1、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 第二講：第二講：GPS系統(tǒng)的坐標(biāo)系系統(tǒng)的坐標(biāo)系與時間系與時間系衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位第二章：第二章：GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo) 系統(tǒng)與時間系系統(tǒng)與時間系2.1 天球、天球坐標(biāo)系天球、天球坐標(biāo)系2.2 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系2.3 GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)系2.4 時間和時間和GPS時系時系2.5 坐標(biāo)系和時間系討論坐標(biāo)系和時間系討論 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位1、天球及天球坐標(biāo)系、天球及天球坐標(biāo)系 天球天球 天球分類：天球分類：站心站心天球、天球、地心天球、地心天球、日心天球等。日心天球等。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位1）地心天球上的主要點、線、圈）

2、地心天球上的主要點、線、圈 天頂天頂zenith（Z）和天底（）和天底（Z） 天軸（天軸（PP）和天極（南、北天極）和天極（南、北天極） 天球赤道面和天球赤道天球赤道面和天球赤道 天球子午面和天球子午圈天球子午面和天球子午圈 上子午圈和下子午圈上子午圈和下子午圈 上赤道點上赤道點Q和下赤道點和下赤道點Q【上子午圈是子午圈在地平圈上的一半，下子午圈是上子午圈是子午圈在地平圈上的一半，下子午圈是在地平圈下的另一半。通俗的說法是在天上從南在地平圈下的另一半。通俗的說法是在天上從南天頂天頂北順序通過的一個假想大弧，亦稱天球子午北順序通過的一個假想大弧，亦稱天球子午圈，而在地平線下通過天底，看不見的另一

3、半大圓圈，而在地平線下通過天底，看不見的另一半大圓則稱下子午圈。則稱下子午圈?！啃l(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位地心天球上的主要點、線、圈地心天球上的主要點、線、圈 黃道黃道ecliptic：地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與地心地心天天球相交的大圓。球相交的大圓。 赤道赤道equator不與黃道平行，而有不與黃道平行，而有23o26的夾角，的夾角，即黃赤交角。赤道平面和黃道平面的交叉點正即黃赤交角。赤道平面和黃道平面的交叉點正好在一條天球直徑線的兩端點，就是著名的二好在一條天球直徑線的兩端點，就是著名的二分點分點(春分點與秋分點春分點與秋分點)。 太陽沿黃道從天赤道以南向北通過

4、天赤道的那太陽沿黃道從天赤道以南向北通過天赤道的那一點，稱為春分點，與春分點相隔一點，稱為春分點，與春分點相隔180的另一的另一點，稱為秋分點。點，稱為秋分點。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位地心天球上的主要點、線、圈地心天球上的主要點、線、圈 太陽分別在每年的太陽分別在每年的春分（春分（3月月21日前日前后）和秋分（后）和秋分（9月月23日前后）通過春日前后）通過春分點和秋分點分點和秋分點（從（從地心來看）地心來看）黃道北黃道北極點極點K黃道南黃道南極點極點K 本初子午面本初子午面prime meridian plane：l884年國際經(jīng)度會議決定以通過格林年國際經(jīng)度會議決定以通過格林尼治天文臺

5、艾黎儀器中心的經(jīng)線為本尼治天文臺艾黎儀器中心的經(jīng)線為本初子午線，作為全球經(jīng)度零點。初子午線，作為全球經(jīng)度零點。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位北天極北天極南天極南天極黃道黃道天球赤道天球赤道赤經(jīng)赤經(jīng)赤緯赤緯太陽太陽星體星體地球地球地球赤道地球赤道本初子午圈本初子午圈地心天球上的主要點、線、圈地心天球上的主要點、線、圈衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 A (L , B , H ) B L H 0 起始子午面起始子午面 赤道赤道 2）基于天球定義坐標(biāo)系）基于天球定義坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點坐標(biāo)原點 坐標(biāo)軸指向坐標(biāo)軸指向 表示坐標(biāo)的表示坐標(biāo)的尺度尺度 坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素坐標(biāo)系統(tǒng)建立的三要素 典型的赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系典

