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1、第二章 坐标系统和时间系统,2.1 天球坐标系和地球坐标系 2.2 WGS-84坐标系和我国的大地坐标系 2.3 坐标系统之间的转换 2.4 时间系统,为什么提出坐标系？描述物体运动，必须有参照物,为描述物 体运动而选择的所有参照物叫参照系（参考 系）。参照系是粗略的，不精确的，必须建 立坐标系。准确和完善的描述物体的运动， 观测的结果模拟及 表示或解释需要建立一个 坐标系统。,怎样定义一个坐标系？坐标系固连在参照系上，且与参照系同 步运动。要完全定义一个三维空间直角坐标 系必须明确指出： 坐标原点的位置。三个坐标轴的指向。长度单位。,P,r,空间直角坐标系符合右手法则或左手法则：,注： 一经
2、定义坐标系，空间一点对应一组坐标，坐标系不同，坐标值也不同。,为什么选用空间直角坐标系？任一点的空 间位置可由该点在三个坐标 面的投影（X，Y，Z）唯一地确定，通过坐 标平移、旋转和尺度转换，可以将一个点的 位置方便的从一个坐标系转换至另一个坐标 系。与某一空间直角坐标系所相应的大地坐 标系（B，L，H），只是坐标表现形式不 同，实质上是完全等价的，两者之间可相互 转化。,GPS定位采用坐标系：在GPS定位测量中，采用两类坐标系， 即天球坐标系与地球坐标系，两坐标系的坐 标原点均在地球的质心，而坐标轴指向不 同。天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标 原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于 描述卫
3、星运行位置和状态。地球坐标系随同 地球自转，可看作固定在地球上的坐标系， 用于描述地面观测站的位置。,2.1 天球坐标系和地球坐标系,天球：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 。,一、天球坐标系,M,黄道,Pn,s,n,天球赤道,Ps,天轴与天极：地球自 转轴的延伸直线为天 轴；天轴与天球的交 点Pn和Ps称为天极， 其中Pn为北天极，为 Ps南天极。,天球赤道面与天球赤道： 通过地球质心M与天 轴垂直的平面，称为天球 赤道面。天球赤道面与天 球相交的大圆，称为天球 赤道。,黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 黄赤交角：黄道与赤道的夹角。,黄极：通过天球 中心，且垂直
4、于 黄道面的直线与 天球的交点。其 中靠近北天极的 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。,注：春分点和天球道赤 面，是建立参考系的重 要的基准点和基准面。,M,黄道,Pn,s,n,原点地球质心MZ轴指向天球北极PnX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。,Z,X,Y,天球空间直角坐标（X，Y，Z）的定义：,M,z,Ps,天球赤道,Pn,y,x,s,y,z,x,r,天球中心与地球质心M重合，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
5、与天球赤道面之间的夹角，向径为原点M至天体s的距离。,天球球面坐标（，）的定义：,对同一空间点，直角坐标系与其等效的球面坐标 系参数间有如下转换关系：,M,z,Ps,天球赤道,Pn,x,s,y,z,x,r,y,岁差：地球实际上不是一个理想的球体，地球自转轴方向不再保持不变，这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。,岁差和章动的影响,岁差产生的原因：日月和其他天体对地球赤道隆起部分的吸引。,主要由日月引力 引起。太阳的影响 为月球影响的0.46， 太阳的质量是月球 的两千多万倍，为 什么月球对岁差的 影响反而更大呢？,M,黄道,Pn,s,n,天球赤道,岁差周期：25800年
6、，每年春分点西移50.371,M,黄道,Pn,s,n,天球赤道,章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极旋转，大致呈椭圆，这种现象称为章动。,章动产生的主要 原因：月球轨道面（白 道）位置的变化。,章动的规律章动的周期：18.6年章动椭圆的长半轴：9.2,a,b,r ,n,章动椭圆,岁差、章动叠加,Pn,岁差章动的叠加效果,M,黄道,Pn,s,n,天球赤道,黄极,天极,为了研究问题的方便，我们把岁差和章动分开研 究，分别研究两种现象的规律，然后再综合叠加。,在岁差和章动 的影响下，瞬时天 球坐标系的坐标轴 的指向在不断的变 化，将不能直接根 据牛顿力学定律来 研究卫星的运动
7、规 律。,瞬时天球坐标系：,原点：地球质心,坐标轴指向： z轴指向瞬时地球自转轴 x轴指向瞬时春分点 y轴与x轴、z轴构成 右手坐标系,M,黄道,Pn,s,n,Z,X,Y,协议天球坐标系： 为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标 系，人们通常选择某一时刻，作为标准历元，并将 此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时 春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分 别作为X轴和Z轴的指向，由此建立的坐标系称为协 议天球坐标系。,在空间的位置和方向应保持不变， 或仅作匀速直线运动,M,z,Ps,天球赤道,Pn,y,x,s,y,z,x,r,国际大地测量学 会（International Assoc
