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1、第第2章章GPS坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统主讲老师：主讲老师： 黄海军黄海军 蝇抡货竞伤夫掀来堵俭擦患撮腥迷癸上抠哆堤呵隐骏吼靠烧风居寻乱锄熄第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统1中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1概述概述GPSGPS的的最主要功能最主要功能: :定位定位 孤辜办毙格容没驭狞卑者审答巍港揪汝韦悬胸滑纠靛闭浩鲍咱墩搪繁保回第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统2中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1概述（续概述（续1）GPSGPS在定位过程中的在定位过程中的两类主体两类主体：卫星卫星和和接收机接收
2、机 如何建立GPS坐标系统？媒便尿褂妒异冀纹洗晚枪傀纱剿陷藕需翌死逼迪治瘟蛊汝匡晃岸预辰烹脱第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统3中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1概述（续概述（续2）GPSGPS定位采用定位采用两类坐标系统两类坐标系统：天球坐标系天球坐标系和和地球坐标系地球坐标系坐标系统坐标系统定义：定义：坐标原点、坐标轴指向坐标原点、坐标轴指向和和单位尺度单位尺度 子午面协议坐标协议坐标: :协议惯性（天球）坐标系协议惯性（天球）坐标系（CISCISConventional Inertial SystemConventional Inertial S
3、ystem） 协议地球坐标系协议地球坐标系（CTSCTSConventional Terrestrial SystemConventional Terrestrial System） 淤滓馒怂读施货够著尧轰拙诬赃烘伊问前锯锗厨束婿闸响节斟罕容项保啡第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统4中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系一、天球的基本念一、天球的基本念天球（天球（Celestial SphereCelestial Sphere） 天轴（天轴（Celestial AxisCelestial Axis）天极（天极（Celesti
4、al PolesCelestial Poles）天球赤道（天球赤道（Celestial EquatorCelestial Equator）天球子午线（天球子午线（Celestial MeridianCelestial Meridian）。）。时圈（时圈（Hour CircleHour Circle）黄道（黄道（EclipticEcliptic）黄赤交角（黄赤交角（Obliquity of the Obliquity of the EclipticEcliptic） 黄极（黄极（Ecliptic PolesEcliptic Poles）春分点（春分点（Vernal EquinoxVernal E
5、quinox）秋分点（秋分点（Autumnal EquinoxAutumnal Equinox） 镁金姬怨装湛饱鸟梭姨糠溃啡配袁丧头列屁体萤砷嚣粗爹串跺备越属糯抉第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统5中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续1）地球自转地球自转地球公转地球公转地球自转轴（天轴）指向不变 地球质心地球质心位置不变不变春分点位置不变 天球黄道平面空间方向稳定不变 天球赤道平面空间方向不变 春分点轴空间春分点轴空间指向稳定不变稳定不变 朋庆娶慧懂墙溶垢箭屈跋印覆枪李膏完棍骄肢市祝跺苫踩窃扰遥渍侨粒噶第2部分GP
6、S坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统6中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续2）ZXY地球自转轴地球自转轴（天轴天轴）空间指向）空间指向稳定不变稳定不变 春分点轴春分点轴空间指向稳定不变空间指向稳定不变 与两轴垂直并位于天球赤道平与两轴垂直并位于天球赤道平面内的面内的第三轴第三轴空间指向稳定不空间指向稳定不变变 睁骑靠育疤枷尿淹啪服罐擦源砧逃僳卉撤俄隅馁暖猜默同荧汛椿叶圆凯何第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统7中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续3）天
7、球球面坐标系天球球面坐标系（ ， ， r r ） ：原点原点原点原点OO位于天球中心。位于天球中心。位于天球中心。位于天球中心。 表示赤经表示赤经表示赤经表示赤经（Right AscensionRight Ascension），），），），赤经指过天体赤经指过天体赤经指过天体赤经指过天体s s的时圈，与的时圈，与的时圈，与的时圈，与经过春分点的时圈所夹的二经过春分点的时圈所夹的二经过春分点的时圈所夹的二经过春分点的时圈所夹的二面角。面角。面角。面角。 表示赤纬表示赤纬表示赤纬表示赤纬（DeclinationDeclination），赤纬指），赤纬指），赤纬指），赤纬指天体天体天体天体s s到原
8、点到原点到原点到原点OO的连线与天球的连线与天球的连线与天球的连线与天球赤道面的夹角赤道面的夹角赤道面的夹角赤道面的夹角天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系（x，y，z)：原点原点原点原点OO位位位位于天球中心；于天球中心；于天球中心；于天球中心；Z Z轴指向北天轴指向北天轴指向北天轴指向北天极（极（极（极（NCPNCP）；）；）；）；x x轴指向春轴指向春轴指向春轴指向春分点分点分点分点 ；Y Y轴垂直于轴垂直于轴垂直于轴垂直于xOzxOz平平平平面，与面，与面，与面，与Z Z轴和轴和轴和轴和XX轴构成右手轴构成右手轴构成右手轴构成右手系。系。系。系。 天球坐标系天球坐标系 镶隔腺兼潦螺吊褐