6、型的赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系以地心天球赤道、過春以地心天球赤道、過春分點的時圈和春分點為分點的時圈和春分點為依據(jù)；用赤經(jīng)依據(jù)；用赤經(jīng)L L、赤緯、赤緯B B和高度和高度H H表示表示衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位典型的天球坐標(biāo)系典型的天球坐標(biāo)系 以地心天球黃道、過春分點的黃經(jīng)圈和春以地心天球黃道、過春分點的黃經(jīng)圈和春分點為依據(jù)；用黃經(jīng)分點為依據(jù)；用黃經(jīng) 和黃維和黃維 表示表示黃道北黃道北極點極點K黃道南黃道南極點極點K衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 在地心天球坐標(biāo)系中，任一天體的位置可用地心在地心天球坐標(biāo)系中，任一天體的位置可用地心天球空間直角坐標(biāo)系和地心天球球面坐標(biāo)系來描天球空間直角坐標(biāo)系和地心天球球面坐

7、標(biāo)系來描述：述： 地心天球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點位于地地心天球空間直角坐標(biāo)系的定義：原點位于地球的質(zhì)心，球的質(zhì)心，z軸指向天球的北極軸指向天球的北極Pn，x軸指向春軸指向春分點分點 ，y軸與軸與x、z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 地心天球球面坐標(biāo)系的定義：原點位于地球的地心天球球面坐標(biāo)系的定義：原點位于地球的質(zhì)心，赤經(jīng)質(zhì)心，赤經(jīng) 為含天軸和春分點的天球子午面為含天軸和春分點的天球子午面與經(jīng)過目標(biāo)與經(jīng)過目標(biāo)s的天球子午面之間的交角，赤緯的天球子午面之間的交角，赤緯 為原點至目標(biāo)的連線與天球赤道面的夾角，向為原點至目標(biāo)的連線與天球赤道面的夾角，向徑徑r為原點至天體的距離。為原點至天體的

8、距離。3）地心天球坐標(biāo)系兩種表示）地心天球坐標(biāo)系兩種表示 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位地心天球坐標(biāo)系兩種表示地心天球坐標(biāo)系兩種表示 地心天球空間直角坐標(biāo)系與地心天球球面坐標(biāo)地心天球空間直角坐標(biāo)系與地心天球球面坐標(biāo)系系衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位v天球赤道坐標(biāo)系天球赤道坐標(biāo)系( , , r) 和和天球直角坐標(biāo)系天球直角坐標(biāo)系(x, y, z)sincoscoscoscosrzyx22222rxyzyarctgxxarctgxyv天球空間直角坐標(biāo)系與天球天球空間直角坐標(biāo)系與天球球面坐標(biāo)系在表達(dá)同一天體球面坐標(biāo)系在表達(dá)同一天體的位置時是等價的，二者可的位置時是等價的，二者可相互轉(zhuǎn)換。相互轉(zhuǎn)換。地心天

9、球坐標(biāo)系兩種表示地心天球坐標(biāo)系兩種表示 課堂練習(xí)：課堂練習(xí)： 請簡單推導(dǎo)以上公式！請簡單推導(dǎo)以上公式！衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位4）歲差章動對天球坐標(biāo)的影響）歲差章動對天球坐標(biāo)的影響 地心天球坐標(biāo)系的建立是假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空地心天球坐標(biāo)系的建立是假定地球的自轉(zhuǎn)軸在空間的方向上是固定的。間的方向上是固定的。實際上地球接近于一個赤實際上地球接近于一個赤道隆起的橢球體，在日月和其它天體引力對地球道隆起的橢球體，在日月和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點在黃道上產(chǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點在黃

10、道上產(chǎn)生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為歲差。生緩慢西移，此現(xiàn)象在天文學(xué)上稱為歲差。 在歲差的影響下，地球在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞自轉(zhuǎn)軸在空間繞。 旋轉(zhuǎn)速度很慢，周期月旋轉(zhuǎn)速度很慢，周期月為為25920年。年。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位歲差章動對天球坐標(biāo)的影響歲差章動對天球坐標(biāo)的影響 章動章動nutation：在天文學(xué)上：在天文學(xué)上天極相對于黃極的位置除有天極相對于黃極的位置除有長周期的歲差變化外，還有長周期的歲差變化外，還有許多短周期的微小變化，稱許多短周期的微小變化，稱為章動。引起這種變化的原為章動。引起這種變化的原因是地球相對于除太陽外其因是地球相對于除太陽外其他星球，如月球的

