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1、3S技术基础第2章 坐标与时间系统1主要内容主要内容2.1 地球及其地球网格地球及其地球网格2.2 天球及其模型天球及其模型2.3 地球坐标系统地球坐标系统2.4 天球坐标系统天球坐标系统2.5 常用坐标系统简介常用坐标系统简介2.6 时间系统时间系统2.7 小结小结2024/8/1222.1 地球及其地球网格地球及其地球网格l l地图要素：代表地球表面的空间要素。地图要素：代表地球表面的空间要素。l l坐标系：地图要素的位置是基于坐标系的。坐标系：地图要素的位置是基于坐标系的。l l地理网格：空间要素的位置是基于用地理网格：空间要素的位置是基于用经度经度和和纬纬度度表示的地理网格的。表示的地
2、理网格的。l l什么是经线（什么是经线（什么是经线（什么是经线（LatitudeLatitude） ？l l什么是纬线（什么是纬线（什么是纬线（什么是纬线（LongitudeLongitude） ？l l地面上点位的确定地面上点位的确定地面上点位的确定地面上点位的确定: :通常用经度和纬度来决定。通常用经度和纬度来决定。通常用经度和纬度来决定。通常用经度和纬度来决定。2024/8/1232.1 地球及其地球网格地球及其地球网格2024/8/1242.1 地球及其地球网格地球及其地球网格l l描述和表现地理空间描述和表现地理空间l l建立地球表面的几何模型建立地球表面的几何模型建立地球表面的几何
3、模型建立地球表面的几何模型l l 如何建立地球表面的几何模型？如何建立地球表面的几何模型？l l用一种球体来表示：用一种球体来表示：用一种球体来表示：用一种球体来表示：地球椭球体地球椭球体地球椭球体地球椭球体 l l由一个椭圆绕其短轴旋转而成的由一个椭圆绕其短轴旋转而成的由一个椭圆绕其短轴旋转而成的由一个椭圆绕其短轴旋转而成的 l l地球椭球体的表示：地球椭球体的表示：l l长半径长半径长半径长半径a a和短半径和短半径和短半径和短半径b bl l或一个半径和扁率或一个半径和扁率或一个半径和扁率或一个半径和扁率 l l = ( = (a a b b)/ )/b b 2024/8/1252.1
4、地球及其地球网格地球及其地球网格l l如何选择地球椭球体的长半径如何选择地球椭球体的长半径如何选择地球椭球体的长半径如何选择地球椭球体的长半径a a和短半径和短半径和短半径和短半径b b？l l为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。 l l用地球的自然表面？用地球的自然表面？用地球的自然表面？
5、用地球的自然表面？l l用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是大地水准面大地水准面大地水准面大地水准面。2024/8/1262.1 地球及其地球网格地球及其地球网格2024/8/1272.1 地球及其地球网格地球及其地球网格2024/8/
6、1282.1 地球及其地球网格地球及其地球网格l l但是：大地水准面仍然有起伏。但是：大地水准面仍然有起伏。l l因此：与局部地区（一个或几个国家）的大地因此：与局部地区（一个或几个国家）的大地水准面符合得最好的旋转椭球，称为水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球参考椭球体（体（基准椭球基准椭球 ）。）。l l 例如：例如：l l克拉索夫斯基，克拉索夫斯基，克拉索夫斯基，克拉索夫斯基，19401940，298.3298.3，北京，北京，北京，北京5454坐标系坐标系坐标系坐标系l lIAG-75IAG-75，19751975，298.257298.257，国家，国家，国家，国家8080坐标系
7、坐标系坐标系坐标系l lWGS-84WGS-84，19841984，298.257223563298.257223563美国美国美国美国2024/8/1292.2 天球及其模型天球及其模型什么是天球？什么是天球？l l以空间某一点（例如观以空间某一点（例如观以空间某一点（例如观以空间某一点（例如观察者）为中心、半径为察者）为中心、半径为察者）为中心、半径为察者）为中心、半径为无穷大的一个圆球。无穷大的一个圆球。无穷大的一个圆球。无穷大的一个圆球。l l半径是任意长，观测者半径是任意长，观测者半径是任意长，观测者半径是任意长，观测者任何移动，球面形状不任何移动，球面形状不任何移动，球面形状不任何
8、移动，球面形状不变。变。变。变。 2024/8/12102.2 天球及其模型天球及其模型地平线与天顶地平线与天顶地平线与天顶地平线与天顶2024/8/12112.2 天球及其模型天球及其模型观察者与地平线观察者与地平线观察者与地平线观察者与地平线2024/8/12122.2 天球及其模型天球及其模型观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系2024/8/12132.2 天球及其模型天球及其模型l l天轴天轴天轴天轴：地轴的延长线，叫做天轴。：地轴的延长线，叫做天