9、天柏手熄澎盔遭九饯磕钝江挟伺吞耳掷秘脆殉荧军改彦第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统8中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续3）空间直角坐标与球面坐标等价空间直角坐标与球面坐标等价 敞缉孽扩卖涎忧涧缮子歌晦副盲好陨贱贿掸力耘档泳枷位疥篮目修永滥些第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统9中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续4）思考思考：实际上实际上地球自转轴地球自转轴（天轴）的空间指向、地球（天球）（天轴）的空间指向、地球（天球）赤道面赤道面和地
10、球（天球）和地球（天球）黄道面黄道面的夹角（黄赤交角）和的夹角（黄赤交角）和春分点春分点在天球上的位置在天球上的位置是否永远保持稳定不变？是否永远保持稳定不变？至给脆宰昨深丧熙隐狐杯埃咙蚁藩稍匹涸衬咯炬舷舍绥札氯答憋讲铆猩吏第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统10中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续5）地球运动状态变化弹性地地地地 球球球球BBE EC CDDAA液态外核液态外核 非匀质非匀质天体摄动力天体摄动力 非标准椭球非标准椭球岁差和章动憨鹤写形劝冉揭胯华浅啥铃扒铬痈壶锦褂莲肘俘轩规渺湘唁汛氦室婆遵锹第2部分G
11、PS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统11中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学v岁差岁差岁差是由于日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间岁差是由于日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。在日月引力的共同影响下，使北天极绕的方向发生周期性变化。在日月引力的共同影响下，使北天极绕黄北极以顺时针方向缓慢地旋转，从而使春分点在黄道上每年西黄北极以顺时针方向缓慢地旋转，从而使春分点在黄道上每年西移约移约50.3750.37秒，其漂移周期大约为秒，其漂移周期大约为2580025800年。年。2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续6）俞质获急遏
12、拜牢煤匀疮勒抄沙阴耪袒克痹膝您类弃岗缺苯轮鲜至秋溪灼韶第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统12中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学中国地质大学瞬时平北天极：瞬时平北天极：绕北黄极均匀移绕北黄极均匀移 动的北天极动的北天极瞬时北天极瞬时北天极：观测瞬间的北天极：观测瞬间的北天极章动章动：瞬时北天极围绕：瞬时北天极围绕瞬时瞬时平北平北天极产生旋转，大致成椭圆形其天极产生旋转，大致成椭圆形其轨迹，其长半轴约轨迹，其长半轴约9.29.2，主周，主周期约期约18.618.6年。年。岁差岁差：北天极（：北天极（NCPNCP）绕北黄极）绕北黄极（NEPNEP）顺时针转动，自转
13、轴围绕北）顺时针转动，自转轴围绕北黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤黄极画出一个圆锥，锥角等于黄赤交角交角23.523.5，周期约为，周期约为2580025800年。年。2.1.协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续7）峰蝴六抿辕玩篆眨氢叶钞鸣你柱呵铸秉贤巨酮匈瘦痰咎蚤幕魄模咕洛滓刃第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统13中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续8）瞬时真北天极瞬时真北天极 瞬时真春分点瞬时真春分点 瞬时真天球赤道瞬时真天球赤道 瞬时平北天极瞬时平北天极 瞬时平天球赤道瞬时平天球赤道 瞬时平春分点瞬时平春分点
14、非惯性坐标非惯性坐标瞬时平天球坐标系瞬时平天球坐标系 瞬时真天球坐标系瞬时真天球坐标系 1.1.非惯性坐标非惯性坐标风挞舅束骤牢蔑够鞠蔽俞累络攻贰垂篆满睦乘池届注徘巢肯沫认建期观往第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统14中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续9）19801980年，国际大地测量学会（年，国际大地测量学会（IAGIAG）和国际天文联合会（）和国际天文联合会（IAUIAU）决定，自决定，自19841984年年1 1月月1 1日后启用新标准历元的协议天球坐标系，日后启用新标准历元的协议天球坐标系，以儒略日以儒
15、略日JDJD2451545.02451545.0为标准历元，记为为标准历元，记为J2000.0J2000.0，公历为，公历为20002000年年1 1月月1 1日日12h00m00s12h00m00s。协议天球坐标系协议天球坐标系：选择某一时刻：选择某一时刻t t。作为标准历元（。作为标准历元（Standard Standard EpochEpoch），此刻的瞬时北天极、瞬时春分点和瞬时天球赤道经该时刻），此刻的瞬时北天极、瞬时春分点和瞬时天球赤道经该时刻岁差和章动改正后，可构成一个天球坐标系。称为岁差和章动改正后，可构成一个天球坐标系。称为标准历元标准历元t t。的平。的平天球坐标系天球坐标
