《GPS监测网数据处理软件包》 培训教程

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1、第二章坐标系统和时间系统 CoordinateandTimeSystem 主要内容Themaincontents2 1协议天球坐标系ConventionalCelestialSphereCoordinateSystem2 2协议地球坐标系ConventionalEarthCoordinateSystem2 3WGS 84坐标系和我国的大地坐标系WorldGeodeticSystem 1984andournationalGeodeticCoordinateSystem2 4时间系统TimeSystem 第二章坐标系统和时间系统 CoordinateandTimeSystem 第二章坐标系统和时间

2、系统 CoordinateandTimeSystem 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 所以 了解GPS测量中的一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 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 概述 第二章坐标系统和时间系统 CoordinateandTimeSystem 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 对于描述卫星的运行位置和状态极为方便 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

3、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 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 坐标系统大类划分 另一类是与地球体相固联的坐标系统 地固坐标系 这类坐标系统对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测成果尤为方便 它在经典大地测量学 Geodesy 中 具有多种表达形式和极为广泛的应用 第二章坐标系统和时间系统 CoordinateandTimeSystem 坐标系统是由原点 origin 位置 坐标轴 Coordinateaxis 的指向和尺度 Scale 所定义的 在GPS测量中 坐标系的原点一般取地球的质心 themasscenteroftheearth 而坐标

4、轴的指向具有一定的选择性 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指向 这种共同确认的坐标系 通常称为协议坐标系 ConventionalCoordinateSystem 第二章坐标系统和时间系统 CoordinateandTimeSystem 坐标系统三个基本要素 第二章坐标系统和时间系统 2 1协议天球坐标系 一 天球的基本概念 天球 是指以地球质心M为中心 半径r为任意长度的一个假想的球体 ConventionalCelestialCoordinateSystem 2 1协议天球坐标系 在天文学中 通常均把天体 celestialbodies 投影 projec

5、t 到天球的球面 并利用球面坐标系统来表达或研究天体的位置及天体之间的关系 为了建立球面坐标系统 必须确定球面上的一些参考点 线 面和圈 在全球定位系统中 为描述卫星的位置也将涉及到这些概念 第二章坐标系统和时间系统 第二章坐标系统和时间系统 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 该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道 地球自转轴的延伸称为天轴 天轴与天球的交点Pn Ps称为天极 其中Pn称为北天极 Ps称为南天极 2 天球赤道面与天球赤道 1 天轴和天极 celestialaxisandcelestialpole 第二章坐标系统和时间系统 包含天轴并通

6、过地球上任一点的平面 称为天球子午面 MeridianPlane Meridional 而天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈 CelestialMeridian 3 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 4 时圈 第二章坐标系统和时间系统 5 黄道 ecliptic 地球公转的轨道与天球相交的大圆 即当地球绕太阳公转时 地球上的观测者所见到的太阳在天球上运动的轨迹 黄道面与赤道面的夹角 称为黄赤交角 约为23 5 Obliquityoftheecliptic Theintersectionplaneoftheearth sorbitwiththecelestials

7、phere alongwhichthesunappearstomoveasviewedfromtheearth 第二章坐标系统和时间系统 通过天球中心 且垂直于黄道面的直线与天球的交点 其中靠近北天极的交点 n 称为北黄极 靠近南天极的交点 s称为南黄极 6 黄极 eclipticpole 第二章坐标系统和时间系统 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时 黄道与地球赤道的交点 在天文学和卫星大地测量学中 春分点和天球赤道面 是建立参考系的重要基准点和基准面 7 春分点 equinox 第二章坐标系统和时间系统 二 天球坐标系 任一天体的位置 在天球坐标系中可用两种形式来描述 1 天球空间直角

8、坐标系 在天球空间直角坐标系中 天体的坐标为 X Y Z 原点位于地球质心M Z轴指向天球北极Pn X轴指向春分点 Y轴垂直于XMZ平面 与X轴和Z轴构成右手坐标系统 第二章坐标系统和时间系统 二 天球坐标系 2 天球球面坐标系 原点位于地球质心M 赤经 为含天轴和春分点的天球子午面与过天体S的天球子午面之间的夹角 赤纬 为原点M至天体S的连线与天球赤道面之间的夹角 向径长度r为原点M至天体S的距离 在天球球面坐标系中 天体的坐标为 r GAMIT 第二章坐标系统和时间系统 3 天球空间直角坐标和球面坐标的关系 在实践中 以上关于天球坐标系的两种表达形式 应用都很普遍 由于它们和地球的自转无关

