GPS原理及其应用dem.ppt

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1、武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS原理及其应用徐晓华地理信息系统专业 20011130103土地资源管理专业 20019450102武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所课程的要求课程的要求基本概念的掌握基本概念的掌握知识面的拓展知识面的拓展课程成绩课程成绩闭卷考试闭卷考试70，平时成绩（作业和提问），平时成绩（作业和提问）30主要考核基本概念和基本知识主要考核基本概念和基本知识考核包括简单的计算，无公式推导考核包括简单的计算，无公式推导考试范围为课程的讲授范围考试范围为课程的讲授范围13周上复习课，周上复习课，14周考试周考试武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院

2、空间大地测量研究所参考文献参考文献1.徐绍铨等，徐绍铨等，GPS测量原理及应用，武汉大学出版测量原理及应用，武汉大学出版 社，社，20032.周忠谟等，周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，测绘出版卫星测量原理与应用，测绘出版 社，社，19973.刘基余，刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，科学出卫星导航定位原理与方法，科学出版社，版社，20034.李征航，空间定位技术及应用，武汉大学出版社，李征航，空间定位技术及应用，武汉大学出版社，2003武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所一、绪论（一、绪论（1）二、坐标系统和时间系统（二、坐标系统和时间系统（2）三、卫星运动基础及三、卫星

3、运动基础及GPS卫星星历（卫星星历（3）四、四、GPS卫星的导航电文和卫星信号（卫星的导航电文和卫星信号（4）五、五、GPS卫星定位基本原理（卫星定位基本原理（5，6，7）六、六、GPS卫星导航（卫星导航（8）七、七、GPS测量的误差来源及其影响（测量的误差来源及其影响（9，10）八、八、GPS测量的设计与实施（测量的设计与实施（11）九、九、GPS测量数据处理（测量数据处理（12）十、十、GPS应用（应用（13）内容提要武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所1.1 GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展一、绪论常规定位方法常规定位方法古人的定位方法古人的定位方法利用自然天体定

4、向：日、月、特别的星体利用自然天体定向：日、月、特别的星体利用自然景观、自然现象定向：树木的生长态势，植利用自然景观、自然现象定向：树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓、年轮）物的生长态势（如苔藓、年轮）利用人造器械定向：司南，指南针利用人造器械定向：司南，指南针武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所常规定位方法常规定位方法近、现代的常规定位方法近、现代的常规定位方法采用的仪器设备采用的仪器设备尺：铟钢尺尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值观测值角度或方

5、向观测角度或方向观测距离观测距离观测天文观测方法天文观测方法武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所常规定位方法的局限性常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面控制点观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视需要修建觇标需要修建觇标边长受到限制边长受到限制作业难度大作业难度大效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点无法同时精确确定点的三维坐标无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制受系统误差影响大受系统误差影响大难以确定地心坐标难以确定地心坐标武汉大学测绘学院

6、武汉大学测绘学院空间大地测量研究所卫星定位技术产生的必然性卫星定位技术产生的必然性提供精确的地心坐标的需要提供精确的地心坐标的需要提供全球统一的坐标的需要提供全球统一的坐标的需要长距离高精度定位的需要长距离高精度定位的需要全天候、快速、精确、简便定位方式的需要全天候、快速、精确、简便定位方式的需要武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所早期的卫星定位技术早期的卫星定位技术卫星作为光学观测目标卫星作为光学观测目标子午卫星导航系统（美国）子午卫星导航系统（美国）CICADA卫星导航系统（苏联）卫星导航系统（苏联）武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所子午卫星系统子午卫星系统子

7、午卫星系统（子午卫星系统（NNSS Navy Navigation Satellite System）也称为也称为Transit卫星沿着地球子午圈轨道运行，即轨道绕过地球南北卫星沿着地球子午圈轨道运行，即轨道绕过地球南北极上空，故又成子午卫星系统极上空，故又成子午卫星系统系统组成系统组成空间部分空间部分卫星及卫星星座卫星及卫星星座控制部分控制部分跟踪站跟踪站计算中心计算中心注入站注入站控制中心控制中心海军天文台海军天文台用户部分用户部分接收机接收机卫星星历卫星星历广播星历广播星历精密星历精密星历定位方法定位方法单点定位单点定位联测定位联测定位短弧定位短弧定位武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间

