2坐标系统时间系统

GPS测量原理及应用(二)主讲人：马福义GPS测量原理及应用第2章坐标系统和时间系统2.1天球坐标系与地球坐标系2.2WGS-84坐标系和我国大地坐标系2.3坐标系统之间的转换2.4时间系统GPS测量原理及应用2.1.1天球坐标系2.1.2大地坐标系2.1.3站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系2.1.4卫星测量中常用坐标系2.1天球坐标系与地球坐标系GPS测量原理及应用天球GPS测量原理及应用为了确定卫星、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。假设以地球的质心M为球心，半径为无穷大的球存在于宇宙空间，天文学中称之为天球。天球GPS测量原理及应用天球坐标系GPS测量原理及应用nPsPns天球黄道天球赤道M春分点天球坐标系nP天球赤道M春分点ZYXrS天球空间直角坐标系和天球球面坐标系GPS测量原理及应用同一天体S在天球直角坐标系下和天球球面坐标系下的表述,分别为（X,Y,Z）和，对同一位置的两种坐标描述是等价的，故有下列转换关系：(r,α,δ)coscoscossinsinXYrZ22222arctanarctanrXYZYXZXY或：天球坐标系GPS测量原理及应用岁差和章动GPS测量原理及应用岁差和章动在外力的作用下，地球的自转轴在空间的指向并不保持固定的方向，而是不断发生变化。其中地轴的长期运动称为岁差，而周期运动称为章动。岁差和章动引起天极和春分点位置相对恒星的变化。GPS测量原理及应用三种天球坐标系仅考虑岁差进动而略去章动影响的动坐标系即考虑岁差又考虑章动的动坐标系人为定义的不随时间变化的坐标系瞬时真天球坐标系以时间为参考瞬时平天球坐标系协议天球坐标系GPS测量原理及应用天球坐标系原点X轴1Z坐标系缩写标准历元平天球坐标系(CIS协议天球系)瞬时平赤道天球坐标系（MS）瞬时真赤道坐标系（ts）地心地心地心标准历元平天极瞬时平天极瞬时真天极平春分点瞬时平春分点瞬时真春分点IMt三种天球坐标系定义与缩写三种天球坐标系GPS测量原理及应用GPS卫星的参考系——WGS－84WGS84:WorldGeodeticSystem1984。WGS-84是一个地固坐标系，它的3个坐标轴指向与国际时间局（BIH）于1984年定义的地球参考系（BTS-84）完全一致，只是WGS-84的坐标原点相对BTS-84的坐标原点略有偏离。WGS84(G1674)isalignedtoITRF2008withthesameepochof2005.0.ThepurposeofthisalignmentistoensurescientificintegrityandfollowbestpracticesGPS坐标系GPS测量原理及应用WGS-84坐标系是美国84年在卫星大地测量的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量基准。Z轴指向1984北极，X轴指向1984格林威治子午线与赤道交点，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。由GPS卫星发布的星历参数是WGS-84坐标系的数据，故GPS测量时，先求得测站点的WGS-84坐标，再换算为当地使用的坐标。2.2.1WGS-84大地坐标系GPS测量原理及应用2)WGS-84世界大地坐标系WGS-84是CTS,坐标系的原点是地球的质心，Z轴指向BIH1984.0CTP方向，X轴指向BIH1984.0零子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。5个基本参数·a=6378137m·e2=0.0066943799013·GM=3986005×108m3s-2·C2,0=-484.16685×10-6·ω=7292115×10-11rad/sGPS测量原理及应用WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS卫星所发布的广播星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。WGS-84的坐标为：023:09:33.6274112:55:41.211962.536GPS测量原理及应用3)ITRS与ITRF国际地球自转服务IERS(InternationalEarthRotationService)1988年:IUGG+IAU→IERS（IBH+IPMS）IERS–维持国际天球参考系统(ICRS)和框架(ICRF)；–维持国际地球参考系统(ITRS)和框架(ITRF)；–提供及时准确的地球自转参数(EOP)。ICRS(F)=InternationalCelestrialreferencesystemITRS(F)=InternationalTerrestrialreferencesystemEOP=EarthOrbitParameterGPS测量原理及应用国际地球参考系统(ITRS)ITRS是一种协议地球参考系统(CTRS),定义为CTRS的原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；CTRS的长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；CTRS的定向Z轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；X轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系；CTRS的定向的随时演变满足地壳无整体旋转NNR条件的板块运动模型，坐标系统(续)-国际地球参系统ITRSGPS测量原理及应用19ITRF是ITRS的具体实现，是由IERS(InternationalEarthRotationService)中心局IERSCB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。