02 GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)及

1、二、二、GPS定位的坐標(biāo)系統(tǒng)定位的坐標(biāo)系統(tǒng) 及時(shí)間系統(tǒng)及時(shí)間系統(tǒng) 張廣馳 1 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 廣東工業(yè)大學(xué) 概述 位置需要在一個(gè)確定的坐標(biāo)系中描述 地面接收機(jī)位置隨地球自轉(zhuǎn)而變化；GPS衛(wèi) 星的運(yùn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。 在GPS定位中 先建立描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的慣性坐標(biāo)系； 再找出衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系與地面點(diǎn)所在坐標(biāo)系之 間的關(guān)系； 最終實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系之間的變換。 2 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 廣東工業(yè)大學(xué) 概述 天球坐標(biāo)系描述衛(wèi)星運(yùn)行位置和狀態(tài) 地球坐標(biāo)系描述地面點(diǎn)的位置 兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 時(shí)間系統(tǒng) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 3廣東工業(yè)大學(xué) 2.1 協(xié)議天球坐標(biāo)系 觀星 恒星從東方升起，到最高點(diǎn) （中天），然后

2、往西方落下 地球自西向東自轉(zhuǎn)引起 北極星 天軸指向的恒星 靜止不動(dòng) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 4 北極星 北極星相對(duì)與地面的高 度取決于觀測(cè)者所在地 的緯度 在北極，位于頭頂（天 頂）； 在北京，離地面40度； 在赤道，位于水平線； 在南半球，看不到。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 5 觀星 在北半球，北方、南方、東方的恒星運(yùn)動(dòng) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 6 天球（celestial sphere） 天上的恒星好像距離 我們一樣遠(yuǎn)（巨大圓 球球面上的投影） 天球，以地球質(zhì)心為 中心，半徑無(wú)窮大的 假想球體 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 7廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.1 天球的基本概

3、念 天軸 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸 直線 天極 天軸與天球的交點(diǎn) 北天極、南天極 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 8廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.1 天球的基本概念 天球赤道面 通過(guò)地球質(zhì)心，與 天軸垂直的平面； 與地球赤道面重合 重要基準(zhǔn)面 天球赤道 天球赤道面與天球 相交的圓 半徑無(wú)窮大 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 9廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.1 天球的基本概念 天球子午面 包含天軸的平面 天球子午圈 天球子午面與天球 相交的圓 半徑無(wú)窮大 時(shí)圈 通過(guò)天軸的平面與 天球相交的半個(gè)大 圓 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 10廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.1 天球的基本概念 黃道（Ecliptic） 地球上觀測(cè)者見(jiàn)到 的太陽(yáng)在天球上運(yùn) 動(dòng)的軌跡。

4、 黃赤交角：黃道面 與赤道面的夾角， 約23.5度 黃極：通過(guò)天球中 心，垂直于黃道面 的直線與天球的交 點(diǎn) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 11廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.1 天球的基本概念 春分點(diǎn) 當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從 天球南半球向北半 球運(yùn)行時(shí)，黃道與 天球赤道的交點(diǎn)。 建立天球坐標(biāo)系的 重要基準(zhǔn)點(diǎn)。 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 12廣東工業(yè)大學(xué) 2.1.2 天球坐標(biāo)系 要表示天體s（在本課程中指人造衛(wèi)星）的 位置，在天球坐標(biāo)系中，可以分別用兩種 形式： 天球空間直角坐標(biāo)系 天球球面坐標(biāo)系 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 13廣東工業(yè)大學(xué) 天球空間直角坐標(biāo)系 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M z軸指向天球的北極 x軸指向春分點(diǎn) y軸垂直

5、于xMz平面（赤 道面），與x軸、z軸構(gòu)成 右手坐標(biāo)系統(tǒng)【右圖】 天體s的坐標(biāo)表示為(x,y,z) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 14 天球球面坐標(biāo)系 天體s的坐標(biāo)表示為(,r) 表示赤經(jīng)； 表示赤緯； R表示向徑，即原點(diǎn) 至天體的距離。 注意： 恒星：采用赤經(jīng)和赤緯表示 人造地球衛(wèi)星：采用赤經(jīng)、赤緯和距離r表示 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 15 天球球面坐標(biāo)系 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 16廣東工業(yè)大學(xué) 赤經(jīng)（Right ascension） 過(guò)春分點(diǎn)的天球子 午面與過(guò)天體s的天 球子午面之間的夾 角 功用與地理座標(biāo)中 的經(jīng)度相同 赤經(jīng)的零點(diǎn)是春分 點(diǎn)（經(jīng)度的零點(diǎn)是 本初子午線）

6、天球球面坐標(biāo)系 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 17廣東工業(yè)大學(xué) 赤緯（Declination） 原點(diǎn)M至天體s的連線 與天球赤道面之間的 夾角 赤緯與地球上的緯度 相似，是緯度在天球 上的投影 天赤道為0度，天北半 球的赤緯度數(shù)為正數(shù) ，天南半球的度數(shù)為 負(fù)數(shù)。天北極為+90， 天南極為-90。 兩種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系 球面坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 18 coscos cossin sin x yr z 兩種坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系 直角坐標(biāo)系球面坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 19 222 22 arctan arctan rxyz y x z xy 2.1.3 歲差與

