GPS測量原理與數(shù)據(jù)處理(本)第八章龍去

天球坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系WGS-84世界大地坐標(biāo)系坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換第八章坐標(biāo)系統(tǒng)天球的概述兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型極移與國際協(xié)議原點(diǎn)兩種地球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型瞬時(shí)極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型WGS-84世界大地坐標(biāo)系8.1天球坐標(biāo)系統(tǒng)與地球坐標(biāo)系

1.天球的基本概念

天球：指以地球質(zhì)心為中心，半徑r為任意長度的一個(gè)假想球體。

天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)Pn(北天極)Ps(南天極)稱為天極。

8.1天球坐標(biāo)系統(tǒng)與地球坐標(biāo)系8.1.1天球坐標(biāo)系

天球赤道面與天球赤道：通過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面為天球赤道面，該面與天球相交的大圓為天球赤道。

天球子午面與天球子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點(diǎn)的平面為天球子午面，該面與天球相交的大圓為天球子午圈。天球的概念8.1天球坐標(biāo)系時(shí)間系統(tǒng)黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的運(yùn)動(dòng)軌跡。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約83.50o。黃極：通過天球中心，垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)?？拷碧鞓O的交點(diǎn)n稱北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)s稱南黃極。春分點(diǎn)：當(dāng)太陽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)。8.1天球坐標(biāo)系與時(shí)間系統(tǒng)8.1天球坐標(biāo)系與時(shí)間系統(tǒng)

2.兩種天球坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換模型（1）天球坐標(biāo)系的定義天球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極Pn，x軸指向春分點(diǎn)，y軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。天球球面坐標(biāo)系的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)為含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與經(jīng)過天體s的天球子午面之間的交角，赤緯為原點(diǎn)至天體的連線與天球赤道面的夾角，向徑r為原點(diǎn)至天體的距離。2.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系（2）天球空間直角坐標(biāo)系與天球大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

在日月和其它天體引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)軸方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為歲差。

3.歲差與章動(dòng)8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

在太陽和其它行星引力的影響下，月球的運(yùn)行軌道以及月地之間的距離在不斷變化，北天極繞北黃極順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的軌跡十分復(fù)雜。如果觀測時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極（或真北天極），相應(yīng)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)（或真天球赤道和真春分點(diǎn)）。8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)瞬時(shí)天極運(yùn)動(dòng)分解8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

在天球上，這種順時(shí)針規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極稱為瞬時(shí)平北天極（簡稱平北天極），相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，軌跡大致為橢圓。這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)天球坐標(biāo)系瞬時(shí)（真）天球坐標(biāo)系瞬時(shí)（平）天球坐標(biāo)系8.1坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)8.1.2大地坐標(biāo)系 1、地球坐標(biāo)系

由于天球坐標(biāo)系與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，導(dǎo)致地球上一固定點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)隨地球自轉(zhuǎn)而變化，應(yīng)用不方便。為了描述地面觀測點(diǎn)的位置，有必要建立與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系—地球坐標(biāo)系（有時(shí)稱地固坐標(biāo)系）。地球坐標(biāo)系有兩種表達(dá)方式，即空間直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系。

地心空間直角坐標(biāo)系的定義:原點(diǎn)與地球質(zhì)心重合，z軸指向地球北極，x軸指向格林尼治平子午面與赤道的交點(diǎn)E，y軸垂直于xoz平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 地心大地坐標(biāo)系的定義：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為過地面點(diǎn)的橢球法線與橢球赤道面的夾角，大地經(jīng)度L為過地面點(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H為地面點(diǎn)沿橢球法線至橢球面的距離。8.1.2大地坐標(biāo)系 2、地極移動(dòng)與協(xié)議地球坐標(biāo)系

地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固定的，地極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象稱為極移。

國際協(xié)議原點(diǎn)：國際天文學(xué)聯(lián)合會和大地測量學(xué)協(xié)會在1967建議，采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)站，以1900-1905年的平均緯度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)，平極的位置是相應(yīng)上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為（ConventionalInternationalOrigin——CIO）。與之相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。8.1.2大地坐標(biāo)系

至今仍采用CIO作為協(xié)議地極（conventionalTerrestrialPole——CTP），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（ConventionalTerrestrialSystem——CTS），而與瞬時(shí)極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。8.1.2大地坐標(biāo)系

至今仍采用CIO作為協(xié)議地極（conventionalTerrestrialPole——CTP），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（ConventionalTerrestrialSystem——CTS），而與瞬時(shí)極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系。8.1.2大地坐標(biāo)系地球地極運(yùn)動(dòng)情況3、歷元平天球坐標(biāo)系的定義

由于歲差和章動(dòng)的影響，瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向不斷變化，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)定律研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為建立一個(gè)與慣性坐標(biāo)系相接近的坐標(biāo)系，通常選擇某一時(shí)刻t0作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)過該瞬時(shí)歲差和章動(dòng)改正后，作為z軸和x軸，由此構(gòu)成的空固坐標(biāo)系稱為所取標(biāo)準(zhǔn)歷元的平天球坐標(biāo)系，或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱協(xié)議慣性坐標(biāo)系（ConventionalInertialSystem—CIS）8.1.2大地坐標(biāo)系4、瞬時(shí)極（真）天球坐標(biāo)系到瞬時(shí)（真）地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型8.1.2大地坐標(biāo)系此外，地球坐標(biāo)系還有其它表示形式：（1）地球參心坐標(biāo)系（2）天文坐標(biāo)系（3）站心坐標(biāo)系（4）高斯平面直角坐標(biāo)系等8.1.2大地坐標(biāo)系

在全球定位系統(tǒng)中，為了確定用戶接收機(jī)的位置，GPS衛(wèi)星的瞬時(shí)位置通常應(yīng)化算到統(tǒng)一的地球坐標(biāo)系統(tǒng)。在GPS試驗(yàn)階段，衛(wèi)星瞬間位置的計(jì)算采