8、大地测量研究所TRANSIT系统系统卫星：卫星：6颗颗极地轨道极地轨道轨道高度：轨道高度：1100km信号频率：信号频率：400MHz、150MHz卫星通过时间间隔：卫星通过时间间隔：100min，有时达到有时达到10h绝对定位精度：绝对定位精度：1m相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所多普勒定位原理多普勒定位原理多普勒频移与多普勒计数多普勒频移与多普勒计数单点定位单点定位武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所多普勒定位对观测时间的要求多普勒定位对观测时间的要求多普勒计数的时间间隔一般

9、取多普勒计数的时间间隔一般取4.6s，通常合成通常合成57个个4.6s（约约0.5min）的长计数为多普勒观测值的长计数为多普勒观测值一颗子午卫星一次通过用户上空时间约一颗子午卫星一次通过用户上空时间约1018min，一次通过可采集一次通过可采集2040次有效观测值次有效观测值以以5颗子午卫星计算，低纬度地区每天颗子午卫星计算，低纬度地区每天15次左右的卫次左右的卫星通过，高纬度地区约星通过，高纬度地区约30次次两次卫星通过时间间隔两次卫星通过时间间隔0.81.6h，同一颗卫星间隔更同一颗卫星间隔更长些长些一台接收机需观测一台接收机需观测15次合格的卫星通过，单点定位次合格的卫星通过，单点定位

10、精度精度10m左右；各测站观测公共的左右；各测站观测公共的17次合格卫星通过，次合格卫星通过，联测定位精度联测定位精度0.5m左右左右武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所问题：子午卫星导航系统存在问题：子午卫星导航系统存在什么问题？什么问题？武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所存在的主要问题：存在的主要问题：一次定位所需时间过长；一次定位所需时间过长；卫星少，无法实现连续导航定位；卫星少，无法实现连续导航定位；轨道低，难以精密定轨；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。频率低，难以消除电离层影响。武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所全球定位

11、系统概述全球定位系统概述美国为军事目的而建立美国为军事目的而建立通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理：被动式电磁波测距、距离交会定位原理：被动式电磁波测距、距离交会武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所1.2 GPS系统组成系统组成什么是全球定位系统什么是全球定位系统全球定位系统全球定位系统 GPS 的英文全称是的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System（授时授时与测距导航系统与测距导航系统/全球定位系统），简称全球定

12、位系统），简称 GPS 有时也被称作有时也被称作NAVSTAR GPS。根据根据Wooden 1985年所给出的定义：年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系全球定位系统（统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。位置、速度和时间信息的要求。武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS的系统组成的系统组成由空间部分、地面部分和用户部分等组成由空间部分、地面部分和用户部分等组成武汉大学测绘

13、学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所空间部分空间部分（Space Segment）GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+321颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角轨道倾角55，周，周期期11h 58min（地球地球-卫星的几何关系每天提前卫星的几何关系每天提前4min重复重复一次）一次）保证在保证在24小时，在高度角小时，在高度角15以上，能够同时观测到以上，能够同时观测到4至至12颗卫星颗卫星当前星座：当前星座：28颗颗武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS卫星

14、卫星 作用：作用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置卫星重量：卫星重量：890kg(Block)武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大

15、地测量研究所GPS卫星卫星类型类型试验卫星：试验卫星：Block(19781985)工作卫星：工作卫星：Block(1989)Block：存储星历能力为存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS功功能能Block A（Advanced）：）：卫星间可相互通讯，卫星间可相互通讯，存储星历能力为存储星历能力为180天，天，SV35和和SV36带有激光带有激光反射棱镜反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：）：卫星间可相互跟踪相互通讯卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：）：新一代的新一代的GPS卫星卫星,增设第三民用频率增设第三民用

16、频率GPS卫星编号：卫星编号：PRN（Pseudorandom Noise code）编号编号SVN (Space Vehicle Number)编号编号武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所Block IIRBlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）主控站：主控站：1个个监测站：监测站：5个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS的地面监控部分的地面监控部分武汉大学测绘学院武汉大

17、学测绘学院空间大地测量研究所主控站主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调整卫星状态调度卫星调度卫星监测站监测站对卫星进行跟踪观测对卫星进行跟踪观测记录气象数据记录气象数据将数据传送到主控站将数据传送到主控站注入站注入站向卫星注入导航电文和指令等向卫星注入导航电文和指令等武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所用户部分用户部分（User Segment）组成组成用户用户接收设备接收设备接收设备接收设备GPS信号接收机信号接收机武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大