9、轴。：地轴的延长线，叫做天轴。：地轴的延长线，叫做天轴。l l天极天极天极天极：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是北天极北天极北天极北天极（P P），在南极上空的是），在南极上空的是），在南极上空的是），在南极上空的是南天极南天极南天极南天极（PP）。）。）。）。l l天球赤道天球赤道天球赤道天球赤道：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球相交的大圆圈，
10、叫做天球赤道。北天极和南天极就是相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天球）天球）或者平行
11、（以观测者为中心的天球或日心天球）天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天球）天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天球）。l l天球子午圈（面）天球子午圈（面）天球子午圈（面）天球子午圈（面）：通过天极的大圆，叫做（天）子：通过天极的大圆，叫做（天）子：通过天极的大圆，叫做（天）子：通过天极的大圆，叫做（天）子午圈，相应的平面就是天球子午面。午圈，相应的平面就是天球子午面。午圈，相应的平面就是天球子午面。午圈，相应的平面就是天球子午面。 2024/8/12142.2 天球及其模型天球及其模型2024/8/12152.2 天球及其模型天球及其模型l l黄道：黄道：地球公转的轨道面与天球
12、相交的大圆，地球公转的轨道面与天球相交的大圆，称为黄道。即当地球绕太阳公转时，地球上的称为黄道。即当地球绕太阳公转时，地球上的观察者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。观察者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。l l黄赤交角：黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角，称为黄赤黄道面与赤道面的夹角，称为黄赤交角，约为交角，约为23.5度。度。l l春分点：春分点：定义当太阳在黄道上从南半天球向北定义当太阳在黄道上从南半天球向北半天球运动时，黄道与天球赤道的交点，称为半天球运动时，黄道与天球赤道的交点，称为春分点。春分点。l l春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准
13、面。点和基准面。 2024/8/12162.2 天球及其模型天球及其模型2024/8/12172.2 天球及其模型天球及其模型l l日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动：岁差、章动。旋转轴在空间的指向发生移动：岁差、章动。l l岁差？岁差？l l春分点春分点春分点春分点在恒星间的位置不是固定不变的。在恒星间的位置不是固定不变的。在恒星间的位置不是固定不变的。在恒星间的位置不是固定不变的。l l使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约使得春分点沿着
14、黄道缓慢地向西移动，每年约50.37s 50.37s 。l l使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间的同一位置的时刻要早一些的同一位置的时刻要早一些的同一位置的时刻要早一些的同一位置的时刻要早一些 。l l回归年的长度比恒星年的长度短。回归年的长度比恒星年的长度短。回归年的长度比恒星年的长度短。回归年的长度比恒星年的长度短。l l这一现象称为岁差这一现象称为岁差这一现象称为岁差这一现象称为岁差 。2024/8/12182.2 天球及其模型天球及其模型地球轴的
15、进动（岁差）地球轴的进动（岁差）2024/8/12192.2 天球及其模型天球及其模型l l章动？章动？l l地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆动为章动。动为章动。动为章动。动为章动。l l极移？极移？l l地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为地
16、球自转轴会在地球内部绕行，其周期为地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为305305天。天。天。天。l l地极的这种运动，称为极移。地极的这种运动，称为极移。地极的这种运动，称为极移。地极的这种运动，称为极移。 2024/8/12202.2 天球及其模型天球及其模型2024/8/12212.2 天球及其模型天球及其模型l l极移与岁差、章动对坐标系的影响？极移与岁差、章动对坐标系的影响？l l它们是完全不同的地球物理现象。它们是完全不同的地球物理现象。它们是完全不同的地球物理现象。它们是完全不同的地球物理现象。l l岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空
