第二章坐标系统和时间系统.

坐标系统和时间系统闽江学院地理科学系第二章GlobalPositioningSystem2内容提要一．基本概念二．天球坐标系三．地球坐标系四．WGS-84坐标系和我国大地坐标系五．时间系统GlobalPositioningSystem3§2.1基本概念一．地形面、大地水准面和参考椭球面1.地形面地形面（Topography）地球的自然表面大地测量作业面GlobalPositioningSystem4§2.1基本概念一．地形面、大地水准面和参考椭球面2.大地水准面大地水准面（Geoid）是一个物理参考面，是地球的一个重力等位面大地测量野外作业的基准面GlobalPositioningSystem5§2.1基本概念一．地形面、大地水准面和参考椭球面3.参考椭球面参考椭球面（ReferenceEllipsoid）是一个几何或数学参考面，是一个与大地水准面非常接近的旋转椭球面地球的数学表面,大地测量成果处理的依据面GlobalPositioningSystem6hNHH=h+NPQ地形表面参考椭球大地水准面GlobalPositioningSystem7§2.1基本概念二．坐标系的分类1.空固系天球参照系坐标轴相对于宇宙中遥远天体固定不动2.地固系地球参照系随着地球在空间中一同旋转GlobalPositioningSystem8§2.1基本概念三．常用坐标系1.空间直角坐标系（笛卡儿坐标系）①定义：坐标轴相互正交的坐标系被称为笛卡儿坐标系。三维笛卡尔坐标系也被称为空间直角坐标系。②原点：参考椭球中心③Z轴：地球自转轴④X轴：本初子午线与赤道交点⑤表示方法：X、Y、Z⑥特点：表达简单，但不直观，没有明确的高程概念GlobalPositioningSystem9§2.1基本概念三．常用坐标系2.大地坐标系（椭球坐标系）①定义：为了明确反映出点与地球之间的空间关系，建立了以大地基准为基础的坐标系称为大地坐标系，或椭球坐标系。②表示方法：大地经度L、大地纬度B、大地高H③特点：用大地高（从参考椭球面沿经过该点的法线量测至该点的距离）表示点的高程，但此高程可正可负，没有物理意义GlobalPositioningSystem10§2.1基本概念三．常用坐标系3.站心坐标系①在描述两点间的空间关系时，有时采用一种被称为站心坐标系的坐标系更为方便直观。②分类：站心直角坐标系、站心极坐标系③表示：N、E、U（短半轴N、E垂直于NU、天顶U），或R、A、EL（极距R、方位角A、高度角EL）④进行GPS观测时，常常采用GPS卫星相对于测站的高度角、方位角来描述其在空间中的方位GlobalPositioningSystem11§2.1基本概念三．常用坐标系4.平面坐标系（格网坐标系）①在工程测量和地图绘制中，要将球面坐标转换为平面坐标，采用“投影”的方法来实现。②表示方法：x,y（平面坐标系下的坐标）③投影方法：等角投影（正形投影）一般采用高斯正形投影GlobalPositioningSystem12§2.2天球坐标系一．天球、天球坐标系为了确定卫星、宇宙飞船等在宇宙空间的位置和飞行状态，首先需要确定一个在宇宙空间可视为不变的参考系。于是，假设以地球的质心为球心，半径无穷大的球存在于宇宙空间，天文学中称之为天球。GlobalPositioningSystem13§2.2天球坐标系一．天球、天球坐标系GlobalPositioningSystem14§2.2天球坐标系一．天球、天球坐标系1.天球空间直角坐标系①坐标原点：地心M；②X轴：指向春分点；③Z轴：指向北天极；④Y轴：垂直XMZ轴，并构成右手坐标系。XZY天球赤道MSGlobalPositioningSystem15§2.2天球坐标系一．天球、天球坐标系2.天球球面坐标系①坐标原点：地心M；②赤经α：含天轴和春分点的天球子午面与过空间点S的天球子午面之间的夹角；③向径γ：原点M至空间点S的距离；④赤纬δ：原点M至空间点S的连线与天球赤道面之间的夹角rS天球赤道MGlobalPositioningSystem16§2.2天球坐标系二．岁差和章动、协议天球坐标系1.岁差和章动地球自转轴指向在空间不断摆动。GlobalPositioningSystem17§2.2天球坐标系二．岁差和章动、协议天球坐标系1.岁差和章动岁差是指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，使北天极绕北黄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50.371秒，其漂移周期大约为25800年。这种缓慢移动的北天极称为平北天极。GlobalPositioningSystem18§2.2天球坐标系二．岁差和章动、协议天球坐标系1.岁差和章动北天极除了均匀地每年西行以外,还要绕着平北天极做周期性的运动。其运动轨迹为一椭圆。该椭圆的半径为9.2″，周期为18.6年，这种周期性运动被称为章动。GlobalPositioningSystem19选择某一时刻作为标准历元，并将标准历元的瞬时北天极和真春分点作z轴和x轴的指向，这样建立的坐标系称为协议坐标系.1984年1月1日起，以2000年1月15日为标准历元。2.标准历元1.概念瞬时天球坐标系：z轴和x轴分别指向某观测历元的瞬时真北天极和真春分点的天球坐标系。顾及岁差和章动。平天球坐标系:z轴和x轴分别指向某观测历元的瞬时平北天极和瞬时平春分点的天球坐标系。仅顾及岁差，不顾及章动。协议天球坐标系:z轴和x轴分别指向2000年1月15日的瞬时平北天极和瞬时平春分点。3.几种天球坐标系的描述GlobalPositioningSystem20小结–天球：以地球质心为球心，以无穷大为半径的一个假想球体，与天球相比，地球可以看成是无限小的点。–天极：地球自转轴的延长线（也称天轴）与天球的两个交点，即北天极和南天极。–赤道面：通过地球质心且与天轴垂直的平面。–黄道：地球绕太阳公转的轨道面与天球相交的大圆。–春分点：黄道与天球赤道有两个交点，其中太阳的视位置由南向北通过赤道的交点。另外一点则称为秋分点。GlobalPositioningSystem21岁差、章动：由于日、月对地球非球形部分的摄动，地球自转轴在空间不断摆动产生两种运动。