坐標(biāo)與時間系統(tǒng)

1、關(guān)于坐標(biāo)與時間系關(guān)于坐標(biāo)與時間系統(tǒng)統(tǒng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共78頁預(yù)備知識預(yù)備知識l天球的基本概念天球的基本概念 所謂天球，是指以地球質(zhì)心所謂天球，是指以地球質(zhì)心O為中心，半徑為中心，半徑 r為任意長度的一個假想的球體。在天文學(xué)中，通為任意長度的一個假想的球體。在天文學(xué)中，通常均把天體投影到天球的球面上，并利用球面坐常均把天體投影到天球的球面上，并利用球面坐標(biāo)來表達或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。標(biāo)來表達或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。 建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖21所示所示. 參考點、線、面和圈參考點、線、面和圈現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共78頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共78頁天球

2、的概念現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共78頁 天軸與天極天軸與天極 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸天軸，天軸與天球的交點，天軸與天球的交點 PN 和和 PS 稱為稱為天極天極，其中，其中 PN 稱為北天極，稱為北天極， PS 為南天極。為南天極。 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道 通過地球質(zhì)心通過地球質(zhì)心 O 與天軸垂直的平面稱為天球赤道面。天與天軸垂直的平面稱為天球赤道面。天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相交的球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相交的大圓稱為大圓稱為天球赤道天球赤道。 天球子午面與子午圈天球子午面與子午圈 含天軸并通過任一點的平面，稱為含天

3、軸并通過任一點的平面，稱為天球子午面天球子午面. 天球子午面與天球相交的大圓稱為天球子午面與天球相交的大圓稱為天球子午圈天球子午圈?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共78頁 時圈時圈 通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。 黃道黃道 地球公轉(zhuǎn)的軌道面地球公轉(zhuǎn)的軌道面(黃道面黃道面)與天球相交的大圓稱為與天球相交的大圓稱為黃道黃道。 黃黃道面與赤道面的夾角稱為道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角黃赤交角，約為，約為23.5度。度。 黃極黃極 通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，稱為通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，稱為黃極黃極。其中靠近北天極

4、的交點稱為其中靠近北天極的交點稱為北黃極北黃極，靠近南天極的交點稱為，靠近南天極的交點稱為南黃極南黃極?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共78頁 春分點與秋分點春分點與秋分點 黃道與赤道的兩個交點稱為黃道與赤道的兩個交點稱為春分點春分點和和秋分點秋分點。視太陽在。視太陽在黃道上從南半球向北半球運動時，黃道與天球赤道的黃道上從南半球向北半球運動時，黃道與天球赤道的交點稱為春分點，用交點稱為春分點，用 表示。表示。 在天文學(xué)中和研究衛(wèi)星運動時，在天文學(xué)中和研究衛(wèi)星運動時，春分點春分點和和天球赤道面天球赤道面，是建立參考系的重要是建立參考系的重要基準(zhǔn)點基準(zhǔn)點和和基準(zhǔn)面基準(zhǔn)面 赤經(jīng)與赤緯赤經(jīng)與赤緯 地球的中心至天

5、體的連線與天球赤道面的夾角稱為地球的中心至天體的連線與天球赤道面的夾角稱為赤緯赤緯,春分點的天球子午面與過天體的天球子午面的夾角春分點的天球子午面與過天體的天球子午面的夾角為為赤經(jīng)赤經(jīng)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共78頁 地球的公轉(zhuǎn)：地球的公轉(zhuǎn)：開普勒三大運動定律開普勒三大運動定律： 運動的軌跡是橢圓，太陽位于其橢圓的一個焦點上；運動的軌跡是橢圓，太陽位于其橢圓的一個焦點上； 在單位時間內(nèi)掃過的面積相等；在單位時間內(nèi)掃過的面積相等； 運動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。運動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共78頁 地球的自轉(zhuǎn)地球的自轉(zhuǎn) 的特征：的特征： (

6、1) 地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動）地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動） 歲差：地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化，是日月引力的共同結(jié)歲差：地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化，是日月引力的共同結(jié)果。假設(shè)月球的引力及其運行軌道是固定不變的果。假設(shè)月球的引力及其運行軌道是固定不變的,由于日、由于日、月等天體的影響，地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生月等天體的影響，地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)，形成一個倒圓錐體（見下圖），其錐角等緩慢旋轉(zhuǎn)，形成一個倒圓錐體（見下圖），其錐角等于黃赤交角于黃赤交角=23.5 ，旋轉(zhuǎn)周期為，旋轉(zhuǎn)周期為26000年，這種運動年，這種運動稱為稱為歲差歲差，是地軸方向相對于空間的，是