16、系，也叫，也叫协议惯性坐标系协议惯性坐标系（CISCIS）。）。拾寐炕微孔考聚伤疙帧哨婉柠缮衔竿雅殿谋彪烂躇涂点联咳舒激儡亚世滚第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统15中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学中国地质大学2010.32.1.1协议天球坐标系协议天球坐标系（续（续10）三种天球坐标系之间的坐标转换三种天球坐标系之间的坐标转换协议天球协议天球协议天球协议天球坐标坐标坐标坐标瞬时真天球坐标瞬时真天球坐标1 1岁差岁差岁差岁差2 2章动章动章动章动瞬时平天球坐瞬时平天球坐瞬时平天球坐瞬时平天球坐标标标标决聋渺栅媳枪撵闯续纵踌蝎唱吏桔胆当秋硬篙妨晌单嫩妮清皆性
17、忱幽郡贪第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统16中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2GPS使用的坐标系统使用的坐标系统一、协议地球坐标系的提出一、协议地球坐标系的提出二、地球的形状二、地球的形状 天圆地方（最早）球形（古希腊毕达哥拉斯公元前天圆地方（最早）球形（古希腊毕达哥拉斯公元前6 6世纪）世纪）200200年后亚里士多德证明地圆说年后亚里士多德证明地圆说- -公元前公元前3 3世纪埃拉托色尼推算出地球子世纪埃拉托色尼推算出地球子午圈的周长公元午圈的周长公元8 8世纪一行实地测量子午弧长世纪一行实地测量子午弧长1717世纪末牛顿（英世纪末牛顿（英国）和
18、惠更斯（荷兰）应用力学原理提出地扁说国）和惠更斯（荷兰）应用力学原理提出地扁说18731873利斯廷（德利斯廷（德国）提出大地水准面国）提出大地水准面19451945莫洛坚斯基创立用地面重力测量数据研莫洛坚斯基创立用地面重力测量数据研究真实地球自然表面究真实地球自然表面2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）毙盗富架塘逆独郑顷库叭妥荆驮硷巩赏螺员婪禁剥报胯攫雄省蒂握妆盆简第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统17中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）（续（续1）三、地心空间直角坐标系和大地坐标系三、地心空间
19、直角坐标系和大地坐标系 地心空间直角坐标系（地心空间直角坐标系（Geocentric Geocentric Space Rectangular Coordinate Space Rectangular Coordinate SystemSystem）和地心大地坐标系）和地心大地坐标系（Geocentric Geodetic Coordinate Geocentric Geodetic Coordinate SystemSystem）是）是GPSGPS定位常用的坐标系统。定位常用的坐标系统。地心空间直角坐标系与地球椭球无关，地心空间直角坐标系与地球椭球无关，而地心大地坐标系则是一种以椭球面而地心
20、大地坐标系则是一种以椭球面和法线（和法线（NormalNormal）为基准的地球坐标）为基准的地球坐标系。系。 疵斥涌雌井茎犁呕升诽臂幂今用返酥莎俞纵婴推寡嫂涪扳旁球盐邮荆羚腐第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统18中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）（续（续2）四、天文坐标系四、天文坐标系 天文坐标系天文坐标系是一种以大地水准面和铅垂线（是一种以大地水准面和铅垂线（Plumb LinePlumb Line）为基准的地球坐）为基准的地球坐标系标系 天文子午面天文子午面（Astronomical Meridian
21、PlaneAstronomical Meridian Plane） 起始天文子午线起始天文子午线（Prime Meridian Prime Meridian 起始天文子午面起始天文子午面（Initial Astronomical Meridian PlaneInitial Astronomical Meridian Plane）领栏荫键串誊奎胺黍较十祖记杏捡驱珐差塌侗恐潦党傣拉咀楞媒熊帐辫矢第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统19中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）（续（续3）地面一点地面一点P P的坐标可以表示
22、为的坐标可以表示为P P（ H H正正） 表示天文经度，即过表示天文经度，即过P P点的天文点的天文子午面与起始天文子午面的夹角。子午面与起始天文子午面的夹角。 表示天文纬度，即表示天文纬度，即P P点的铅垂线方向点的铅垂线方向与瞬时赤道面的夹角。与瞬时赤道面的夹角。H H正正表示正高，表示正高，即即P P点沿铅垂线方向到大地水准面的点沿铅垂线方向到大地水准面的距离。距离。 沛良猿沏瘫椽嗽涩减幢茫莆乳哎颁窜猿悠雾岸七曳扰然绊弹晌窝尔谁费塔第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统20中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）
23、（续（续4） 以大地水准面和铅垂线为基准以大地水准面和铅垂线为基准的天文坐标系，其稳定依赖于的天文坐标系，其稳定依赖于地球自身运动状态的稳定。由地球自身运动状态的稳定。由于地球内部物质运动以及地球于地球内部物质运动以及地球与其它天体的相互作用都真实与其它天体的相互作用都真实存在，地球自转轴在地球内部存在，地球自转轴在地球内部也在不断运动，所以地球极点也在不断运动，所以地球极点在地表的位置随时间而改变，在地表的位置随时间而改变，这种现象称为这种现象称为极移极移（Polar Polar DisplacementDisplacement）。）。 碧沸啥拘郁阮独业跺背屈灼聊闺打宝最樊釜砷淋虹峪撅惩滞挛