9、 所以对于描述天体或人造地球卫星的位置和状态是方便的 第二章坐标系统和时间系统 天球坐标系的建立 是基于假设地球为均质的球体 且没有其它天体摄动力影响的理想情况 即假定地球的自转轴在空间的方向是固定的 因而春分点在天球上的位置保持不变 但是 实际上地球的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 从而使春分点在赤道上产生缓慢的西移 这种现象在天文学中称为岁差 三 岁差与章动 precessionandnutation 1 地球的非球形影响 岁差现象 第二章坐标系统和时间系统 在岁差的影响下 地球自转轴在空间

10、绕北黄极产生缓慢的旋转 从北天极上方观察为顺时针方向 以下同 因而使北天极以同样的方式在天球上绕北黄极产生旋转 第二章坐标系统和时间系统 如果月球的引力及其运行的轨道都是固定不变的 同时忽略其它行星引力的微小影响 那么日月引力的影响 仅将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢地旋转 构成一个圆锥面 这时 在天球上 北天极的轨迹近似地构成一个以北黄极 n为中心 以黄赤交角 为半径的小圆 在这个小圆上 北天极每年西移约为50 371 周期为25786年 地球自转轴在空间的方向变化 主要是由日月引力共同作用的结果 其中又以月球的引力影响为最大 由于太阳远较月球距地球为远 所以其引力的影响仅为月球影响的0

11、46倍 第二章坐标系统和时间系统 在天球上 这种规律运动的北天极 通常称为瞬时平北天极 或简称为平北天极 而与之相应的天球赤道和春分点 称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点 instantaneousaveragenorthcelestialpole 第二章坐标系统和时间系统 在太阳和其它行星引力的影响下 月球的运行轨道以及月地之间的距离都是不断变化的 所以 北天极在天球上绕北黄极旋转的轨迹 实际上要复杂得多 2 月地距变化 章动现象 如果把观测时的北天极称为瞬时北天极 或称真北天极 而与之相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点 或称真天球赤道和真春分点 那么在日月引力等因素的影响下

12、瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转 大致成椭圆形轨迹 其长半径约为9 2 周期约为18 6年 这种现象称为章动 第二章坐标系统和时间系统 3 如何描述北天极在天球上的运动 通常均把这种复杂的运功 分解为两种规律的运动 首先是平北天极绕北黄极的运动 这就是上面介绍的岁差现象 其次是瞬时北天极绕平北天极顺时针的转动 即章动现象 在岁差和章动的共同影响下 瞬时北天极绕北黄极旋转的轨迹 实际上如右图所示 第二章坐标系统和时间系统 在岁差和章动的影响下 瞬时天球坐标系的坐标轴指向是在不断地旋转 在这种非惯性坐标系统中 不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律 为了建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系

13、人们通常选择某一时刻t0作为标准历元 epoch 并将此时刻地球瞬时自转轴 指向北极 和地心至瞬时春分点的方向 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 由此所构成的空固坐标系 称为所取标推历元t0的平天球坐标系或协议天球坐标系 也称协议惯性坐标系 ConventionalInertialSystem CIS 天体的星历通常都是在该系统中表示的 四 协议天球坐标系的定义和换算 第二章坐标系统和时间系统 四 协议天球坐标系的定义和换算 国际大地测量协会和国际天文学联合会决定 从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系 其坐标轴的指向是以2000年1月15日TDB 质心力学时 为标准历

14、元 标以J2000 0 的赤道和春分点所定义 国际大地测量协会 IAG InternationalAssociationofGeodesy 国际天文学联合会 IAU InternationalAstronomicalUnion 第二章坐标系统和时间系统 为了将协议天球坐标系的卫星坐标 转换到观测历元t的瞬时天球坐标系下 通常可分为两步 即首先将协议天球坐标系中的坐标 换算到观测瞬间的平天球坐标系下 然后再将瞬时平天球坐标系的坐标 转换到瞬时天球坐标系统 在实际工作中 坐标系统的这种转换 一般都可借助计算机的相应软件自动完成 国际地球自转服务组织 IERS InternationalEarthRotationService 国际时间局 BIH BureauInternationaldeHeare 小知识 国际大地测量与地球物理联合会 IUGG InternationalUnionofGeodesyandGeophysics 儒略历 是公元前罗马皇帝儒略 凯撒所实行的一种历法 一个儒略世纪含有36525个儒略日 儒略日是从公元前4713年儒略历1月1日正午起算的连续天数 新标准历元J2000 0相应的儒略日为2451545 0