第二讲坐标系统和时间系统演示教学.ppt

GPS原理及应用讲授讲授: :杨利兵杨利兵测绘本科生课程测绘本科生课程 石家庄经济学院石家庄经济学院Tel: 13930172526Tel: 13930172526第二讲第二讲 坐标系统和时间系统坐标系统和时间系统2.12.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系2.22.2 WGS-84 WGS-84坐标系和我国大地坐标系坐标系和我国大地坐标系2.32.3 坐标系转换坐标系转换2.42.4 时间系统时间系统 地球坐标系：固定在地球上的坐标系地球坐标系：固定在地球上的坐标系 天球坐标系：与地球自转无关天球坐标系：与地球自转无关2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系坐标系的类型坐标系的类型预备知识预备知识2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 天球天球 以地球质心为中心，半径为任意长度的一个假想球体 黄道黄道 地球公转轨道在天球上的投影 春分点春分点 黄道自西向东从天赤道以南穿黄道自西向东从天赤道以南穿到天赤道以北的那个交点到天赤道以北的那个交点地球质心天球坐标系天球坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 天球坐标系：天球坐标系：天球极轴、春分点轴，加上与这天球极轴、春分点轴，加上与这两轴线垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴两轴线垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴线构成的坐标系。

线构成的坐标系属于球面坐标系属于球面坐标系天球极轴天球极轴春分点轴春分点轴2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系球面坐标系与直角坐标系的转换球面坐标系与直角坐标系的转换( (X X, , Y Y, , Z Z) ) ( (r r, , , , ) )直角坐标系参数直角坐标系参数球面坐标系参数球面坐标系参数 坐标原点和坐坐标原点和坐标轴指向相同标轴指向相同大地坐标系大地坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 在大地测量中表示地面点的位置在大地测量中表示地面点的位置 通过一个辅助面（参考椭球面）定义通过一个辅助面（参考椭球面）定义大地坐标系参数：大地坐标系参数：L L：大地经度：大地经度B B：大地纬度：大地纬度HH：大地高程：大地高程 经过长期的测量实践研究证明，大地体与一经过长期的测量实践研究证明，大地体与一个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状个以椭圆的短轴为旋转轴的旋转椭球的形状十分近似测绘工作取此椭球作为地球的参十分近似测绘工作取此椭球作为地球的参考形状和大小，其外表面为考形状和大小，其外表面为参考椭球面参考椭球面参考椭球参考椭球2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系参考椭球参考椭球2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系椭球方程：椭球方程：扁率：扁率：第一偏心率：第一偏心率： 法截面法截面：过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法过椭球面上任意一点可作一条垂直于椭球面的法线，包含这条法线的平面。

线，包含这条法线的平面 卯酉圈卯酉圈：与椭球面上某与椭球面上某点的子午面相垂直的法截面同椭球点的子午面相垂直的法截面同椭球面相截所形成的闭合圈如面相截所形成的闭合圈如PEE PEE 卯酉圈曲率半径卯酉圈曲率半径：等于椭球面和短轴之间的一段法线的等于椭球面和短轴之间的一段法线的长度长度如PnPn2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系大地坐标系与直角坐标系的转换大地坐标系与直角坐标系的转换( (X X, , Y Y, , Z Z) ) ( (L L, , B B, , HH ) )直角坐标系参数直角坐标系参数大地坐标系参数大地坐标系参数N N：P P点的卯酉圈曲率半径点的卯酉圈曲率半径站心赤道直角坐标系与站心站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系地平直角坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 站心赤道直角坐标系：与站心赤道直角坐标系：与O-XYZO-XYZ坐标系有简单的平移关系坐标系有简单的平移关系 站心站心左手左手地平直角坐标系：地平直角坐标系： z z 轴：轴：P P1 1点的法线（指向天顶为正）点的法线（指向天顶为正） x x 轴：子午线方向（向北为正）轴：子午线方向（向北为正） y y 轴：与轴：与x x、z z轴垂直（向东为正）轴垂直（向东为正）二者可通过旋转二者可通过旋转变换互相转换变换互相转换 球心球心空间直角坐空间直角坐标系标系O-XYZO-XYZ站心地平极坐标系站心地平极坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 r r ：测：测站点站点P P1 1点至卫星点至卫星s s 的距离的距离 卫星方位角卫星方位角A A ：zpzp1 1x x 平面与平面与zpzp1 1s s 的夹角（自的夹角（自zpzp1 1x x 起算左旋为正）起算左旋为正） 卫星高度角卫星高度角h h ：p p1 1s s 与与xpxp1 1y y 面面的夹角（小于的夹角（小于 ）O OZ ZX XY YP P1 1x xy yz zs s ( (卫星）卫星）A Ah h r r站心地平极坐标系与站心地平站心地平极坐标系与站心地平直角坐标系的转换直角坐标系的转换2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系O OZ ZX XY YP P1 1x xy yz zs s ( (卫星）卫星）A Ah hr r( (x x, , y y, , z z) ) ( (r r, , A A, , h h ) ) 若已知测站点和卫星的瞬时坐标（由预报星历得到），若已知测站点和卫星的瞬时坐标（由预报星历得到），则可计算卫星在则可计算卫星在站心地平坐标系站心地平坐标系中的值，然后转换为中的值，然后转换为站站心极坐标系心极坐标系中的值。

