《GPS测量定位技术》课件第二章.ppt

1、GPS测量定位技术测量定位技术第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统和时间系统定位的坐标系统和时间系统 学习目标第一节 参心坐标系第二节 地心坐标系第三节 天球坐标系第四节 时间系统本章小结思考题与习题GPS测量定位技术测量定位技术第二章第二章 GPSGPS定位的坐标系统和时间系统定位的坐标系统和时间系统学习目标学习目标了解地心坐标系的表述形式、天球坐标系统中的天极、天球子午圈、时圈、黄道、黄赤交角、黄极。世界时、历书时、原子时、协调世界时、力学时。理解天球坐标系中的岁差与章动及天球坐标系的建立，GPS的时间系统。掌握参心坐标系中的1954年北京坐标系（BJZ54（原），1980年国家大地坐

2、标系（GDZ80）和1954年新北京坐标系（BJZ54）。参心坐标系的特点，地心坐标系的特点，参心坐标系与地心坐标系之间的区别和WGS-84大地坐标系。建立地心坐标系的意义和方法。GPS测量定位技术测量定位技术第一节第一节 参心坐标系参心坐标系一、一、概述概述 在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常须选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点（大地原点），利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。参心坐标系中的“参心”二字意指参考椭球的中心，所以参心坐标系和参考椭球密切相关。由于参考椭球中心无法与地球质心重合，故又称其为非地心坐标

3、系。参心坐标系按其应用又分为参心大地坐标系和参心空间直角坐标系两种。参心大地坐标系的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定位与定向不同，我国历史上出现的参心大地坐标系，主要有BJZ54（原）、GDZ80和BJZ54等三种。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、概述概述 图2-1 地球表面与各种椭球之间的关系 参心空间大地直角坐标系是用三维坐标x、y、z表示点位的，它可按一定的数学公式与参心大地坐标系相互换算。通常在由GPS定位结果（地心空间大

4、地直角坐标系）计算参心大地坐标系时，作为一种过渡换算的坐标系。GPS测量定位技术测量定位技术一、一、概述概述 建立一个参心大地坐标系，必须解决以下问题：（1）确定椭球的形状和大小；（2）确定椭球中心的位置，简称定位；（3）确定椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的方向，简称定向；（4）确定大地原点。解决这些问题的过程，也就是建立参心大地坐标系的过程。二、二、19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJZ54BJZ54（原）原）解放初期，我国大地坐标系是采用河北石家庄市的柳新庄一等天文点作为原点的独立坐标系统，采用该点的天文坐标作为其大地坐标，以海福特椭球进行定位。GPS测量定位技术测量定位

5、技术二、二、19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJZ54BJZ54（原）原）随着我国大地网的扩展，采用海福特椭球元素误差太大，且没有顾及垂线偏差的影响。为此，1954年总参谋部测绘局在有关方面的建议与支持下，采取先将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接呼玛、吉拉林、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地区一等锁。这样传算过来的坐标，定名为1954年北京坐标系。该坐标系是以原苏联当时采用的1942年普尔科沃坐标系为基础建立起来的，所不同的是1954年北京坐标系的高程异常是以原苏联1955年大地水准面差距重新平差结果为起算值，

6、且以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准面，按我国天文水准路线推算出来的。GPS测量定位技术测量定位技术二、二、19541954年北京坐标系（年北京坐标系（BJZ54BJZ54（原）原）几十年来，我国在该坐标系上完成了大量的测绘工作，实施了天文大地网局部平差，通过高斯克吕格投影，得到点的平面坐标。测制了各种比例尺地形图。但是随着测绘新理论、新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在如下缺点：（1）因1954年原北京坐标系采用了克拉索夫斯基椭球，与现在的精确椭球参数相比，长半轴约长109m。（2）参考椭球面与我国所在地区的大地水准面不能达到最佳拟合，在我国东部地区大地水准面差距自西向东增加

7、最大达68m。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特19001909年正常重力公式，与公式相适应的赫尔默特扁球和克拉索夫斯基椭球不一致。（4）定向不明确。椭球短轴未指向国际协议原点CIO，也不是我国地极原点JYD1968.0；起始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面。（5）椭球只有两个几何参数（长半轴、扁率），缺乏物理意义，不能全面反映地球的几何与物理特征。同时，1954年北京坐标系的大地原点在普尔科沃，是原苏联进行多点定位的结果。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、19801980年国家大地坐标系（年国家大地坐标系（