7、地軸方向相對于空間的長周期運動長周期運動。歲差。歲差使春分點每年向西移動使春分點每年向西移動50.3現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共78頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共78頁考慮歲差和章動的共同影響：真旋轉(zhuǎn)軸、瞬時真天極、真天球赤道、瞬時真春分點?？紤]歲差的影響：瞬時平天極、瞬時平天球赤道、瞬時平春分點。 北天極在天球上繞黃極旋轉(zhuǎn)的軌道不是平滑的小園，而是類似圓的波浪曲線運動，即地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加周期為18.6年，且振幅為9.21的短周期運動。這種現(xiàn)象稱為章動。真赤道: 某一時刻的赤道。(由于歲差和章動的影響,每一時刻赤道的位置不同)平赤道:只有歲差影響時的赤道。黃經(jīng)章動:章動引起的黃經(jīng)變化。即平春分

8、點與真春點的角距。交角章動:章動引起的黃赤交角的變化。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共78頁章動影響現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共78頁 (2)地軸相對于地球本身相對位置變化（極移）地軸相對于地球本身相對位置變化（極移） 地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化，從而導(dǎo)致極點在地球表面上的位置隨時間而變置變化，從而導(dǎo)致極點在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象稱為化，這種現(xiàn)象稱為極移極移。 某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時極瞬時極，某段時，某段時間內(nèi)地極的平均位置稱為間內(nèi)地極的平均位置稱為平極平極。地球極點的變化

9、，導(dǎo)致地。地球極點的變化，導(dǎo)致地面點的緯度發(fā)生變化。面點的緯度發(fā)生變化。 天文聯(lián)合會天文聯(lián)合會(IAU)和大地測量與地球物理聯(lián)合會和大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG) 建建議采用國際上議采用國際上5個緯度服務(wù)個緯度服務(wù)(ILS)站以站以19001905年的平均緯年的平均緯度所確定的平極作為基準(zhǔn)點，通常稱為度所確定的平極作為基準(zhǔn)點，通常稱為國際協(xié)議原點國際協(xié)議原點CIO (Conventional International Origin) 。也稱協(xié)議地球極。也稱協(xié)議地球極CTP?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共78頁 國際極移服務(wù)國際極移服務(wù) ( IPMS ) 和國際時間局和國際時間局( BIH )

10、等機構(gòu)分等機構(gòu)分別用不同的方法得到地極原點。別用不同的方法得到地極原點。國際時間局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0與CIO相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面 。地極坐標(biāo)系：以CIO為原點，零子午線方向為X軸，以零子午線以西為了描述90子午線為y軸。 用來描述極移規(guī)律?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共78頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共78頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共78頁地球自轉(zhuǎn)不但不均勻，而且還有季節(jié)性和短期性的變化?，F(xiàn)已弄清的有以下幾種原因： 地球自轉(zhuǎn)長期減慢的現(xiàn)象引起長期減慢的原因，一般認(rèn)為是受潮汐磨擦力的影響。日長大約在100年內(nèi)增長0s.0016。

11、地球自轉(zhuǎn)不規(guī)則的變化地球自轉(zhuǎn)有時快有時慢。在快慢交替的時候，變化相當(dāng)顯著，變化量將超過地球自轉(zhuǎn)在100年內(nèi)長期減慢所積累起的數(shù)值。原因：多方面，內(nèi)部物質(zhì)的移動；太陽光斑噴射的微粒子流與地球磁場耦合而產(chǎn)生得阻尼影響。(3)地球自轉(zhuǎn)速度變化（日長變化）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十七頁，共78頁 地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化周期較短，變化周期為一年和半年，變化振幅最大可達0s.03左右。原因：科學(xué)家們認(rèn)為是由大氣環(huán)流的季節(jié)性變化造成的。 地球自轉(zhuǎn)的短周期變換周期為一個月和半個月，振幅在1毫秒以下，全部積累起來的影響在最大時也不超過3毫秒。 極移地球除自轉(zhuǎn)速度不均勻外，地極在地球表面上24米24米范圍之內(nèi)作反時針近似圓形