17、间中的变岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变化，但是地球内部的相对位置并没有变化。化，但是地球内部的相对位置并没有变化。化，但是地球内部的相对位置并没有变化。化，但是地球内部的相对位置并没有变化。l l岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地球表面经度和纬度的改变。球表面经度和纬度的改变。球表面经度和纬度的改变。球表面经度和纬度的改变。l l极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引极移表现为地球内部的相对
18、位置在改变，这样就引极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引起地球表面上各地经度和纬度的变化。起地球表面上各地经度和纬度的变化。起地球表面上各地经度和纬度的变化。起地球表面上各地经度和纬度的变化。 2024/8/12222.3 地球坐标系统地球坐标系统l l地球坐标系是围绕地球椭球建立起来的。地球坐标系是围绕地球椭球建立起来的。l l又称为全球坐标系统（又称为全球坐标系统（Global Coordinate System）或大地坐标系。）或大地坐标系。l l以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置的参考系。
19、的参考系。 l l如何确定坐标系？如何确定坐标系？l l选择了相应的椭球选择了相应的椭球选择了相应的椭球选择了相应的椭球l l确定坐标原点及其坐标轴的方向确定坐标原点及其坐标轴的方向确定坐标原点及其坐标轴的方向确定坐标原点及其坐标轴的方向l l确定它与大地水准面的相关关系确定它与大地水准面的相关关系确定它与大地水准面的相关关系确定它与大地水准面的相关关系2024/8/12232.3 地球坐标系统地球坐标系统空间直角坐标系空间直角坐标系 l l原点位于地球椭球的中心原点位于地球椭球的中心l lEarth Centered, Earth Fixed Cartesian coordinates l
20、lZ轴指向地球的自转轴北极轴指向地球的自转轴北极l lX轴指向格林威治子午线与地球赤道的交点轴指向格林威治子午线与地球赤道的交点l lY轴位于赤道面上轴位于赤道面上l l按右手系与按右手系与X轴呈轴呈90度夹角度夹角2024/8/12242.3 地球坐标系统地球坐标系统赤道和本初子午线赤道和本初子午线 2024/8/12252.3 地球坐标系统地球坐标系统大地坐标系和空间直角坐标系大地坐标系和空间直角坐标系 2024/8/12262.3 地球坐标系统地球坐标系统球面坐标系球面坐标系 l l以参考椭球中心为原点。以参考椭球中心为原点。l l用大地经纬度和大地高程来描述空间点位置。用大地经纬度和大
21、地高程来描述空间点位置。l l用（用（B, L, H）来表示。纬度）来表示。纬度B和经度和经度L表示，表示，其中高度其中高度H为空间点到椭球面的垂直距离。为空间点到椭球面的垂直距离。l l问题：问题：l l由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测得的大地坐标之间存在一定的差异。得的大地坐
22、标之间存在一定的差异。得的大地坐标之间存在一定的差异。得的大地坐标之间存在一定的差异。 2024/8/12272.3 地球坐标系统地球坐标系统地图投影地图投影l l地球椭球面是不可展曲面地球椭球面是不可展曲面l l我们习惯操作的纸质地图和数字地图是建立在我们习惯操作的纸质地图和数字地图是建立在二维平面坐标基础上的二维平面坐标基础上的 l l需要把球形的地球表面的点映射到一个平面上需要把球形的地球表面的点映射到一个平面上l l这种从球形表面到平面的转换就称为这种从球形表面到平面的转换就称为地图投影地图投影 l l实质就是建立地球椭球面上点的坐标（实质就是建立地球椭球面上点的坐标（m, n）与平面
23、上对应的坐标（与平面上对应的坐标（x, y）之间的函数关系）之间的函数关系 2024/8/12282.3 地球坐标系统地球坐标系统2024/8/12292.3 地球坐标系统地球坐标系统地图投影的种类地图投影的种类l l不同的投影方式具有不同的形态和变形特征不同的投影方式具有不同的形态和变形特征l l常见的投影是把参考椭球向一个几何投影面投常见的投影是把参考椭球向一个几何投影面投影影l l圆柱投影：圆柱为投影面的投影称为圆柱投影圆柱投影：圆柱为投影面的投影称为圆柱投影l l圆锥投影：以圆锥面为投影面的投影称为圆锥圆锥投影：以圆锥面为投影面的投影称为圆锥投影投影l l方位投影：以平面为投影面的投影