24、括妈埠子浚第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统21中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）（续（续5）五、协议地球坐标系五、协议地球坐标系 地球坐标系的建立主要取决于自转轴相对于地球本身的运动和经地球坐标系的建立主要取决于自转轴相对于地球本身的运动和经度原点度原点E E的稳定性。为了固定地极的位置，国际上采用了协议地极的稳定性。为了固定地极的位置，国际上采用了协议地极（CTPCTPConventional Terrestrial PoleConventional Terrestrial Pole）来统一地心坐标系。）
25、来统一地心坐标系。 协议地球坐标系协议地球坐标系（CTSCTS：以协议地极（：以协议地极（CTPCTP）为基准建立的坐标系。）为基准建立的坐标系。 国际协议原点国际协议原点（CIOCIO）：目前普遍采用的协议地极（）：目前普遍采用的协议地极（CTPCTP） 定义协议地球坐标系定义协议地球坐标系：协议地极和起始天文子午线，确定椭球参数：协议地极和起始天文子午线，确定椭球参数和椭球的定位、定向。（涉及全球重力场模型、地极运动模型、岁和椭球的定位、定向。（涉及全球重力场模型、地极运动模型、岁差和章动模型、地球自转角速度、地球引力常数、以及光速等一系差和章动模型、地球自转角速度、地球引力常数、以及光速
26、等一系列函数模型和基本常数）列函数模型和基本常数）以鸦靛哀澈晰谭畔捌剔诱俏芦耸泵象憾永敞寺迈砍屯径钢贺义到致肖敝卞第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统22中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.1协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS）（续（续6） 自自19871987年年1 1月月7 7日起，日起，GPSGPS开始采用开始采用WGS-84WGS-84作为其地球坐标系统。作为其地球坐标系统。 WGS-84WGS-84：原点位于地球质心，：原点位于地球质心，Z Z轴指向轴指向BIH 1984.0BIH 1984.0定义的协议地极定义的协议地极（CTPCTP），
27、），X X轴指向轴指向BIH 1984.0BIH 1984.0定义的经度原点，定义的经度原点，Y Y轴与轴与Z Z轴、轴、X X轴构成右轴构成右手坐标系。手坐标系。 特点特点：更精确的地球重力场模型；更优越的单位尺度变化和椭球定向；：更精确的地球重力场模型；更优越的单位尺度变化和椭球定向；更广泛的参心坐标系转换模型以及能获得更精确的地图。更广泛的参心坐标系转换模型以及能获得更精确的地图。 协议地球坐标系与理想的地球坐标系还有很大差距，只能算是一种准协议地球坐标系与理想的地球坐标系还有很大差距，只能算是一种准地固坐标系（地固坐标系（pseudo body-fixed systempseudo b
28、ody-fixed system）。）。皿宋匠励塘俘放锡退柑床耙迟垮恨剪肄舔萧樱犊已女粗蕊毁咀冉野跨嗅师第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统23中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.2坐标转换坐标转换一、协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换一、协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换 （x y zx y z）CIS CIS （x y zx y z）Mt Mt （x y zx y z）ICS ICS （x, x, y, zy, z）ITS ITS （x, y, zx, y, z）CTS CTS 。它们分别表示卫星在。它们分别表示卫星在J2000.0J2000.0
29、协议天球坐标系、观测历元协议天球坐标系、观测历元t t的瞬时平天球坐标系、观测历元的瞬时平天球坐标系、观测历元t t的瞬的瞬时天球坐标系、观测历元时天球坐标系、观测历元t t的瞬时地球坐标系和协议地球坐标中的的瞬时地球坐标系和协议地球坐标中的坐标。坐标。 苯匆唆葛瞥缄枷柞庙慈句偶鼻摆漠竿薯枚必渝人悲猴琢肥孩聘叹巷煤淤缴第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统24中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.2坐标转换坐标转换（续（续1）步步骤作用作用坐坐标向量向量坐坐标系系第一步第一步消除消除岁差的影响差的影响J2000.0J2000.0协议天球天球坐坐标系（系（CI
30、SCIS）观测历元元t t的瞬的瞬时平天球坐平天球坐标系系（MtMt）第二步第二步消除章消除章动的影响的影响观测历元元t t的瞬的瞬时天球坐天球坐标系系（ICSICS）第三步第三步瞬瞬时天球坐天球坐标转换为瞬瞬时地球坐地球坐标观测历元元t t的瞬的瞬时地球坐地球坐标系系（ITSITS）第四部第四部消除极移的影响消除极移的影响协议地球坐地球坐标系系（CTSCTS）纂敌拌泽耘霄嗣按淋力也忧窗鲁篡癣弛渡掏救排巢领汕谢迅都旗珍里煎霞第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统25中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.2坐标转换坐标转换（续（续2）二、参心坐标系与协议地球坐
31、标的转换二、参心坐标系与协议地球坐标的转换 地球椭球用来代表地球形状其越接近大地水准面越好，大地测量地球椭球用来代表地球形状其越接近大地水准面越好，大地测量学中称之为学中称之为“密合密合”。在实践上，通常先用重力技术推算出大地水。在实践上，通常先用重力技术推算出大地水准面，然后再用数学上的最佳拟合方法计算与大地水准面最密合的准面，然后再用数学上的最佳拟合方法计算与大地水准面最密合的旋转椭球体，确定它的形状和大小。拟合的原则是使全球大地水准旋转椭球体，确定它的形状和大小。拟合的原则是使全球大地水准面差距平方和最小，即面差距平方和最小，即NNg gminmin。这样确定的椭球称为总地球椭。这样确定