18、地测量研究所GPS信号接收机信号接收机组成组成天线单元天线单元天线前置放大器天线前置放大器接收天线接收天线接收单元接收单元信号通道信号通道（channel）存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源任务任务 按一定高度截止角捕获卫按一定高度截止角捕获卫星，跟踪卫星运行星，跟踪卫星运行 对接收到的对接收到的GPS信号，具信号，具有变换、放大、处理功能有变换、放大、处理功能 测量信号传播时间，解译导测量信号传播时间，解译导航电文；实时计算用户位置、航电文；实时计算用户位置、速度与时间速度与时间武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所美国政府的美国政府的GPS政策：限制非

19、特许用户利用政策：限制非特许用户利用GPS进进行导航定位的能力行导航定位的能力测距码：测距码：P码与码与C/A码；载波：码；载波：L1与与L2SPS与与PPSSPS 标准定位服务（标准定位服务（Standard Positioning Service）只提供只提供L1载波上的载波上的C/A码和导航电文码和导航电文单点实时定位精度：单点实时定位精度：2040mPPS 精密定位服务精密定位服务（Precise Positioning System）提供提供L1、L2载波上的载波上的P码，码，L1载波上的载波上的C/A码，导航电文和消除码，导航电文和消除SA的密匙的密匙单点实时定位精度：单点实时定位

20、精度：510m武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所SA Selective Availability（选择可用性）选择可用性）技术技术 在广播星历中加入长周期的干扰在广播星历中加入长周期的干扰 技术技术 在卫星的基准频率（原子钟信号）在卫星的基准频率（原子钟信号）中加入快速的抖动中加入快速的抖动AS Anti-Spoofing（反电子欺骗）反电子欺骗）P+WY自自2000年年5月月1日起，停止实施日起，停止实施SA技术技术武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GLONASS系统系统(GLObal Navigation Satellite System,俄罗斯俄罗斯)星

21、座组成星座组成24颗卫星（颗卫星（213）三个轨道平面三个轨道平面每个轨道面上卫星每个轨道面上卫星均匀分布均匀分布轨道高度：轨道高度：19100km轨道倾角：轨道倾角：64.8卫星运行周期：卫星运行周期：11h15min1995年底建成年底建成武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GLONASS信号信号每颗卫星载波频率不同每颗卫星载波频率不同计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。波频率相同。2005年后年后L1:1598.06251604.2500MHzL2:1242.93751247.7500MHz各颗卫星也有各颗卫星也有C/

22、A码与码与P码，且不同卫星间相码，且不同卫星间相同同无无SA与与AS技术，但不向民用用户提供技术，但不向民用用户提供P码码GLONASS单点定位精度单点定位精度平面平面 20m左右；高程左右；高程 40m左右（左右（95%）武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GALILEO系统系统(欧洲欧洲)星座组成星座组成30颗卫星颗卫星（273）三个轨道平面三个轨道平面轨道高度：轨道高度：23616km轨道倾角：轨道倾角：56Galileo信号信号根据公开、安全、商根据公开、安全、商业、政府四种服务模式业、政府四种服务模式采用不同信号采用不同信号载波频率：载波频率：L波段波段（E1,E2,E

23、5a,E5b和和E6）武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所 星座建立计划星座建立计划2004，发射，发射GSTB(Galileo System Test Bed)试验卫星试验卫星20052006，发，发射射4颗工作卫星，在颗工作卫星，在轨作业试验轨作业试验2008，建立，建立Galileo工作星座工作星座武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统(中国中国)系统组成系统组成导航卫星：导航卫星：2颗地球同步卫星（颗地球同步卫星（Sat-31/32静地卫星），东经静地卫星），东经80度与度与140度上度上空空地面中心站：地面控制中心地面数据处地

24、面中心站：地面控制中心地面数据处理中心理中心定轨观测网：定轨观测网：3个以上地面定轨观测站个以上地面定轨观测站校准站校准站测高站测高站用户发收机用户发收机 系统建成时间：系统建成时间：2000年底年底武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所定位原理定位原理主动式：用户设备既接收也发送信号，主动式：用户设备既接收也发送信号，地面中心站解算用户位置并告知用户；地面中心站解算用户位置并告知用户；需要高程约束解算用户位置，且用户不需要高程约束解算用户位置，且用户不能自己解算坐标。能自己解算坐标。定位精度：平面定位精度：平面 20m武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所1.3 GP