12、螺旋曲線的周期運動，這種現(xiàn)象稱為“極移”。周期約為一年。由于“極移”導(dǎo)致各地的經(jīng)、緯度不同，從而各地天文臺所測的世界時稍有差異。 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共78頁 描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運動規(guī)律的參數(shù)稱為描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運動規(guī)律的參數(shù)稱為地球定向參數(shù)地球定向參數(shù) (EOP)，描述地球自轉(zhuǎn)速度變化的參數(shù)和描述極移的參數(shù)，描述地球自轉(zhuǎn)速度變化的參數(shù)和描述極移的參數(shù)稱為稱為地球自轉(zhuǎn)參數(shù)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(ERP)，EOP 即為即為 ERP 加上歲差和章動加上歲差和章動，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)網(wǎng)站網(wǎng)站( )上上得到。得到?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

13、十九頁，共78頁v 時間的描述包括時間時間的描述包括時間原點、單位（尺度）兩大要素原點、單位（尺度）兩大要素。 時間是物質(zhì)運動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單時間是物質(zhì)運動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運動。時間的特點是位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運動。時間的特點是連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運動也應(yīng)該連續(xù)、均勻。連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運動也應(yīng)該連續(xù)、均勻。v 周期運動滿足如下三項要求，可以作為計量時間的方法。周期運動滿足如下三項要求，可以作為計量時間的方法。 運動是連續(xù)的；運動是連續(xù)的； 運動的周期具有足夠的穩(wěn)定性；運動的周期具有足夠的穩(wěn)定性； 運動是可觀測的。運

14、動是可觀測的。v 選取的物理對象不同，時間的定義不同選取的物理對象不同，時間的定義不同: 地球的自轉(zhuǎn)運動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。地球的自轉(zhuǎn)運動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。 2.2 時間系統(tǒng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共78頁恒星時恒星時(ST)v 以春分點作為基本參考點，由春分點周日視運動確定的時間，以春分點作為基本參考點，由春分點周日視運動確定的時間，稱為稱為恒星時恒星時。v 春分點連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈春分點連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天上中天的時間間隔為一個的時間間隔為一個恒星日恒星日，分為，分為24個恒星時，某一地點的地方恒星時，在數(shù)個恒星時，某一地點的地方恒星時，在數(shù)值上等于春分點相對于

15、這一地方子午圈的時角。值上等于春分點相對于這一地方子午圈的時角。 v 地方真恒星時地方真恒星時、平恒星時平恒星時、格林尼治真恒星時格林尼治真恒星時、 格林尼治格林尼治平恒星時平恒星時之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：362102 . 6093104. 0812866.864018454841.2411010027379093. 1cosTTTUTGMSTLASTGASTLMSTGMSTGMSTGASTLMSTLASTsSSs現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共78頁平太陽時平太陽時MTv 以真太陽作為基本參考點，由其周日視運動確定的時間，以真太陽作為基本參考點，由其周日視運動確定的時間，稱為稱為真太陽時真太陽時。

16、一個。一個真太陽日真太陽日就是真太陽連續(xù)兩次經(jīng)過就是真太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上中天（上子午圈）所經(jīng)歷的時間。某地的上中天（上子午圈）所經(jīng)歷的時間。 地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度不均勻。近日點快、遠(yuǎn)日地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度不均勻。近日點快、遠(yuǎn)日點慢。真太陽日在近日點最長、遠(yuǎn)日點最短點慢。真太陽日在近日點最長、遠(yuǎn)日點最短。v 假設(shè)以平太陽作為參考點，其速度等于真太陽周年運動的假設(shè)以平太陽作為參考點，其速度等于真太陽周年運動的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔，平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔，稱為一個稱為一個平太陽日平太陽日平太陽日是以平子夜的瞬時作為時間的起算零點，如果LAM

17、T 表示平太陽時角，則某地的平太陽時 MT = LAMT + 12 (平子夜與平正午差12小時）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共78頁世界時世界時UT： 以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為世界時世界時。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太陽時角。代表格林尼治平太陽時角。世界時世界時UT可分為以下三類：UT0：直接由天文觀測得到的世界時。由于極移的影響使各地測得的UT0有微小的差別，所以不宜作統(tǒng)一的時間。 UT1：是由UT0經(jīng)過極移改正后得出的時間，稱為世界時。這是真正反映地球自轉(zhuǎn)的統(tǒng)一時間。也是天文航海所用的時間。 UT1=UT0+

18、現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共78頁UT2：是由UT1經(jīng)過季節(jié)性改正后得出的世界時間。這是1972年以前國際公認(rèn)的時間標(biāo)準(zhǔn)。但是，由于它仍舊存在著無法預(yù)測的長期減慢和不規(guī)則變化等因素的影響，所以在對時間精度提出更高要求的情況下，UT2也就不能作為均勻的時間標(biāo)準(zhǔn)了。 UT2=UT1+T現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共78頁歷書時歷書時ET與力學(xué)時與力學(xué)時 DTv 由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導(dǎo)致用其測得的時間不均由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導(dǎo)致用其測得的時間不均勻。勻。1958年第年第10屆屆IAU決定，自決定，自1960年起開始年起開始以地球公轉(zhuǎn)以地球公轉(zhuǎn)運動為基準(zhǔn)運動為基準(zhǔn)的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)代替