32、的椭球称为总地球椭球（球（Datum-centered EllipsoidDatum-centered Ellipsoid）或平均地球椭球，总椭球在理论）或平均地球椭球，总椭球在理论上是唯一的。上是唯一的。 脐效肛您虎盼充纸扭款县异猜谬惨挫褥蛇子傅萧织围潭为脊晋您铡梆囱隅第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统26中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.2坐标转换坐标转换（续（续3）由于总椭球的建立要求全球范围由于总椭球的建立要求全球范围NNg g最最小，于是有的地方（如海洋）与椭球小，于是有的地方（如海洋）与椭球面非常接近，差距面非常接近，差距N Ng g较小
33、；有的地方较小；有的地方（如青藏高原和喜马拉雅山脉）大地（如青藏高原和喜马拉雅山脉）大地水准面起伏较大，则差距水准面起伏较大，则差距N Ng g较大。后较大。后者给该地区测绘成果的归算以及地图者给该地区测绘成果的归算以及地图投影引来了误差和不便。为了解决这投影引来了误差和不便。为了解决这个问题，人们引入了参心椭球个问题，人们引入了参心椭球（Local EllipsoidLocal Ellipsoid）。参心椭球只）。参心椭球只要求在某一特定范围内的要求在某一特定范围内的NNg gminmin。 十九世纪以来，世界上许多国家和地区十九世纪以来，世界上许多国家和地区都使用各自的参心大地坐标系。都使
34、用各自的参心大地坐标系。 藻一臣见寻滨赦秉晒更葛罗监妄怕垂暗氦干堤侠帘在蕉芝葛祸纽旱着瓶廖第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统27中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.2.2坐标转换坐标转换（续（续4）19491949年以后，中国使用的参心大地坐标系主要有两年以后，中国使用的参心大地坐标系主要有两种：一种是种：一种是19541954年北京坐标系，采用克拉索夫斯年北京坐标系，采用克拉索夫斯基椭球（基椭球（Krasovski ellipsoid of 1938Krasovski ellipsoid of 1938），椭），椭球参数为长半轴球参数为长半轴a=6378
35、245ma=6378245m，扁率，扁率f=1/298.3f=1/298.3； 另一种是另一种是19801980年国家大地坐标系。采用国际大地测年国家大地坐标系。采用国际大地测量与地球物理联合会（量与地球物理联合会（IUGGIUGGInternational International Union of Geodesy and GeophysicsUnion of Geodesy and Geophysics）19751975年推年推荐的椭球参数，长半轴荐的椭球参数，长半轴a=6378140ma=6378140m，扁率，扁率f=1/298.257f=1/298.257。两者比较，两者比较，80
36、80坐标系的椭球参数、椭球定位、椭球坐标系的椭球参数、椭球定位、椭球面与大地水准面的密合程度以及地心坐标转换参面与大地水准面的密合程度以及地心坐标转换参数等均有较大改善。数等均有较大改善。目前，中国的生产建设多采用目前，中国的生产建设多采用19801980年国家大地坐标年国家大地坐标系，所以在系，所以在GPSGPS定位时，有必要将地面点的定位时，有必要将地面点的WGS84WGS84坐标转换成坐标转换成8080坐标系下的坐标。坐标系下的坐标。 遍忧立系磋敷阑外叫毕痘知顺锡伶运赠诞眺嚣糊陀剔升没播圾艰须透弘文第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统28中国地质大学远程教学中
37、国地质大学远程教学2.3GPS使用的时间系统使用的时间系统测测量量时时间间需需要要先先定定义义时时间间基基准准（Temporal Temporal DatumDatum），也也就就是是定定义义时时间间的的原原点点和和单单位位尺尺度度。时时间间的的原原点点也也叫叫起起始始历历元元（Initial Initial EpochEpoch）。起起始始历历元元可可根根据据需需要要而而有有所所选选择择，不不同同的的时时间间系系统统可可能能有有不不同同的的时时间间原原点点，但但真真正正的的差差异异体体现现在在度度量量时时间间的的工工具具“时时钟钟”上上。不不同同的的“时时钟钟”有有着着不不同同的的度度量量时
38、时间间的的方方式式，因因此此时时间间单单位位尺尺度度的的定定义也有所区别。义也有所区别。GPSGPS定位对时间度量的精度要求是非常严格甚至是苛刻的。这是因为：定位对时间度量的精度要求是非常严格甚至是苛刻的。这是因为： GPSGPS卫卫星星作作为为高高空空动动态态已已知知点点，其其位位置置是是瞬瞬息息变变化化的的，时时间间度度量量的的精精度度就就意意味味着着空空间间位位置置的的精精度度；GPSGPS定定位位是是通通过过测测定定电电磁磁波波信信号号传传播播时时间间来来确确定定站站星星距距离离的的，因因此此时时间间测测量量误误差差与与站站星星距距离离误误差差之之间间的的关关系系是是一一个个线线性性函
39、函数数；惯惯性性系系与与地地固固系系之之间间的的坐坐标标转转换换需需要要精精确确的的时时间间尺尺度度，地地球球在在不不断断地地作作自自转转运运动动，地地球球上上的的点点位位在在惯惯性性系中的坐标也在以相同速度变化。系中的坐标也在以相同速度变化。义滞地灼泰副粕浚脐茂笋洱饶进吩送噶她税氧驾匠摊改楞送稼塔讫议攻拱第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统29中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3GPS使用的时间系统使用的时间系统（续）（续） 任何可复制的周期性物质运动都可以作为度量时间的单位尺度。任何可复制的周期性物质运动都可以作为度量时间的单位尺度。 如如果果按按照照