8、GDZ80GDZ80）为了进行全国天文大地网整体平差，采用新的椭球参数和进行新的定位与定向，来弥补因1954年北京坐标系存在的椭球参数不够精确、参考椭球与我国大地水准面拟合不好等缺点，所以建立我国新的大地坐标系是必要的、适时的。1.1.椭球的参数 在几何大地测量学中，通常用椭球长半径a和扁率f两个参数表示椭球的形状和大小，但是从几何和物理两个方面来研究地球，仅有两个参数是不够的。在物理大地测量中研究地球重力场时，需要引进一个正常椭球所产生的正常重力场。关于物理的重力场，有著名的司托克斯定理：如果物体被水准面S包围，已知它的总质量为M，并绕一定轴以常角速度旋转，则S面上或外部空间任一点的重力位，

9、都可以唯一确定。GPS测量定位技术测量定位技术 1.1.椭球的参数正常重力位的球函数展开式为：2222212sin2cos1nnnnPaJGMU（2-1）式中为 地心矢径，为余纬度，为勒让德多项式；、和 为正常椭球的四个参数，式中其它的偶阶带谐系数 、等可根据这四个参数按一定的公式算得。1967年国际大地测量与地球物理联合会（IUGG）第十四届大会上，开始采用这四个参数全面描述地球的几何特性和物理特性。cos2nPa2JGM4J6JGPS测量定位技术测量定位技术1.1.椭球的参数 这四个量通常称为基本大地参数，在四个基本参数中，长半径 通常由几何大地测量提供，地球自转角速度 由天文观测确定，它

10、们的精度都比较好。地球的质量M虽难测定，但是（是地球引力常数）利用卫星大地测量学可精确测定至千万分之一。通过观测人造地球卫星，确定与 等价的二阶带谐系数 ，其精确度提高了二个数量级。这些参数，可以充分地确定地球椭球的形状，大小及其正常重力场，从而使大地测量学与大地重力学的基本参数得到统一。aa2JGPS测量定位技术测量定位技术2.2.极移和地极原点 地球自转轴与地球表面的交点叫地球极点。由于地球内部和外部的动力学因素、地球极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象叫做极移。随时间而变化的极点叫瞬时极，某一时期瞬时极的平均位置，叫做平地极，简称平极。极移运动是比较复杂的，其中主要由张德勒运动和

11、受迫季节性运动两项周期性运动所合成，包括有1.2年、1.0年和0.5年三种周期，另外还有一些不规则的变化。在1967年国际天文学联合会和国际大地测量学与地球物理学联合会共同召开的32次讨论会上，建议平极的位置用国际纬度服务站五个台站的“19001905年新系统”的平均纬度来确定。平极的这个位置相对于19001905年平均历元（1903.0），叫做国际协议原点，简称CIO。1977年我国极移协作小组利用19491977年期间的国内外36个台站的光学仪器的测纬资料，分别就地极的长期与周期分量进行分析研究后，确定了我国的地极原点，记作JYD1968.0（历元平极）。GPS测量定位技术测量定位技术2.

12、2.极移和地极原点 在1979年4月前的国际时间局（BIH）数据均相对于1968年BIH系统。此后，因加入了美国国防部测绘局（DMA）的多谱勒极移成果而改用1979年BIH系统。随着观测技术和手段的发展，以及观测台站和数据的增加，国际极移服务机构（IPMS）所定期公布的瞬时地极坐标，严格地说，已不在是以原来所定义的CIO为极移原点。国际时间局所建立的1979BIH系统作为协议地面参照系以及所发布的瞬时地极坐标已加入了卫星多谱勒及激光测月技术来求定极移，其地极原点与原有的CIO自然也不一致，1988年后完全摒弃了天文光学观测成果，国际协议原点（CIO）作为历史上曾沿用过的名词已失去原来的意义，目