8、iation of Geodesy-IAG）和 国际天文学联合 会（International Astronomical Union-IAU）决 定，标准历元设 为J2000.0 。,协议天球坐标系CIS （惯性坐标系）：,J2000.0：公历为2000年1月1日12:00:00,协议天球坐标系,观测瞬间的平天球坐标系,瞬时天球坐标系,岁差,章动,协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换：,地球空间直角坐标系的定义：原点O：地球质心Z轴：指向地球北极PnX轴：指格林尼治子午面与地球赤道的交点EY轴：垂直于XOZ平面，与X轴和Y轴构成右手坐标系。,赤道平面,O,P,PS,PN,E,Z,X,Y,Y,X
9、,Z,二、地球坐标系,赤道平面,O,P,大地经度L,大地纬度B,n,L,B,起始子午面（首子午面）,大地坐标系的定义：地球椭圆的中心与 地球质心重合，椭球短 轴与地球自转轴重合， 大地纬度B为过地面点 的椭球法线与椭球赤道 面的夹角，大地经度L 为过地面点的椭球子午 面与格林尼治平子午面 之间的夹角，大地高H 为地面点沿椭球法线至 椭球面的距离。,PS,PN,H,任一地面点P在地球坐标系中的坐标，可表示为（X，Y，Z）或（B，L，H），两种坐标系之间的转换为：,式中，,，N为该点的卯酉圈,曲率半径。,地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其 在空间变化，而且还受地球内部质量不均匀影响 在地球内部
10、运动。前者导致岁差和章动，后者导 致极移。,岁差、章动和极移的影响,极移：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，这种现象称为极移。,研究分析表明，极移周期有两种：一种周期约为一年，振幅约为0.1的变化；另一种周期约为432天，振幅约为0.2的变化，即张德勒（S.C.Chandler ）周期变化。,地极移动在平面上的投影,1971.0,1975.0,1,CIO,-0.2,+0.2,+0.5,瞬时极：随时间变化的极点。 瞬时自转轴：随时间变化的自转轴。,注：极移的存在，致使地面点的坐标具有类似周期性的变化，使用起来十分不便。,瞬时地球坐标系,Z轴
11、指向瞬时地球自转轴 X轴指向格林尼治子午面与瞬时赤道的交点 Y轴与x轴、z轴构成右手系,原点：地球质心,赤道平面,O,P,PS,PN,E,Z,X,Y,Y,X,Z,协议地球坐标系（CTS）,1960年国际大测量 与地球物理联合会决定 以1900.01905.0五年地 球自转轴瞬时位置的平 均值作为地球的固定级 称为国际协定原点CIO。 平地球坐标系的Z轴指 向国际协定原点CIO 。,赤道平面,O,P,M,PN（协议）,E （协议）,Z,X,Y,Y,X,Z,PS,协议地球坐标系和瞬时地球坐标系之间的转换,地极的瞬时坐标由国际地球自转服务组织 （International Earth Rotatio
12、n Service-IERS）根据多 个台站计算出来的。协议地球坐标系和瞬时地球坐 标系之间的转换关系为：,协议地球坐标系和协议天球坐标系之间的转换,三、站心赤道直角坐标系和站心地平直角坐标系,站心地平直角坐标系能够比较直观方便的描述 卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角， 了解卫星在天空中的分布情况。,O-XYZ球心空间直角坐标系 P-xyz站心地平直角坐标系 P- 站心赤道直角坐标系,2.2 WGS-84坐标系和我国的大地坐标系,WGS84（World Geodetic System，1984年） 是美国国防部研制确定的大地坐标系。,一、WGS-84大地坐标系 （地心坐标系）,CTP
13、赤道平面,O,PN,E,ZWGS84,PS,BIH定义的零子午圈（1984.0）,XWGS84,YWGS84,几何定义： 原点在地球质心Z轴指向 BIH 1984.0定义的协议地球(CTP）方向。X轴指向BIH 1984.0 的零子午面和CTP赤道的交点。 Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。,WGS84世界大地坐标系,对应于 WGS-8大地坐标系有一个WGS-84椭球， 其常数采用 IAG和IUGG第 17届大会大地测量常数 的推荐值。WGS-84椭球两个最常用的几何常数：,长半轴： 6378137 2（m） 扁率： 1：298.257223563,WGS-84大地水准面高N等于由GPS定位测定的
14、点的大地高H减该点的正高H正。N值可以利用地球重力场模型系数计算得出；也可以用特殊的数学方法精确计算局部大地水准面高N。一旦N确定，可利用H正=H-N计算GPS各点的的正高H正。,二、国家大地坐标系（参心坐标系）,1、1954年北京坐标系,建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。,BJ54坐标系的几何定义：,大地原点在前苏联的普尔科沃天文台。空 间直角坐标系的原点在参
15、考椭球的中心，Z轴 平行于地球质心指向地极原点JYD1968的方向， X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向经度 零方向， Y轴与Z、X轴构成右手坐标系。,1954北京坐标系椭球常数采用克拉索夫斯基Krassovsky椭球参数，基本常数为：,长半轴： 6378245（m） 扁率： 1：298.3,BJ54可归结为： a属参心大地坐标系； b采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数； c. 大地原点在原苏联的普尔科沃； d采用多点定位法进行椭球定位； e高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平 均海水面。 f高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文水准路线推算而得 。 自BJ54建立以来，在该坐标系内进行了许多地区的局部平差，其成果得到了广泛的应用。,
