第2章 GPS坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

1、測繪工程系主講：劉輝主要內(nèi)容主要內(nèi)容The main contents2.1 2.1 協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系 Conventional Celestial Sphere Coordinate System2.2 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系Conventional Earth Coordinate System2.3 WGS-842.3 WGS-84坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系World Geodetic System-1984 1984 and our national Geodetic Coordinate System2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) T

2、ime SystemCoordinate and Time SystemCoordinate and Time System 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，處理觀坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，處理觀測數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。測數(shù)據(jù)和表達(dá)觀測站位置的數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)。所所以，了解以，了解GPSGPS測量中的測量中的些常用坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系些常用坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)，熟悉它們各自間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是極為重要的統(tǒng)，熟悉它們各自間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，是極為重要的。本章將主要介紹天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，以。本章將主要介紹天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系，以及有關(guān)時(shí)間系統(tǒng)的概念。及有關(guān)時(shí)間系統(tǒng)的概念。概概 述述

3、Coordinate and Time System 一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)（空固系）一類是在空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)（空固系）。這類坐標(biāo)系統(tǒng)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對于這類坐標(biāo)系統(tǒng)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，對于描述衛(wèi)星的描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置和狀態(tài)運(yùn)行位置和狀態(tài)極為方便。嚴(yán)格說來，衛(wèi)星的運(yùn)極為方便。嚴(yán)格說來，衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)理論是根據(jù)牛頓引力定律，在慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中動(dòng)理論是根據(jù)牛頓引力定律，在慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中建立起來的，而慣性坐標(biāo)系統(tǒng)在空間的位置和方建立起來的，而慣性坐標(biāo)系統(tǒng)在空間的位置和方向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運(yùn)動(dòng)。但是，實(shí)向應(yīng)保持不變，或僅作勻速直線運(yùn)動(dòng)。但是，實(shí)際上嚴(yán)格滿足這一條件是困難的。在天體測量中，際上嚴(yán)格

4、滿足這一條件是困難的。在天體測量中，慣性參考系一般都是通過基本星表坐標(biāo)系統(tǒng)來近慣性參考系一般都是通過基本星表坐標(biāo)系統(tǒng)來近似實(shí)現(xiàn)的。似實(shí)現(xiàn)的。 另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)（地另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)（地固坐標(biāo)系）固坐標(biāo)系）。這類坐標(biāo)系統(tǒng)對于。這類坐標(biāo)系統(tǒng)對于表達(dá)地面觀測站表達(dá)地面觀測站的位置的位置和處理和處理GPSGPS觀測成果尤為方便。它在經(jīng)典大觀測成果尤為方便。它在經(jīng)典大地測量學(xué)地測量學(xué)( (Geodesy) )中，具有多種表達(dá)形式和極為中，具有多種表達(dá)形式和極為廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。Coordinate and Time System 坐標(biāo)系統(tǒng)是由原點(diǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)是由原點(diǎn)( (

5、origin) )位置、坐標(biāo)軸位置、坐標(biāo)軸( (Coordinate axis) )的指向和尺度的指向和尺度( (Scale) )所定義的。所定義的。在在GPSGPS測量中測量中, ,坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般取地球的質(zhì)心坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般取地球的質(zhì)心（the mass center of the earth) )，而坐標(biāo)軸的指向，而坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性。為了使用上的方便，國際上具有一定的選擇性。為了使用上的方便，國際上都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸都通過協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系，通常稱為指向，這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系，通常稱為協(xié)議坐協(xié)議坐標(biāo)系標(biāo)系(

6、(Conventional Coordinate System) )。Coordinate and Time System2.1 2.1 協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系一、天球的基本概念一、天球的基本概念 天球天球: :是指以地是指以地球質(zhì)心球質(zhì)心M為中心，為中心，半徑半徑r為任意長度的為任意長度的一個(gè)假想的球體。一個(gè)假想的球體。 Conventional Celestial Coordinate System2.1 2.1 協(xié)議天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系 在天文學(xué)中，通常均在天文學(xué)中，通常均把天體把天體( (celestial bodies) )投影投影( (project) )到天球的球到天球

7、的球面，并利用球面坐標(biāo)系統(tǒng)面，并利用球面坐標(biāo)系統(tǒng)來表達(dá)或研究天體的位置來表達(dá)或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。為了及天體之間的關(guān)系。為了建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，必須確定球面上的一些參考點(diǎn)、確定球面上的一些參考點(diǎn)、線、面和圈。在全球定位線、面和圈。在全球定位系統(tǒng)中，為描述衛(wèi)星的位系統(tǒng)中，為描述衛(wèi)星的位置也將涉及到這些概念。置也將涉及到這些概念。 通過地球質(zhì)心并與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。通過地球質(zhì)心并與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。這時(shí)天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相這時(shí)天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天球赤道。交的大圓稱為天球赤道

8、。 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸稱為地球自轉(zhuǎn)軸的延伸稱為天軸；天軸與天球的交點(diǎn)天軸；天軸與天球的交點(diǎn)Pn、Ps稱為天極稱為天極，其中其中Pn稱為北天稱為北天極，極， Ps稱為南天極。稱為南天極。2 2、天球赤道面與天球赤道、天球赤道面與天球赤道 1 1、天軸和天極、天軸和天極( (celestial axis and celestial pole) 包含天軸并通過地球上包含天軸并通過地球上任一點(diǎn)的平面，稱為天球任一點(diǎn)的平面，稱為天球子午面子午面(Meridian Plane; Meridional)。而天球子而天球子午面與天球相交的大圓稱午面與天球相交的大圓稱為天球子午圈為天球子午圈( (Celestia

9、l Meridian) ) 。3 3、天球子午面與天球子午圈、天球子午面與天球子午圈 通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓。通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓。4 4、時(shí)圈、時(shí)圈5 5、黃道、黃道(ecliptic)(ecliptic) 地球公轉(zhuǎn)的軌道與天球地球公轉(zhuǎn)的軌道與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測者陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上運(yùn)動(dòng)所見到的太陽在天球上運(yùn)動(dòng)的軌跡。黃道面與赤道面的的軌跡。黃道面與赤道面的夾角夾角 稱為稱為黃赤交角黃赤交角，約為，約為23.5。（Obliquity of the ecliptic ）The inters