13、前我们可以这样认为，由国际时间局所公布的瞬时地极坐标所相应的坐标原点即为BIH系统中的协议地极原点。GPS测量定位技术测量定位技术3.3.起始天文子午线 1884年国际经度会议决定，以通过英国格林尼治天文台艾黎仪器中心的子午线作为全世界计算天文经度的起始天文子午线。起始天文子午线与赤道的交点E，就是天文经度零点。但是，地极位置的变化，势必引起起始子午线的变化。加之格林尼治天文台已于1959年搬迁至75km以外的赫斯特莫尼尤克斯，新的格林尼治天文台已经失去了它的特殊意义。考虑到极移的影响和格林尼治天文台迁址，为使沿用成习的经度计算尽量不变，1968年国际时间局（BIH）决定，采用通过国际协议原点

14、（CIO）和原格林尼治天文台的经线为起始子午线。起始子午线与相应于CIO的赤道的交点E为经度零点。这个系统称为“1968BIH”系统。GPS测量定位技术测量定位技术3.3.起始天文子午线 显然，起始子午线或经度零点，只靠一个天文台是难以保持的。所以国际时间局的1968BIH系统是由分布在世界各地的许多天文台所观测的经度，反求出各自的经度原点，取它们的权中数，作为平均天文台所定义的经度原点。国际时间局再根据19541956年的观测资料求出格林尼治天文台所定义的经度零点E与平均天文台所定义的经度原点的经度差值，来修定各天文台的经度值，从而保持了用E点作为经度零点。由于上述原因，国际时间局的1968

15、BIH系统改为以平均天文台为准，习惯上仍称以“格林尼治平均天文台”为准。自然，这种称呼事实上已经和格林尼治没有直接的关系。通过投影计算可以证明，虽然地极位置发生改变，起始天文子午线的定义发生了变化，导致了不同赤道上的经度零点发生变化。但是这种变化很小，实际上仍然可以认为不变。我国采用JYD1968.0作为地极原点，其对应的经度零点和1968BIH系统的经度零点相比较，差异很小，实际上可以认为是一样的。起始天文子午线和起始大地子午线紧密相关，后者直接关系到大地坐标系的定义和不同系统的大地坐标换算。GPS测量定位技术测量定位技术4.4.我国1980年国家大地坐标系的建立 1978年4月，我国在西安

16、召开了全国天文大地网整体平差会议，在会议上决定建立我国新的国家大地坐标系。有关部门根据会议记要，开展并进行了多方面的工作，建成了1980年国家大地坐标系（GDZ80）1980年国家大地坐标系采用了全面描述椭球性质的四个基本参数（、），这就同时反映了椭球的几何特性和物理特性。四个参数的数值采用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值：椭球长半径 =63781406378140m地球引力常数（含大气层）二阶带谐系数 地球自转角速度 大地坐标系的原点，设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇，在西安以北60km，简称西安原点。aGM2Ja8323986005 10GMm s621082.

17、63 10J1117292115 10rad sGPS测量定位技术测量定位技术4.4.我国1980年国家大地坐标系的建立 1980年国家大地坐标系的椭球定位，是按局部密合条件实现的。依据1954年北京坐标系大地水准面差距图，按11间隔，在全国均匀选取922点，列出高程弧度测量方程式,按 最小，求得椭球中心的位移X0、y0和Z0，进而可以求出大地原点上的垂线偏差分量（、）和高程异常（）。再由大地原点上测得的天文经纬度（、）和正常高（）以及至另一点的天文方位角（），即可算得大地原点上的大地经纬度（、）和大地高（）以及至另一点的大地方位角（），以此作为1980年国家大地坐标系的大地起算数据。1980

18、年国家大地坐标系的椭球短轴平行于由地球质心指向我国地极原点JYD1968.0的方向，起始大地子午面平行于我国起始天文子午面。大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准。新的国家大地坐标系的建立，标志着我国测绘科学技术的进步和发展。无论是椭球的选择及其定位、定向，还是其后的全国天文大地网平差，都体现着世界当时的先进水平。92212kkkkkkHkKLKBKhKAGPS测量定位技术测量定位技术四、四、19541954年新北京坐标系（年新北京坐标系（BJZ54BJZ54）尽管1980年国家大地坐标系具有先进性和严密性，但1954年原北京坐标系毕竟在我国测绘工作中潜移默化，影响深远。