11、周期性引他星球，如月球的周期性引力作用變化所造成的。力作用變化所造成的。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位歲差章動對天球坐標(biāo)的影響歲差章動對天球坐標(biāo)的影響 由于存在歲差和章動的影響，天球的天赤道、由于存在歲差和章動的影響，天球的天赤道、天北極點、天春分點隨時變化：天北極點、天春分點隨時變化： 天球坐標(biāo)隨時在變化。天球坐標(biāo)隨時在變化。 由于歲差影響較大，有規(guī)律可描述，是時間的由于歲差影響較大，有規(guī)律可描述，是時間的函數(shù)。其他因素影響（包括章動）很復(fù)雜，可函數(shù)。其他因素影響（包括章動）很復(fù)雜，可以通過長期觀測得到一個平均參考以通過長期觀測得到一個平均參考 平坐標(biāo)系。平坐標(biāo)系。 需要定義一個時刻的作為標(biāo)準(zhǔn)

12、需要定義一個時刻的作為標(biāo)準(zhǔn)歷元：歷元： 歷元在天文學(xué)中，是為指定天球坐標(biāo)或軌道歷元在天文學(xué)中，是為指定天球坐標(biāo)或軌道根數(shù)（參數(shù)）而規(guī)定的某一特定時刻。根數(shù)（參數(shù)）而規(guī)定的某一特定時刻。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位歲差章動對天球坐標(biāo)的影響歲差章動對天球坐標(biāo)的影響 mean equator 平天赤道：天赤道的瞬時平均平天赤道：天赤道的瞬時平均位置，它的變化只包括歲差的影響。位置，它的變化只包括歲差的影響。 equator of epoch歷元赤道：在歷元時刻定歷元赤道：在歷元時刻定義的平天赤道的位置，以此為基準(zhǔn)，用作義的平天赤道的位置，以此為基準(zhǔn)，用作觀察時刻的赤道計算。觀察時刻的赤道計算。 me

13、an equator of date 觀察時赤道：對應(yīng)某觀察時赤道：對應(yīng)某一時刻的平天赤道，通常指觀測瞬間的平一時刻的平天赤道，通常指觀測瞬間的平天赤道。天赤道。 true equator 真赤道：天赤道的瞬時位置，真赤道：天赤道的瞬時位置，它的變化包括歲差、章動和其他影響。它的變化包括歲差、章動和其他影響。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 定義：協(xié)議地心天球坐標(biāo)系定義：協(xié)議地心天球坐標(biāo)系經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時刻的平天球坐標(biāo)系經(jīng)協(xié)商指定的某一特定時刻的平天球坐標(biāo)系 當(dāng)前，國際上所采用的地心天球坐標(biāo)系當(dāng)前，國際上所采用的地心天球坐標(biāo)系 早期使用早期使用B1950.0歷元時；后來由歷元時；后來由國際大

14、地測量國際大地測量協(xié)會和國際天文協(xié)議聯(lián)合會確定，從協(xié)會和國際天文協(xié)議聯(lián)合會確定，從1984年年1月月1日起采用日起采用J2000.0歷元時歷元時 為為2000年年1月月1日日12h的平天球坐標(biāo)系的平天球坐標(biāo)系Z軸指向軸指向J2000.0的平北天極的平北天極X軸指向軸指向J2000.0的平春分點的平春分點5）協(xié)議天球坐標(biāo)系（）協(xié)議天球坐標(biāo)系（CIS）衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與真天球坐標(biāo)系間的關(guān)系 進行歲差和章動改正進行歲差和章動改正特定時刻的特定時刻的真天球坐標(biāo)真天球坐標(biāo)章動章動改正改正特定時刻的特定時刻的平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)J2000.0

15、的平天球坐標(biāo)的平天球坐標(biāo)（協(xié)議天球坐標(biāo)）（協(xié)議天球坐標(biāo)）歲差歲差改正改正00,XNPXXPNX其其中中: :協(xié)協(xié)議議天天球球坐坐標(biāo)標(biāo)；為為歲歲差差改改正正矩矩陣陣；為為章章動動態(tài)態(tài)系系數(shù)數(shù)陣陣；為為瞬瞬時時真真天天球球坐坐陣陣。協(xié)議天球坐標(biāo)系（協(xié)議天球坐標(biāo)系（CIS）衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位直角坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系 6）地球坐標(biāo)系）地球坐標(biāo)系 地球直角坐標(biāo)系的定義地球直角坐標(biāo)系的定義 原點原點O與地球質(zhì)心重合，與地球質(zhì)心重合，Z軸軸指向地球北極，指向地球北極，X軸指向地球軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交赤道面與格林尼治子午圈的交點，點，Y軸在赤道平面里與軸在赤道平面里與XOZ構(gòu)成右手坐標(biāo)