10、ection plane of the earths orbit with the celestial sphere, along which the sun appears to move as viewed from the earth. 通過天球中心，且垂直通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)，其中靠近北天極的交點(diǎn)點(diǎn)，其中靠近北天極的交點(diǎn) n，稱為北黃極，靠近南天稱為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)極的交點(diǎn) s稱為南黃極。稱為南黃極。6 6、黃極、黃極(ecliptic pole)(ecliptic pole) 當(dāng)太陽在黃道上從天球當(dāng)太陽在黃道上從天球南半球向北

11、半球運(yùn)行時(shí)，黃南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與地球赤道的交點(diǎn)道與地球赤道的交點(diǎn) 。在。在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)中，天文學(xué)和衛(wèi)星大地測量學(xué)中，春分點(diǎn)和天球赤道面，是建春分點(diǎn)和天球赤道面，是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。準(zhǔn)面。7 7、春分點(diǎn)、春分點(diǎn)（equinox ）Either of two points on the celestial sphere at which the ecliptic intersects the celestial equator.空間直角坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系: :the spatial rectangle coordinate system球

12、面坐標(biāo)系球面坐標(biāo)系: :the spherical coordinate system 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系: : Celestial Coordinate System二、天球坐標(biāo)系二、天球坐標(biāo)系 任一天體的位置，在天球任一天體的位置，在天球坐標(biāo)系中可用兩種形式來描述。坐標(biāo)系中可用兩種形式來描述。 1、天球空間直角坐標(biāo)系天球空間直角坐標(biāo)系 在天球空間直角坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為在天球空間直角坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為( (X，Y，Z) )。 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M；Z軸指向天球北極軸指向天球北極Pn ，X軸軸指向春分點(diǎn)指向春分點(diǎn) ，Y軸垂直于軸垂直于XMZ平面，與平面，與X軸和軸和Z軸

13、構(gòu)軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系統(tǒng)。成右手坐標(biāo)系統(tǒng)。二、天球坐標(biāo)系二、天球坐標(biāo)系 2、天球球面坐標(biāo)系天球球面坐標(biāo)系 原點(diǎn)位于地球質(zhì)心原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M，赤赤經(jīng)經(jīng)為含天軸和春分點(diǎn)的天球?yàn)楹燧S和春分點(diǎn)的天球子午面與過天體子午面與過天體S的天球子午的天球子午面之間的夾角；赤緯面之間的夾角；赤緯為原點(diǎn)為原點(diǎn)M至天體至天體S的連線與天球赤道的連線與天球赤道面之間的夾角，向徑長度面之間的夾角，向徑長度r為為原點(diǎn)原點(diǎn)M至天體至天體S的距離。的距離。 在天球球面坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為在天球球面坐標(biāo)系中，天體的坐標(biāo)為( ( ， ， r) )。GAMIT 3、天球空間直角坐標(biāo)和球面坐標(biāo)的關(guān)系天球空間直角坐標(biāo)和球面坐標(biāo)的關(guān)系2

14、2222sinsincoscoscosYXZarctgXYarctgZYXrrZYX 或 在實(shí)踐中，以上關(guān)于天球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式，應(yīng)用都很普在實(shí)踐中，以上關(guān)于天球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式，應(yīng)用都很普遍。遍。由于它們和地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以對于描述天體或人造地球衛(wèi)由于它們和地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以對于描述天體或人造地球衛(wèi)星的位置和狀態(tài)是方便的。星的位置和狀態(tài)是方便的。 天球坐標(biāo)系的建立，是基于天球坐標(biāo)系的建立，是基于假設(shè)地假設(shè)地球?yàn)榫|(zhì)的球體球?yàn)榫|(zhì)的球體，且，且沒有其它天體攝動(dòng)沒有其它天體攝動(dòng)力影響力影響的理想情況，即假定地球的自轉(zhuǎn)的理想情況，即假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向是固定的，因而春分點(diǎn)軸在空

15、間的方向是固定的，因而春分點(diǎn)在天球上的位置保持不變。但是，實(shí)際在天球上的位置保持不變。但是，實(shí)際上上地球的形體接近于一個(gè)赤道隆起的橢地球的形體接近于一個(gè)赤道隆起的橢球體球體，因此，在日月引力和其它天體引，因此，在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在赤道上產(chǎn)生緩慢的變，從而使春分點(diǎn)在赤道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差。歲差。三、歲差與章動(dòng)（三、歲差與章動(dòng)（precession and nutation ）1 1）地球的

16、非球形影響）地球的非球形影響歲差現(xiàn)象歲差現(xiàn)象 在歲差的影響下，在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)( (從北天極上方觀察從北天極上方觀察為順時(shí)針方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，以下，以下同同) )，因而使北天極以，因而使北天極以同樣的方式在天球上同樣的方式在天球上繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。 如果如果月球的引力及其運(yùn)行的軌道都月球的引力及其運(yùn)行的軌道都是固定不變的，同時(shí)忽略其它行星引力是固定不變的，同時(shí)忽略其它行星引力的微小影響的微小影響，那么日月引力的影響，僅，那么日月引力的影響，僅將使北天極繞北黃極以順時(shí)針方向緩慢將使北天極繞北黃極以順時(shí)針

17、方向緩慢地旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)圓錐面；這時(shí)，在天地旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成一個(gè)圓錐面；這時(shí)，在天球上，北天極的軌跡近似地構(gòu)成一個(gè)以球上，北天極的軌跡近似地構(gòu)成一個(gè)以北黃極北黃極 n為中心，以黃赤交角為中心，以黃赤交角 為半徑為半徑的小圓。在這個(gè)小圓上，北天極每年西的小圓。在這個(gè)小圓上，北天極每年西移約為移約為50.37150.371。周期大約為。周期大約為2580025800年。年。 地球自轉(zhuǎn)軸在空間的方向變化，主要是由日月引力共地球自轉(zhuǎn)軸在空間的方向變化，主要是由日月引力共同作用的結(jié)果，其中又以月球的引力影響為最大。由于太同作用的結(jié)果，其中又以月球的引力影響為最大。由于太陽遠(yuǎn)較月球距地球?yàn)檫h(yuǎn)，所以其引力的影響僅