25、S在在国民经济建设中的应用国民经济建设中的应用将在第十章中详细介绍将在第十章中详细介绍陆地应用陆地应用海洋应用海洋应用航空应用航空应用航天应用航天应用武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所思考题思考题1：子午卫星系统与：子午卫星系统与GPS定位定位原理有何区别？原理有何区别？思考题思考题2：为什么在卫星原子钟基准：为什么在卫星原子钟基准频率中加入干扰可以降低定位精度频率中加入干扰可以降低定位精度？武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所二、坐标系统和时间系统二、坐标系统和时间系统q天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运动的坐标系，其中

26、以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系另一类是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v地球坐标系地球坐标系大地坐标系空间直角坐标系v天球坐标系天球坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v地心空间直角坐标系地心空间直角坐标系坐标原点在地球质心，Z轴与地球平均自转轴重合，即指向某一时刻的平均北极点；X轴指向格林尼治平均子午面与赤道面的交点Ge，Y轴与此平面垂直，指向东为正构成右手系。q地球坐标系地球坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学

27、院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v地心大地坐标系地心大地坐标系大地经度B大地纬度L大地高H武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所设P点的大地经度为L，在过P点的子午面上，以子午圈椭圆中心为原点，建立x,y平面直角坐标系。在该坐标系中，P点的位置用L,x,y表示。v子午面直角坐标系子午面直角坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所大地站心地平坐标系是以测站法线和子午线方向为依据的坐标系。原点位于测站，z轴与该点的法线重合，x轴垂直于z轴指向椭球短轴，y轴垂直于xoz平面，构成左手坐

28、标系。点的坐标可用(x,y,z)或(S,A,Z)表示。v站心地平坐标系站心地平坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v地球椭球基本参数及其互相关系地球椭球基本参数及其互相关系地球椭球是经过适当选择的旋转椭球,旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基本几何参数(或称元素):椭圆的长半轴椭圆的短半轴椭圆的扁率椭圆的第一偏心率椭圆的第二偏心率 q各种地球坐标系间的关系各种地球坐标系间的关系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所克拉索夫斯基椭球体1975国际椭球体GS-84椭球体a6 378 245.000 000 000 0(m)6 378 140.000 000 00

29、0 0(m)6 378 137.000 000 000 0(m)b6 356 863.018 773 047 3(m)6 356 755.288 157 528 7(m)6 356 752.314 2(m)c6 399 698.901 782 711 0(m)6 399 596.651 988 010 5(m)6 399 593.625 8(m)1/298.31/298.2571/298.257 223 56320.006 693 421 622 9660.006 694 384 999 5880.006 694 379 9013e0.006 738 525 414 6830.006 739

30、501 819 4730.006 739 496 742 2武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v空间直角坐标系同大地坐标系的关系空间直角坐标系同大地坐标系的关系 已知大地坐标计算相应空间直角坐标已知大地坐标计算相应空间直角坐标在椭球面上的点：不在椭球面上的点：武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所已知空间直角坐标计算相应大地坐标武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v不同空间直角坐标系之间的转换不同空间直角坐标系之间的转换原点相同

31、的两坐标系O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通过三次旋转，可实现O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的变换武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所原点不同的两坐标原点不同的两坐标系：三参数、七参系：三参数、七参数等数等不同大地坐标系的不同大地坐标系的转换转换武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所站心地平直角坐标系与地心直角坐标系转换站心地平直角坐标系与地心直角坐标系转换武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所q卫星测量常用坐标系卫星测量常用坐标系v天球坐标系天球坐

32、标系基本概念：基本概念：天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天球天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天球的交点为天极的交点为天极天球赤道面：天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面过地球质心与天轴垂直的平面天球子午面：包含天轴与天球上任一点的平面天球子午面：包含天轴与天球上任一点的平面黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄极：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天球黄极：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点的交点春分点：春分点：太阳在黄道上从南到北运行时，黄道与太阳在黄道上从