24、称为方位投方位投影：以平面为投影面的投影称为方位投影影2024/8/12302.3 地球坐标系统地球坐标系统2024/8/12312.3 地球坐标系统地球坐标系统高斯投影高斯投影l l高斯克吕格投影的简称，又称为横轴墨卡托高斯克吕格投影的简称，又称为横轴墨卡托投影。投影。l l一种横轴等角圆柱投影，以椭圆柱作为投影面，一种横轴等角圆柱投影，以椭圆柱作为投影面，并与椭球体相切于一条经线上，该经线即为投并与椭球体相切于一条经线上，该经线即为投影带的中央经线。影带的中央经线。l l按等角方式将中央经线东西一定范围内的区域按等角方式将中央经线东西一定范围内的区域投影到椭圆柱表面上，再展成平面，便构成了
25、投影到椭圆柱表面上，再展成平面，便构成了横轴等角切椭圆柱投影。横轴等角切椭圆柱投影。 2024/8/12322.3 地球坐标系统地球坐标系统中央经线XY500km例如：例如：例如：例如：6 6度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网。投影带中央经线投度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网。投影带中央经线投度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网。投影带中央经线投度分带，每一个分带构成一个独立的平面直角坐标网。投影带中央经线投影后的直线为影后的直线为影后的直线为影后的直线为y y轴，赤道投影后为轴，赤道投影后为轴，赤道投影后为轴，赤道投影后为x x轴。为了使得经度坐标值不出现
26、负值，规定每带轴。为了使得经度坐标值不出现负值，规定每带轴。为了使得经度坐标值不出现负值，规定每带轴。为了使得经度坐标值不出现负值，规定每带的中央经线西移的中央经线西移的中央经线西移的中央经线西移500km500km。2024/8/12332.3 地球坐标系统地球坐标系统l l我国几乎所有的我国几乎所有的我国几乎所有的我国几乎所有的测绘成果都采用测绘成果都采用测绘成果都采用测绘成果都采用高斯投影高斯投影高斯投影高斯投影l l具体又有具体又有具体又有具体又有3 3度带度带度带度带和和和和6 6度带高斯投度带高斯投度带高斯投度带高斯投影影影影 2024/8/12342.3 地球坐标系统地球坐标系统
27、我国小比例尺图（圆锥投影）2024/8/12352.4 天球坐标系统天球坐标系统l l天球坐标系天球坐标系l l又称为恒星坐标系，用来确定天体在天球上的位置。又称为恒星坐标系，用来确定天体在天球上的位置。又称为恒星坐标系，用来确定天体在天球上的位置。又称为恒星坐标系，用来确定天体在天球上的位置。l l天球的几何形状是正球。天球的几何形状是正球。l l既可以用直角坐标系，也适合用球面坐标系表既可以用直角坐标系，也适合用球面坐标系表示天体的位置。示天体的位置。2024/8/12362.4 天球坐标系统天球坐标系统2024/8/12372.4 天球坐标系统天球坐标系统天球空间直角坐标系天球空间直角坐
28、标系l l地球质心地球质心O为坐标原点。为坐标原点。l lZ轴指向天球北极。轴指向天球北极。l lX轴指向春分点。轴指向春分点。l lY轴垂直于轴垂直于XOZ平面，与平面，与X轴和轴和Z轴构成右手坐轴构成右手坐标系标系l l空间点的位置由坐标（空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。）来描述。2024/8/12382.4 天球坐标系统天球坐标系统天球球面坐标系天球球面坐标系 l l地球质心地球质心O为坐标原点。为坐标原点。l l春分点轴与天轴所在平面为天球经度（春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经赤经 ）测量基准）测量基准(基准子午面基准子午面)，赤道为天球纬度，赤道为天球纬度（赤纬赤纬 ）
29、测量基准而建立球面坐标。）测量基准而建立球面坐标。l l向径向径r 表示天体到地球质心的距离。表示天体到地球质心的距离。l l空间点空间点S的位置为（的位置为（r，）。）。2024/8/12392.4 天球坐标系统天球坐标系统天球球面坐标系的作用？天球球面坐标系的作用？l l常用的星表、星图上恒星的坐标位置均用天球常用的星表、星图上恒星的坐标位置均用天球球面坐标系来表示。球面坐标系来表示。l l该坐标系对恒星来说是固定的，因此用赤经和该坐标系对恒星来说是固定的，因此用赤经和纬经来表示天体在天球上的位置较为合适。纬经来表示天体在天球上的位置较为合适。问题：问题：l l地球自转轴的岁差、章动和极动
30、等现象。地球自转轴的岁差、章动和极动等现象。2024/8/12402.4 天球坐标系统天球坐标系统解决方案：解决方案：解决方案：解决方案：l l北极和春分点：北极和春分点：北极和春分点：北极和春分点：“ “平平平平” ”和和和和“ “瞬时瞬时瞬时瞬时” ”两种位置表示。两种位置表示。两种位置表示。两种位置表示。l l平天球球面坐标系：平天球球面坐标系：平天球球面坐标系：平天球球面坐标系： Z Z轴指向平北天极，轴指向平北天极，轴指向平北天极，轴指向平北天极，X X轴指向平轴指向平轴指向平轴指向平春分点。春分点。春分点。春分点。l l瞬时天球球面坐标系：瞬时天球球面坐标系：瞬时天球球面坐标系：瞬