18、為月球影響陽遠(yuǎn)較月球距地球?yàn)檫h(yuǎn)，所以其引力的影響僅為月球影響的的0.460.46倍。倍。 在天球上，這種規(guī)律運(yùn)在天球上，這種規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極，通常稱為瞬時(shí)動(dòng)的北天極，通常稱為瞬時(shí)平北天極平北天極( (或簡稱為平北天或簡稱為平北天極極) )，而與之相應(yīng)的天球赤道，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)，稱為瞬時(shí)天球平和春分點(diǎn)，稱為瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。instantaneous average north celestial pole 在太陽和其它行星引力的影響下，在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運(yùn)行軌道以及月地之月球的運(yùn)行軌道以及月地之間的距離都是不斷變化的間的距離都是不

19、斷變化的，所以，北天極在天球上繞北黃極旋轉(zhuǎn)的，所以，北天極在天球上繞北黃極旋轉(zhuǎn)的軌跡，實(shí)際上要復(fù)雜得多。軌跡，實(shí)際上要復(fù)雜得多。2 2）月地距變化）月地距變化章動(dòng)現(xiàn)象章動(dòng)現(xiàn)象 如果把觀測時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)如果把觀測時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極北天極( (或稱真北天極或稱真北天極) )，而與之相應(yīng)，而與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球赤的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分點(diǎn)道和瞬時(shí)春分點(diǎn)( (或稱真天球赤道和或稱真天球赤道和真春分點(diǎn)真春分點(diǎn)) )，那么在日月引力等因素，那么在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，天極

20、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長半徑約為其長半徑約為9.29.2，周期約為，周期約為18.618.6年。年。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)章動(dòng)。 3）如何為了描述北天極在天球上的運(yùn)動(dòng)如何為了描述北天極在天球上的運(yùn)動(dòng) 通常均把這種復(fù)雜的運(yùn)通常均把這種復(fù)雜的運(yùn)功，分解為功，分解為兩種規(guī)律的運(yùn)兩種規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，首先是平北天極繞北動(dòng)，首先是平北天極繞北黃極的運(yùn)動(dòng)，這就是上面黃極的運(yùn)動(dòng)，這就是上面介紹的歲差現(xiàn)象；其次是介紹的歲差現(xiàn)象；其次是瞬時(shí)北天極繞平北天極順?biāo)矔r(shí)北天極繞平北天極順時(shí)針的轉(zhuǎn)功，即章動(dòng)現(xiàn)象。時(shí)針的轉(zhuǎn)功，即章動(dòng)現(xiàn)象。在歲差和章動(dòng)的共同影響在歲差和章動(dòng)的共同影響下，瞬時(shí)北天極繞北黃極下，瞬時(shí)北天

21、極繞北黃極旋轉(zhuǎn)的軌跡，實(shí)際上如右旋轉(zhuǎn)的軌跡，實(shí)際上如右圖所示。圖所示。 在歲差和章動(dòng)的影響下，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指在歲差和章動(dòng)的影響下，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向是在不斷地旋轉(zhuǎn)。在這種非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中，不能直接向是在不斷地旋轉(zhuǎn)。在這種非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)中，不能直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 為了建立一個(gè)與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，人們?yōu)榱私⒁粋€(gè)與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，人們通常選擇某一時(shí)刻通常選擇某一時(shí)刻t0作為標(biāo)準(zhǔn)歷元作為標(biāo)準(zhǔn)歷元( (epoch) )，并將此時(shí)刻，并將此時(shí)刻地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸( (指向北極指向北極) )和地心至

22、瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)該時(shí)刻的歲差和章動(dòng)改正后，分別作為經(jīng)該時(shí)刻的歲差和章動(dòng)改正后，分別作為Z軸和軸和X軸的指軸的指向。由此所構(gòu)成的空固坐標(biāo)系，稱為所取標(biāo)推歷元向。由此所構(gòu)成的空固坐標(biāo)系，稱為所取標(biāo)推歷元t0的平的平天球坐標(biāo)系或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議慣性坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議慣性坐標(biāo)系( (Conventional Inertial SystemCIS) )。天體的星歷通常天體的星歷通常都是在該系統(tǒng)中表示的。都是在該系統(tǒng)中表示的。四、四、協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和換算協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和換算四、四、協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和換算協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義和換算

23、 國際大地測量協(xié)會(huì)和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決定，從國際大地測量協(xié)會(huì)和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決定，從19841984年年1 1月月1 1日后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向是以日后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向是以20002000年年1 1月月1515日日TDB (TDB (質(zhì)心力學(xué)時(shí)質(zhì)心力學(xué)時(shí)) )為標(biāo)準(zhǔn)歷元為標(biāo)準(zhǔn)歷元( (標(biāo)以標(biāo)以J2000.0)J2000.0)的赤道和春分點(diǎn)所定義。的赤道和春分點(diǎn)所定義。 國際大地測量協(xié)會(huì)國際大地測量協(xié)會(huì)(IAG)(IAG)International Association of Geodesy國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)(IAU)(IAU)Interna

24、tional Astronomical Union 為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到觀測歷元為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到觀測歷元t的瞬時(shí)天的瞬時(shí)天球坐標(biāo)系下，通常可分為兩步：即首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，球坐標(biāo)系下，通?？煞譃閮刹剑杭词紫葘f(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，換算到觀測瞬間的平天球坐標(biāo)系下，然后再將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的換算到觀測瞬間的平天球坐標(biāo)系下，然后再將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系統(tǒng)。坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系統(tǒng)。 在實(shí)際工作中，坐標(biāo)系統(tǒng)的這種轉(zhuǎn)換，一般都可借助計(jì)算機(jī)的在實(shí)際工作中，坐標(biāo)系統(tǒng)的這種轉(zhuǎn)換，一般都可借助計(jì)算機(jī)的相應(yīng)軟件自動(dòng)完成。相應(yīng)軟件自動(dòng)完

25、成。國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織(IERS)(IERS)International Earth Rotation Service國際時(shí)間局國際時(shí)間局(BIH)(BIH)Bureau Bureau International de Heare小知識(shí)小知識(shí)國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)(IUGG)(IUGG)International Union of Geodesy and Geophysics儒略歷：是公元前羅馬皇帝儒略儒略歷：是公元前羅馬皇帝儒略凱撒所實(shí)行的一種歷法。一個(gè)儒略凱撒所實(shí)行的一種歷法。一個(gè)儒略世紀(jì)含有世紀(jì)含有3652536525個(gè)儒略日。儒略