19、世界時。的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)代替世界時。v 歷書時的秒長規(guī)定為歷書時的秒長規(guī)定為1900年年1月月1日日12時整回歸年長度的時整回歸年長度的131556925.9747v在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學(xué)理論建立的運動方程而編寫的，其中采用的獨立變量是時間參數(shù)T,其變量被定義為力學(xué)時，力學(xué)時是均勻的。參考點不同，力學(xué)時分為兩種： 1) 太陽系質(zhì)心力學(xué)時TDB 2) 地球質(zhì)心力學(xué)時TDT現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共78頁v TDT和和TDB可以看作是可以看作是ET分別在兩個坐標(biāo)系中的實現(xiàn)，分別在兩個坐標(biāo)系中的實現(xiàn)，TDT代替了過去的代替了過去的ETv 地球質(zhì)心力學(xué)時的基本單位國際秒

20、制，與原子時的尺度相地球質(zhì)心力學(xué)時的基本單位國際秒制，與原子時的尺度相同。同。IGU規(guī)定：規(guī)定：1977年年1月月1日原子時（日原子時（TAI) 0時與地球力學(xué)時與地球力學(xué)時嚴(yán)格對應(yīng)為：時嚴(yán)格對應(yīng)為： TDT=TAI+32.184 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共78頁原子時原子時(AT) 原子時是一種以原子諧振信號周期為標(biāo)準(zhǔn)。原子時的原子時是一種以原子諧振信號周期為標(biāo)準(zhǔn)。原子時的基本單位是原子時秒，定義為：在零磁場下，位于?；締挝皇窃訒r秒，定義為：在零磁場下，位于海平面的銫原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射平面的銫原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時間為原子時秒，規(guī)定

21、為國際單周所持續(xù)的時間為原子時秒，規(guī)定為國際單位制中的時間單位。位制中的時間單位。 原子時的原點定義：原子時的原點定義：1958年年1月月1日日UT2的的0時。時。 AT=UT20.0039(s) 地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累。地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共78頁 協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時(UTC)v 原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，秒長不等，大約每年相差秒長不等，大約每年相差1秒，

22、便于日常使用，協(xié)調(diào)好秒，便于日常使用，協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，建立以原子時秒長為計量單位、在時刻上與兩者的關(guān)系，建立以原子時秒長為計量單位、在時刻上與平太陽時之差小于平太陽時之差小于0.9秒的時間系統(tǒng)，秒的時間系統(tǒng)，稱之為世界協(xié)調(diào)時稱之為世界協(xié)調(diào)時(UTC)。v 當(dāng)大于當(dāng)大于0.9秒，采用秒，采用12月月31日或日或6月月30日調(diào)秒。調(diào)秒由國日調(diào)秒。調(diào)秒由國際計量局來確定公布。際計量局來確定公布。v 世界各國發(fā)布的時號均以世界各國發(fā)布的時號均以UTC為準(zhǔn)。為準(zhǔn)?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共78頁GPS時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)v 時間的計量對于衛(wèi)星定軌、地面點與衛(wèi)星之間距離測量至關(guān)時間的計量對于衛(wèi)星定軌、地面點

23、與衛(wèi)星之間距離測量至關(guān)重要，精確定時設(shè)備是導(dǎo)航定位衛(wèi)星的重要組成部分。重要，精確定時設(shè)備是導(dǎo)航定位衛(wèi)星的重要組成部分。v GPS的時間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測實驗室的時間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測實驗室USNO維持的維持的原子時稱為原子時稱為GPST。v GPST的起點，規(guī)定的起點，規(guī)定1980年年1月月6日日0時時GPS與與UTC相等。相等。GPST = UTC + n現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共78頁2.3 坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)一、基本概念1、大地基準(zhǔn)：地球橢球橢球參數(shù):長半徑和扁率。橢球定向:橢球旋轉(zhuǎn)軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸,橢球起始 子午面平行于地球起始子午面。橢球定位:確定橢球中心與地球中心的相對