7、章動(dòng)的影響 天球坐標(biāo)系統(tǒng)的建立的基礎(chǔ)： 地球是均勻質(zhì)地的球體； 沒(méi)有其他天體攝動(dòng)力的影響。 即假定： 地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向是固定的，即春分 點(diǎn)在天球的位置保持不變。 實(shí)際情況并非如此 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 20 歲差（precession） 地球自轉(zhuǎn)軸方向不是保持不變的，使得春分 點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移，這就是歲差現(xiàn) 象。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 21 歲差 歲差的成因：地球并不是完美的均勻球體 ，太陽(yáng)、月亮以及其他天體的引力對(duì)地球 的隆起部分作用。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 22 地球的實(shí)際形狀 歲差現(xiàn)象的數(shù)值表現(xiàn) 北天極繞黃北極以順時(shí)針 緩慢旋轉(zhuǎn)。

8、圓錐角半徑為 23.5度。北天極每年西移 50.71”，周期為25800年。 天軸指向變化，北極星的 身份也會(huì)變化： 目前，勾陳一 3000年前，天龍座的右樞 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 23 歲差 在僅考慮歲差效應(yīng)的情況下 北天極被稱為瞬時(shí)平北天極（簡(jiǎn)稱平北天極） 天球赤道瞬時(shí)天球平赤道 春分點(diǎn)瞬時(shí)平春分點(diǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 24 章動(dòng)（nutation） 在地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，軸 在進(jìn)動(dòng)(歲差)中的一種輕微 不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使自轉(zhuǎn)軸在 方向的改變中出現(xiàn)如“點(diǎn)頭” 般的搖晃現(xiàn)象 起因：在太陽(yáng)等行星引力 影響下，月球運(yùn)行軌道以 及地月間距離的變化。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位

9、技術(shù)與應(yīng)用 25 傾斜的地球自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)，歲差歲差和章動(dòng)章動(dòng) 章動(dòng) 數(shù)值： 周期約為18.6年 同時(shí)考慮歲差和章動(dòng)的綜合影響： 北天極瞬時(shí)北天極（真北天極） 天球赤道瞬時(shí)天球赤道（真天球赤道） 春分點(diǎn)瞬時(shí)春分點(diǎn)（真春分點(diǎn)） 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 26 2.1.4 協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義及變換 因?yàn)榇嬖跉q差和章動(dòng)，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系是 非慣性的，不能直接使用牛頓力學(xué)定律研 究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 選擇某一時(shí)刻作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，建立慣性坐 標(biāo)系。 歷元：在天文學(xué)中是為指定天球坐標(biāo)而規(guī)定的 某一特定時(shí)刻。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 27 協(xié)議天球坐標(biāo)系 協(xié)議天球坐標(biāo)系 經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時(shí)刻

10、的平天球坐標(biāo)系 天體的星歷通常是用該坐標(biāo)系表示 現(xiàn)在使用的協(xié)議天球坐標(biāo)系 國(guó)際大地測(cè)量協(xié)會(huì)和國(guó)際天文協(xié)議聯(lián)合會(huì)確定從 1984年1月1日起采用 為2000年1月15日12h（J2000.0）的平天球坐標(biāo)系 Z軸指向J2000.0的平北天極 X軸指向J2000.0的平春分點(diǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 28 協(xié)議天球坐標(biāo)系的變換 要將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到 觀測(cè)歷元t的瞬時(shí)天球坐標(biāo)，可以分兩步 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 29 J2000.0的平 天球坐標(biāo)（協(xié) 議天球坐標(biāo)） 特定時(shí)刻 的平天球 坐標(biāo) 特定時(shí)刻 的真天球 坐標(biāo) 歲差旋轉(zhuǎn)章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)（Givens

11、） 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 30 cossin sincos xx yy cossin0 sincos0 001 ( ) z xx yy zz x Ry z 歲差旋轉(zhuǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 31 zyz MTCTS xx yRy zz ()( )() zyzzyz RRz RR cossin0 ()sincos0 001 z zz Rzzz 歲差旋轉(zhuǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 32 cossin0 ()sincos0 001 z R cos0sin ( )010 sin0cos y R 其中，z,分別是與歲差有關(guān)的旋轉(zhuǎn)角，計(jì)算需要使用儒 略歷。 儒略歷（Ju

12、lian calendar） 是現(xiàn)今國(guó)際通用的公歷的前身。西方國(guó)家16 世紀(jì)大多采用它。公元前46年，羅馬統(tǒng)帥儒 略凱撒在數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家索西琴尼的幫助 下制訂的，并在公元前46年1月1日起執(zhí)行實(shí) 行，取代舊羅馬歷法。 它將全年分設(shè)為12個(gè)月，單數(shù)月是大月，長(zhǎng) 31日，雙月是小月，長(zhǎng)為30日，只有2月平 年是28日，閏年29日。每年設(shè)365日，每四 年一閏，閏年366日，每年平均長(zhǎng)度是 365.25日。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 33 章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 34 xzx TMT xx yRy zz ()()( ) xzxxzx RRRR 100 ()0cos(

13、)sin() 0sin()cos() x R 章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 35 100 ( )0cos( )sin( ) 0sin( )cos( ) x R cos()sin()0 ()sin()cos()0 001 z R 其中，分別為黃赤交角、交角章動(dòng)、黃經(jīng)章動(dòng)。 最終的轉(zhuǎn)換方式 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 36 xzxzyz TCTS xx yRRy zz J2000.0的平 天球坐標(biāo)（協(xié) 議天球坐標(biāo)） 特定時(shí)刻 的平天球 坐標(biāo) 特定時(shí)刻 的真天球 坐標(biāo) 歲差旋轉(zhuǎn)章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系 2.2.1 地球坐標(biāo)系 地球上的固定點(diǎn)在天球坐 標(biāo)系中將隨著地球的