从而了解卫星与观测站之间的瞬时中的值从而了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角距离、方位角和高度角利用站心极坐标了解卫星的分布情况利用站心极坐标了解卫星的分布情况2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系O OZ ZX XY YP P1 1x xy yz zs s ( (卫星）卫星）A Ah hr r 已知测站点已知测站点P P和卫星和卫星S S在球心坐标系在球心坐标系O-XYZO-XYZ（如（如WGS-84WGS-84）中的坐标中的坐标 分别依次建立以分别依次建立以P P为原点的站心赤道、地平坐标系和站心极坐标系为原点的站心赤道、地平坐标系和站心极坐标系 依次将卫星坐标转换至上述三种站心坐标系，通过卫星在依次将卫星坐标转换至上述三种站心坐标系，通过卫星在站心极坐标系站心极坐标系中的值，即可了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角中的值，即可了解卫星与观测站之间的瞬时距离、方位角和高度角步步 骤骤2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系O OZ ZX XY YP P1 1x xy yz zs s ( (卫星）卫星）A Ah hr r2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系卫星测量中常用坐标系卫星测量中常用坐标系 瞬时极天球坐标系与极地球坐标系瞬时极天球坐标系与极地球坐标系 固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系 固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系vv 瞬时极天球坐标系瞬时极天球坐标系( (x x, , y y, , z z) )ct ct 原点位于地球质心，原点位于地球质心，z z 轴指向轴指向瞬时瞬时地球自转轴地球自转轴，x x 轴指向瞬时春分点，轴指向瞬时春分点，y y轴按构成右手坐标系取向。

轴按构成右手坐标系取向vv 瞬时极地球坐标系瞬时极地球坐标系( (x x, , y y, , z z) )et et 原点与原点与z z 轴轴同上，同上，x x 轴指向瞬时赤轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，文台赤道参考点的子午面之交点，y y轴按构成右手坐标系取向轴按构成右手坐标系取向yetxetxct瞬时极天球坐标系与极地球坐标系瞬时极天球坐标系与极地球坐标系二者可互相转换二者可互相转换2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 岁差和章动引起瞬时极天球坐标系岁差和章动引起瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化的坐标轴指向不断变化 极移引起瞬时极地球坐标系的坐标极移引起瞬时极地球坐标系的坐标轴指向不断变化轴指向不断变化瞬时瞬时固定固定2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系岁岁 差差 在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴绕着黄道轴在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴绕着黄道轴旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需旋转，在空间描绘出一个圆锥面，绕行一周约需25,80025,800年。

即春分点沿黄道每年即春分点沿黄道每25,80025,800年旋转一周地年旋转一周地轴的这种长期运动称为日月岁差轴的这种长期运动称为日月岁差2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系章章 动动 月球轨道面位置的变化引起月球轨道面位置的变化引起瞬时北天极瞬时北天极绕绕瞬时平天极瞬时平天极产生旋转，大致成椭圆轨迹，产生旋转，大致成椭圆轨迹，周期约为周期约为18.618.6年这种现象称为章动这种现象称为章动2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系建立一个三轴指向不变的天球坐标系建立一个三轴指向不变的天球坐标系历元平天球坐标系（平天球坐标系）历元平天球坐标系（平天球坐标系）岁差和章动的影响岁差和章动的影响瞬时极天球坐标系的瞬时极天球坐标系的坐标轴指向不断变化坐标轴指向不断变化 坐坐标标标标原点位于地心，原点位于地心，z z 轴轴轴轴指向所指向所选选选选定定的一个的一个历历历历元元时时时时刻刻t t 的平天极，的平天极，x x 轴轴轴轴指指向向历历历历元元时时时时刻刻t t 的平春分点，的平春分点，y y 轴轴轴轴与与x x 轴轴轴轴、z z 轴轴轴轴构成右手坐构成右手坐标标标标系系。

通过岁差与章动旋转变换与瞬时极天通过岁差与章动旋转变换与瞬时极天球坐标系转换球坐标系转换固定极天球坐标系固定极天球坐标系平天球坐标系平天球坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系地极移动地极移动2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 地极的移动地极的移动：地球瞬时自转轴：地球瞬时自转轴在地球上在地球上随时随时间而变化间而变化 国际协定原点国际协定原点CIOCIO：国际大地测量与地球物国际大地测量与地球物理联合会以理联合会以1900190519001905年地球自转轴瞬时位置年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极的平均位置作为地球的固定极CIOCIOx xy yx xp py yp p瞬时极与平地极瞬时极与平地极国际极移局国际极移局公布公布x xp p 和和y yp p2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系1971197519711975年间地极相对于年间地极相对于CIOCIO的移动轨迹的移动轨迹CIOCIO固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系建立一个三轴指向不变的地球坐标系建立一个三轴指向不变的地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系地极移动的影响地极移动的影响瞬时极地球坐标系的瞬时极地球坐标系的坐标轴指向不断变化坐标轴指向不断变化固定极地球坐标系固定极地球坐标系平地球坐标系平地球坐标系2.1 2.1 天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 z z 轴指向国际协定原点轴指向国际协定原点CIOCIO 坐标原点的坐标原点的x x, , y y 值。