19、40年来，数十万个国家控制点都是在这个系统内完成计算的，一切测量工程和测绘成果均无例外地采用着这个系统。为了既体现1980年国家大地坐标系的严密性，又照顾到1954年原北京坐标系的实用性，有关部门和单位想出一种两全其美的办法，于是就产生了1954年新北京坐标系。1954年新北京坐标系的成果，就是将1980年国家大地坐标系的空间直角坐标经三个平移参数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，就成了新北京坐标系的成果。所以说，新北京坐标系的成果实际上就是从1980年大地坐标系整体平差成果转换而来的。GPS测量定位技术测量定位技术四、四、19541954年新北京坐标系（年新北京坐标系（BJZ54BJZ54）因

20、此，1954年新北京坐标系的成果既具有整体平差成果的科学性，其坐标精度和1980年国家大地坐标系的坐标精度是一致的，改变了1954年原北京坐标系局部平差成果的局限性。同时，由于参考椭球又恢复成克拉索夫斯基椭球，使新北京坐标系内的坐标值与原北京坐标系内的坐标值相差很小。据统计，新北京坐标系与原北京坐标系相比较，就控制点的平面直角坐标而言，纵坐标x差值在-6.5至+7.8m之间，横坐标y的差值在-12.9至+9.0m之间，差值在5m以内者约占全国80的地区。这样的差异没有超过以往资用坐标与平差坐标差异的范围。反映在15万比例尺地形图上，绝大部分不超过0.1mm。GPS测量定位技术测量定位技术第二节

21、第二节 地心坐标系地心坐标系 一、建立地心坐标系的意义和方法一、建立地心坐标系的意义和方法 地心坐标系中的“地心”二字意指地球的质心。在地心空间大地平直角坐标系中用XD、YD、ZD表示点的位置，地心大地坐标系中用LD、BD、HD表示点的位置。由于前者可以通过卫星大地测量获得点的空间三维直角坐标，并不涉及椭球及其定位。但地心大地坐标系则要涉及椭球的大小和定位。所以地心直角坐标系是GPS定位中采用的基本坐标系。仅就从地形图测绘来说，地心直角坐标系并不十分需要，因为参考椭球面已经和测区范围的大地水准面达到最佳密合，按参心坐标系测绘地形图还是方便的。但是，就整个地球空间而言，参心坐标系就表现出不足，主

22、要是以下3点：（1）不适合建立全球统一坐标系的要求；（2）不便于研究全球重力场；（3）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间点三维坐标的完整性。GPS测量定位技术测量定位技术 一、建立地心坐标系的意义和方法一、建立地心坐标系的意义和方法 在上述这3方面，地心坐标系就表现出明显的优势。因人造地球卫星围绕地球运转，其轨道平面随时通过地球质心，所以通过对卫星的跟踪观测来处理与观察站位置有关的问题时，就需要建立以地心为坐标原点、与地球体相固连的三维空间直角坐标系统。因此，建立并不断精化地心直角坐标系统，对于发展空间技术和解决卫星大地测量等问题具有特殊意义。从理论上讲，建立地心直角坐标系的方法很多，例如

23、可以按重力方法建立，还可以按天文大地测量方法建立，但实际上又各有困难，难以完成。更严重的是椭球中心很难做到和地球质心重合。建立地心坐标系的最理想方法是采用空间大地测量的方法。60年代以来，随着空间技术的发展，美、苏等国利用卫星进行洲际联测，并综合天文、大地、重力测量等资料，开展了建立地心坐标系的工作。GPS测量定位技术测量定位技术二、地心坐标系的表述形式二、地心坐标系的表述形式 地心直角坐标系如图2-2所示，它的定义是：原点O与地球质心重合；Z轴指向国际协议原点CIO，X轴指向1968BIH定义的格林尼治平均天文台的起始子午线与CIO的赤道焦点E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。地面点D的

24、位置XD、YD、ZD三个坐标量来表示（图2-2）图2-2 地心直角坐标系 图2-3 地心大地坐标系 GPS测量定位技术测量定位技术二、地心坐标系的表述形式二、地心坐标系的表述形式 地心大地坐标系如图2-3所示，它的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的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BIH定义的起始大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球面法线至椭球面的距离。地面点D的位置用LD、BD、HD三个量来表示。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系 自60年代以来，美国国