14、自轉(zhuǎn) 而變化，不方便 使用地球坐標(biāo)系描述地面 固定點(diǎn)的位置，方便 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 37 地球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式 地球空間直角坐標(biāo)系 原點(diǎn)O與地心重合 Z軸指向地球北極 X軸指向格林尼治子午面 與地球赤道交點(diǎn)E Y軸垂直于XOZ平面，構(gòu)成 右手坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 38 地球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式 地球大地坐標(biāo)系 地球橢球的中心與地球質(zhì) 心重合；橢球短軸與地球 自轉(zhuǎn)軸重合 大地緯度B為過(guò)地面點(diǎn)的 法線與赤道面的夾角；大 地經(jīng)度L為過(guò)地面點(diǎn)的橢球 子午面與格林尼治子午面 之間的夾角；大地高H為 地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球 面的距離 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)

15、與應(yīng)用 39 兩種坐標(biāo)系的換算 大地坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系 N為橢球的卯酉圈曲率半徑，e為橢球的第一偏 心率。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 40 2 ()coscos ()cossin (1)sin XNHBL YNHBL ZNeHB 相關(guān)參數(shù)的計(jì)算 其中a、b分別為橢球的長(zhǎng)半徑和短半徑。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 41 22 1sin a N eB 22 2 2 ab e a 卯酉圈：過(guò)P的法線， 作與該點(diǎn)子午面相垂直 的法截面同橢球面相截 形成的閉合的圈 兩種坐標(biāo)系的換算 直角坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 42 2 sin arctan tan1 arc

16、tan cos cos aeB B ZW Y L X R HN B 22 222 arctan Z XY RXYZ 其中： 2.2.2 極移與協(xié)議地球坐標(biāo)系 極移：地球自轉(zhuǎn)軸受地球內(nèi)部質(zhì)量不均勻 影響而在地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。 極移現(xiàn)象：地極點(diǎn)在地球表面的位置隨時(shí) 間而變化。 成因：地核、地幔和部分水體的重分配， 格陵蘭冰床融解和對(duì)地殼均衡的反彈，即 過(guò)去承擔(dān)冰川或冰床的土地緩慢上升。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 43 極移 極移包含兩種周期性變化 周期約為1年，振幅約為0.1”的變化； 周期約為432天，振幅約為0.2”的變化張德 勒（S. C. Chandler）周期變化。 觀測(cè)瞬間，地球

17、自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為 瞬間地球自轉(zhuǎn)軸，相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極 。 用平面直角坐標(biāo)系來(lái)表示地極的瞬時(shí)位置 。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 44 極移軌跡 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 45 協(xié)議地球坐標(biāo)系 以19001905年的平均緯度所確定的平均 地極位置坐基準(zhǔn)點(diǎn)，稱其為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn) （CIO），相對(duì)應(yīng)的地球赤道面稱為協(xié)議赤 道面。 實(shí)際應(yīng)用中，采用國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO作為協(xié) 議地極（CTO） 以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，稱為 協(xié)議地球坐標(biāo)系。 與瞬時(shí)極對(duì)應(yīng)的地球坐標(biāo)系，稱為瞬時(shí)地 球坐標(biāo)系。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 46 協(xié)議坐標(biāo)系與瞬時(shí)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 地極的瞬時(shí)坐

18、標(biāo)(xP, yP) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 47 CTST XX YM Y ZZ ()() ypxp MRxRy 2.3 協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 地球坐標(biāo)系和天球坐標(biāo)系 的關(guān)系： 兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球 的質(zhì)心； 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的z軸與瞬 時(shí)地球坐標(biāo)系的Z軸指向一 致； 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系x軸與瞬時(shí) 地球坐標(biāo)系的X軸的夾角為 春分點(diǎn)的格林尼治恒星時(shí)（ GAST）。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 48 zc xc yc x y (z) O SG SG 圖中，(x,y,z)為地球坐標(biāo)系坐標(biāo)， (xc,yc,zc)為天球坐標(biāo)系坐標(biāo) 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的基本思想 廣東工業(yè)大學(xué)

19、GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 49 協(xié)議天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)地球坐標(biāo)系 協(xié)議地球坐標(biāo)系 歲差、章動(dòng)旋轉(zhuǎn) 旋轉(zhuǎn)真春分點(diǎn)時(shí)角 極移旋轉(zhuǎn) 坐標(biāo)變換 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 50 xzxzyz TCTS xx yRRy zz () z TT Xx YR GASTy Zz 協(xié)議天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)地球坐標(biāo)系 協(xié)議地球坐標(biāo)系 歲差、章動(dòng)轉(zhuǎn)換： 旋轉(zhuǎn)春分點(diǎn)時(shí)角： 坐標(biāo)變換 極移旋轉(zhuǎn) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 51 ()() ypxp CTST XX YRxRyY ZZ 協(xié)議天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)地球坐標(biāo)系 協(xié)議地球坐標(biāo)系 坐標(biāo)變換 最終的變換關(guān)系 廣東工業(yè)大學(xué)

20、 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 52 yxzxzxzyz CTSCTS Xx YRRRy Zz ()()() yxzypxpz RRxRyR GAST 2.12.3 作業(yè) P.37 習(xí)題1、2 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 53 2.4 國(guó)家坐標(biāo)系與地方坐標(biāo)系 橢球定位的概念 大地坐標(biāo)系是建立在一定的大地基準(zhǔn)上的用于 表達(dá)地球表面空間位置及其相對(duì)關(guān)系的數(shù)學(xué)參 照系； 大地基準(zhǔn)是指能夠最佳擬合地球形狀的地球橢 球的參數(shù)及橢球定位。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 54 橢球定位的概念 橢球定位是指確定橢球中心的位置,可分為 兩類:局部定位和地心定位。 局部定位要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)