16、系。構(gòu)成右手坐標(biāo)系。 大地坐標(biāo)系的定義大地坐標(biāo)系的定義 地球橢球的中心與地球質(zhì)心重地球橢球的中心與地球質(zhì)心重合，空間點位置在該坐標(biāo)系中合，空間點位置在該坐標(biāo)系中表述為表述為( L, B, H )。 大地緯度大地緯度B，大地經(jīng)度，大地經(jīng)度L衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換 對同一空間點，大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的對同一空間點，大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 定義：定義：N為橢球卯酉圈的曲率半徑，為橢球卯酉圈的曲率半徑，e為橢球的為橢球的第一偏心率，第一偏心率，a、b為橢球的長短半徑為橢球的長短半徑222222

17、(1sin)NaeBeabaBHeNZLBHNYLBHNXsin)1 (sincos)(coscos)(2衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系參數(shù)間的轉(zhuǎn)換 對同一空間點，直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系的對同一空間點，直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系：轉(zhuǎn)換關(guān)系：222sinarctan1tan(1sin)arctancoscosCCaeBBBZeBLY XHRBBN2222222tan,(1sin)cBZXYRXYZNaeB其中：其中：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位zcxcycxy(z)OSGSGcossin0()sincos0001( , , )(

18、,)cGGczGcGGcccGcccxxSSxyR SySSyzzzSx y zxy z 其其中中真真春春分分點點與與本本初初子子午午線線的的夾夾角角；為為瞬瞬時時地地球球直直角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系下下的的坐坐標(biāo)標(biāo)；為為瞬瞬時時天天球球坐坐標(biāo)標(biāo)系系下下的的坐坐標(biāo)標(biāo)。瞬時地球直角坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系的關(guān)系瞬時地球直角坐標(biāo)系與瞬時天球坐標(biāo)系的關(guān)系 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 定義：極移定義：極移 由于地球內(nèi)部和外部的種種動力學(xué)因素，地球自由于地球內(nèi)部和外部的種種動力學(xué)因素，地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固定的，地極點在轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固定的，地極點在地球表面上的位置隨時間而變化的現(xiàn)象稱為

19、極移地球表面上的位置隨時間而變化的現(xiàn)象稱為極移。極移包括。極移包括Chandler分量（錢德勒周期分量（錢德勒周期1.2年）年） 和周年分量。和周年分量。 國際天文學(xué)聯(lián)合會和大地測量學(xué)協(xié)會在國際天文學(xué)聯(lián)合會和大地測量學(xué)協(xié)會在1967建議，建議，采用國際上采用國際上5個緯度服務(wù)站，以個緯度服務(wù)站，以1900-1905年的平均緯年的平均緯 度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點，平極的位置度所確定的平均地極位置作為基準(zhǔn)點，平極的位置是相應(yīng)上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為是相應(yīng)上述期間地球自轉(zhuǎn)軸的平均位置，通常稱為國際協(xié)議原點（國際協(xié)議原點（Conventional International Or

20、iginCIO）。）。7）地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系）地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 至今仍采用國際協(xié)議原點至今仍采用國際協(xié)議原點CIO，作為協(xié)議地極，作為協(xié)議地極CTP（conventional Terrestrial Pole），以協(xié)議），以協(xié)議地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系地極為基準(zhǔn)點的地球坐標(biāo)系稱為協(xié)議地球坐標(biāo)系CTS（Conventional Terrestrial System），而與），而與瞬時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時地球坐標(biāo)系。瞬時極相應(yīng)的地球坐標(biāo)系稱為瞬時地球坐標(biāo)系。 歲差、章動和極移歲差、章動和極移 歲差、章動造成天球坐標(biāo)的變化歲差、章動造

21、成天球坐標(biāo)的變化 極移造成地球坐標(biāo)的變化極移造成地球坐標(biāo)的變化地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位v 瞬時（真）地球坐標(biāo)系瞬時（真）地球坐標(biāo)系 Z Z軸與瞬時地球自轉(zhuǎn)軸重合或平行的地球坐標(biāo)系軸與瞬時地球自轉(zhuǎn)軸重合或平行的地球坐標(biāo)系zyxXRYRZYXPyPx)()(v 平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 Z Z軸指向空間中某一固定點軸指向空間中某一固定點- -平極的地球坐標(biāo)系平極的地球坐標(biāo)系v 平地球坐標(biāo)平地球坐標(biāo)(X,Y,Z)(X,Y,Z)和和 瞬時真地球坐標(biāo)瞬時真地球坐標(biāo)(x,y,z)(x,y,z)的轉(zhuǎn)換關(guān)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系地極移動與協(xié)議地球坐標(biāo)系地極移動與協(xié)議地球