31、时天球球面坐标系： Z Z轴指向瞬时北天极，轴指向瞬时北天极，轴指向瞬时北天极，轴指向瞬时北天极，X X轴指轴指轴指轴指向瞬时春分点（真春分点）。向瞬时春分点（真春分点）。向瞬时春分点（真春分点）。向瞬时春分点（真春分点）。l l在精度要求不高的时候，一般多使用平坐标系系列。在精度要求不高的时候，一般多使用平坐标系系列。在精度要求不高的时候，一般多使用平坐标系系列。在精度要求不高的时候，一般多使用平坐标系系列。l l协议协议协议协议天球坐标系：天球坐标系：天球坐标系：天球坐标系： l l19841984年年年年1 1月月月月1 1日后，取日后，取日后，取日后，取20002000年年年年1 1月
32、月月月1515日的平北天极为日的平北天极为日的平北天极为日的平北天极为协议协议协议协议北天北天北天北天极。极。极。极。l lZ Z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，X X轴轴轴轴指向协议春分点。指向协议春分点。指向协议春分点。指向协议春分点。2024/8/12412.5 常用坐标系统简介常用坐标系统简介 WGS-84WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系世界大地坐标系世界大地坐标系l l由美国国家影像制图局（由美国国家影像制图局（由美国
33、国家影像制图局（由美国国家影像制图局（NIMANIMA）和其前身美国国防）和其前身美国国防）和其前身美国国防）和其前身美国国防部测绘局（部测绘局（部测绘局（部测绘局（DMADMA）制定的。）制定的。）制定的。）制定的。 l lGPSGPS采用。采用。采用。采用。l l一个一个一个一个地固地固地固地固空间直角坐标系。空间直角坐标系。空间直角坐标系。空间直角坐标系。 l l原点在地球质心。（又称地心坐标系）原点在地球质心。（又称地心坐标系）原点在地球质心。（又称地心坐标系）原点在地球质心。（又称地心坐标系）l lZ Z轴指向国际时间局轴指向国际时间局轴指向国际时间局轴指向国际时间局BIH1984.
34、0BIH1984.0定义的协议地球极定义的协议地球极定义的协议地球极定义的协议地球极（CTPCTP）方向。）方向。）方向。）方向。l lX X轴指向轴指向轴指向轴指向BIH1984.0BIH1984.0的零度子午面和的零度子午面和的零度子午面和的零度子午面和CTPCTP赤道的交点。赤道的交点。赤道的交点。赤道的交点。l lY Y轴和轴和轴和轴和Z Z、X X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。 2024/8/12422.5 常用坐标系统简介常用坐标系统简介 1954年北京坐标系年北京坐标系 l l采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球（苏）。采用的参考椭球是克拉索
35、夫斯基椭球（苏）。l l大地坐标系。大地坐标系。l l问题：问题：l l椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。l l几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。l l定向不明确。定向不明确。定向不明确。定向不明确。l l新的新的1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系。2024/8/12432.6 时间系统时间系统时间的概念时间的概念 l l现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度现代测量科技与空间科技紧密结合，测
36、量精度极高。极高。l l卫星定轨、飞机和车辆导航等问题，不仅要求卫星定轨、飞机和车辆导航等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。给出空间位置，而且应给出相应的时间。l l现代大地测量基准应是包括时间在内的四维基现代大地测量基准应是包括时间在内的四维基准。准。l lGPS测量中，时间的意义测量中，时间的意义l l确定确定确定确定GPSGPS卫星的在轨位置；卫星的在轨位置；卫星的在轨位置；卫星的在轨位置；l l确定测站位置；确定测站位置；确定测站位置；确定测站位置；l l确定地球坐标系与天球坐标系的关系。确定地球坐标系与天球坐标系的关系。确定地球坐标系与天球坐标系的关系。确定地球坐标系