33、南到北运行时，黄道与天球赤道的交点天球赤道的交点武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系原点原点o位于地球质心，位于地球质心，z轴指向天球北极，轴指向天球北极，x轴指向春分点，轴指向春分点，y轴垂直于轴垂直于xoz平面与平面与x和和z轴构成右手系轴构成右手系天球球面坐标系天球球面坐标系原点原点o位于地球质心，赤经位于地球质心，赤经 为含天轴和为含天轴和春分点的天球子午面与过天体春分点的天球子午面与过天体s的天球子的天球子午面的夹角；赤纬午面的夹角；赤纬 为原点至为原点至s连线与天连线与天球赤道面的夹

34、角，向径长度球赤道面的夹角，向径长度r为原点至为原点至s的的距离距离武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所瞬时极天球坐标系瞬时极天球坐标系z轴指向瞬时地球自转轴；轴指向瞬时地球自转轴；x轴指向瞬时春分点轴指向瞬时春分点也称真天球（赤道）坐标系也称真天球（赤道）坐标系平天球坐标系平天球坐标系选某一时刻选某一时刻 为标准历元，将此刻地球的瞬时自为标准历元，将此刻地球的瞬时自转轴和地心至瞬时春分点的方向经岁差和章动改转轴和地心至瞬时春分点的方向经岁差和章动改正后分别作正后分别作z轴和轴和x轴的轴的指向，称为标准历元指向，称为标准历元 的的平天球坐标系平天球坐标系 也称协议天球坐标系（协议

35、惯性系也称协议天球坐标系（协议惯性系CIS）J2000.0(TDB时时2000年年1月月1.5日日)为标准历元为标准历元武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所瞬时极天球坐标系与平天球坐标系的关系瞬时极天球坐标系与平天球坐标系的关系岁差：由于地球的实际形状，日月和其它天体引岁差：由于地球的实际形状，日月和其它天体引力的影响下，力的影响下，地球自转轴具有周期约地球自转轴具有周期约25800年绕年绕黄极一周的长周期运动，该运动使得春分点每年黄极一周的长周期运动，该运动使得春分点每年约产生约产生50.2“的向西运动的向西运动章动：地球自转轴所产生的一系列短周期变化被章动：地球自转轴所产生的

36、一系列短周期变化被统称为章动统称为章动武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v地球坐标系地球坐标系瞬时极地球坐标系瞬时极地球坐标系Z轴指向瞬时地球自转轴；轴指向瞬时地球自转轴；X轴指向瞬时赤道面和轴指向瞬时赤道面和格林尼治平子午面的交点格林尼治平子午面的交点协议地球坐标系协议地球坐标系(CTS)以协议地极（以协议地极（CIO）为基准点为基准点不同的机构组织用不同的方法得到不同的不同的机构组织用不同的方法得到不同的CIO瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系瞬时极地球坐标系与协议地球坐

37、标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象化的现象武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象化的现象极移运动规律：地极坐标系极移运动规律：地极坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所vWGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS原点是地球质心，Z 轴指向BIH19

38、84.0定义的协议地极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X 轴构成右手坐标系 武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所WGS-84坐标系统采用的4个基本参数：a=6 378 137mGM=3 986 005108m3s-2C2,0=-484.166 8510-6=7 292 11510-11rad/s武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所国际地球自转服务(IERS)的任务：维持国际天球参考系统(ICRS)和框架(ICRF)；维持国际地球参考系统(ITRS)和框架(ITRF)；为当前应用和长期研究提供及时准确的地球自转参数(EOP

39、)。vITRS与与ITRF武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所国国际际地地球球参参考考系系统统(ITRS)ITRS),一种协议地球参考系统：原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；Z 轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；Y轴与XOZ 平面垂直而构成右手坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所国际地球参考框架国际地球参考框架(ITRF)ITRF)ITRF是ITRS的具体实现，是通过IERS分布于全球的跟踪站的坐标和速度场来维

40、持并提供用户使用的。IERS每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。考虑了框架的随时间变化，是一个准四维的坐标考虑了框架的随时间变化，是一个准四维的坐标系统系统IGS精密星历是基于一特定历元的精密星历是基于一特定历元的ITRF框架框架目前最新、精度最目前最新、精度最ITRF框架是框架是ITRF2000武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v1954年北京坐标系地球参心坐标系它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。缺点：椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显

41、的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。定向不明确武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 地球参心坐标系特点：采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4个椭球基本参数。地球椭球长半径 a=6 378 140 m，地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2=1.082 6310-8,地球自转角速度=7.292 11510-5 rad/s。武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所 参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。椭球面