21、面有最佳的符合,而對(duì)橢球的中心位置無(wú)特殊要 求； 地心定位要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn) 面有最佳的符合,同時(shí)要求橢球中心與地球質(zhì)心 一致或最為接近。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 55 參考橢球和總地球橢球 具有確定參數(shù)(長(zhǎng)半徑a和扁率),經(jīng)過(guò)局部定 位和定向,同某一地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳擬合 的地球橢球,叫做參考橢球。 在確定橢球參數(shù)時(shí)能使它在全球范圍內(nèi)與 大地體最密合的地球橢球,叫做總地球橢球 。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 56 大地坐標(biāo)系的類型 參心坐標(biāo)系：以參考橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo)系 地心坐標(biāo)系：以總地球橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo) 系。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 57 參考

22、橢球定位的實(shí)現(xiàn)方法 選擇或求定橢球的幾 何參數(shù)（長(zhǎng)短半徑） ； 確定橢球中心位置（ 定位）； 確定橢球短軸的指向 （定向）； 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 58 2.4.1 地球參心坐標(biāo)系 原點(diǎn)位于參考橢球的中心位置 中心一般不會(huì)與地球質(zhì)心相重合 參心直角坐標(biāo)系的具體定義： 原點(diǎn)：參考橢球中心OT； ZT軸平行于參考橢球旋轉(zhuǎn)軸； XT軸指向起始大地子午面與參考橢圓赤道的交 點(diǎn)； YT軸垂直與XTOTZT平面，構(gòu)成右手坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 59 2.4.1 地球參心坐標(biāo)系 參心大地坐標(biāo)系 坐標(biāo)(B,L,H)T 參心坐標(biāo)系和協(xié)議坐標(biāo) 系之間的轉(zhuǎn)換是GPS定位 的重要問(wèn)題

23、。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 60 參心坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系的 轉(zhuǎn)換 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 61 0 0 0 ( ) CTST XXX YYRY ZZZ 321 ( )()()() zyx RRRR 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 62 35 sin 3!5! xx xxx 24 cos11 2!4! xx x 3 cossin010 ()sincos010 001001 zzz zzzz R 2 cos0sin10 ()010010 sin0cos01 yyy y yyy R 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 63 1 100100 ()0cossin01 0

24、sincos01 xxxx xxx R 321 1 ()()()1 1 1 1 1 zxyyxz zyxzxyzxyz yx zy zx yx RRR 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 64 1 ( )1 1 zy zx yx R 布爾沙-沃爾夫（Bursa-Wolf）模型： 0 0 0 (1) ( ) CTST XXX YYm RY ZZZ 尺度因子 2.4.2 站心坐標(biāo)系 以測(cè)量站為原點(diǎn)的坐標(biāo)系。 站心直角坐標(biāo)系 測(cè)量站的橢球法線方向?yàn)閦軸； 測(cè)站大地子午線北端與地平線的 交線為x軸； 平行圈與地平面的交線為y軸； 左手坐標(biāo)系。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 65 站心坐標(biāo)系 空間

25、任意一點(diǎn)Q相對(duì)于P的 位置可通過(guò)地面觀測(cè)量- 空間距離d、大地方位角 和天頂距z來(lái)確定 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 66 cossin sinsin cos PQ xdz ydz zdz 站心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 x軸方向轉(zhuǎn)換180度，即左 乘變換矩陣R-x 坐標(biāo)系繞z軸旋轉(zhuǎn)，即左 乘矩陣Rz() 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 67 100 010 001 x R cossin0 ( )sincos0 001 z R 站心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系繞y軸轉(zhuǎn)90-，即左乘矩陣Ry(90-) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 68 cos()0sin() 22 ()010

26、 2 sin()0cos() 22 sin0cos 010 cos0sin y R 站心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 坐標(biāo)系平移 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 69 ()( ) 2 yzx QPPQ XXx YYRRRy ZZz 站心坐標(biāo)系向地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 70 sincossincoscos sinsincoscossin cos0sin QPPQ XXx YYy ZZz 2.4.3 國(guó)家大地坐標(biāo)系 均為參心坐標(biāo)系 1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊） 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 長(zhǎng)半軸6378245m；扁率1/298.3； 坐標(biāo)原點(diǎn)：前蘇聯(lián)的普爾科沃

27、。 平差方法：分區(qū)分期局部平差。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 71 1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊） 不足之處： 橢球參數(shù)有較大誤差：克拉索夫斯基橢球，與 現(xiàn)代值相差較大； 參考橢球面與我國(guó)大地水準(zhǔn)面存在著自西向東 明顯的系統(tǒng)性傾斜； 幾何大地測(cè)量和物理大地測(cè)量應(yīng)用的參考面不 統(tǒng)一； 定向不明； 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 72 1980年西安坐標(biāo)系（GDZ80） 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。 參考橢球：1975年國(guó)際橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 特點(diǎn)： 采用1975年國(guó)際橢球； 參心大地坐標(biāo)系是在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上 建立起來(lái)的； 橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我