24、位置?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十頁，共78頁 2、大地測量參考系天球坐標(biāo)系：用于研究天體和人造衛(wèi)星的定位與運動。地球坐標(biāo)系： 用于研究地球上物體的定位與運動，是以旋轉(zhuǎn)橢球為參照體建立的坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)參考系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十一頁，共78頁點的坐標(biāo)可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示?；鶞?zhǔn)和坐標(biāo)系兩方面要素構(gòu)成了完整的坐標(biāo)參考系統(tǒng)!高程參考系統(tǒng) 正正常常HH正高: 以大地水準(zhǔn)面為參考面PH正HN正常高: 以似大地水準(zhǔn)為參考面NHH 正正現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十二頁，共78頁重力參考系統(tǒng)：重力觀測的參考系統(tǒng)。3、大地測量的參考框架大地測量參考系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，是通過布設(shè)大地控制

25、網(wǎng)(點) 構(gòu)建坐標(biāo)參考框架、高程參考框架、重力參考框架。、坐標(biāo)參考框架： 具體實現(xiàn)：國家平面控制網(wǎng)，GPS網(wǎng)、高程參考框架、高程參考框架: 具體實現(xiàn)：國家高程控制網(wǎng)（水準(zhǔn)網(wǎng)）具體實現(xiàn)：國家高程控制網(wǎng)（水準(zhǔn)網(wǎng)）、重力參考框架：、重力參考框架： 具體實現(xiàn)：國家重力基本（控制）網(wǎng)具體實現(xiàn)：國家重力基本（控制）網(wǎng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十三頁，共78頁4、橢球定位和定向概念橢球定位：確定橢球中心的位置。地心定位：橢球面與大地水準(zhǔn)面全球最佳符合。橢球中心與地球質(zhì)心一致或最為接近。局部定位：橢球面與大地水準(zhǔn)面局部最佳符合。橢球定向：確定旋轉(zhuǎn)軸和起始子午面的方向。 a.橢球短軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸； b.大地起始子午面

26、平行于天文起始子午面。參考橢球：具有確定參數(shù)(a,),經(jīng)過局部定位和定向 的地球橢球?？偟厍驒E球：具有確定參數(shù)(a,),經(jīng)過地心定位和定向，與全球大地水準(zhǔn)面最為密合的地球橢球?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十四頁，共78頁二、慣性坐標(biāo)系(CIS)與協(xié)議天球坐標(biāo)系1、慣性坐標(biāo)系（CIS）與協(xié)議天球坐標(biāo)系定義慣性坐標(biāo)系（CIS）：在空間不動或做勻速直線運動的坐標(biāo)系。 協(xié)議天球坐標(biāo)系：以某一約定時刻t0作為參考?xì)v元， 把該時刻對應(yīng)的瞬時自轉(zhuǎn)軸經(jīng)歲差和章動改正后 作為Z軸，以對應(yīng)的春分點為X軸的指向點，以XOZ 的垂直方向為Y軸方向建立的天球坐標(biāo)系。 是一種近似的慣性坐標(biāo)系。 目前采用的協(xié)議天球坐標(biāo)系是以標(biāo)準(zhǔn)歷元J

27、2000.0（2000年1月15日）的平赤道和平春分點為依據(jù)的。XYZoP春分點黃道天球赤道現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十五頁，共78頁 瞬時平天球坐標(biāo)系：以某一瞬時平天球赤道和對應(yīng)的春分點為依據(jù)。 瞬時真天球坐標(biāo)系：以某一瞬時北天極和對應(yīng)的真春分點為依據(jù)。2、協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時真天球坐標(biāo)系、協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時平天球坐標(biāo)系CISMtzyxPzyx AZAYAZRRZRP 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十六頁，共78頁1000cossin0sincoscos0sin010sin0cos1000cossin0sincosAAAAAZAAAAAYAAAAAZRRZZZZZR其中ZA，A，A為歲差參數(shù)P0Pir0r

28、i標(biāo)準(zhǔn)歷元平赤道瞬時平赤道ZYXZYXAAzA現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十七頁，共78頁323232041833.042665.03109.2004018203.009468.12181.2306017998.030188.02181.2306TTTTTTZTTTAAA36525/ )0 .2451545)(tJDT)(tJD為觀測歷元 t 的儒略日。、瞬時平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時真天球坐標(biāo)MttzyxNzyx xZxRRRN 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十八頁，共78頁黃道平赤道真赤道平春分點真春分點 ZYXZYX cossin0sincos00011000cossin0sincoscossin0sincos0001