•岁差：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的现象。北天极以顺时针方向每年西移约50.371秒，周期大约为25800年，这种缓慢移动的北天极称为平北天极。•章动：在日月引力等因素的影响下，月球绕地球的运动轨道以及月球与地球之间的距离都在不断变化，将这时的北天极称为瞬时北天极。瞬时北天极绕平北天极沿椭圆轨迹进行旋转，这种现象称为章动。周期约为18.6年。GlobalPositioningSystem22§2.3地球坐标系一．地球坐标系地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的，比如，要描述飞机、舰船、地面车辆、大地测量观测站的位置，需要采用固连于地球上随同地球转动的坐标系，即地球坐标系作为参照系。地球坐标系有两种几何表达形式：地球直角坐标系、地球大地坐标系。GlobalPositioningSystem23§2.3地球坐标系一．地球坐标系1.地球直角坐标系①原点：与地球质心重合②Z轴：指向地球北极③X轴：指向地球赤道面和格林尼治子午圈的交点④Y轴：在赤道平面里与xoz构成右手系GlobalPositioningSystem24§2.3地球坐标系一．地球坐标系2.地球大地坐标系①坐标原点：与地球质心重合②椭球短轴：与地球自转轴重合③大地纬度：椭球法线与椭球赤道面夹角④大地经度：椭球子午面与起始子午面夹角⑤高度：沿椭球法线至椭球面的距离GlobalPositioningSystem25§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系1.极移①定义：地极在地球表面的位置随时间的推移会发生变化，这个现象叫做极移GlobalPositioningSystem26§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系1.极移②产生原因：地球并非是一个刚体，地球内部时刻在发生复杂的变化，而且地球的表面也有潮汐作用，地震、火山爆发等现象也会影响到地球形状。因此，地球自转轴在地球体内的位置也并非固定不变，地极在地球表面的位置随时间的推移会发生变化。GlobalPositioningSystem27§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系2.协议地球坐标系①产生原因：每个观测瞬时对应一个瞬时地极，瞬时地极对应一个瞬时坐标系，显然，瞬时坐标系在地球体中的指向时刻发生变化，这对于描述地球表面上某一点的位置显然是很不方便的。因此，需要找一个真正相对于地球固定的基准点，使地球坐标轴的指向这个固定点，而不再随时间变化。GlobalPositioningSystem28§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系2.协议地球坐标系国际天文学联合会和国际大地测量学协会规定了这个地极基准点，即国际协议原点CIO，协议地极叫做CTP，以此建立的地球坐标系称协议地球坐标系CTS，但它只是一个理论上的定义，要完全实现是不可能的，只能对其进行逼近。在实际应用中，采用的是国际时间局建立的协议地球坐标系BTS。随着BTS的不断完善，将会越来越接近于CTS。GlobalPositioningSystem29§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系2.协议地球坐标系由于理论发展水平和技术条件的限制，具体应用要求的不同，以及地球自身内部的变化，不同时期或不同机构所确定的地心、地极、本初子午线、参考椭球都不尽相同，因而据此所定义的地球参照系也不尽相同。这种情况不利于全球坐标参照系的统一，而且也会给一些全球性的应用造成不便。为了解决这些问题，建立了协议地球坐标系。GlobalPositioningSystem30§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系2.协议地球坐标系②定义：协议地球参照系是一个相对地球固定的地心系–其原点位于地球质心–Z轴指向协议地球极（CTP–ConventionalTerrestrialPole），CTP是在1900年-1905年期间地极的平均位置–X轴指向协议地球赤道（与CTP垂直）与格林尼治子午圈的交点–Y轴与Z、X轴构成右手系GlobalPositioningSystem31§2.3地球坐标系二．极移、协议地球坐标系2.协议地球坐标系WGS-841984年世界大地坐标系统，GPS内部所采用，广播星历基于此系统ITRS和ITRF国际大地测量界采用，IGS精密星历基于此系统GlobalPositioningSystem32§2.4WGS-84坐标系和我国大地坐标系一．1984年世界大地坐标系1.名称WorldGeodeticSystem1984–WGS84GlobalPositioningSystem33§2.4WGS-84坐标系和我国大地坐标系一．1984年世界大地坐标系2.建立①美国国防制图局（DMA，于1996年并入了美国国家影像制图局（NIMA））②20世纪80年代中期建立，1987年取代WGS-72GlobalPositioningSystem34§2.4WGS-84坐标系和我国大地坐标系一．1984年世界大地坐标系3.组成①一个全球地心参考框架–由美国军方（原来的DMA，现在的NIMA）的一个全球分布的跟踪站网所组成②一组相应的模型–地球重力场模型（EGM–EarthGravitationalModel）–WGS-84大地水准面（WGS-84Geoid）GlobalPositioningSystem35§2.4WGS-84坐标系和我国大地坐标系一．1984年世界大地坐标系4.用途GPS系统内部处理与位置有关信息GlobalPositioningSystem36§2.4WGS-84坐标系和我国大地坐标系一．1984年世界大地坐标系5.定义①Z轴与IERS参考极（IRP–IERSReferencePole）指向相同，该指向与历元1984.0的BIH协议地极（CTP–Conventi