37、与天球坐标系的关系。2024/8/12442.6 时间系统时间系统时间的概念时间的概念 l l时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间包括时刻（绝对时间）与时间间隔（相对时间）两个概念。时间）两个概念。l l测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与测量时间同样需要建立测量基准，包括尺度与原点。原点。l l可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。且其周期应有复现性和足够的稳定性。2024/8/12452.6 时间系统时间系统世界时世界时UT（Universal Time）系统）系统 l l度量时间一般用周期性运动来作为
38、测量的基准。度量时间一般用周期性运动来作为测量的基准。l l这种周期性运动必须是均匀的和连续的。这种周期性运动必须是均匀的和连续的。l l把地球自转作为时间基准，称为把地球自转作为时间基准，称为世界时世界时。l l世界时系统又可以分为世界时系统又可以分为恒星时恒星时和和平太阳时平太阳时l l由于观察地球自转运动时，所采用的空间参考点不由于观察地球自转运动时，所采用的空间参考点不由于观察地球自转运动时，所采用的空间参考点不由于观察地球自转运动时，所采用的空间参考点不同。同。同。同。2024/8/12462.6 时间系统时间系统世界时系统世界时系统 l l恒星时：恒星时：l l恒星时的参考点是春分
39、点。恒星时的参考点是春分点。恒星时的参考点是春分点。恒星时的参考点是春分点。 l l春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。星日。星日。星日。 l l由于恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点由于恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点由于恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点由于恒星时是以春分点相对于本地子午圈时为原点计算的，同一瞬时对不同的测量站的恒星时各异，计算的，同一瞬时对不同的测量站的恒星时各异，计算的，同一瞬时对不同的测量站的恒星时各异，
40、计算的，同一瞬时对不同的测量站的恒星时各异，所以恒星时具有地方性，属于地方时。所以恒星时具有地方性，属于地方时。所以恒星时具有地方性，属于地方时。所以恒星时具有地方性，属于地方时。2024/8/12472.6 时间系统时间系统世界时系统世界时系统 l l平太阳时平太阳时 l l利用太阳的视运动来确定时间基准，就是太阳时。利用太阳的视运动来确定时间基准，就是太阳时。利用太阳的视运动来确定时间基准，就是太阳时。利用太阳的视运动来确定时间基准，就是太阳时。l l地球相对于太阳自转一周的时间称为真太阳日。地球相对于太阳自转一周的时间称为真太阳日。地球相对于太阳自转一周的时间称为真太阳日。地球相对于太阳
41、自转一周的时间称为真太阳日。l l一年中最长和最短的太阳日相差一年中最长和最短的太阳日相差一年中最长和最短的太阳日相差一年中最长和最短的太阳日相差51s51s，按照真太阳，按照真太阳，按照真太阳，按照真太阳日来计算时就很不准确。日来计算时就很不准确。日来计算时就很不准确。日来计算时就很不准确。l l假想一个太阳，其视运动速度是均匀的，为真太阳假想一个太阳，其视运动速度是均匀的，为真太阳假想一个太阳，其视运动速度是均匀的，为真太阳假想一个太阳，其视运动速度是均匀的，为真太阳视运动的全年平均值，假想的太阳称为视运动的全年平均值，假想的太阳称为视运动的全年平均值，假想的太阳称为视运动的全年平均值，假
42、想的太阳称为平太阳平太阳平太阳平太阳。l l地球相对于平太阳自转一周的时间称为平太阳日。地球相对于平太阳自转一周的时间称为平太阳日。地球相对于平太阳自转一周的时间称为平太阳日。地球相对于平太阳自转一周的时间称为平太阳日。 2024/8/12482.6 时间系统时间系统天体的视运动（apparent motion） 此图为北极拍摄2024/8/12492.6 时间系统时间系统行星的视运动动画2024/8/12502.6 时间系统时间系统世界时系统世界时系统 l l世界时世界时 l l以本初子午线的平子夜起算的平太阳时。以本初子午线的平子夜起算的平太阳时。以本初子午线的平子夜起算的平太阳时。以本初
43、子午线的平子夜起算的平太阳时。l l又称格林尼治平时。又称格林尼治平时。又称格林尼治平时。又称格林尼治平时。l l各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。各地的地方平时与世界时之差等于该地的地理经度。l l由于地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的由于地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的由于地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的由于地球自转速度变化的影响，它不是一种均匀的时间系统。时间系统。时间系统。时间系统。2024/8/12512.6 时间系统时间系统英国伦敦格林威治（一译格林尼治）天