28、國(guó)境內(nèi)最為密合， 是多點(diǎn)定位。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 73 1980年西安坐標(biāo)系（GDZ80） 定向明確； 大地原點(diǎn)地處我國(guó)中部； 大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程。 存在問(wèn)題： 是局部基準(zhǔn)而非全球基準(zhǔn)； 二維坐標(biāo)系，不適合衛(wèi)星定位。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 74 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新） 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新）是由1980年 西安坐標(biāo)（GDZ80）轉(zhuǎn)換得來(lái)的。 坐標(biāo)原點(diǎn)：陜西省涇陽(yáng)縣永樂(lè)鎮(zhèn)。 參考橢球：克拉索夫斯基橢球。 平差方法：天文大地網(wǎng)整體平差。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 75 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新） 特點(diǎn)

29、： 采用克拉索夫斯基橢球； 是綜合GDZ80和BJ54舊 建立起來(lái)的參心坐標(biāo)系； 采用多點(diǎn)定位。但橢球面與大地水準(zhǔn)面在我國(guó)境 內(nèi)不是最佳擬合； 定向明確； 大地原點(diǎn)與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同； 大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程； 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 76 新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新） 與BJ54舊 相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定 位相近，但定向不同； BJ54舊 與BJ54新 無(wú)全國(guó)統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換參數(shù)，只能 進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 77 2.4.4 獨(dú)立坐標(biāo)系 在我國(guó)許多局部城市范圍內(nèi)，如果使用國(guó) 家坐標(biāo)系，會(huì)因?yàn)檫h(yuǎn)離中央子午線或測(cè)

30、區(qū) 平均高程較大，導(dǎo)致長(zhǎng)度投影形變較大， 難以滿足實(shí)際應(yīng)用中的精度要求，因此需 要建立并使用適合本地區(qū)的地方獨(dú)立坐標(biāo) 系。 參考橢球的中心、軸向和扁率和國(guó)家參考 橢球相同，橢球半徑增大。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 78 2.4.5 高斯平面直角坐標(biāo)系與UTM 坐標(biāo)系 在工程上，需要將橢球面上各點(diǎn)的大地坐 標(biāo)按照一定的規(guī)律投影到平面上，以相應(yīng) 的直角坐標(biāo)表示。 高斯投影 UTM投影 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 79 高斯投影 高斯-克呂格爾投影：它的理論是德國(guó)的高 斯于1822年提出的，后經(jīng)德國(guó)的克呂格爾 于1912年加以擴(kuò)充而完善。 高斯克呂格爾投影屬于橫軸切圓柱正形 投影。

31、可以設(shè)想將截面為橢圓的一個(gè)圓柱 體面套在地球橢球的外面 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 80 高斯投影 圓柱的中心軸EE在赤道面 內(nèi)，圓柱面同橢球面相切 在中央子午線上。 將中央子午線東、西各一 定經(jīng)度范圍內(nèi)的地區(qū)投影 到圓柱面上，然后將該圓 柱面展開(kāi)成一平面，就得 出中央子午線兩側(cè)的一部 分地區(qū)在平面上的投影 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 81 高斯投影 投影變形過(guò)大,對(duì)應(yīng)用和計(jì)算都 會(huì)帶來(lái)許多不便為了限制這種 投影變形，克呂格爾提出將地 球橢球面按子午線劃分成適當(dāng) 個(gè)數(shù)的投影帶,每一投影帶采用 各自獨(dú)立的高斯平面坐標(biāo)系 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 82 高斯投影 高斯投影

32、正算 (2-25) 橢球面高斯平面 (B, L)(x, y) 高斯投影反算 (2-27) 高斯平面橢球面 (x, y)(B, L) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 83 UTM投影 UNIVERSAL TRANSVRSE MERCATOL PROJECTION （通用橫軸莫卡托投影） 它同高斯-克呂格爾投影的差別僅在于中央 子午線的長(zhǎng)度變形不是1，而是0.9996。 UTM投影帶中的兩條標(biāo)準(zhǔn)線在中央子午線 東、西各約 180公里處，這兩條標(biāo)準(zhǔn)線上沒(méi) 有任何變形，離開(kāi)這兩條線愈遠(yuǎn)變形愈大 。在這兩條線之內(nèi)長(zhǎng)度縮小，兩線之外長(zhǎng) 度放大。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 84 UTM投影 U

33、TM投影應(yīng)用比較廣泛，目前世界上已有 100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用這種投影作為南緯 80至北緯84的地區(qū)中測(cè)制地形圖的數(shù)學(xué)基 礎(chǔ)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 85 2.5 WGS-84坐標(biāo)系 GPS中所使用的標(biāo)準(zhǔn)地球物理模型是美國(guó)國(guó) 防部的WGS-84。 WGS：world geodetic system 在GPS試驗(yàn)階段，使用WGS-72；從1987年1 月10日開(kāi)始采用WGS-84。 為了確定地面觀測(cè)站的位置，GPS衛(wèi)星的瞬 間位置也應(yīng)換算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)（ WGS-84）中。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 86 WGS-84坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系的原點(diǎn)在地球質(zhì)心 ，Z

34、軸指向BIH1984.0定義的協(xié)定地 球極（CTP）方向，X軸指向 BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道 的交點(diǎn)，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐 標(biāo)系。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 87 國(guó)際時(shí)間局BIH Bureau International de lHeure (BIH) 【英文 International Time Bureau】 位于法國(guó)的巴黎天文臺(tái)，主要工作是收集和處 理世界上各天文臺(tái)對(duì)世界時(shí)和經(jīng)緯度測(cè)量的結(jié) 果，為世界各個(gè)國(guó)家的授時(shí)中心提供精確的世 界時(shí)，主持世界各地天文臺(tái)的經(jīng)度聯(lián)測(cè)工作， 提供國(guó)際原子時(shí)和協(xié)調(diào)世界時(shí)的服務(wù)。 1987年該組織撤銷，其工作由國(guó)際度量衡局（

