第二章坐标系统和时间系统2

第二章坐标系统和时间系统2.1天球坐标系2.2地球坐标系2.3WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.4时间系统1、了解参心坐标系的概念；2、熟悉我国所采用过的大地坐标系统；3、了解与参心坐标系建立相关的概念；4、了解地心坐标系建立的意义和方法；5、了解地心坐标系的参数；6、熟悉WGS－84大地坐标系统；7、了解天球坐标系建立的意义和方法；8、GPS时间系统。GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标系的特点GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量，常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。空间直角坐标系§2.1天球坐标系一、天球的基本概念天球――以地心为球心，以任意长为半径的球面。天轴――地球自转轴的延伸直线为天轴。天极――天轴与天球的交点Pn北天极Ps南天极称为天极。天球赤道面――过球心且与天轴垂直的平面。黄道面――地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5°。春分点――太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。二、天球坐标系的概念1）天球空间直角坐标系原点：地球质量中心Z轴：指向北天极PnX轴：指向春分点Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系2）天球球面坐标系原点：地球质量中心赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角向径r：天体到地心的距离三、空间直角坐标系与球面坐标系的转换四、协议天球坐标系1、产生岁差与章动的原因在日、月和其他天体引力作用产生力矩。从而使地球自转轴的方向在惯性空间缓慢地移动。可以将运动分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加。地球自转轴的长周期变化约25800年绕黄极一周。使春分点产生每年约50.26的长期变化，称之为日月岁差。一系列短日、月周期变化中幅值最大的约为9.2，周期为18.6年，这些短周期变化统称为章动。结果：自转轴绕着北黄极缓慢地旋转（天极运动）；春分点变化（黄道与赤道的交点）。天文学中把天极运动分解为：一种长周期运动――岁差；一种短周期运动――章动。协议天球坐标系（CIS）协议天球坐标系瞬时（真）天球坐标系间的关系进行岁差和章动改正天体坐标系§2.2地球坐标系统一、地球坐标系1、地球直角坐标系原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。2、地球大地坐标系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。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。二、直角坐标系与大地坐标系参数间的转换三、协议地球坐标系1、固定极地球坐标系与平地球坐标系（1）极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。产生原因：受到地球内质量不均匀影响而在地球体内部运动。（2）瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时极。（3）国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务站的资料，以球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。经度零点的问题早期的经度零点1884，美，华盛顿国际经度会议定义：通过英国Greenwich天文台Airy仪中心的子午线为全球统一的起始子午线。起始子午线与赤道的交点称为天文经度零点。受板块运动、局部地壳运动和极移的影响2、平地球坐标系取平地极为原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：转换公式3、瞬时极（真）天球坐标系与地球坐标系瞬时极（真）天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。瞬时极（真）地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤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，y轴构成右手坐标系取向。瞬时极天球坐标系与瞬时极地球坐标系的转换关系为：在GPS测量中，为确定地面点的位置，需要将GPS卫星在协议天球坐标系中的坐标转换为协议地球坐标系中的坐标，转换步骤为：协议天球坐标系――瞬时平天球坐标系――瞬时天球坐标系――瞬时地球坐标系――协议地球坐标系。4、协议天球坐标系到协议地球坐标系的转换思考题2.什么是岁差和章动?北天极在天球上是怎样运动的？§2.3WGS-84坐标系和我国大地坐标系§2.3WGS-84坐标系和我国大地坐标系一、参心坐标系地心坐标系：就是一个将椭球中心与地球质心重合，且与全球大地水准面最为密合的旋转椭球。为了研究局部球面的形状，且使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小；各个国家和地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密合的椭球建立坐标系。这样选定和建立的椭球称为参考椭球，对应的坐标系称为参心坐标系。显然，该坐标系的中心一般和地球质心不一致，所以参心坐标系又称为非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系，由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小，所以，参心坐标系至今对大地测量仍有重要作用。二、GPS坐标系在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。在GPS试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用了1972年世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem――WGS-72），1987年1月10日开始采用改进的大地坐标系统WGS-84。世界大地坐标系WGS属于协议地球坐标系CTS，WGS可看成CTS的近似系统。二、WGS―84坐标系1、WGS-84的定义WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0BIH1984.0定义的协定地球极（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。2、WGS-84椭球及其有关常数WGS-84采用的椭球是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，其四个基本参数（1）长半径：a6378137±2（m）；（2）地球引力常数：（3）正常化二阶带谐系数：（4）地球自转角速度：三、国家大地坐标系1、1954年北京坐标系（BJ54旧）原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在的问题：1.椭球参数有较大误差。2.参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。3.椭球定向不明确。4.该坐标系统的大地点坐标是经局部平差逐次得到的，全国天文大地控制点坐标值连不成一个统一的整体。2、1980年国家大地坐标系2、1980年国家大地坐标系大地原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。特点：参心大地坐标系采用1975年国际椭球。Z轴平行于地球地心指向1968.0（地极原点JYD）的方向大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面X轴在大地起始面内与Z轴垂直指向经度零方向。定向明确。大地原点地处我国中部。大地高程基准采用1956年黄海高程各基准的参数比较3、新1954年北京坐标系（BJ54新）新1954年北京坐标系是通过将1980年西安坐标系的三个定位参数平移至克拉索夫斯基椭球中心，长半径与扁率仍取克拉索夫斯基椭球几何参数。定位与1980年大地坐标系相同即大地原点相同，定向也与1980椭球相同。新1954年北京坐标系的精度和1980年坐标系精度相同，而坐标值与旧1954年北京坐标系的坐标接近。4、2000国家大地坐标系（CGCS2000）原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。长度单位：米，与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；定向：初始定向由1984.0时的BIH（国际时间局）定向给定；CGCS2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心；轴为国际地球自转局（IERS）参考极（IRP）方向，轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于轴的赤道面的交线，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。2000国家大地坐标系经国务院批准，根据《中华人民共和国测绘法》，中国自2008年7月1日起启用2000国家大地坐标系。为此，国家测绘局6月18日发布公告。公告同时对新旧坐标系的转换和使用作出说明：2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8至10年。2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。现有地理信息系统，在过渡期内应逐步转换到2000国家大地坐标系；2008年7月1日后新建设的地理信息系统应采用2000国家大地坐标系。2000国家大地坐标系（CGCS2000）2000国家大地坐标系（CGCS2000）椭球参数长半轴：地球（包括大气）引力常数：地球动力形状因子：地球自转速度：2000国家大地坐标系的必要性1.二维坐标系统。1980西安坐标系是经典大地测量成果的归算及其应