26、日是從公元前個(gè)儒略日。儒略日是從公元前47134713年儒略歷年儒略歷1 1月月1 1日起日起算的連續(xù)天數(shù)。新標(biāo)準(zhǔn)歷元算的連續(xù)天數(shù)。新標(biāo)準(zhǔn)歷元J2000.0J2000.0相應(yīng)的儒略日為相應(yīng)的儒略日為2451545.02451545.0。2.2 2.2 協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系一、地球坐標(biāo)一、地球坐標(biāo)系系 由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，地球上任一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的地球上任一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，將隨地球的自轉(zhuǎn)而變化，顯然坐標(biāo)，將隨地球的自轉(zhuǎn)而變化，顯然這在實(shí)用上很不方便。這在實(shí)用上很不方便。為了描述地面為了描述地面觀測站的位置觀測站的位置，有必要建立與

27、地球體，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)系相固聯(lián)的坐標(biāo)系，即地球坐標(biāo)系( (有有時(shí)稱地固坐標(biāo)系時(shí)稱地固坐標(biāo)系) )。該系統(tǒng)也有兩種。該系統(tǒng)也有兩種形式。形式。1、地心空間直角坐標(biāo)系地心空間直角坐標(biāo)系 原點(diǎn)原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極軸指向地球北極，X軸指向格林尼治軸指向格林尼治平子午面與地球赤道的交點(diǎn)平子午面與地球赤道的交點(diǎn)E，Y軸垂直于軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標(biāo)平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。系。2、地心大地坐標(biāo)系地心大地坐標(biāo)系 地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相合，大橢球的短軸與地球自轉(zhuǎn)軸相合，大地緯度地緯度B

28、為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地為過地面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大面點(diǎn)的橢球子午面與格林尼治平大地子午面之間的夾角，大地高地子午面之間的夾角，大地高H為地為地面點(diǎn)沿橢球面點(diǎn)沿橢球法線法線（normal）至橢球至橢球面的距離。面的距離。3、兩種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系兩種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(L B H) (X Y Z)BHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2式中，式中，N為橢球的卯酉圈曲率半為橢球的卯酉圈曲率半徑，徑， e為橢球的第一偏心率。為橢球的第一偏心率。radius of curvat

29、ure in the prime vertical (X Y Z) (L B H)XYLarctanXHeNLZHNB)1 (cos)(tan2NBYXHcos22若以若以a、b分別表示所取橢球的長分別表示所取橢球的長半徑和短半徑，則半徑和短半徑，則22222sin1abaeBeaN二、地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系二、地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系 在介紹天球坐標(biāo)系時(shí)，所關(guān)心的主要問題，是地球自轉(zhuǎn)軸在空在介紹天球坐標(biāo)系時(shí)，所關(guān)心的主要問題，是地球自轉(zhuǎn)軸在空間的指向及其變化。因?yàn)樘烨蜃鴺?biāo)系與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以，這間的指向及其變化。因?yàn)樘烨蜃鴺?biāo)系與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以，這時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體本身的變化與

30、否并不重要；而對于與地球時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體本身的變化與否并不重要；而對于與地球體固聯(lián)的坐標(biāo)系來說，情況就完全不同了，這時(shí)地極點(diǎn)是作為地球體固聯(lián)的坐標(biāo)系來說，情況就完全不同了，這時(shí)地極點(diǎn)是作為地球坐標(biāo)系的一個(gè)重要基準(zhǔn)點(diǎn)，自然我們希望它在地球上的位置是固定坐標(biāo)系的一個(gè)重要基準(zhǔn)點(diǎn)，自然我們希望它在地球上的位置是固定的，否則地球參考系的的，否則地球參考系的Z軸方向?qū)⒂兴淖?，也就是說，地球赤道軸方向?qū)⒂兴淖?，也就是說，地球赤道面和起始子午面的位置均將有所改變。從而引起地球上點(diǎn)的坐標(biāo)變面和起始子午面的位置均將有所改變。從而引起地球上點(diǎn)的坐標(biāo)變化?；?。 事實(shí)上，人們早已發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，人們早已發(fā)現(xiàn)，地

31、球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位地球自轉(zhuǎn)軸相對地球體的位置并不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置是隨時(shí)間而置并不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置是隨時(shí)間而變化的。這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡稱極移變化的。這種現(xiàn)象稱為地極移動(dòng)，簡稱極移。觀測瞬間地。觀測瞬間地球自轉(zhuǎn)軸所處的位置，我們稱為瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)球自轉(zhuǎn)軸所處的位置，我們稱為瞬時(shí)地球自轉(zhuǎn)軸，而相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極。的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極。 通過大量觀測資科的分析表明，地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)，主通過大量觀測資科的分析表明，地極在地球表面上的運(yùn)動(dòng)，主要包含兩種周期性的變化，一種是周期約為一年，振幅約力要包含兩種周期性的變化，一種是周期約為一年，振幅約力0.

32、1 的變化；另一種是周期約為的變化；另一種是周期約為432432天，振幅約為天，振幅約為0.20.2的變化。后一種的變化。后一種周期變化，一般稱為張德勒周期變化。周期變化，一般稱為張德勒周期變化。 為了描述地極移功的規(guī)律，通常均取一平面直角坐標(biāo)系來表達(dá)為了描述地極移功的規(guī)律，通常均取一平面直角坐標(biāo)系來表達(dá)地極的瞬時(shí)位置。為此，假設(shè)該面通過地極的某一平均位置（即平地極的瞬時(shí)位置。為此，假設(shè)該面通過地極的某一平均位置（即平極）并與地球表面相切。在此平面上取直角坐標(biāo)系極）并與地球表面相切。在此平面上取直角坐標(biāo)系(xp 、yp)，設(shè)其設(shè)其原點(diǎn)與平極重合，原點(diǎn)與平極重合， xp軸指向格林尼治平均天文臺(tái)，