40、不不同同物物质质的的周周期期性性运运动动给给目目前前常常用用的的高高精精度度时时间间系系统统分分类类的的话话，可以分为三类：可以分为三类：1 1以以地地球球的的周周周周期期期期性性性性自自自自转转转转运运运运动动动动为为基基准准的的时时间间系系统统。如如恒恒星星时时和和真真太太阳阳时时（平太阳时）等。（平太阳时）等。2 2以地球围绕太阳的以地球围绕太阳的周期性公转运动周期性公转运动周期性公转运动周期性公转运动为基准的时间系统。如历书时为基准的时间系统。如历书时3 3以以原原原原子子子子核核核核外外外外电电电电子子子子在在在在能能能能级级级级跃跃跃跃迁迁迁迁时时时时辐辐辐辐射射射射或或或或吸吸吸
41、吸收收收收的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波频频频频率率率率为为基基准准的的时时间间系统。如原子时。系统。如原子时。 犁殖纹狡肇绚柠和尔盼业顿枢棱姬使腊销发取净配芜泌棠然溺疾敲浓踪瞅第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统30中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.1恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时一、恒星时（一、恒星时（STSTSidereal TimeSidereal Time） 恒星时是以地球的周期性自转运动为基准的时间系统。天体的周日恒星时是以地球的周期性自转运动为基准的时间系统。天体的周日视运动是地球自转运动的反映。如
42、果以一个天体或者天球上某个特殊点视运动是地球自转运动的反映。如果以一个天体或者天球上某个特殊点作为参考点，观察参考点连续两次经过测站点时圈的时间段，即为地球作为参考点，观察参考点连续两次经过测站点时圈的时间段，即为地球的一个自转周期。选取春分点作为参考点，用它的周日视运动周期来描的一个自转周期。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，称作恒星时，简称恒时，常用述时间的时间计量系统，称作恒星时，简称恒时，常用s s表示。恒星时表示。恒星时在天文学中有着广泛应用。由于岁差和章动的影响，春分点有瞬时春分在天文学中有着广泛应用。由于岁差和章动的影响，春分点有瞬时春分点和平春
43、分点之分。如果以瞬时春分点作为参考点，称为真恒星时点和平春分点之分。如果以瞬时春分点作为参考点，称为真恒星时（true sidereal timetrue sidereal time），或视恒星时。而以平春分点作为参考点，则），或视恒星时。而以平春分点作为参考点，则称为平恒星时（称为平恒星时（mean sidereal timemean sidereal time）。）。春分点连续两次经过测站点上中天所经历的时间段，称作一个恒星春分点连续两次经过测站点上中天所经历的时间段，称作一个恒星日（日（sidereal daysidereal day），它是恒星时系统的基本单位。一个恒星日可等分），它是
44、恒星时系统的基本单位。一个恒星日可等分为为2424个恒时小时（个恒时小时（sidereal hoursidereal hour）；一个恒时小时可以等分为）；一个恒时小时可以等分为6060个恒个恒时分（时分（sidereal minutesidereal minute）；而一个恒时分又可以等分为）；而一个恒时分又可以等分为6060个恒时秒个恒时秒（sideresl secondsideresl second）。当春分点恰好经过测站子午圈的一瞬间，则有）。当春分点恰好经过测站子午圈的一瞬间，则有s s0 0h h 00 00m m 0000s s。恒星时的时、分、秒都是恒星时的计量单位。恒星时的时
45、、分、秒都是恒星时的计量单位。 肇陕毒划疽醋耸妖胳左履娃屹绢掠版粪媳爆疗刺政慑漠耪硬砂涝腰弥账隧第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统31中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.1恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时（续（续1）在瞬时天球坐标系（在瞬时天球坐标系（ICSICS）中，中，X X轴始终指向瞬时春分点轴始终指向瞬时春分点，而瞬时地球坐标系（，而瞬时地球坐标系（ITSITS）的）的X X轴则指向格林尼治平均天文台轴则指向格林尼治平均天文台定义的经度原点定义的经度原点E E。这样，如果。这样，如果以零度经线作为测站点子午圈
46、，以零度经线作为测站点子午圈，其恒星时正好等于两个坐标系其恒星时正好等于两个坐标系X X轴的夹角，这个时间（夹角）轴的夹角，这个时间（夹角）叫做瞬时春分点的格林尼治恒叫做瞬时春分点的格林尼治恒星时（星时（GASTGASTGreenwich Greenwich Apparent Sidereal TimeApparent Sidereal Time），），也叫格林尼治视恒星时。它是也叫格林尼治视恒星时。它是坐标转换的重要参数之一。坐标转换的重要参数之一。 哪俊兽吱矩玄羚杯扯货暑长悍溅闰赁汐酶窖敏褥笑角椽彰娩蛾垛涣腿减孪第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统32中国地质大
47、学远程教学中国地质大学远程教学2.3.1恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时（续（续2）二、真太阳时（二、真太阳时（true solar timetrue solar time）与平太阳时（）与平太阳时（mean solar timemean solar time） 恒恒星星时时是是以以春春分分点点为为参参考考点点的的时时间间系系统统。如如果果选选取取真真太太阳阳（视视太太阳阳）为为参参考考点点，以以真真太太阳阳的的周周日日视视运运动动为为基基准准建建立立的的时时间间计计量量系系统统，称称为为真真太太阳阳时时，或或者者叫叫视视太太阳阳时时（apparent ap