44、文台（旧址）埃里中星仪所在的子午线作为时间和经度计量的标准参考子午线，称为本初子午线，又称零子午线。图中是摆放中星仪的屋子，经线穿过屋子中央。 2024/8/12522.6 时间系统时间系统历书时系统历书时系统 l l根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，属根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，属于动力学时（于动力学时（Dynamical Time）。）。l l历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的时间系统，描述天体运动的动力学方程中作为时间系统，描述天体运动的动力学方程中作为时间自变量所体现的时间，或天体历表中应用时间自变量所体现的时间，或天体历表中
45、应用的时间。的时间。l l它是由天体力学的定律确定的均匀时间。它是由天体力学的定律确定的均匀时间。l l其规定其规定1900年年1月月1日日12h的回归年长度的的回归年长度的1/31556925.9747为为1历书秒。在该瞬间，历历书秒。在该瞬间，历书时与世界时在数值上相同。书时与世界时在数值上相同。2024/8/12532.6 时间系统时间系统历书时系统历书时系统 l l1958年国际天文学联合会决议决定：自年国际天文学联合会决议决定：自1960年开始用历书时代替世界时作为基本的时间计年开始用历书时代替世界时作为基本的时间计量系统。量系统。l l规定天文年历中太阳系天体的位置都按历书时规定天
46、文年历中太阳系天体的位置都按历书时推算。历书时与世界时之差可由观测太阳系天推算。历书时与世界时之差可由观测太阳系天体（主要是月球）定出。体（主要是月球）定出。l l历书时的测定精度较低，历书时的测定精度较低，1967年起已被原子时年起已被原子时代替作为基本时间计量系统。代替作为基本时间计量系统。2024/8/12542.6 时间系统时间系统原子时系统原子时系统原子时系统原子时系统 l l由于地球自转的季节性变化及其其他不规则的变化，由于地球自转的季节性变化及其其他不规则的变化，由于地球自转的季节性变化及其其他不规则的变化，由于地球自转的季节性变化及其其他不规则的变化，世界时并不是一个很严格均匀
47、的时间系统。世界时并不是一个很严格均匀的时间系统。世界时并不是一个很严格均匀的时间系统。世界时并不是一个很严格均匀的时间系统。l l物资内部原子运动的规律性非常稳定，从而研究出原物资内部原子运动的规律性非常稳定，从而研究出原物资内部原子运动的规律性非常稳定，从而研究出原物资内部原子运动的规律性非常稳定，从而研究出原子时系统子时系统子时系统子时系统IATIAT（International Atomic TimeInternational Atomic Time）l l当代最理想的时间系统。当代最理想的时间系统。当代最理想的时间系统。当代最理想的时间系统。l l原子时系统是以物质的原子内部发射的电
48、磁振荡频率原子时系统是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率原子时系统是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率原子时系统是以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。为基准的时间计量系统。为基准的时间计量系统。为基准的时间计量系统。l l原子时的初始历元规定为原子时的初始历元规定为原子时的初始历元规定为原子时的初始历元规定为 19581958年年年年1 1月月月月1 1日世界时日世界时日世界时日世界时0 0时，时，时，时，秒长定义为铯秒长定义为铯秒长定义为铯秒长定义为铯133 133 原子基态的两个超精细能级间在零原子基态的两个超精细能级间在零原子基态的两个超精细能级间在零原子基态的两个超
49、精细能级间在零磁场下跃迁辐射磁场下跃迁辐射磁场下跃迁辐射磁场下跃迁辐射91926317709192631770周所持续的时间。周所持续的时间。周所持续的时间。周所持续的时间。2024/8/12552.6 时间系统时间系统原子时系统原子时系统 l l这是一种均匀的时间计量系统。这是一种均匀的时间计量系统。l l1967年起，原子时已取代历书时作为基本时间年起，原子时已取代历书时作为基本时间计量系统。计量系统。l l原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。作为三大物理量的基本单位之一。l l原子时由原子钟的读数给出。原子时由原子