22、坐標(biāo)系衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系幾種常用坐標(biāo)系之間的關(guān)系平地球坐標(biāo)系平地球坐標(biāo)系 某一歷元的平某一歷元的平 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 觀測瞬間的真觀測瞬間的真 天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系 觀測瞬間的真觀測瞬間的真 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系歲差歲差 章動章動 改正改正 旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn) SG角角 極移極移 改正改正 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位3、GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 WGS-84坐標(biāo)系的原點在地球質(zhì)心，坐標(biāo)系的原點在地球質(zhì)心，Z軸指向國際軸指向國際時間局（時間局（Bureau International de lHeure ）BIH1984.0定義的定義的協(xié)定地球極

23、協(xié)定地球極（CTP）方向，）方向，X軸軸指向指向BIH1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTP赤道的交點，赤道的交點，Y軸和軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系稱為稱為1984年世界大地指教坐標(biāo)系。年世界大地指教坐標(biāo)系。 WGS-84橢球及其有關(guān)常數(shù)橢球及其有關(guān)常數(shù) WGS-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第合會第17屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基屆大會大地測量常數(shù)推薦值，其四個基本參數(shù)：本參數(shù)：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位長半徑：長半徑：a=6378137 2（m）地球引力常數(shù)：地球引力常數(shù)： = G

24、M=3986005108m3s-2 0.6108m3s-2 正?；A帶諧系數(shù)：正?；A帶諧系數(shù)： C20= -484.1668510-6 1.310-9 J2=10826310-8（地球動力扁率）（地球動力扁率）地球自轉(zhuǎn)角速度：地球自轉(zhuǎn)角速度： =729211510-11rads-1 0.15010-11rads-1GPS坐標(biāo)系坐標(biāo)系 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位4、時間系統(tǒng)、時間系統(tǒng) 在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時間系統(tǒng)是精確描述在天文學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)中，時間系統(tǒng)是精確描述天體和衛(wèi)星運行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也天體和衛(wèi)星運行位置及其相互關(guān)系的重要基準(zhǔn)，也是利用衛(wèi)星進行定位的重要基準(zhǔn)。

25、是利用衛(wèi)星進行定位的重要基準(zhǔn)。 在在GPS衛(wèi)星定位中，時間系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)在：衛(wèi)星定位中，時間系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)在： GPS衛(wèi)星作為高空觀測目標(biāo)，位置不斷變化，在衛(wèi)星作為高空觀測目標(biāo)，位置不斷變化，在給出衛(wèi)星運行位置同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時給出衛(wèi)星運行位置同時，必須給出相應(yīng)的瞬間時刻。例如當(dāng)要求刻。例如當(dāng)要求GPS衛(wèi)星的位置誤差小于衛(wèi)星的位置誤差小于1cm，則相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于則相應(yīng)的時刻誤差應(yīng)小于2.6 10-6s。 準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測準(zhǔn)確地測定觀測站至衛(wèi)星的距離，必須精密地測定信號的傳播時間。若要距離誤差小于定信號的傳播時間。若要距離誤差小于1cm，則，則信號傳播

26、時間的測定誤差應(yīng)小于信號傳播時間的測定誤差應(yīng)小于3 10-11s衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) 時間包含了時間包含了“時刻時刻”和和“時間間隔時間間隔”兩個概念兩個概念。時刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和。時刻是指發(fā)生某一現(xiàn)象的瞬間。在天文學(xué)和衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱歷衛(wèi)星定位中，與所獲取數(shù)據(jù)對應(yīng)的時刻也稱歷元。元。 時間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，時間間隔是指發(fā)生某一現(xiàn)象所經(jīng)歷的過程，是這一過程始末的時間之差。是這一過程始末的時間之差。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位1）時間系統(tǒng)）時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且

27、比較均勻。最早建地球的自轉(zhuǎn)運動是連續(xù)的，且比較均勻。最早建立的時間系統(tǒng)是立的時間系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)運動為基準(zhǔn)的世界時以地球自轉(zhuǎn)運動為基準(zhǔn)的世界時系統(tǒng)系統(tǒng)。 由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時，所選取的空間參考點由于觀察地球自轉(zhuǎn)運動時，所選取的空間參考點不同，世界時系統(tǒng)包括恒星時、平太陽時和世界不同，世界時系統(tǒng)包括恒星時、平太陽時和世界時。時。 恒星時恒星時ST (Sidereal Time)：以春分點為參考點，由：以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。春分點的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 參考點：參考點：春分點春分點 定義：定義：春分點兩次經(jīng)過本地所

