[理学]第二章 坐标系统和时间系统.ppt

第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统 卫星定位技术是通过安置于地球表面的接收机，同时接收四颗以上卫星信号来测定地面点位置。观测站固定在地球表面，而卫星与地球自转无关。因此，在卫星定位过程中存在两类坐标系统。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统 在GPS定位中，通常采用两类坐标系统： 天球坐标系:该坐标系是一种惯性坐标系,其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不便，与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。 地球坐标系:与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方便。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.1天球的基本概念 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.1天球的基本概念 天球赤道面与天球赤道 通过地球质心M与天轴垂直的平面为天球赤道面(与地球赤道面重合).该面与天球相交的大圆为天球赤道。 天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.1天球的基本概念 时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹称为黄道。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50o。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.1天球的基本概念 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.2天球坐标系 在天球坐标系中，任一天体的位置可用天球空间直角 坐标系和天球球面坐标系来描述。 天球空间直角坐标系(x,y,z)：原点位于地球的质心M，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。? 天球球面坐标系：原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.2天球坐标系 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.3岁差与章动 天球坐标系的定义是这样的，原点是地球质心（O），Z轴指向地球自转轴（天极，向北为正），X轴指向春分点，根据春分点的定义可以证明X轴与Z轴互相垂直，且X轴在赤道面上，同时为数学描述方便，引入与XOZ成右手旋转关系的Y轴。 天球坐标系与地球自转无关，对于描述天体或人造卫星的位置和状态尤为方便。但前提是：假设地球为均质球体，且没有其他天体摄动力影响。实际上，地球为不规则椭球体，在日月引力和其他天体引力作用下，地球自转轴的方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，即岁差。在岁差影响下，地球自转轴在空间绕黄北极产生缓慢旋转（在北天极上方观察为顺时针），因而使北天极以同样方式绕黄北极旋转。这种有规律的北天极，通常称为瞬时平北天极（平北天极），对应为瞬时天球平赤道、瞬时平春分点。在太阳和其他行星引力影响下，如果把观测时的北天极称为瞬时北天极（真北天极），那么瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转称为章动。 真北天极----平北天极 真春分点----平春分点 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.4协议天球坐标系 协议天球坐标系：在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，为建立一个与惯性坐标系相近的坐标系，人们通常选择某一时刻作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作为Z轴和X轴的指向。由此所构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系(CIS)，天体的星历通常都是在该系统中表示。 为了将协议天球坐标系的卫星坐标，转换到观测历元的瞬时天球坐标，通常可分两步: 协议天球坐标系——瞬时平天球坐标系（岁差旋转） 瞬时平天球坐标系——瞬时天球坐标系（章动旋转） 在实际工作中，坐标系统的转换，一般都借助计算机及相应软件自动完成。 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.1.4协议天球坐标系 瞬时天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向(真天极)，x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。 瞬时天球坐标系，即真天球