35、BIPM）和國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)（IERS） 接管。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 88 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù) WGS-84采用的橢球是國(guó)際大地測(cè)量與地球 物理聯(lián)合會(huì)第17屆大會(huì)大地測(cè)量常數(shù)推薦 值，其四個(gè)基本參數(shù) 長(zhǎng)半徑：a=63781372（m）； 地球引力常數(shù)： GM=3986005108m3/s20.6108m3/s2； 正?；A帶諧系數(shù)： C2.0= -484.1668510-60.610-6； 地球自轉(zhuǎn)角速度： =729211510-11rad/s0.15010-11rad/s 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 89 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù) 利用上述4個(gè)

36、基本參數(shù)，可以計(jì)算出橢球的 其他參數(shù)： 地球位展開(kāi)式球諧函數(shù)系數(shù) 第一偏心率平方 第二偏心率 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 90 6 22.0 51082.63 10JC 2 0.00669437999013e 2 0.0820944379496 1 e e e WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù) 橢球短半軸 橢球扁率 極曲率半徑 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 91 2 16356752.3142baem 1 298.257223563 ab f a 2 6399593.6258 a cm b 2.6 時(shí)間系統(tǒng) 2.6.1 時(shí)間的概念 在GPS定位中時(shí)間系統(tǒng)的意義：時(shí)間系統(tǒng)是 精確描述天

37、體和人造天體運(yùn)行位置及其相 互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是人類利用衛(wèi)星進(jìn) 行定位的重要基準(zhǔn)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 92 GPS中時(shí)間系統(tǒng)的重要意義 因?yàn)镚PS衛(wèi)星的位置是不斷變化的，所以給 出衛(wèi)星運(yùn)行位置的同時(shí)，必須給出相應(yīng)的 時(shí)刻。要求位置誤差小于1cm，時(shí)刻誤差應(yīng) 小于2.610-6s。 要精確測(cè)定衛(wèi)星至觀測(cè)站的距離，必須精 確測(cè)定信號(hào)的傳播時(shí)間。要求距離誤差小 于1cm，信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定誤差，應(yīng)不超 過(guò)310-11s。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 93 GPS中時(shí)間系統(tǒng)的重要意義 在天球坐標(biāo)系中，地球上點(diǎn)的位置是不斷 變化的，若要求赤道上一點(diǎn)的位置誤差不 超過(guò)1cm，時(shí)

38、間的測(cè)定誤差應(yīng)小于210-5s。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 94 時(shí)間的概念 時(shí)間是宇宙事件順序的度量、描計(jì)。 時(shí)間不是自變量，而是因變量，它是隨宇宙 的變化而變化。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 95 時(shí)間的概念 時(shí)間包含有“時(shí)刻”和“時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。 時(shí)刻：發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。 在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，獲得數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻 稱為歷元。 時(shí)間間隔：發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過(guò)程， 是這一過(guò)程始末的時(shí)刻之差。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 96 時(shí)間的概念 對(duì)時(shí)刻的測(cè)量絕對(duì)時(shí)間測(cè)量。 對(duì)時(shí)間間隔的測(cè)量相對(duì)時(shí)間測(cè)量。 時(shí)間測(cè)量的基準(zhǔn)： 測(cè)量的尺度（時(shí)間的單位是什么？）（關(guān)鍵） 測(cè)

39、量的原點(diǎn)（時(shí)間的起始點(diǎn)是什么？） 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 97 時(shí)間的基準(zhǔn) 任意周期運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，只要符合下列條件， 可以用來(lái)確定時(shí)間基準(zhǔn)： 運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的，周期性的； 運(yùn)動(dòng)的周期具有充分的穩(wěn)定性； 運(yùn)動(dòng)的周期具有復(fù)現(xiàn)性，即在任何時(shí)間、地點(diǎn) ，都可以通過(guò)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)這種周期性運(yùn) 動(dòng)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 98 GPS常用的時(shí)間系統(tǒng) 世界時(shí)； 原子時(shí)； 力學(xué)時(shí)； 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 99 2.6.2 世界時(shí)系統(tǒng) 世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時(shí) 間系統(tǒng)。 在GPS中，世界時(shí)主要用于天球坐標(biāo)系和地 球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換（見(jiàn)2.3節(jié)）。 在

40、觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于所選的空間 參考點(diǎn)不同，世界時(shí)系統(tǒng)可以分為 恒星時(shí) 平太陽(yáng)時(shí) 世界時(shí) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 100 恒星時(shí)（sidereal time，ST） 恒星時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基 礎(chǔ)，并與地球自轉(zhuǎn)角度相 對(duì)應(yīng)的時(shí)間系統(tǒng)。 恒星日 春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)本地子 午圈的時(shí)間間隔為一恒星日 可以理解為：恒星相繼兩次 上中天所經(jīng)歷的時(shí)間間隔 等于23時(shí)56分4.09秒平太陽(yáng) 時(shí) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 101 恒星時(shí) 恒星時(shí) 由春分點(diǎn)的周日視 運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間 ，稱為恒星時(shí) 一個(gè)恒星日含有24 個(gè)恒星時(shí) 恒星時(shí)在數(shù)值上等 于春分點(diǎn)相對(duì)于本 地子午圈的時(shí)角 廣東工業(yè)大學(xué)