33、軸指向格林尼治平均天文臺(tái)， yp軸指向格林尼軸指向格林尼治零子午面以西治零子午面以西90的子午線方向。于是任一歷元的子午線方向。于是任一歷元t的瞬時(shí)極的瞬時(shí)極pn的位的位置，可表示為置，可表示為(xp 、yp) 。 地極的移動(dòng)將使地球坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的指向發(fā)生變化，這對實(shí)際地極的移動(dòng)將使地球坐標(biāo)系坐標(biāo)軸的指向發(fā)生變化，這對實(shí)際工作造成了許多困難。因此，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)和國際大地測量學(xué)工作造成了許多困難。因此，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)和國際大地測量學(xué)協(xié)會(huì)，早在協(xié)會(huì)，早在1967年便建議，采用國際上年便建議，采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)站，以個(gè)緯度服務(wù)站，以1900至至1905年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基

34、準(zhǔn)點(diǎn)。年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)。或協(xié)議赤道面。在實(shí)際工作中，至今或協(xié)議赤道面。在實(shí)際工作中，至今仍普遍采用仍普遍采用CIO作為作為協(xié)議地極協(xié)議地極(Conventional Terrestrial PoleCTP)。以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐。以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點(diǎn)的地球坐標(biāo)系，稱為標(biāo)系，稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系協(xié)議地球坐標(biāo)系(Conventional Terrestrial SystemCTS)，而與瞬時(shí)極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系，而與瞬時(shí)極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系，稱之為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。右圖描繪了稱之為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。右圖描繪了從從197l至至1975年間，相對于年間，相對于CIO地極地極運(yùn)動(dòng)的軌

35、跡。運(yùn)動(dòng)的軌跡。 平極的這個(gè)位置是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通平極的這個(gè)位置是相應(yīng)于上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為常稱為國際協(xié)議原點(diǎn)國際協(xié)議原點(diǎn)(Conventional International OriginCIO),與之相應(yīng)的地球赤道面，稱為平赤道面與之相應(yīng)的地球赤道面，稱為平赤道面 在上述地極平面坐標(biāo)系中，地極的瞬時(shí)坐標(biāo)在上述地極平面坐標(biāo)系中，地極的瞬時(shí)坐標(biāo)( (xp 、yp) )是由國際是由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織根據(jù)所屬臺(tái)站的觀測資料，推算并定期出版公報(bào)地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織根據(jù)所屬臺(tái)站的觀測資料，推算并定期出版公報(bào)向用戶提供的。向用戶提供的。極移現(xiàn)象主要引起了地球瞬時(shí)坐極

36、移現(xiàn)象主要引起了地球瞬時(shí)坐標(biāo)系相對協(xié)議地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)標(biāo)系相對協(xié)議地球坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)（見右圖（見右圖) )。如果以。如果以( (X Y Z) )CTS和和( (X Y Z) )t分別表示協(xié)議地球空分別表示協(xié)議地球空間直角坐標(biāo)系和觀測歷元間直角坐標(biāo)系和觀測歷元t的瞬時(shí)的瞬時(shí)地球空間直角坐標(biāo)系，那么其間地球空間直角坐標(biāo)系，那么其間的關(guān)系為的關(guān)系為tCTSZYXMZYX)()(12ppyRxRM其中其中慮到地極坐標(biāo)為微小量，如果僅取至一慮到地極坐標(biāo)為微小量，如果僅取至一次微小項(xiàng)，則有次微小項(xiàng)，則有11001ppppyxyxM三、協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球三、協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球 根據(jù)協(xié)議地球坐標(biāo)系和

37、協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義可知：根據(jù)協(xié)議地球坐標(biāo)系和協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義可知： 兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同；兩坐標(biāo)系的原點(diǎn)均位于地球的質(zhì)心，故其原點(diǎn)位置相同； 瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的Z軸與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的軸與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的Z軸指向相同；軸指向相同； 兩瞬時(shí)坐標(biāo)系的兩瞬時(shí)坐標(biāo)系的X軸的指向不同，其間夾角為春分點(diǎn)的格林軸的指向不同，其間夾角為春分點(diǎn)的格林 尼治恒星時(shí)。尼治恒星時(shí)。坐標(biāo)系的關(guān)系坐標(biāo)系的關(guān)系四、站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系四、站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系 使用站心地平坐標(biāo)系能夠比較直觀方便地描述衛(wèi)星與觀測站之使用站心地平坐標(biāo)系能夠比較直觀

38、方便地描述衛(wèi)星與觀測站之間的瞬時(shí)距離、方位角和高度角，了解衛(wèi)星在天空的分布情況。間的瞬時(shí)距離、方位角和高度角，了解衛(wèi)星在天空的分布情況。 1 1、站心赤道直角坐標(biāo)系、站心赤道直角坐標(biāo)系 如右圖，如右圖，P1是測站，是測站，O是球心。以是球心。以P1為原點(diǎn)建立與球心空間直角坐標(biāo)系相為原點(diǎn)建立與球心空間直角坐標(biāo)系相應(yīng)坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)系叫做站心赤道直應(yīng)坐標(biāo)軸平行的坐標(biāo)系叫做站心赤道直角坐標(biāo)系。顯然，站心赤道直角坐標(biāo)系角坐標(biāo)系。顯然，站心赤道直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系間有簡單與球心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)系間有簡單的平移關(guān)系。的平移關(guān)系。BHeNLBHNLBHNZYXZYXsin)1 (sinco

39、s)coscos)2（2 2、站心地平直角坐標(biāo)系、站心地平直角坐標(biāo)系 以以P1為原點(diǎn)，為原點(diǎn)， P1點(diǎn)的法線為點(diǎn)的法線為z軸（指向天軸（指向天頂為正），以子午線方向?yàn)轫敒檎宰游缇€方向?yàn)閤軸（向北為正軸（向北為正），），y軸與軸與x、z軸垂直（向東為正）。軸垂直（向東為正）。 地平站赤zyxBBLBLLBLBLLBZYXsin0cossincoscossinsincoscossincossin 站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐站心赤道直角坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系標(biāo)系之間的關(guān)系 站心地平直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐站心地平直角坐標(biāo)系與球心空間直角坐標(biāo)系的關(guān)系標(biāo)系的關(guān)系BHeNLB