自1988年起，IERS已经发布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球参考框架。ITRF是通过框架的定向、原点、尺度和框架时间演变基准的明确定义来实现的。，GPS测量原理及应用ITRF参考框架ITRF是国际地球自转服务局根据分布全球的地面观测站，以最先进的测量技术获得的数据确定的大地测量基准。是世界公认的精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍采用。但其日后必将代替WGS-84。IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多个地心参考框架，椭球参数与WGS-84相同，定向不同。官方网站：坐标框架简介GPS测量原理及应用2000国家大地坐标系GPS测量原理及应用经国务院批准，从2008年7月起，我国启用2000国家大地坐标系。GPS测量原理及应用我国新一代国家坐标系定名为2000国家大地坐标系，又称2000中国大地坐标系。英译：ChinaGeodeticCoordinateSystem，缩写：CGCS2000GPS测量原理及应用CGCS2000的定义CGCS2000符合IERS（国际地球旋转和参考系服务局）ITRS（国际地球参考系）的下列定义：原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；长度单位为米（SI），这一尺度与地心局部框架的TCG（地心坐标时）时间坐标一致；定向在1984.0时与国际时间局（BIH）定向一致；定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转（no-net-rotation）的条件保证。GPS测量原理及应用CGCS2000的定义•以上定义对应一个右手地固直角坐标系，它的原点和轴定义如下：原点在地球质量中心；Z轴指向IERS参考极方向；X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线；Y轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。•参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的Z轴重合。•正常椭球与参考椭球一致。GPS测量原理及应用CGCS2000：参考椭球YXZ地球质心IRM参考椭球IRPCGCS2000坐标系定义GPS测量原理及应用CGCS2000：参考椭球CGCS2000参考椭球的定义常数:•赤道半径：a=6378137m•扁率:f=1:298.257222101•地心引力常数：GM=3.986004418×1014m3s-2•旋转速度：ω=7.292115×10-5rads-1GPS测量原理及应用CGCS2000：参考椭球常数导出几何常数值b=6356752.3141m短半轴E=521854.00970025m线偏心率c=6399593.6259m极曲率半径e²=0.00669438002290第一偏心率平方e=0.081819191042816第一偏心率e´²=0.00673949677548第二偏心率平方e´=0.082094438151917第二偏心率f=0.00335281068118扁率b/a=0.996647189319轴比b/aQ=10001965.7293m子午圈一象限弧长V=1083207319783.546km3椭球体积S=510065621.718km2椭球表面积R1=6371008.7714m算术平均半径R2=6371007.1809m同面积之球的半径R3=6371000.7900m同体积之球的半径GPS测量原理及应用CGCS2000：参考椭球常数导出物理常数值U0=62636851.7149m2s-2椭球面正常位J2=0.1082629832258x10-22阶带谐系数J4=-0.2370911256141x10-54阶带谐系数J6=0.6083465258892x10-86阶带谐系数J8=-0.1426811009798x10-108阶带谐系数J10=0.1214393383343x10-1310阶带谐系数m=0.00344978650678m=ω2a2b/GMγe=9.7803253361ms-2赤道正常重力γp=9.8321849379ms-2极正常重力γ’=9.7976432224ms-2平均正常重力fg=0.00530244174137重力扁率k=0.00193185261931k=bγp/aγe-1M=5.97333196×1024kg地球质量（包括大气）GMbam/22GPS测量原理及应用CGCS2000的实现CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标和速度具体实现。参考历元为2000.0。2000国家GPS大地控制网是在测绘、地震和科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一个全国规模的GPS大地控制网，共包括2518点。坐标平均中误差：σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cmσB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm位置平均中误差：σP=2.13cmGPS测量原理及应用CGCS2000的实现2000国家GPS大地网GPS测量原理及应用CGCS2000与1954年北京坐标系的比较CGCS200椭球与1954年北京坐标系椭球的比较CGCS20001954年北京2000-1954性质地心局部28m-130m-95ma6378137m6378245m-108m1/f298.257222101298.3-0.042777899GPS测量原理及应用CGCS2000与1980西安坐标系的比较CGCS2000椭球与1980西安坐标系椭球的比较2000国家1980西安2000-1980西安性质地心局部约90ma6378137m6378140m-3m1/f298.25722