平太阳时平太阳时。通常所谓的。通常所谓的“日日”

25、和和“时时”，就是平太阳日和平太阳时的简称。就是平太阳日和平太阳时的简称。48世界时世界时UTUT世界时世界时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时以平子夜为零时的格林尼治平太阳时UTUT极移改正极移改正UT1UT1地球自转地球自转速度改正速度改正UT2UT2v长期变化：潮汐影响使地球自转速度变慢；v季节性变化：大气层中的气团随季节变化；v不规则变化：地球内部的物质运动；492 2、原子时、原子时ATIATIv原子时秒长原子时秒长位于海平面的铯位于海平面的铯133133原子基态两原子基态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡91926317709192631770

26、周所持续的时间，为一原子时秒。周所持续的时间，为一原子时秒。v国际原子时国际原子时国际上约国际上约100100座原子钟，通过相座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统。50原子时原子时v原子时原点原子时原点UT2UT2(1958.1.1.0)(1958.1.1.0)UT2IATt(地球自转速度长期性变慢，世界时每年比原子时慢约一秒)513 3、协调世界时、协调世界时UTCUTCv协调世界时协调世界时从从19721972年开始，国际上开始使用一年开始，国际上开始使用一种以种以原子时原子时秒长为基准，时刻上接近秒长为基准，时刻上接近世界时世

27、界时的折衷的的折衷的时间系统。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52协调世界时协调世界时tUT1UTCIATv闰秒当协调时和世界时相差超过正负0.9秒时，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。53三、三、GPSGPS时间系统时间系统uGPST属于原子时系统属于原子时系统秒长与原子时相秒长与原子时相同同u原点：原点：1980年年1月月6日的日的UTC零时零时u没有跳秒没有跳秒tUT1UTCIATt1980.1.619sGP

28、ST54总结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地球坐标系统笛卡尔坐标曲线坐标平面直角坐标55思考思考v试比较参心坐标系和地心坐标系。试比较参心坐标系和地心坐标系。v各类天球坐标系和地球坐标系的关系是什各类天球坐标系和地球坐标系的关系是什么么?如何转换？如何转换？v不同的参心坐标系之间的转换和参心坐标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？系到地心坐标系之间的转换有不同吗？v不同类型的时间系统有哪些特点和区别？不同类型的时间系统有哪些特点和区别？联系是什么？联系是什么？56