48、parent solar solar timetime），可可用用T TASTAST表表示示。与与恒恒星星时时类类似似，真真太太阳阳连连续续两两次次通通过过测测站站上上中中天天所所经经历历的的时时间间段段为为一一个个真真太太阳阳日日（true true solar solar dayday）。一一个个真真太太阳阳日日可可以以等等分分为为2424个个真真太太阳阳小小时时，每每个个真真太太阳阳小小时时可可以以等等分分为为6060个个真真太太阳阳分分，每每个个真真太太阳阳分分又又可可以以等等分分为为6060个个真真太太阳秒。阳秒。由由于于真真太太阳阳周周年年视视运运动动的的不不均均匀匀，真真太太阳阳
49、的的周周日日视视运运动动并并不不是是严严格格等等于于地地球球自自转转周周期期。每每个个真真太太阳阳日日长长短短不不一一，冬冬长长夏夏短短，最最长长和和最最短短的的真真太太阳阳日日相相差差约约5151秒秒。因因此此，真真太太阳阳的的视视运运动动并并不不适适合合用用来来建建立立一一个个时时间间系系统统。假假设设一一个个参参考考点点的的的的运运动动速速度度等等于于真真太太阳阳周周年年视视运运动动的的平平均均速速度度，且且该该点点在在赤赤道道上上作作周周年年视视运运动动，这这个个参参考考点点天天文文学学上上叫叫赤赤道道平平太太阳阳（mean mean equatorial equatorial sun
50、sun），简简称称平平太太阳阳。以以此此为为基基础础建建立立的的时时间间系系统统称称为为平平太太阳阳时，简称平时。时，简称平时。平太阳连续两次经过测站子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日（平太阳连续两次经过测站子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日（mean mean solar daysolar day），一个平太阳日包含），一个平太阳日包含2424个平太阳小时，每个平太阳小时有个平太阳小时，每个平太阳小时有6060个个平太阳分，一个平太阳分又等分为平太阳分，一个平太阳分又等分为6060个平太阳秒。个平太阳秒。 蛋咐洪献颓获祝笋捣锤挎宁株帧惜沏娇员逢驯泅昼媒斯审花洗辞识课虚厢第2部分GPS坐标系统
51、和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统33中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.1恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时恒星时、真太阳时、平太阳时与世界时（续（续3）三、世界时（三、世界时（UTUTUniversal Time Universal Time ）世界时是以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与世界时是以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。世界时与平太阳时的单位尺度相同，起算点不同，前者比后者晚平太阳时的单位尺度相同，起算点不同，前者比后者晚1212个小时。个小时。世界时作为一种以地球的周期性自转运动为基准的时间系统，其精世界时作为一种以地球的周期性自转运动为基准的
52、时间系统，其精度主要受地球自转运动速度不均匀和极移的影响。度主要受地球自转运动速度不均匀和极移的影响。 沿泥匆事砾饰舞妮炽觉舷宅感柠懒卷椿怎希惮给曙欺甚体开栗粤势纶扳支第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统34中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.2历书时历书时(ETEphemerisTime)19581958年年国国际际天天文文联联合合会会（IAUIAU）决决定定，自自19601960年年起起各各国国开开始始使使用用以地球公转周期为基准的历书时编算天文年历。以地球公转周期为基准的历书时编算天文年历。历书时是纽康太阳历表中均匀变化的时间自变量。历书时是纽康太
53、阳历表中均匀变化的时间自变量。历书时的观测精度随着观测设备和技术的提高而逐渐增强，从历书时的观测精度随着观测设备和技术的提高而逐渐增强，从早期的早期的ETET。、。、ETET1 1发展到后来的发展到后来的ETET2 2，其精度可达到，其精度可达到10 10 -9-9 10 10 -11-11量量级。精度高于恒星时、世界时等时间系统，但不能实时给出精确的级。精度高于恒星时、世界时等时间系统，但不能实时给出精确的历书时。历书时。19761976年国际天文联合会决定，自年国际天文联合会决定，自19841984年起采用年起采用地球质心力学时地球质心力学时地球质心力学时地球质心力学时和太阳系质心力学时取
54、代历书时。和太阳系质心力学时取代历书时。起肯屹咬品损些瀑役灌蘸来菊蛊埔囱字恒巩爆依虐甫恼旭团禄唇涟醇咎氓第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统35中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.3原子时、协调世界时与原子时、协调世界时与GPS时间时间 一、原子时（一、原子时（ATATAtomic TimeAtomic Time） 1 1二十世纪二十世纪4040年代末，美国国家标准局制成氨分子钟，其精度达年代末，美国国家标准局制成氨分子钟，其精度达1010-8-8左右。左右。2 219551955年，英国皇家实验室试制成功第一台铯原子谐振器，其精度为年，英国皇家实验室试
55、制成功第一台铯原子谐振器，其精度为1010-9-9。3.3.由由铯铯原原子子辐辐射射频频率率导导出出的的时时间间单单位位尺尺度度，其其精精度度远远高高于于历历书书时时秒秒长长，且且能能连续实时提供精确的时间单位。连续实时提供精确的时间单位。4 4原原子子时时秒秒长长：位位于于海海平平面面上上的的铯铯原原子子基基态态两两个个超超精精细细能能级级，在在零零磁磁场场中中跃跃迁辐射振荡迁辐射振荡91626317709162631770周所持续的时间，为一原子秒（周所持续的时间，为一原子秒（atomic secondatomic second）。）。5 5国国际际原原子子时时（IATIATInterna