28、在的上子午圈，所春分點兩次經(jīng)過本地所在的上子午圈，所對應(yīng)的時間間隔為一恒星日。并由此派生出時、對應(yīng)的時間間隔為一恒星日。并由此派生出時、分、秒等單位。分、秒等單位。 數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。數(shù)值上等于春分點相對于本地子午圈的時角。 有真恒星時與平恒星時之分有真恒星時與平恒星時之分。 恒星日是地方時，比如格林尼治恒星時。恒星日是地方時，比如格林尼治恒星時。時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 平太陽時平太陽時MT （Mean Solar Time）：由于地）：由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)是橢圓軌道，造成

29、球繞太陽公轉(zhuǎn)是橢圓軌道，造成“太陽日太陽日”有有長短。為此引入長短。為此引入“平太陽平太陽” 假設(shè)一個參考點的視地球運動速度等于真地假設(shè)一個參考點的視地球運動速度等于真地球公轉(zhuǎn)周年運動的平均速度，且在天球赤道球公轉(zhuǎn)周年運動的平均速度，且在天球赤道上作周年勻速運動，這個假設(shè)的參考點在天上作周年勻速運動，這個假設(shè)的參考點在天文學(xué)中稱為平太陽。文學(xué)中稱為平太陽。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 參考點參考點：平太陽平太陽 定義定義：平太陽中心連續(xù)兩次經(jīng)過地方上子午圈的平太陽中心連續(xù)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時間間隔為一太陽日。并由此派生出時間間隔為一太陽日。并由此派生出“時時”、“分分”、“秒秒”等單位；屬

30、于地方時。等單位；屬于地方時。 數(shù)值上等于平太陽中心相對于本地子午圈的數(shù)值上等于平太陽中心相對于本地子午圈的時角；正午（時角；正午（0h）與子夜（）與子夜（12h）。）。時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng) 世界時世界時UT （Universal Time）：以平子夜為）：以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時，稱為世界時。零時起算的格林尼治平太陽時，稱為世界時。 世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。不同。 1956年以前，秒被定義為一個平太陽日的年以前，秒被定義

31、為一個平太陽日的1/86400，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運動作為基，是以地球自轉(zhuǎn)這一周期運動作為基礎(chǔ)的時間尺度。礎(chǔ)的時間尺度。 由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在由于自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性，在UT中加入極移改中加入極移改正得正得UT1；再加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改；再加入地球自轉(zhuǎn)角速度的季節(jié)改正得正得UT2。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位01UTUTsTUTUT12 UT0：未經(jīng)改正的世界時：未經(jīng)改正的世界時 UT1：引入極移改正（：引入極移改正（）的世界時）的世界時 UT2：引入極移改正（：引入極移改正（）和地球自轉(zhuǎn)速度）和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)改正（的季節(jié)改正（ Ts）的世界時）的世界時時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)世界時系統(tǒng)世界時

32、系統(tǒng) 衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，物質(zhì)內(nèi)部的原子躍遷所輻射和吸收的電磁波頻率，具有很高的穩(wěn)定度，由此建立的原子時成為最理具有很高的穩(wěn)定度，由此建立的原子時成為最理想的時間系統(tǒng)。想的時間系統(tǒng)。 定義：定義：1967年年10月，第十三屆國際度量衡大會通月，第十三屆國際度量衡大會通過：位于海平面上的銫過：位于海平面上的銫133（Cs133）原子基態(tài)兩）原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩個超精細(xì)能級間在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間為周所持續(xù)的時間為1原子時秒。原子時秒。 原本規(guī)定原本規(guī)定AT與與UT2在在1958年年1

33、月月1日日0h時相同，時相同，但實際相差但實際相差0.0039秒，即：秒，即： (AT-UT2)1958.0 = -0.0039秒秒2）時間系統(tǒng)）時間系統(tǒng)原子時原子時衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 不同的地方原子時之間存在差異，為此，國際上不同的地方原子時之間存在差異，為此，國際上大約大約100座原子鐘，通過相互比對，經(jīng)數(shù)據(jù)處理座原子鐘，通過相互比對，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時IAT （International Atomic Time）。）。 在衛(wèi)星測量中，原子時作為高精度的時間基準(zhǔn)，在衛(wèi)星測量中，原子時作為高精度的時間基準(zhǔn)，普遍用于