50、钟的读数给出。l l国际计量局收集各国各实验室原子钟的比对和国际计量局收集各国各实验室原子钟的比对和时号发播资料，进行综合处理，建立国际原子时号发播资料，进行综合处理，建立国际原子时。国际原子时是在时。国际原子时是在1977年建立，通过年建立，通过100台台原子钟比对求得。原子钟比对求得。2024/8/12562.6 时间系统时间系统协调世界时系统协调世界时系统协调世界时系统协调世界时系统 l l在天文导航、空间分析器跟踪、大地和天文测量等应在天文导航、空间分析器跟踪、大地和天文测量等应在天文导航、空间分析器跟踪、大地和天文测量等应在天文导航、空间分析器跟踪、大地和天文测量等应用中，当前仍然采
51、用以地球自转为基础的世界时。用中，当前仍然采用以地球自转为基础的世界时。用中，当前仍然采用以地球自转为基础的世界时。用中，当前仍然采用以地球自转为基础的世界时。l l但是由于地球自转速度变慢的趋势，近二十年来，世但是由于地球自转速度变慢的趋势，近二十年来，世但是由于地球自转速度变慢的趋势，近二十年来，世但是由于地球自转速度变慢的趋势，近二十年来，世界时每年比原子时约慢界时每年比原子时约慢界时每年比原子时约慢界时每年比原子时约慢1 1秒钟，两者差逐年积累。秒钟，两者差逐年积累。秒钟，两者差逐年积累。秒钟，两者差逐年积累。l l为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差，为了避免发播的原子时与
52、世界时之间产生过大的偏差，为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差，为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差，从从从从19721972年采用了以原子时秒长为基础，在时刻上尽量年采用了以原子时秒长为基础，在时刻上尽量年采用了以原子时秒长为基础，在时刻上尽量年采用了以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折中的时间系统，这种时间系统接近于世界时的一种折中的时间系统，这种时间系统接近于世界时的一种折中的时间系统，这种时间系统接近于世界时的一种折中的时间系统，这种时间系统就称为协调世界时就称为协调世界时就称为协调世界时就称为协调世界时UTCUTC（Coordinate Unive
53、rsal Coordinate Universal TimeTime）。）。）。）。l l协调世界时的秒长，等于原子时的秒长，而采用闰秒协调世界时的秒长，等于原子时的秒长，而采用闰秒协调世界时的秒长，等于原子时的秒长，而采用闰秒协调世界时的秒长，等于原子时的秒长，而采用闰秒（或跳秒）的办法，使协调世界时与世界时的时刻相（或跳秒）的办法，使协调世界时与世界时的时刻相（或跳秒）的办法，使协调世界时与世界时的时刻相（或跳秒）的办法，使协调世界时与世界时的时刻相接近。接近。接近。接近。 2024/8/12572.6 时间系统时间系统GPS时间系统时间系统 l l为了精密导航和测量的需要，全球地位系统为
54、了精密导航和测量的需要，全球地位系统GPS建立了专用的时间系统，简称为建立了专用的时间系统，简称为GPST，它由它由GPS主控站，即美国海军天文台的原子钟主控站，即美国海军天文台的原子钟控制。控制。l lGPS时属于原子时系统，其秒长与原子时相同，时属于原子时系统，其秒长与原子时相同，但是与国际原子时具有不同的原点。但是与国际原子时具有不同的原点。 2024/8/12582.7 小结小结l l3S系统涉及到空间信息的处理和管理。空间信系统涉及到空间信息的处理和管理。空间信息包括太空、大气层空间和地面空间信息。息包括太空、大气层空间和地面空间信息。l lGPS和遥感卫星的运动是在三维空间进行的，
55、和遥感卫星的运动是在三维空间进行的，一般采用空间直角坐标系比较方便，而地面及一般采用空间直角坐标系比较方便，而地面及其近地空间物体及其运动与地球椭球的关系密其近地空间物体及其运动与地球椭球的关系密切，因此使用大地坐标系比较方便。切，因此使用大地坐标系比较方便。l l因此，为了描述不同事务及其信息，就需要定因此，为了描述不同事务及其信息，就需要定义不同的坐标系。义不同的坐标系。2024/8/12592.7 小结小结l l不可展的曲面映射到平面的方法不可展的曲面映射到平面的方法地图投影。地图投影。l l现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度现代测量科技与空间科技紧密结合，测量精度极高。如卫星定轨、飞机和车辆导航、地球自极高。如卫星定轨、飞机和车辆导航、地球自转与公转、研究地壳升降和板块运动等问题，转与公转、研究地壳升降和板块运动等问题，不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时不仅要求给出空间位置，而且应给出相应的时间。间。l l常用的世界时、历书时、原子时、协调世界时常用的世界时、历书时、原子时、协调世界时和和GPS时间系统。时间系统。2024/8/1260