25、防部制图局（DMA）为建立全球统一坐标系统，利用了大量的卫星观测资料以及全球地面天文、大地和重力测量资料，先后建成了WGS-60、WGS-66和WGS-72全球坐标系统。于1984年，经过多年修正和完善，发展了一种新的更为精确的世界大地坐标系，称之为美国国防部1984年世界大地坐标系，简称WGS-84。WGS-84于1985年开始使用，1986年生产出第一批相对于地心坐标系的地图、航测图和大地成果。由于GPS导航定位全面采用了WGS-84，用户可以获得更高精度的地心坐标，也可以通过转换，获得较高精度的参心大地坐标系坐标。GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大

26、地坐标系 WGS-84坐标系的几何定义是：坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方 向，X 轴 指 向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。如右图所示。图2-4 WGS-84世界大地坐标系 GPS测量定位技术测量定位技术三、三、WGS-84WGS-84大地坐标系大地坐标系 WGS-84椭球采用国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，采用的4个基本参数是：长半轴 =6 378 137m地球引力常数（含大气层）GM=3 986 005108m3 s-2正常化二阶带球谐系数 2.0=484.166

27、8510-6地球自转角速度 =7 292 11510-11rad s-1aCGPS测量定位技术测量定位技术利用以上4个基本参数，可以计算其他的几何常数和物理常数，例如：短半轴 b=6 356 752.3142m扁率 =1/298.257 223 563第一偏心率平方 2=0.006 694 379 990 13第二偏心率平方 2=0.006 739 496 742 227椭球正常重力位 U0=62 636 860.849 7 m2 s2赤道正常重力 0=9.970 326 771 4 ms2当GPS定位确定了测站点的大地高H后，可按下式求出该点的正高h：h=HN （2-2）式中N为该点的WGS

28、-84大地水准面差距，它可以根据WGS-84地球重力场模型WGS-84EGM的一套球谐系数，利用球谐函数展开式计算得出，其均方根差为2-6m。GPS测量定位技术测量定位技术 四、地方独立坐标系四、地方独立坐标系 在我国的许多城市、大型工程项目中，为了实用、方便和科学的目的，将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。这些地方独立坐标系隐含着一个与当地平均海拔高程相对应的参考椭球，我们称之为地方参考椭球。地方参考椭球与国家参考椭球的关系是：中心一致、轴向一致、扁率相等、长半径有一增量。GPS测量定位技术测量定位技术 五、五、ITRFIT

29、RF坐标框架简介坐标框架简介 国际地球参考框架ITRF（International Terrestrial Reference）是一个地心参考框架。它是由空间大地测量观测站的坐标 和 运 动 速 度 来 定 义 的，是 国 际 地 球 自 转 服 务 机 构 I E R S（International Earth Rotation Service）的地面参考框架。由于章动、极移影响，国际协议地极原点CIO变化，故ITRF框架每年也都在变化。ITRF框架实质上也是一种地固坐标系，其原点在地球体系（含海洋和大气圈）的质心，以WGS-84椭球为参考椭球。国际地球自转服务机构（IERS）已建立了198

30、9年国际地球参考系（ITRF89），所赋予的基准点坐标由激光测卫、甚长基线干涉测量得出，并通过众多的GPS点联测加密，以满足GPS测量实用上的需要。GPS测量定位技术测量定位技术第三节第三节 天球坐标系天球坐标系 一、天球上的点和圈一、天球上的点和圈 在夜晚仰望晴朗的天空，好似一个巨大的半圆球。满天的星斗，似乎就分布在这个球面上。我们把以地球M为中心，以无穷远的距离为半径所形成的球称作天球。地球与天球相比，可以看成是无限小的一个点。欲建立天球坐标系统，离不开一些基本的点和圈（右图）：图2-5 天球上的点和圈GPS测量定位技术测量定位技术一、天球上的点和圈一、天球上的点和圈 天极：地球自转的中心

31、轴线简称地轴，将其延伸就是天轴，天轴与天球的交点称为天极，Pn在北称作北天极，Ps在南称作南天极。天球赤道：通过地球质心M与地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就称为天球赤道。天球子午圈：包含天轴的平面均称天球子午面，天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。时圈：包含地轴的平面与天球相交的大圆称为时圈。显然，时圈也是一个子午圈。黄道：地球绕太阳公转的轨道平面称为黄道面，它与天球相交的大圆称为黄道。它就是当地球绕太阳公转时，观测者所看到的太阳在天球上运动的轨迹。天球赤道面与黄道面的交角约为23.5，称为黄赤交角。天球赤道与黄道的交点称为春分点。黄极：过天球中心垂直于黄道面的