34、精密測定衛(wèi)星信號的傳播時間。普遍用于精密測定衛(wèi)星信號的傳播時間。時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)原子時原子時衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位3）時間系統(tǒng)）時間系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC 在進行大地天文測量、天文導(dǎo)航和空間飛行器在進行大地天文測量、天文導(dǎo)航和空間飛行器的跟蹤定位時，仍然需要以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的的跟蹤定位時，仍然需要以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時。但由于地球自轉(zhuǎn)速度有長期變慢的趨世界時。但由于地球自轉(zhuǎn)速度有長期變慢的趨勢，近勢，近20年，世界時每年比原子時慢約年，世界時每年比原子時慢約1秒，且秒，且兩者之差逐年積累。兩者之差逐年積累。為避免發(fā)播的原子時與世為避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大偏差，從界時

35、之間產(chǎn)生過大偏差，從1972年采用了一種年采用了一種以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷時間系統(tǒng)，稱為世界協(xié)調(diào)時或界時的一種折衷時間系統(tǒng)，稱為世界協(xié)調(diào)時或協(xié)調(diào)時（協(xié)調(diào)時（Coordinate universal Time）。）。 采用潤秒或跳秒的方法，使協(xié)調(diào)時與世界時采用潤秒或跳秒的方法，使協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。的時刻相接近。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC 采用潤秒或跳秒的方法，使協(xié)調(diào)時與世界時的時采用潤秒或跳秒的方法，使協(xié)調(diào)時與世界時的時刻相接近。即當(dāng)協(xié)調(diào)時與世界時的時刻差超過刻相接近。即

36、當(dāng)協(xié)調(diào)時與世界時的時刻差超過 0.9s時，便在協(xié)調(diào)時中引入一潤秒（正或負(fù)）。時，便在協(xié)調(diào)時中引入一潤秒（正或負(fù)）。一般在一般在12月月31日或日或6月月30日末加入，具體日期由國日末加入，具體日期由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）安排并通告。）安排并通告。 協(xié)調(diào)時與國際原子時的關(guān)系定義為：協(xié)調(diào)時與國際原子時的關(guān)系定義為： IAT=UTC+1s n+19s n為調(diào)整參數(shù)，由為調(diào)整參數(shù)，由IERS（International Earth Rotation Service 國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)）發(fā)布國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)）發(fā)布(為為了與后面了與后面GPST時對應(yīng)，設(shè)時對應(yīng)，設(shè)1980.1.

37、5時時n=0)。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學(xué)理論在天文學(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算的，其中所采用的獨立變建立的運動方程而編算的，其中所采用的獨立變量是時間參數(shù)量是時間參數(shù)T，這個數(shù)學(xué)變量，這個數(shù)學(xué)變量T定義為力學(xué)時。定義為力學(xué)時。力學(xué)時分為：力學(xué)時分為：太陽系質(zhì)心力學(xué)時太陽系質(zhì)心力學(xué)時TDB （Barycentric Dynamic Time）是相對于太陽系質(zhì)心的運動）是相對于太陽系質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)。方程所采用的時間參數(shù)。地球質(zhì)心力學(xué)時地球質(zhì)心力學(xué)時TDT（Terrestrial Dynamic Time）是相對

38、于地球質(zhì)心的運動方程所采用）是相對于地球質(zhì)心的運動方程所采用的時間參數(shù)。的時間參數(shù)。4）時間系統(tǒng)）時間系統(tǒng)力學(xué)時力學(xué)時衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 在在GNSS定位中，天體動力學(xué)和運動軌道描述都定位中，天體動力學(xué)和運動軌道描述都采用地球質(zhì)心力學(xué)時，作為一種嚴(yán)格均勻的時間采用地球質(zhì)心力學(xué)時，作為一種嚴(yán)格均勻的時間尺度和獨立的變量，最終用于描述衛(wèi)星的運動。尺度和獨立的變量，最終用于描述衛(wèi)星的運動。 TDT的基本單位是國際制秒（的基本單位是國際制秒（SI），與原子時的），與原子時的尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會（尺度一致。國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）決定，）決定，1977年年1月月1日原子時（日原子時（I