40、HNLBHNzyxBBLBLLBLBLLBZYXsin)1 (sincos)coscos)sin0cossincoscossinsincoscossincossin2（地平站心3 3、站心地平極坐標(biāo)系、站心地平極坐標(biāo)系 以測站以測站P1為原點(diǎn)，至衛(wèi)星為原點(diǎn)，至衛(wèi)星s的距離的距離r、衛(wèi)星的方位角衛(wèi)星的方位角A、衛(wèi)星的高度角、衛(wèi)星的高度角h可以建可以建立站心地平極坐標(biāo)系。立站心地平極坐標(biāo)系。 站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角站心地平極坐標(biāo)系與站心地平直角坐標(biāo)系間有關(guān)系坐標(biāo)系間有關(guān)系)arctan()arctan(,sincossincoscos22222yxzhxyAzyxrhrhArhArzyx2

41、.3 WGS-842.3 WGS-84坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系和我國的大地坐標(biāo)系WGS-84(World Geodetic SystemWGS-84(World Geodetic System，19841984年年) )是美國國防部研制確定的大是美國國防部研制確定的大地坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系的幾何定義是：地坐標(biāo)系，其坐標(biāo)系的幾何定義是：一、一、WGS-84WGS-84大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系1 1、WGS-84WGS-84大地坐標(biāo)系定義大地坐標(biāo)系定義 原點(diǎn)在地球質(zhì)心，原點(diǎn)在地球質(zhì)心，Z軸指向軸指向BIH BIH 1984.0定義的協(xié)議地定義的協(xié)議地球極球極(CTP)(CTP)方向，方向，X軸指向軸

42、指向BIHBIH 1984.0的零子午面和的零子午面和CTPCTP赤赤道的交點(diǎn)，道的交點(diǎn)，Y軸與軸與Z、X軸構(gòu)成右手系。軸構(gòu)成右手系。2 2、WGS-84WGS-84橢球參數(shù)橢球參數(shù) 對應(yīng)于對應(yīng)于WGS-84WGS-84大地坐標(biāo)系有一個(gè)大地坐標(biāo)系有一個(gè)WGS-84WGS-84橢球，其常數(shù)橢球，其常數(shù)采用采用IUGGIUGG第第1717屆大會(huì)大地測量常數(shù)的推薦值。這里給出屆大會(huì)大地測量常數(shù)的推薦值。這里給出WGS-84WGS-84橢球的兩個(gè)最常用的幾何常數(shù)：橢球的兩個(gè)最常用的幾何常數(shù)：563223257.298121373786fma率扁長半軸國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)國際大地測量與地球物理聯(lián)

43、合會(huì)(IUGG)(IUGG)International Union of Geodesy and Geophysics 橢球第一偏心率：橢球第一偏心率：e2=0.00669437999013=0.00669437999013地球引力常數(shù)：地球引力常數(shù)：GM= =（39860053986005 0.60.6） 10108 8（m m3 3/s/s2 2）正?；A帶諧系數(shù)：正常化二階帶諧系數(shù)：J2 2= =（484.16685484.16685 1.301.30） 101099（rad/srad/s）地球自轉(zhuǎn)角速度：地球自轉(zhuǎn)角速度：= =（72921157292115 0.15000.1500）

44、 10101111（rad/srad/s）二、國家大地坐標(biāo)系二、國家大地坐標(biāo)系 1 1、19801980國家大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系 C80是為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球定是為了進(jìn)行全國天文大地網(wǎng)整體平差而建立的。根據(jù)橢球定位的基本原理，在建立位的基本原理，在建立C80坐標(biāo)系時(shí)有以下先決條件：坐標(biāo)系時(shí)有以下先決條件： 大地原點(diǎn)大地原點(diǎn)在我國中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)；在我國中部，具體地點(diǎn)是陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)； C80坐標(biāo)系是坐標(biāo)系是參心坐標(biāo)系參心坐標(biāo)系，橢球短軸，橢球短軸Z軸平行于地球質(zhì)心指軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)向地極原點(diǎn)JYD1968.0的方向；大地起始子午

45、面平行于格林尼治平的方向；大地起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)子午面，均天文臺(tái)子午面，X軸在大地起始子午面內(nèi)與軸在大地起始子午面內(nèi)與Z Z軸垂直指向經(jīng)度軸垂直指向經(jīng)度0 0方方向，向，Y軸與軸與Z、X軸成右手坐標(biāo)系；軸成右手坐標(biāo)系； 橢球兩個(gè)最常用的幾何參數(shù)為橢球兩個(gè)最常用的幾何參數(shù)為 長半軸長半軸 a6378140(m)，扁率，扁率 f = 1/298.2571/298.257橢球定位時(shí)按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。橢球定位時(shí)按我國范圍內(nèi)高程異常值平方和最小為原則求解參數(shù)。 建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時(shí)建國初期，為了迅速開展我國的測繪事業(yè)，鑒于當(dāng)時(shí)的實(shí)際

46、情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，的實(shí)際情況，將我國一等鎖與原蘇聯(lián)遠(yuǎn)東一等鎖相連接，然后以連接呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴(kuò)大邊端點(diǎn)的原蘇然后以連接呼瑪、吉拉寧、東寧基線網(wǎng)擴(kuò)大邊端點(diǎn)的原蘇聯(lián)聯(lián)19421942年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國東年普爾科沃坐標(biāo)系的坐標(biāo)為起算數(shù)據(jù)，平差我國東北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標(biāo)系就定名為北及東部區(qū)一等鎖，這樣傳算過來的坐標(biāo)系就定名為19541954年北京坐標(biāo)系。我們稱為舊年北京坐標(biāo)系。我們稱為舊19541954年北京坐標(biāo)系。因此，舊年北京坐標(biāo)系。因此，舊P54P54坐標(biāo)系可歸結(jié)為：坐標(biāo)系可歸結(jié)為： 屬屬參心參心大地坐標(biāo)系；大地坐標(biāo)系；

47、 采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何采用克拉索夫斯基橢球的兩個(gè)幾何參數(shù)參數(shù) 長半軸長半軸 a a6378245(m)6378245(m)，扁率，扁率 f = 1/298.3f = 1/298.32 2、19541954年北京坐標(biāo)系年北京坐標(biāo)系 大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃；大地原點(diǎn)在原蘇聯(lián)的普爾科沃； 采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位；采用多點(diǎn)定位法進(jìn)行橢球定位； 高程基準(zhǔn)為高程基準(zhǔn)為19561956年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面；年青島驗(yàn)潮站求出的黃海平均海水面； 高程異常以原蘇聯(lián)高程異常以原蘇聯(lián)19551955年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為年大地水準(zhǔn)面重新平差結(jié)果為起算數(shù)據(jù)，按我國天文水準(zhǔn)路線推算而得。