32、直线与天球的交点称为黄极，n在北称为北黄极，s在南称为南黄极。GPS测量定位技术测量定位技术二、岁差与章动二、岁差与章动 当地球是一个均质球体、且没有其它天体摄动力影响时，上述点和圈在天球上的位置应该是固定不动的。事实上，地球是一个长短直径相差约43km近于椭球的非匀质非规则的形体，其赤道面对地球公转平面（黄道面）和月球公转平面（白道面）均有一定交角，在这种情况下受日、月以及其它天体的引力作用将产生力矩，使地球自转轴在空间产生进动。所以地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道上随之缓慢移动，这种现象称为岁差。岁差现象的存在，使北天极的轨迹近似于以北黄极为中心的一个小

33、圆，北天极以顺时针方向每年西移约50.371，周期大约为25800年。这种缓慢移动的北天极，称为平北天极，与之相应的天球赤道和春分点，称之为天球平赤道和平春分点。GPS测量定位技术测量定位技术二、岁差与章动二、岁差与章动 除岁差现象之外，还存在另外一种现象。它是在太阳和其它行星引力的影响下，月球绕地球的运行轨道以及月球与地球之间的距离都在不断发生变化。如果将这时的北天极称为瞬时北天极，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，在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕平北天极顺时针转动，其轨迹大致为椭圆形，这种现象称为章动，周期约为18.6年 GPS测量定位技术测量定位技术三、天球

34、坐标系的建立三、天球坐标系的建立 地面点位置是在地球坐标系内表示的，而GPS卫星的位置则在天球坐标系内表示更为方便。因此GPS定位需要把卫星与地面点的几何位置统一在一个坐标系内，所以天球坐标系的选择应该尽量便于在两种坐标系之间的相互变换。如果两个坐标系的原点均取地球质心，且使两个坐标系的z轴重合，取为瞬时地球自转轴，此时所定义的天球坐标系与地心直角坐标系具有最简便的变换关系。GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 按上述思路定义天球坐标系，可以分为两种形式：（1）天球空间直角坐标系：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，轴与z、x轴构成右手坐

35、标系（右图）。（2）天球球面坐标系：原点位于地球质心M，赤经为过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和天体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之间的距离。各坐标值以右图中箭头所指方向为正。图2-6 天球坐标系GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 上述两种坐标系对于表达同一天体的位置是等价的，它们之间的关系是：或 sinsincoscoscosrzyx22222yxzarctgxyarctgzyxr（2-3）（2-4）GPS测量定位技术测量定位技术三、天球坐标系的建立三、天球坐标系的建立 但是，由于岁差和章动的影

36、响，天球坐标系的坐标轴方向在不断地旋转变化，为此我们只能选择某一标准时刻的瞬时地球自转轴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，作为z轴和x轴的方向，并称它们为协议天球坐标系。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是：原点仍为地球质心，z轴指向2000年1月15日质心力学时为标准历元（标以J2000.0）的瞬时地球自转轴方向，x轴指向该标准历元的地心至瞬时春分点方向，y轴与x轴和z轴构成右手坐标系。卫星的星历就是在该坐标系统中表示的。实用中是将卫星在上述协议天球坐标系中的坐标，分别顾及岁差和章动的影响，转换成实际观测历元的瞬时天球坐标系

37、的坐标，以取得卫星与测站点相关位置在时间系统上的一致。当然，此种转换工作无须观测人员逐一计算，由计算机自动完成。GPS测量定位技术测量定位技术第四节第四节 时间系统时间系统 一、概述一、概述 在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间，同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历来作年、月、

38、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位，除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。GPS测量定位技术测量定位技术一、概述一、概述 时间具有“时间间隔”（时间段）和“时刻”两种含意。时间间隔是时间轴上的一个区间，而时刻则只是指某一点。时间分恒星时和太阳时两大时间系统。利用春分点的周时视运动周期来量度地球自转周期而建立的以恒星日为时间单位的时间系统