29、xZxRRR其中，為黃赤交角，交角章動，黃經(jīng)章動進而有：CIStzyxNPzyx現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三十九頁，共78頁三、地固坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系）地固坐標(biāo)系：原點O與地心（參心）重合，Z軸指向地球北 極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y 軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)系。地心坐標(biāo)系：以總橢球為基準(zhǔn)參心坐標(biāo)系：以參考橢球為基準(zhǔn)XYZoP地球赤道首子午線LB協(xié)議地球坐標(biāo)系（CTS）：以協(xié)議地極CTP為Z軸方向。大多采用CIO為Z軸指向點。以對應(yīng)赤道面與起始子午圈的交點為X軸指向。瞬時地球坐標(biāo)系：以瞬時極為Z軸方向?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十頁，共78頁1、協(xié)議地球坐標(biāo)系與瞬時地球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換

30、二者差異由于極移的影響產(chǎn)生。極移參數(shù)國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS根據(jù)所屬臺站的觀測推算得到以公報形式發(fā)布。0ZCTSYCTSXCTSZt YtXt協(xié)議赤道瞬時赤道格林尼治平子午線xpypCTPttCTSZYXMZYX pXpYyRxRM 僅取至一次項有 11001ppppyxyxM現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十一頁，共78頁2、協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的關(guān)系、瞬時地球坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換ttzyxEZYX100cossin0sincosGASTGASTGASTGASTGASTREz真春分點起始子午線赤道GASTxyzXYZ二者z軸重合，x軸間差格林尼治真恒星時時角GAST。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第

31、四十二頁，共78頁、協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換tCTStCTSzyxMEZYXZYXMZYX CISCTSCIStzyxMENPZYXzyxNPzyx 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十三頁，共78頁3.地球參心坐標(biāo)系、建立參心坐標(biāo)系的工作a.確定橢球的幾何參數(shù)（長半徑a和扁率）一般采用國際橢球參數(shù)。b.橢球定位c.椐球定向：平行條件d.建立大地原點如圖兩個坐標(biāo)系的關(guān)系參數(shù)：三個平移參數(shù)(X0,Y0,Z0)三個旋轉(zhuǎn)參數(shù)X ,Y ,Z根據(jù)橢球定向平行條件有：X=0、Y=0、Z=0現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十四頁，共78頁、大地原點和大地起算數(shù)據(jù)選定某一適宜的點K作為大地原點，觀測其天文經(jīng)度K，天文緯度K，正

32、高H正K，至某相鄰點的天文方位角K，然后再換算成大地經(jīng)度LK，大地緯度BK，大地方位角AK，大地高HK。LK，BK，AK稱為大地起算數(shù)據(jù)，大地原點又稱大地起算點?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十五頁，共78頁KXKYKKKKXKYKKKZKXKYKKKKABLsec)cossin(tan)coscos(tan)cossin(SECKKKKKKKKKKKKKKABLtanSEC2(cossin)sincosKKKYkXkKkkHHNN e正根據(jù)廣義垂線偏差公式和廣義拉普拉斯方程有：顧及 X=0，Y=0 ，Z=0，有：KKKNHH正K大地原點垂線偏差子午分量K大地原點垂線偏差卯酉分量 NK大地水準(zhǔn)面差距現(xiàn)在學(xué)習(xí)

33、的是第四十六頁，共78頁、參考橢球的定位和定向0,00KKKNv一點定位如果選擇大地原點：則大地原點的坐標(biāo)為：,KKKKKKKKLBAHH正現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十七頁，共78頁v多點定位：在全國范圍內(nèi)觀測許多點的天文經(jīng)度，天文緯度，天文方位角（這樣的點稱為拉普拉斯點）。利用這些觀測成果和已有的橢球參數(shù)，根據(jù)最佳擬合條件N 2=min（或2=min），采用最小二乘原理，求出橢球定位參數(shù)X0，Y0，Z0，旋轉(zhuǎn)參數(shù)X，y，Z，橢球幾何參數(shù)的改正數(shù)a，（a新=a舊+ a，新=舊+）以及新,新，N新。舊舊舊舊舊新新新NBBLaBBeMBeaNBBNMBeMBBeaNMNmBeNBBeMNLBBNeLBNeL

34、LBLBLBZYXBLBLBHMBHMLBHMLBHNLHNLNZYXcossinsin11sin1cossin1sin2cossin00sin1cossin00coscossinsincossin0cossinsinsinsincossinsinsincoscoscoscossinsincossin0cossin2222222222222000現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十八頁，共78頁求出大地原點新的大地起算數(shù)據(jù): 參考橢球參數(shù)和大地起算數(shù)據(jù)是一個參心坐標(biāo)系建成的標(biāo)志，一定的參考橢球和一定的大地起算數(shù)據(jù)確定了一定的坐標(biāo)系。KXKYKKKKXKYKKKZKXKYKKKKABLsec)cossin(tan