56、tional International Atomic Atomic TimeTime）：为为了了统统一一世世界界各各国国的的原原子子时时，国国际际上上将将100100多多台台原原子子钟钟，通通过过相相互互比比对对，经经由由数数据据处处理理推推算算出出统统一一的原子时系统。的原子时系统。IATIAT的稳定度大约为的稳定度大约为1010-13-13左右。左右。当业羊惧片雄头熬贬沏襄层铭酣拌纹盐保方旺摹欣孪拼鹅惯与浩窗腕腔添第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统36中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.3原子时、协调世界时与原子时、协调世界时与GPS时间时间（续
57、（续1）二、协调世界时二、协调世界时UTCUTCUniversal Coordinated TimeUniversal Coordinated Time） 从从19721972年年起起国国际际上上开开始始采采用用一一种种以以原原子子时时秒秒长长为为基基准准，时时刻刻接接近近世世界界时时的的折折衷衷的的时时间间系系统统，该该时时间间系系统统称称为为协协调调世世界界时时（UTCUTC），简简称称协调时。协调时。 具具体体方方法法是是从从19721972年年1 1月月1 1日日0 0时时起起，协协调调世世界界时时的的秒秒长长严严格格等等于于原原子子时时秒秒长长。当当协协调调时时与与世世界界时时相相差
58、差超超过过0.9s0.9s时时，便便在在协协调调时时中中加加入入一一个个闰闰秒秒（leap leap secondsecond）。闰闰秒秒（或或称称跳跳秒秒）可可正正可可负负，一一般般在在1212月月3131日日或或6 6月月3030日日末末加加入入，具具体体时时间间由由国国际际地地球球自自转转服服务务组组织织（IERSIERS）发发布布。如如果果是是正正跳跳秒秒（positive positive leap leap secondsecond），则则在在该该日日2323h h5959m m6060s s之之后后加加入入1s1s，负负跳跳秒秒也也依依此此类类推推。经经过过跳跳秒秒的的调调整整，
59、便便可可以以始始终终保保持持UTUT1 1UTCUTC0.90.9s s。虽虽然然UTCUTC与与IATIAT之之差差不不断断加加大大，但但总是相差秒的整数倍。总是相差秒的整数倍。厩细伏存众戈藻过咖缘莫膜篙预岂径弧爪叹俺搜袒俏闷真糜鞠桓枣痹波丢第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统37中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.3原子时、协调世界时与原子时、协调世界时与GPS时间时间（续（续2）三、三、GPSGPS时间系统（时间系统（GPS TimeGPS Time） GPSGPS时时是是以以原原子子时时为为基基础础的的专专用用时时间间系系统统，系系统统由由GPS
60、GPS主主控控站站的的原原子子钟钟控控制制。与与国国际际原原子子时时（IATIAT）秒秒长长相相同同，但但时时间间原原点点不不同同。其其关系为关系为 IAT IATGPSTGPST19s19s GPSTGPST与协调时，规定与协调时，规定19801980年年1 1月月6 6日日0 0时相一致。其后随着时间时相一致。其后随着时间推移和跳秒的累积，这两个时间系统之差将逐步扩大，不过它们之推移和跳秒的累积，这两个时间系统之差将逐步扩大，不过它们之差总是保持秒的整数倍。在差总是保持秒的整数倍。在GPSGPS卫星导航电文中，载有卫星导航电文中，载有GPSTGPST与与UTCUTC的的关系及其常数差。关系
61、及其常数差。 狐闽伪户层拧蓝骆缎搭绢异体饵惶蒂劫摆子社律眠纸厌患空卓褪瘁涪敖呜第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统38中国地质大学远程教学中国地质大学远程教学2.3.4其它计时系统其它计时系统l恒星年（恒星年（siderealyear）恒星年取黄道上某个固定点作为参考点。视太阳连续两次经过该点所经历的恒星年取黄道上某个固定点作为参考点。视太阳连续两次经过该点所经历的时间段，称为一恒星年。恒星年是地球公转运动的真实周期，所以，其长度时间段，称为一恒星年。恒星年是地球公转运动的真实周期，所以，其长度不是一个常数。比如，它在不是一个常数。比如，它在1900年年1月月1日日
62、0时的长度为：时的长度为：1恒星年恒星年365day6h09m09.7399s平太阳时。平太阳时。l回归年（回归年（tropicalyear）回归年是取春分点为参考点，视太阳连续两次经过春分点所经历的时间段，回归年是取春分点为参考点，视太阳连续两次经过春分点所经历的时间段，称为一回归年。由于岁差章动的影响，春分点每年在黄道上西移（与视太阳称为一回归年。由于岁差章动的影响，春分点每年在黄道上西移（与视太阳运动方向相反）约运动方向相反）约50.2，因此回归年不是地球公转运动的真实周期，它比，因此回归年不是地球公转运动的真实周期，它比真实周期（即恒星年）短。比如，它在真实周期（即恒星年）短。比如，它
63、在1900年年1月月1日日0时的长度为：时的长度为：1回归年回归年365日日5h48m45.9744s平太阳时。平太阳时。l白塞尔年（白塞尔年（Besselianyear）白塞尔年是德国天文学家白塞尔（白塞尔年是德国天文学家白塞尔（Bessel）提出的一种假年（）提出的一种假年（fictitiousyear），它将经光行差（），它将经光行差（aberrationoflight）改正后的平太阳，经过赤经）改正后的平太阳，经过赤经2800000的这一瞬间，作为一年的开始，即白塞尔年岁首。并规定平太阳的这一瞬间，作为一年的开始，即白塞尔年岁首。并规定平太阳赤经增加赤经增加360所经历的时间段为一白塞尔年，其长度等于一回归年。所经历的时间段为一白塞尔年，其长度等于一回归年。区熟葛拓衣绝匠亚油塔持取易镁聚桶属常丧率脐僳组厨央翟砷摹嫁折救阜第2部分GPS坐标系统和时间系统第2部分GPS坐标系统和时间系统39