39、为恒星时系统；以太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期而建立的以太阳日为单位的时间系统为太阳时系统；太阳时又分为真太阳时和平太阳时两种。平太阳时是以平太阳的周日视运动周期来量度地球自转周期的以平太阳日为单位时间系统。这里所指的平太阳是以赤道为周年视运动轨道、周期等于真太阳周年视运动周期，速度等于真太阳周年视运动平均速度且速度均匀的假设的太阳。地球自转一周平太阳视运动的周期为一个平太阳日，世界时就是以平太阳日为基础的。GPS测量定位技术测量定位技术一、概述一、概述 时间的计算方法随用途的不同而有所不同。日常的计时有平年，闰年、大月、小月之分，但在一些科技领域，如天文测量和卫星大地测量中，为了使用

40、方便不以年、月来计算，而用日来计算，这种计算方法称为儒略日（JD）记日法。儒略日是从公元前4713年1月1日格林尼治平午正开始，连续以日累计，需用时可从中国天文年历的“儒略日”附表中查取。儒略日按日累计，年复一年，数字越积越大，对使用又带来不便，所以1973年地15届国际天文学联合会（JAU）通过了使用以1958年11月17日世界时Oh为起点的准儒略日（MJD）的决定，于是有 MJD=JD2400000.5日准儒略日又称为改进儒略日，儒略日与改进儒略日之差为2400000.5日。以上讨论的是年、月、日的记法。至于日以下的计时系统，有世界时、历书时、原子时、协调时、力学时和GPS时等，现分述如下

41、。GPS测量定位技术测量定位技术二、世界时（二、世界时（UTUT）世界时是以平太阳时为基准的。它基于假想的平太阳，是从经度为0的格林尼治子午圈起算的一种地方时，这种地方时属于包含格林尼治的零时区，所以称为世界时。由天文学理论知道，世界时与恒星时、真太阳时都是以地球的自转周期为基本单位的一种时间系统，其均匀性达10-8s，因此在经典测量中都认为它是一种均匀的时间系统。由于原子钟的发明和观测精度的提高，发现地球自转速度并不均匀，由它所确定的时间也不均匀。GPS测量定位技术测量定位技术 （一）（一）影响地球自转速度变化的因素影响地球自转速度变化的因素 1.1.长期变化 产生这种变化的主要原因是日、月

42、引力所引起的地球表面潮汐摩擦的影响，逐年累月长期下去，是地球自转速度逐步变慢，日的长度以每百年约0.0016s增长。这种变化，在短期内不太显著，因而对短期行为的测量工作而言不是主要问题。2.2.季节性变化 地球表面随季节移动的大气团产生的阻力，使地球自转速度不均匀，产生一种季节性的周期变化。春季变慢，秋季变快。一年中，日的长度约有0.001s的变化；而在同一个季节里还有一月、半月等较小的周期性变化。这种变化，属于一种短周期变化，其影响虽然较大，但可根据其周期性，用经验公式求出其影响值予以改正，因而可在很大程度上消除或减小其影响。GPS测量定位技术测量定位技术（一）（一）影响地球自转速度变化的因

43、素影响地球自转速度变化的因素 3.3.不规则变化 这是由于地球内部物质的移动或地球转动惯量的改变等原因所产生的一种变化，表现在地球自转速度无规律性的时快时慢，一年内日长可能会产生千分之几秒的差值。正因为这种变化是不规则的，因而不可预见，且其数值也较大，所以是一项难以解决的问题。除了上述变化之外，在世界时的测量中，极移使子午圈随时发生变化，也影响到世界时的均匀性，所以世界时的不均匀是每时、每分，每秒的长度都在变化，这就影响了一些要求时间精度较高的部门的应用。因此，在1955年9月国际天文学联合会的爱尔兰都柏林会议上，决定在世界时中加入不同的改正。根据改正项的不同，世界时被划分为三种形式，自195

44、6年1月1日起在世界各地正式使用。GPS测量定位技术测量定位技术（二）世界时（二）世界时（UTUT）的三种形式的三种形式 ）UT0世界时 是1955年以前各国所使用的一种世界时形式，它是利用天文测量的方法直接对天体观测得到的，其基准是观测台站的瞬时子午圈，所以它既包含了地球自转速度不均匀的影响，也包含了极移的影响。）UT1世界时 是对UT世界时观测瞬间的地极移动进行改正（改正数为）得到的，即 UT1=UT+这种世界时，一般用于实用天文测量中。GPS测量定位技术测量定位技术（二）世界时（二）世界时（UTUT）的三种形式的三种形式 ）UT2世界时 在UT1世界时中虽然考虑了极移改正，但尚存在地球自