48、起算數(shù)據(jù)，按我國天文水準(zhǔn)路線推算而得。 自舊自舊P54P54建立以來，在該坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行了許多地區(qū)的建立以來，在該坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行了許多地區(qū)的局部平差，其成果得到了廣泛的應(yīng)用。局部平差，其成果得到了廣泛的應(yīng)用。3 3、新、新1954年年坐標(biāo)系坐標(biāo)系 全國天文大地網(wǎng)在全國天文大地網(wǎng)在19801980年國家大地坐標(biāo)系上進(jìn)行整體平差完成年國家大地坐標(biāo)系上進(jìn)行整體平差完成后，理論上應(yīng)使用該整體平差結(jié)果。但考慮到實(shí)用中許多部門和單后，理論上應(yīng)使用該整體平差結(jié)果。但考慮到實(shí)用中許多部門和單位有大量測繪成果是舊位有大量測繪成果是舊P54P54下的，因而產(chǎn)生了所謂的新下的，因而產(chǎn)生了所謂的新P54P54年北京坐年北

49、京坐標(biāo)系。標(biāo)系。 新新P54P54是將是將C80C80內(nèi)的空間直角坐標(biāo)經(jīng)三個(gè)平移參數(shù)平移變換至克內(nèi)的空間直角坐標(biāo)經(jīng)三個(gè)平移參數(shù)平移變換至克拉索夫斯基橢球中心得到的。它具有如下特點(diǎn)：拉索夫斯基橢球中心得到的。它具有如下特點(diǎn)：屬參心大地坐標(biāo)系；屬參心大地坐標(biāo)系；橢球參數(shù)橢球參數(shù)(P54):(P54):長半軸長半軸 a6378245(m),扁率扁率 f = 1/298.31/298.3大地原點(diǎn)與大地原點(diǎn)與C80C80大地原點(diǎn)相同；大地原點(diǎn)相同；橢球軸向與橢球軸向與C80C80橢球軸向相同；橢球軸向相同；高程基準(zhǔn)為高程基準(zhǔn)為19561956年青島驗(yàn)潮站求出的黃梅平均海水面；年青島驗(yàn)潮站求出的黃梅平均海

50、水面； 新新P54P54點(diǎn)坐標(biāo)與舊點(diǎn)坐標(biāo)與舊P54P54點(diǎn)坐標(biāo)接近，但其精度和點(diǎn)坐標(biāo)接近，但其精度和C80C80坐坐標(biāo)精度完全一樣。標(biāo)精度完全一樣。 據(jù)統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計(jì)，新計(jì)，新P54P54點(diǎn)坐標(biāo)與舊點(diǎn)坐標(biāo)與舊P54P54點(diǎn)坐標(biāo)相比較，就平面點(diǎn)坐標(biāo)相比較，就平面坐標(biāo)而言，縱坐標(biāo)坐標(biāo)而言，縱坐標(biāo)x差值在差值在-6.5m至至+7.8m之間，橫坐標(biāo)之間，橫坐標(biāo)y差差值在值在-12.9m至至+9.0m之間，差值在之間，差值在5m以內(nèi)的約占全國以內(nèi)的約占全國80%的地區(qū)。反映在的地區(qū)。反映在1 1：5 5萬比例尺的地形圖上，絕大部分不超萬比例尺的地形圖上，絕大部分不超過過0.1mm。4 4、20002000國家

51、大地坐標(biāo)系國家大地坐標(biāo)系 經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，我國自經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，我國自20082008年年7 7月月1 1日起，啟用日起，啟用20002000國國家大地坐標(biāo)系。家大地坐標(biāo)系。 1 1）20002000國家大地坐標(biāo)系的定義國家大地坐標(biāo)系的定義 國家大地坐標(biāo)系的定義包括坐標(biāo)系的原點(diǎn)、三個(gè)坐國家大地坐標(biāo)系的定義包括坐標(biāo)系的原點(diǎn)、三個(gè)坐標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的4 4個(gè)基本參數(shù)的定義。個(gè)基本參數(shù)的定義。 原點(diǎn)：原點(diǎn)：包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心；包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心； Z Z軸：軸：由原點(diǎn)指向歷元由原點(diǎn)指向歷元2000.02000.0的地球參考極的方向

52、，的地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時(shí)間局給定的歷元為該歷元的指向由國際時(shí)間局給定的歷元為1984.01984.0的初始指的初始指向推算，定向的時(shí)間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全向推算，定向的時(shí)間演化保證相對于地殼不產(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)；球旋轉(zhuǎn)； X X軸：軸：由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元面（歷元2000.02000.0）的交點(diǎn)；）的交點(diǎn)； Y Y軸軸與與Z Z軸、軸、X X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系 尺度：尺度：采用廣義相對論意義下的尺度。采用廣義相對論意義下的尺度。2 2）地球橢球參數(shù)）地球橢球參數(shù) 長半軸長半軸 a

53、6378137m6378137m 扁率扁率 f=1/298.257222101 =1/298.257222101 地心引力常數(shù)地心引力常數(shù) GMGM3.9860044183.98600441810101414m m3 3s s-2-2 自轉(zhuǎn)角速度自轉(zhuǎn)角速度 7.292l157.292l151010-5-5rad srad s-1-13 3）坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型選擇）坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型選擇 國家及省級范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換國家及省級范圍的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換選擇二維七參數(shù)轉(zhuǎn)換模型；省級以下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可選擇三維四參數(shù)模型或平面模型；省級以下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可選擇三維四參數(shù)模型或平面四參數(shù)模型。對于相對獨(dú)立的平面

54、坐標(biāo)系統(tǒng)與四參數(shù)模型。對于相對獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)與20002000國家大國家大地坐標(biāo)系的聯(lián)系可采用平面四參數(shù)模型或多項(xiàng)式回歸模型。地坐標(biāo)系的聯(lián)系可采用平面四參數(shù)模型或多項(xiàng)式回歸模型。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型詳見坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型詳見現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到現(xiàn)有測繪成果轉(zhuǎn)換到20002000國家大地坐國家大地坐標(biāo)系技術(shù)指南標(biāo)系技術(shù)指南。563223257.298121373786fma率扁長半軸三、三、ITRF坐標(biāo)框架簡介坐標(biāo)框架簡介 國際地球參考框架國際地球參考框架ITRF(InternationalTerreetrial ITRF(InternationalTerreetrial Reference FrameRe