41、 GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 102 周日視運(yùn)動(dòng) 周日視運(yùn)動(dòng)，是描述地球 上的觀測(cè)者每天觀測(cè)到天 空上的天體明顯的視運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)。這由于地球繞軸自 轉(zhuǎn)，使得所有天體都繞著 這個(gè)軸作圓周運(yùn)動(dòng)，這個(gè) 圓圈稱周日圈周日圈，完成一圈 運(yùn)動(dòng)需時(shí)一整個(gè)恒星日。 而日、月之東升西落也是 周日運(yùn)動(dòng)之體現(xiàn)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 103 時(shí)角（HA） 一個(gè)天體的時(shí)角表示該天體是否通過(guò)了當(dāng) 地的子午圈（中天）。其數(shù)值則表示了該 天體與當(dāng)?shù)刈游缛Φ慕蔷嚯x，并借用時(shí)間 的單位，以小時(shí)來(lái)計(jì)量（1HA = 15度）。例 如，一個(gè)天體的時(shí)角是2.5HA，就表示他已 經(jīng)在2.5個(gè)小時(shí)之前通過(guò)當(dāng)?shù)氐淖游缛?，?且在當(dāng)?shù)刈?/p>

42、午圈的西方37.5度的距離上。負(fù) 數(shù)則表示在多少小時(shí)之后將通過(guò)當(dāng)?shù)氐淖?午圈。當(dāng)然，當(dāng)時(shí)角為0時(shí)的意思就是這個(gè) 天體就在當(dāng)?shù)氐淖游缛ι稀?廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 104 恒星時(shí) 恒星時(shí)是以春分點(diǎn)通過(guò)本地子午圈的時(shí)刻 作為原點(diǎn)計(jì)算的，同一瞬間對(duì)不同測(cè)站的 恒星時(shí)不同，所以恒星時(shí)具有地方性，也 稱為地方恒星時(shí)。 由于存在歲差和章動(dòng)，地球自轉(zhuǎn)軸的指向 是變化的，即春分點(diǎn)的位置是變化的，所 以恒星時(shí)分為真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 105 太陽(yáng)時(shí)（ solar time） 在順行軌道上的行星， 像是地球，恒星日會(huì)比 太陽(yáng)日短。如圖：在時(shí) 間1，一顆遙遠(yuǎn)的恒星和

43、太陽(yáng)都在正上方；在時(shí) 間2，行星轉(zhuǎn)了360，遙 遠(yuǎn)的恒星在正上方（ 12 =恒星日），在時(shí)間 3的位置上太陽(yáng)才會(huì)在正 上方（13 =太陽(yáng)日）。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 106 太陽(yáng)日 太陽(yáng)日是依據(jù)太陽(yáng)運(yùn) 動(dòng)，所定義的時(shí)間， 可以分為視太陽(yáng)日和 平太陽(yáng)日。 一個(gè)太陽(yáng)日在口語(yǔ)中 俗稱一個(gè)晝夜。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 107 視太陽(yáng)日 視太陽(yáng)日（也叫真太陽(yáng)日 ）是依據(jù)視太陽(yáng)定義的， 也就是真實(shí)的太陽(yáng)兩次經(jīng) 過(guò)該地的子午線的時(shí)間間 隔，可以使用日晷來(lái)測(cè)量 。 日晷（gu）是使用太陽(yáng) 的位置來(lái)測(cè)量時(shí)間的一種 設(shè)備。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 108 視太陽(yáng)日 視太陽(yáng)日

44、在一年當(dāng)中的 長(zhǎng)度會(huì)每天不停的改變 。 1.地球的軌道是一個(gè)橢圓 而不是正圓，所以當(dāng)?shù)?球接近太陽(yáng)時(shí)速度會(huì)加 快，到達(dá)近日點(diǎn)時(shí)的運(yùn) 動(dòng)速度最快；遠(yuǎn)離時(shí)又 會(huì)減慢，到達(dá)遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí) 的速度最慢 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 109 視太陽(yáng)日 因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)軸的傾斜角度，使得太陽(yáng)在黃道上運(yùn) 行的大圓對(duì)地球的天球赤道是傾斜的，當(dāng)太陽(yáng)在兩 個(gè)分點(diǎn)時(shí)，穿越赤道時(shí)會(huì)有一個(gè)角度的，所以投影 在赤道上的運(yùn)行速度小于平均速度；當(dāng)太陽(yáng)在至點(diǎn) 時(shí)，他的運(yùn)動(dòng)方向是平行于赤道的，所以投影的運(yùn) 行速度高于平均的速度。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 110 平太陽(yáng)日 平太陽(yáng)日是以平太陽(yáng)為參考點(diǎn)，以平太陽(yáng)連 續(xù)兩次經(jīng)過(guò)

45、上中天，轉(zhuǎn)36059，需時(shí)24小時(shí) 。這是地球自轉(zhuǎn)的周期。更明確的說(shuō)，平太 陽(yáng)日是經(jīng)由觀察太陽(yáng)相對(duì)于恒星的周日運(yùn)動(dòng) ，所獲得的平均太陽(yáng)時(shí)，經(jīng)由人為的調(diào)整而 顯示在時(shí)鐘上的時(shí)間。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 111 平太陽(yáng) 平太陽(yáng)是美國(guó)天文學(xué)家紐康（Simon Newcomb）提出來(lái)的，主要是為了得到一 個(gè)均勻適用的日常時(shí)間。 平太陽(yáng)或假太陽(yáng)是一個(gè)假想的天體，它每 年和真太陽(yáng)同時(shí)從春分點(diǎn)出發(fā)，在天赤道 上從西向東勻速運(yùn)行，這個(gè)速度相當(dāng)于真 太陽(yáng)在黃道上運(yùn)行的平均速度，最后和真 太陽(yáng)同時(shí)回到春分點(diǎn)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 112 平太陽(yáng)時(shí)（mean solar time, M