45、转速度不均匀的影响。为此，在UT1中加入观测瞬间的季节性变化改正数T3，即 UT2=UT1+TS TS=式中 =+0.022s，=-0.012s，=-0.006S，=+0.007s，从1972年起正式使用；这些数据是根据国际时间局按19671969年间全世界天文观测资料得出的，可从地球自转参数公报中查取；t为小数，以年为单位，从观测当年的1月0日起算。尽管对世界时加入了和S改正而形成UT2世界时，但UT2中仍包含着地球自转速度的长期变化、季节性变化和不规则变化的影响，所以UT2世界时仍是一种不均匀的时间系统。tdtctbta4cos4sin2cos2sinabcdGPS测量定位技术测量定位技术

46、三、历书时（三、历书时（ETET）UT2世界时仍是以地球自转为基础，存在不均匀的问题，于是人们考虑以地球绕太阳公转为基础建立一种新的时间系统。1952年国际天文协会第八届大会决定建立一种以地球公转周期为标准的时间系统，称为历书时（ET）。历书时虽比世界时的精度大为提高，但仍不能满足现代需要高精度时间部门的要求，而且计算和提供结果比较迟缓，不能及时投入使用，故该时间系统的使用受到一定的局限。GPS测量定位技术测量定位技术四、原子时（四、原子时（ATIATI）因世界时和历书时都存在不均匀性和精度低的缺点，导致使用受到局限。1967年国际计量委员会决定采用铯CS133原子基态的两个超精细能级结构间跃

47、迁辐射频率9192631770个周期的时间间隔为一秒，定义为原子时秒（国际单位SI），以此为基准的时间系统，称为原子时。原子时秒比由地球运转所确定的秒长稳定，且精度达到10-13s。人们长期使用世界时，为了适应人们的习惯和作息的方便，需使原子时与世界时相一致，选定以1958年1月0日UT2的0时为原子时的起点。这就要求（ATI-UT2）1958.0=0，但因各种因素的影响，实际上出现了（ATI-UT2）1958.0=0.0039s。这样，原子时就比世界时UT2提前了0.0039s，且原子时的秒长与世界时的秒长不相等，一年大约相差一秒左右。计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、铷原子钟和

48、氢原子钟三种，国际上是以铯原子钟为基准的，原子钟的计时精度满足了一些高精度时间部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上全部配置了原子钟。国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精选过的原子钟测定的。GPS测量定位技术测量定位技术五、协调世界时（五、协调世界时（UTCUTC）协调世界时是综合了世界时与原子时的另一种计时方法，即秒长采用原子时的秒长，而时刻则采用世界时时刻，所以严格地讲，这不是一种时间系统，而是一种使用方法。由于原子时的精度高且稳定性好，满足了要求高精度时间的部门的需要，但与地球运转有关的一系列工作又都需要用的习惯相适应，这样为了达

49、到既满足高精度要求，又适应各方面的需要而采用这种介于世界时与原子时之间的计时方法，称为协调世界时，简称为协调时。由于世界时与原子时的秒长不一致，在相互换算和应用中会产生矛盾，解决的办法是采用跳秒来“协调”。所谓跳秒，就是规定当 0.9s（1974年以前规定为0.7s）时，进行一秒的整数跳动，叫做闰秒。闰秒日期由国际时间局（BIH）通知，一般是在每年12月31日的23h59m60s上加或减1s。若是加一秒，则这一年的时间长度就多一秒，为正闰秒；若是减一秒，则这一年就少一秒，为负闰秒。经过正（负）跳秒后，才开始下一年元月一日零时的计时，如果这样还不够，则在每年6月30日与7月1日的交界处再跳秒一次

50、。目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般不超过1ms，除了发播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以便用户获得所需的UT1。GPS测量定位技术测量定位技术六、力学时（六、力学时（DTDT）这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒，秒值采用国际原子时（ATI）秒长。地球质心力学时TDT的1977年1月1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日0h0