35、)coscos(tan)cossin(SECKKK2(cossin)sincosKKKYkXkKkkHHNN e正現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四十九頁，共78頁、1954年北京坐標(biāo)系（BJ54舊）、采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)，通過與前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系聯(lián)測而建立的坐標(biāo)系。大地原點在前蘇聯(lián)的普爾科沃。存在的主要缺陷：a、橢球參數(shù)有較大誤差。b、參考橢球面與我國的大地水準(zhǔn)面有明顯自西向東的系統(tǒng)性傾斜。C、幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。 幾何：克拉索夫斯基橢球 物理： 赫爾默特扁球d、定向不明確。短軸指向不是CIO，也不是我國的地極原點JYD1968.0現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十頁，共78頁、1980年國

36、家大地坐標(biāo)系（GDZ80）西安坐標(biāo)系采用IUGG 1975年大會推薦的地球橢球（IAG-75）參數(shù)： a=6378140m；GM=3.9860051014m3/s2；J2=1.0826310-3；=7.29211510-5rad/s 。定向：“雙平行”。極點采納我國在1949到1977年期間36個臺站的觀測資料歸算得到的1968年極原點，即JYD1968.0 。大地原點在我國陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)。采用多點定位，根據(jù)2GDZ80=min求出參數(shù)X0,Y0，Z0，a，。BJ54BJ542BJ5422BJ54220BJ540BJ54BJ540BJ54BJ54GDZ80sin)sin1 (1)sin1

37、(sinsincoscoscosBBeMaBeaNZBYLBXLB現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十一頁，共78頁大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系。 在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立的，通過全國天文大地網(wǎng)整體平差?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十二頁，共78頁Geodetic origin,PR ChinaTriangulation and traverse points 48433Laplacian points458458Starting lines467467Geodetic network of China (horizontal datum)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十三頁，共78頁、新1954年北京坐標(biāo)系（BJ54新

38、）將GDZ80大地坐標(biāo)系的空間直角坐標(biāo)經(jīng)過三個平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心，橢球參數(shù)保持與1954年北京坐標(biāo)系相同。兩者坐標(biāo)關(guān)系是：080540805408054ZZZYYYXXXGDZBJGDZBJGDZBJ新新新HHHBBBLLLGDZBJGDZBJGDZBJ805480548054新新新現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十四頁，共78頁 aBBeMBeaNBBNMBeMBBeaNMNZYXBLBLBHMBHMLBHMLBHNLHNLHBLGDZ8022222222000GDZ80sinsin11sin1cossin1sin2cossin00sinsincoscoscoscossinsincoss

39、in0cossin新新，BJ54GDZ80BJ54GDZ80aaa現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十五頁，共78頁4、地心坐標(biāo)系l定義：原點O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平均子午面與地球赤道的交點，Y軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。l種類：地球北極是地心地固坐標(biāo)系的基準(zhǔn)指向點，地球北極點的變動將引起坐標(biāo)軸方向的變化?；鶞?zhǔn)指向點的指向不同，可分為瞬時地心坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系。l在大地測量中采用的地心地固坐標(biāo)系大多采用協(xié)議地極原點CIO為指向點?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十六頁，共78頁間接法:通過一定的資料(包括地心系統(tǒng)和參心系統(tǒng)的資料)，求得地心和參心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后按其轉(zhuǎn)換參數(shù)和參

40、心坐標(biāo)，間接求得點的地心坐標(biāo)的方法。l空間直角坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的關(guān)系XYZM0XYZLnBPQHPBHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2 直接法:通過一定的觀測資料(如天文、重力資料、衛(wèi)星觀測資料等)，直接求得點的地心坐標(biāo)的方法。、地心地固坐標(biāo)系的建立方法現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十七頁，共78頁WGS-84WGS-84是是CTS, CTS, 坐標(biāo)系的原點是地球的質(zhì)心，坐標(biāo)系的原點是地球的質(zhì)心，Z Z 軸指向軸指向 BIHBIH1984.0 1984.0 CTPCTP方向，方向，X X軸指向軸指向 BIHBIH1984.01984.0零子午面和零子午面和 CTP CT