55、ference Frame的縮寫的縮寫) )是一個(gè)地心參考框架。它是由空是一個(gè)地心參考框架。它是由空間大地測量觀測站的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)速度來定義的，是國際地間大地測量觀測站的坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)速度來定義的，是國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERSIERS的地面參考框架。由于章動(dòng)、極移影響，的地面參考框架。由于章動(dòng)、極移影響，國際協(xié)議地極原點(diǎn)國際協(xié)議地極原點(diǎn)CI0CI0是變化的，所以是變化的，所以ITRFITRF框架每年也都框架每年也都在變化。根據(jù)不同的時(shí)間段可定義不同的在變化。根據(jù)不同的時(shí)間段可定義不同的ITRFITRF，如，如ITRF-ITRF-9393、ITRF-94ITRF-94、ITRFITRF9696

56、、ITRFITRF9494(1996(1996年年7 7月月I I日以后的日以后的IGSIGS星星歷都是在此框架下給出的歷都是在此框架下給出的) )等。它們的尺度和定向參數(shù)分等。它們的尺度和定向參數(shù)分別由人衛(wèi)激光測距和別由人衛(wèi)激光測距和IERSIERS公布的地球定向參數(shù)序列確定。公布的地球定向參數(shù)序列確定。 ITRFITRF框架為高精度的框架為高精度的GPSGPS定位測最提供較好的參考系，近幾年已定位測最提供較好的參考系，近幾年已被廣泛地用于地球動(dòng)力學(xué)研究，高精度、大區(qū)域控制網(wǎng)的建立等方被廣泛地用于地球動(dòng)力學(xué)研究，高精度、大區(qū)域控制網(wǎng)的建立等方面，如青藏高原地球動(dòng)力學(xué)研究、國家面，如青藏高原地

57、球動(dòng)力學(xué)研究、國家A A級網(wǎng)平差、深圳市級網(wǎng)平差、深圳市GPSGPS框架框架網(wǎng)的建立等都采用了網(wǎng)的建立等都采用了ITRFITRF框架。一個(gè)測區(qū)在使用框架。一個(gè)測區(qū)在使用ITRFITRF框架時(shí)，一般框架時(shí)，一般以高級約束點(diǎn)的參考框架來確定本測區(qū)的框架。例如，在深圳市以高級約束點(diǎn)的參考框架來確定本測區(qū)的框架。例如，在深圳市GPSGPS框架建立時(shí)，選用了框架建立時(shí)，選用了9696國家國家A A級網(wǎng)的貴陽、廣州、武漢三個(gè)級網(wǎng)的貴陽、廣州、武漢三個(gè)A A級站級站( (其其中武漢為中武漢為IGSIGS永久跟蹤站永久跟蹤站) )為約束基準(zhǔn)，而為約束基準(zhǔn)，而96A96A級網(wǎng)的參考框架為級網(wǎng)的參考框架為ITRF

58、-93ITRF-93框架，參考?xì)v元為框架，參考?xì)v元為96.36596.365，所以深圳市，所以深圳市GPSGPS框架的基準(zhǔn)也選框架的基準(zhǔn)也選用用ITRF-93ITRF-93框架為參考點(diǎn)?？蚣転閰⒖键c(diǎn)。 ITRFITRF框架實(shí)質(zhì)上也是一種地固坐標(biāo)系，其原點(diǎn)在地球框架實(shí)質(zhì)上也是一種地固坐標(biāo)系，其原點(diǎn)在地球體系體系( (含海洋和大氣圈含海洋和大氣圈) )的質(zhì)心，以的質(zhì)心，以WGS-84WGS-84橢球?yàn)閰⒖紮E球。橢球?yàn)閰⒖紮E球。2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng) 在在現(xiàn)代大地測量學(xué)現(xiàn)代大地測量學(xué)中，為了研究諸如地殼升降和板中，為了研究諸如地殼升降和板塊運(yùn)功等地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，時(shí)間也和描述觀測點(diǎn)的空間坐塊

59、運(yùn)功等地球動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，時(shí)間也和描述觀測點(diǎn)的空間坐標(biāo)一樣，成為研究點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)過程和規(guī)律的一個(gè)重要分量，標(biāo)一樣，成為研究點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)過程和規(guī)律的一個(gè)重要分量，從而形成空間與時(shí)間參考系中的四維大地測量學(xué)。從而形成空間與時(shí)間參考系中的四維大地測量學(xué)。 在在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天中，時(shí)間系統(tǒng)是精確描述天體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基推，因而也體和人造衛(wèi)星運(yùn)行位置及其相互關(guān)系的重要基推，因而也是人們利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航和定位的重要基準(zhǔn)。是人們利用衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航和定位的重要基準(zhǔn)。2.4 2.4 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)一、有關(guān)時(shí)間的基本概念一、有關(guān)時(shí)間的基本概念 時(shí)間有時(shí)間有

60、“時(shí)刻時(shí)刻”和和“時(shí)間間隔時(shí)間間隔”兩個(gè)概念。兩個(gè)概念。 時(shí)刻時(shí)刻，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星測，即發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星測量學(xué)中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)刻也稱為量學(xué)中，與所獲數(shù)據(jù)對應(yīng)的時(shí)刻也稱為歷元?dú)v元。 時(shí)間間隔時(shí)間間隔，系指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這，系指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時(shí)刻之差。一過程始末的時(shí)刻之差。 時(shí)間間隔測量也稱為時(shí)間間隔測量也稱為相對時(shí)間測量相對時(shí)間測量，而時(shí)刻測量相，而時(shí)刻測量相應(yīng)地稱為應(yīng)地稱為絕對時(shí)間測量絕對時(shí)間測量。1、時(shí)間的兩個(gè)概念、時(shí)間的兩個(gè)概念2、在、在GPS定位中，時(shí)間的重要意義定位中，時(shí)間的重要意義 GPSGPS衛(wèi)