42、同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点的方向大地原点地处我国中部，位于西安市以北60km处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。大地高程基准采用1956年黄海高程系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v高斯平面坐标系、地方独立坐标系高斯平面坐标系、地方独立坐标系武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所恒星时恒星时ST(Sidereal Time)平太阳时平太阳时

43、MT(Mean Solar Time)世界时世界时UT(Universal Time)原子时原子时TAI(International Atomic Time)协调世界时协调世界时UTC(Coordinated Universal Time)GPS时时GPST(GPS Time)q时间系统时间系统武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v世界时系统世界时系统恒星时（恒星时（Sidereal Time-ST）参考点：春分点参考点：春分点定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，并由此派生出间间隔为一恒星日，并由此派生出“时时”、“分分”

44、、“秒秒”等单位等单位是一种地方时是一种地方时*有真恒星时（有真恒星时（LAST Local Apparent Sidereal Time）与平恒星时（与平恒星时（LMST Local Mean Sidereal Time）之分之分武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所平太阳时（平太阳时（Mean Solar Time）参考点：平太阳参考点：平太阳定义：假设一个参考点的视运动速度等于真定义：假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动平均速度，且其在天球赤道上作太阳周年运动平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，这个参考点称为平太阳。平太阳周年视运动，这个参考点称为平太阳。平太阳连

45、续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日阳日是一种地方时是一种地方时民用时民用时使用平太阳时的不便之处使用平太阳时的不便之处平太阳时从正午起算，同一白天日期不同平太阳时从正午起算，同一白天日期不同民用时（民用时（mc）的定义的定义武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所世界时（世界时（Universal Time UT）格林尼治零子午线处的民用时称为世界时格林尼治零子午线处的民用时称为世界时*UT0、UT1与与UT2问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓，且存在短周期变化和季节性变化）期趋势变缓

46、，且存在短周期变化和季节性变化）UT0：未经改正的世界时未经改正的世界时UT1：引入极移改正（引入极移改正（）的世界时）的世界时UT2：引入极移改正（引入极移改正（）和地球自转速度）和地球自转速度的季节改正（的季节改正（Ts）的世界时的世界时武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v原子时（原子时（Atomic Time AT）定义定义尺度：尺度：1967年年10月，第十三届国际度量衡大月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯会通过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡振荡91926317

47、70周所持续的时间为周所持续的时间为1原子时秒。原子时秒。原点：原本规定原点：原本规定AT与与UT2在在1958年年1月月1日日0h时相同，但实际相差时相同，但实际相差0.0039秒，即：秒，即：(AT-UT2)1958.0=-0.0039秒秒国际原子时（国际原子时（International Atomic Time TAI）1977年建立年建立通过通过100台原子钟比对求得台原子钟比对求得TT=TAI+32.184s武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所协调世界时（协调世界时（Universal Time Coordinated UTC）与与AT秒长相同秒长相同通过跳秒，与通过跳

48、秒，与UT的差值保持在的差值保持在0.9秒内秒内通常在通常在6月月30日日24h或或12月月31日日24h进行跳秒进行跳秒,具体时间由具体时间由IERS决定并通告决定并通告UTC+跳秒跳秒TAI各国时号的发播均以各国时号的发播均以UTC为基准为基准GPS时（时（GPS Time GPST）原子时，原子时，1986年年1月月6日日0h与与UTC重合重合TAI GPST=19s武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所v力学时系统（力学时系统（Dynamic Time DT）定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为力学时时间，称为力学时*历书时

49、（历书时（Ephemeris Time ET）*地球动力学时（地球动力学时（Terrestrial Dynamic Time TDT）*太阳质心力学时（太阳质心力学时（Barycentric Dynamic Time-TDB）武汉大学测绘学院武汉大学测绘学院空间大地测量研究所思考题思考题1：赤纬赤纬 与大地纬度与大地纬度B有何区别有何区别；赤经赤经 与大地经度与大地经度L有何区别？有何区别？思考题思考题2：瞬时天球坐标系与平天球坐标：瞬时天球坐标系与平天球坐标系的关系；瞬时地球坐标系与协议地球坐系的关系；瞬时地球坐标系与协议地球坐标系的关系；瞬时天球坐标系与瞬时地球标系的关系；瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系的关系？坐标系的关系？思考题思考题3：世界时（：世界时（UT）与协调世界时与协调世界时(UTC)的区别与联系？的区别与联系？