46、T） 平太陽(yáng)日的長(zhǎng)度在一年之中不會(huì)因?yàn)闀円?長(zhǎng)短的變化而改變。 一個(gè)平太陽(yáng)日包含24個(gè)平太陽(yáng)小時(shí)。 和恒星時(shí)一樣，平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性， 常稱為地方平太陽(yáng)時(shí)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 113 世界時(shí)（universal time，UT） 以平子夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí) 稱為世界時(shí)。 UT=GAMT+12(h) GAMT表示平太陽(yáng)相對(duì)格林尼治子午圈的時(shí)角 。 世界時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)的尺度基準(zhǔn)相同尺度基準(zhǔn)相同，差別 僅僅在于起算點(diǎn)不同。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 114 世界時(shí) 地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，自轉(zhuǎn)軸在地球內(nèi)部 的位置也不固定，因此地球自轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定 的，這破壞了建立時(shí)間系

47、統(tǒng)的基本條件。 從1956年起，在世界時(shí)中引入了極移改正 和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正，得到的相 應(yīng)的世界時(shí)可以表示為UT1和UT2，未經(jīng)改 正的表示為UT0。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 115 改正的世界時(shí) UT1=UT0+ UT2=UT1+TS :極移改正, TS:地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化的改正，使用 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算。 經(jīng)過(guò)修正的UT2仍不時(shí)一個(gè)嚴(yán)格均勻的時(shí)間 系統(tǒng)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 116 1/15(sincos )tan pp xy 歷書時(shí)ET 歷書時(shí)：描述天體運(yùn)動(dòng)的方程式中采用的 時(shí)間或天體歷表中應(yīng)用的時(shí)間簡(jiǎn)稱ET 。它是由天體力學(xué)的定律確定的均勻時(shí)間 又稱牛

48、頓時(shí)牛頓時(shí)。 由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性1958年國(guó)際天 文學(xué)聯(lián)合會(huì)決議自1960年開(kāi)始用歷書時(shí) 代替世界時(shí)作為基本的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)并 規(guī)定世界各國(guó)天文年歷的太陽(yáng)月球行 星歷表都以歷書時(shí)為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 117 歷書時(shí)的定義 對(duì)于太陽(yáng)系中任何一個(gè)天體只要精確地 掌握了它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律都可以用來(lái)規(guī)定歷 書時(shí)。十九世紀(jì)末紐康根據(jù)地球繞太陽(yáng) 的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)編制了太陽(yáng)歷表 至今仍是 最基本的太陽(yáng)歷表。因此人們把紐康太 陽(yáng)歷表作為歷書時(shí)定義的基礎(chǔ)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 118 歷書時(shí)的定義 歷書時(shí)秒的定義為1900年 1月0日12時(shí)正回 歸年長(zhǎng)度的1/31556925

49、.9747歷書時(shí)起點(diǎn) 與紐康計(jì)算太陽(yáng)幾何平黃經(jīng)的起始?xì)v元相 同即取1900年初太陽(yáng)幾何平黃經(jīng)為 279414804的瞬間作為歷書時(shí)1900年 1月 0日12時(shí)正。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 119 歷書時(shí) 不足之處： 歷書時(shí)的精度受限于天文觀測(cè)精度。 觀測(cè)精度不高，歷書時(shí)的精度也不高。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 120 2.6.3 原子時(shí) 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度和穩(wěn) 定度的要求不斷提高，以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ) 的世界時(shí)系統(tǒng)難以滿足要求。 20世紀(jì)50年代，建立起以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn) 動(dòng)的特征為基礎(chǔ)的原子時(shí)（atomic time, AT ）系統(tǒng)。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技

50、術(shù)與應(yīng)用 121 原子時(shí) 原子時(shí)秒長(zhǎng)定義為銫-133 原子基態(tài)的兩個(gè) 超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)下躍遷輻射 9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。 1967年起，原子時(shí)取代歷書時(shí)作為基本的 時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。 原子時(shí)的秒長(zhǎng)規(guī)定為國(guó)際單位制的時(shí)間單 位，作為三大物理量的基本單位之一。 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 122 原子時(shí) 原子時(shí)起點(diǎn)定在1958年1月1日0時(shí)0分0秒（ UT），即規(guī)定在這一瞬間原子時(shí)時(shí)刻與世 界時(shí)刻重合。但事后發(fā)現(xiàn)，在該瞬間原子 時(shí)與世界時(shí)的時(shí)刻之差為 0.0039秒。這一 差值就作為歷史事實(shí)而保留下來(lái)。在確定 原子時(shí)起點(diǎn)之后，由于地球自轉(zhuǎn)速度不均 勻，世界時(shí)與原子時(shí)之間的時(shí)差便逐年積 累。 AT=UT2-0.0039(s) 廣東工業(yè)大學(xué) GPS定位技術(shù)與應(yīng)用 123 國(guó)際原子時(shí)（international atomic time, IAT） 根據(jù)原子時(shí)秒的定義，任何原子鐘在確定 起始?xì)v元后，都可以提供原子時(shí)。由各實(shí) 驗(yàn)室用足夠精確的銫原子鐘導(dǎo)出的原子時(shí) 稱為地方原子時(shí)。目前，全世界大約有 20 多個(gè)國(guó)家的不同實(shí)驗(yàn)室分別建立了各自獨(dú) 立的地方原子時(shí)。國(guó)際時(shí)間局比較、綜合 世界各地原子鐘數(shù)據(jù)