39、AT）零時與地球質(zhì)心力）零時與地球質(zhì)心力學(xué)時的嚴(yán)格關(guān)系如下：學(xué)時的嚴(yán)格關(guān)系如下： TDT=IAT+32.184S時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)力學(xué)時力學(xué)時衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 為精密導(dǎo)航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專為精密導(dǎo)航和測量需要，全球定位系統(tǒng)建立了專用的時間系統(tǒng)，由用的時間系統(tǒng)，由GPS主控站的原子鐘控制。主控站的原子鐘控制。GPS時屬于原子時系統(tǒng)，秒長與原子時相同，但時屬于原子時系統(tǒng)，秒長與原子時相同，但與國際原子時、以及地球質(zhì)心力學(xué)時與國際原子時、以及地球質(zhì)心力學(xué)時TDT的原點的原點不同，在任一瞬間均有一常量偏差。不同，在任一瞬間均有一常量偏差。 GPST = IAT - 19s； G

40、PST = TDT - 51.184s GPS時與協(xié)調(diào)時的時刻，規(guī)定在時與協(xié)調(diào)時的時刻，規(guī)定在1980年年1月月6日日0時一致，隨著時間的積累，兩者的差異將表現(xiàn)為時一致，隨著時間的積累，兩者的差異將表現(xiàn)為秒的整數(shù)倍。秒的整數(shù)倍。GPS時與協(xié)調(diào)時之間關(guān)系：時與協(xié)調(diào)時之間關(guān)系： GPST=UTC+ 1s (n-19)5）時間系統(tǒng)）時間系統(tǒng) GPS時（時（GPST）衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 到到1987年年，調(diào)整參，調(diào)整參數(shù)數(shù)n為為23，兩系統(tǒng)，兩系統(tǒng)之差為之差為4秒，到秒，到1992年調(diào)年調(diào)整參數(shù)為整參數(shù)為26，兩系，兩系統(tǒng)之差已統(tǒng)之差已達(dá)達(dá)7秒。秒。時間系統(tǒng)時間系統(tǒng) GPS時（時（GPST）

41、衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 5、坐標(biāo)系和時間系討論、坐標(biāo)系和時間系討論 1）人類對坐標(biāo)系認(rèn)識的演進）人類對坐標(biāo)系認(rèn)識的演進 數(shù)學(xué)上的直角和極坐標(biāo)數(shù)學(xué)上的直角和極坐標(biāo) 推演到天球坐標(biāo)推演到天球坐標(biāo)建立天體運動建立天體運動協(xié)議天球坐標(biāo)協(xié)議天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)平天球坐標(biāo)真真天球坐標(biāo)天球坐標(biāo) 轉(zhuǎn)換到平地球直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到平地球直角坐標(biāo) 得到大地坐標(biāo)得到大地坐標(biāo) ( 經(jīng)緯高經(jīng)緯高 ) 地球人的視角地球人的視角 ！衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 坐標(biāo)系和時間系討論坐標(biāo)系和時間系討論 2）GPS的坐標(biāo)系的坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 坐標(biāo)原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系坐標(biāo)原點為地球質(zhì)

42、心，其地心空間直角坐標(biāo)系的的Z軸指向軸指向BIH （國際時間）（國際時間）1984.O定義的協(xié)定義的協(xié)議地球極（議地球極（CTP)方向，方向，X軸指向軸指向BIH 1984.0的的零子午面和零子午面和CTP赤道的交點，赤道的交點，Y軸與軸與Z軸、軸、X軸軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界地球坐年世界地球坐標(biāo)。標(biāo)。 GPS輸出（經(jīng)緯高）輸出（經(jīng)緯高）大地坐標(biāo)系統(tǒng)大地坐標(biāo)系統(tǒng) 地球人的視角地球人的視角 ！衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 坐標(biāo)系和時間系討論坐標(biāo)系和時間系討論 3）時間系）時間系 兩大體系：世界時兩大體系：世界時UT和原子時和原子時IAT 世界時世界時UT：

43、以平子夜為零時起算的格林尼治：以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時。世界時與平太陽時的平太陽時稱為世界時。世界時與平太陽時的時間尺度相同，起算點不同。時間尺度相同，起算點不同。 以國際上多座原子鐘數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的以國際上多座原子鐘數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時IAT （International Atomic Time）。）。衛(wèi)星導(dǎo)航與定位衛(wèi)星導(dǎo)航與定位 坐標(biāo)系和時間系討論坐標(biāo)系和時間系討論 時間系的折中時間系的折中協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時UTC 為避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大為避免發(fā)播的原子時與世界時之間產(chǎn)生過大偏差，從偏差，從1972年采用了一種以原子時秒長為年采用了一種以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種折衷時間系統(tǒng)，稱為世界協(xié)調(diào)時或協(xié)調(diào)時（衷時間系統(tǒng)，稱為世界協(xié)調(diào)時或協(xié)調(diào)時（Coor