41、P 赤道的赤道的交點，交點，Y Y 軸和軸和 Z Z、X X 軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 5 5個基本參數(shù)個基本參數(shù) a =6 378 137m =6 378 137m e e2=2=0.00669437990130.0066943799013 GM =3 986 005GM =3 986 00510108 8m m3 3s s-2-2 C C2,02,0=-484.166 85=-484.166 851010-6-6 =7 292 115 =7 292 1151010-11-11rad/srad/s、WGS-84世界大地坐標(biāo)系現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十八頁，共78頁、國際地球參考系統(tǒng)（IT

42、RS）與國際地球參考框架（ITRF）國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）原點為地心，是包括海洋和大氣在內(nèi)的地球質(zhì)心。長度單位為米，在廣義相對論框架下定義。Z軸從地心指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極CTP。X軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點。Y軸與XOZ平面垂直，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。國際地球參考框架（ITRF）是國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）的具體實現(xiàn)。是通過ITRS分布全球的跟蹤站的坐標(biāo)和速度場來維持的?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五十九頁，共78頁站心坐標(biāo)系：以測站為原點，測站上的法線（或垂線）為Z軸方向，X軸指向子午線的北方向，Y軸垂直平面XOZ并指向東。5、站心坐標(biāo)系、垂線站心直角坐標(biāo)系：以測站

43、P為原點，P點的垂線為z軸(指向天頂為正),子午線方向為x軸(向北為正)，y軸與x，z軸垂直(向東為正)構(gòu)成左手坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系稱為垂線站心直角坐標(biāo)系，或稱為站心天文坐標(biāo)系?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十頁，共78頁Z(天頂)Y(東)PZQdX(北)Q空間任意一點Q相對于P的位置可通過地面觀測量-斜距d、天文方位角和天頂距Z來確定cossinsinsincosPQxdzydzzdz 垂線站心直角坐標(biāo)系與地心（參心）坐標(biāo)系之間的換算公式 sincossincoscossinsincoscossincos0sinQPQPQPPQXXxYYyZZz 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十一頁，共78頁、法線站心直角坐標(biāo)系：以測站

44、P點為原點，P點的法線方向為z*軸(指向天頂為正)，子午 線北方向為x*軸，y*軸與x*,z*軸垂直，構(gòu)成左手坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系就稱為法線站心直角坐標(biāo)系，或站心橢球坐標(biāo)系。PQPQPQPQZZYYXXzyxsinsincoscoscos0cossincossinsincossin現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十二頁，共78頁sincossincoscossinsin coscos sincos0 sinQPQPPQPQXxXBLLBLYYBLLBLyBBZzZ sincossinsincossin cos0coscoscossinsinQPQPQPPQXXxBLBLByLLYYBLBLBzZZ 法線站心直角

45、坐標(biāo)與地心(參心)直角坐標(biāo)的關(guān)系:現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十三頁，共78頁v按坐標(biāo)原點的不同分類地心坐標(biāo)系統(tǒng)（地心空間直角坐標(biāo)系、地心大地直角坐標(biāo)系 ）參心坐標(biāo)系統(tǒng)（參心空間直角坐標(biāo)系、參心大地直角坐標(biāo)系 ）站心坐標(biāo)系統(tǒng)（站心直角坐標(biāo)系 、站心極坐標(biāo)系 ）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十四頁，共78頁 四、四、坐標(biāo)系換算坐標(biāo)系換算 1 ) 歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣 兩個直角坐標(biāo)系進行相互變換的旋轉(zhuǎn)角稱為歐勒角兩個直角坐標(biāo)系進行相互變換的旋轉(zhuǎn)角稱為歐勒角 。 二維直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)二維直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn) 2121cossinsincosxxyy21OPOP現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十五頁，共78頁a.繞繞z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)zx1x

46、0y1y0z1(z1)zz3cossin0()sincos0001ZZZZZR 三維空間直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)o-x1y1z1 到o-x2y2z2的變換y0(y0)x0z1x2z0yyb.繞繞y軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)y2cos0sin()010sincosYYYYR現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十六頁，共78頁1100()0cossin0sincosXXXXXR)()()(3210ZYXRRRR1110111321222)()()(ZYXRZYXRRRZYXZYXc.繞繞x軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)x xx2(x2)y0y2z0z2xxZ1X1Y1X2Y2Z2現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十七頁，共78頁YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYRcoscossinsincoscossinsinsincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscoscos00sinsinsinsinsinsinsin,sin,sin1coscoscosZYZXYXZZYYXXZYX1110XYXZYZR現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六十八頁，共78頁000111222111)1 (ZYXZYXmZYXXYXzYz2）不同空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換現(xiàn)在學(xué)習(xí)