页数：47页文件大小：1.14 MB来源： GPS原理及应用ppt课件
本课件讲解GPS定位所依托的坐标系与时间系统，从天球概念、岁差章动到协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换，进而说明站心坐标系、WGS84坐标系和世界时、原子时、协调世界时与GPS时间系统的关系。
第二章 坐标系统和时间系统
第二章 坐标系统和时间系统：本章讲解GPS定位所依托的各类坐标系定义、相互转换与时间系统。
坐标系分类：
大地坐标系：以参考椭球面作为基准面，以起始子午面为东西向参考面，以赤道面为南北向参考面。
点坐标（B, L, H），如：（114°24′23.1455″, 30°30′18.4323″, 20.258）
§2.1 协议天球坐标系——1、天球的概念：天球是以地球质心M为中心、半径r为任意长度的一个假想球体，把天体投影到天球表面，用球面坐标表达天体位置及相互关系，GPS中用来描述卫星。
天球的重要点、线、面：北天极 Pn、南天极 Ps 与连接两者的天轴，是描述天体在天球上位置的基本参考。
天球的重要点、线、面：
2、天球坐标系（含空间直角坐标系和球面坐标系）：以天球质心M为原点，用（x, y, z）或赤经、赤纬描述天体位置，赤经自春分点起算，赤纬相对天球赤道面量取。
3、岁差：在日、月和其他天体作用下，地球自转轴方向不再保持不变，使春分点在黄道上产生缓慢西移现象。以北黄极Πn为中心、以黄赤交角ε为半径的小圆上西移，约50.371″/年。
3、章动：在日、月等引力因素影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转的现象。旋转轨迹近似椭圆，长半径9.2″，周期约18.6年。
4、协议天球坐标系：选择某一时刻t0作为标准历元，将此时地球的瞬时自转轴和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时岁差和章动改正后，分别作为z轴和x轴的指向，称为标准历元t0时刻的平天球坐标系或协议天球坐标系。国际大地测量协会（IAG）和国际天文联合会（IAU）决定，自1984年1月1日后启用的协议天球坐标系以2000年1月15日为标准历元。
5、协议天球坐标系到瞬时天球坐标系的转换：第一步为协议天球坐标系到瞬时平天球坐标系的转换，即岁差旋转。
岁差旋转的分量关系：x轴方向含 X·cosα 与 Y·sinα 项，y轴方向含 Y·cosα 与 X·sinα 项，构成岁差旋转矩阵。
从标准历元 t0 到观测历元 t 的儒略世纪数 T，是计算岁差改正量的基本时间参数。
瞬时平天球坐标系到瞬时天球坐标系的转换（章动旋转）：在岁差旋转基础上加入章动改正，得到瞬时天球坐标系。
章动旋转：以黄经章动Δψ与交角章动Δε为参数，将瞬时平天球坐标系旋转到瞬时天球坐标系。
ε、Δε、Δφ分别为黄赤交角、交角章动及黄经章动。Δε、Δφ一般用非常复杂的级数展开式表示。
§2.2 协议地球坐标系——1、地球坐标系的定义：原点位于地球质心M，Z轴指向北极，X轴指向起始子午面与赤道的交线方向，Y轴与X、Z构成右手系，点位用（X, Y, Z）表示。
2、极移和协议地球坐标系：极移指地球自转轴相对地球体的位置不固定，造成地极点在地球表面位置随时间变化的现象。国际上以5个纬度服务站1900年至1905年的平均纬度所确定的平均地极位置作为基准点，称为国际协议原点（CIO）。
| 站址 | 经度（度分秒） | 纬度（度分秒） |
|---|---|---|
| 卡洛福特（Carloforte）/意大利 | 8 18 44 | 39 08 09 |
| 盖瑟斯堡（Gaithersburg）/美国 | -77 11 57 | 39 08 13 |
| 基斯布（Kitab）/前苏联 | 66 52 51 | 39 08 02 |
| 水泽（Muzusawa）/日本 | 141 07 51 | 39 08 04 |
| 尤凯亚（Ukiah）/美国 | -123 12 35 | 39 08 12 |
以协议地极为基准点的地球坐标系，称为协议地球坐标系（Conventional Terrestrial System，CTS），图中同时给出1971.0与1975.0等历元的地极位置。
3、瞬时地球坐标系到协议地球坐标系的转换：以极移参数 xp、yp 进行极移旋转，把瞬时地球坐标（XT, YT, ZT）转换为协议地球坐标（XCTS, YCTS, ZCTS）。
4、协议天球坐标系到协议地球坐标系的转换
转换流程：协议天球坐标 →（岁差、章动旋转）→ 瞬时天球坐标 →（旋转瞬时春分点时角）→ 瞬时地球坐标 →（极移旋转）→ 协议地球坐标。
§2.3 站心坐标系——1、站心地平直角坐标系和站心极坐标系：以测站P为原点，用（XH, YH, ZH）表示点位，或用方位角A、天顶距Z与空间距离D表示。
2、协议地球坐标到站心地平直角坐标的转换：先将原点平移至测站P，再经旋转得到以（X′, Y′, Z′）过渡、最终为（XH, YH, ZH）的站心地平直角坐标。
站心极坐标系应用：用方位角与天顶距描述卫星相对测站的方向，便于直观表达卫星在天空中的位置分布。
§2.4 坐标系转换——1、空间直角坐标与大地坐标间的转换：以椭球参数a、f为中介，实现（X, Y, Z）与（B, L, H）的互算。
2、空间直角坐标与站心直角坐标间的转换：已知i点与j点的空间直角坐标，求j点以i点为站心的站心系坐标。
3、球面坐标与平面坐标间的转换：通过地图投影方法，将椭球面上的大地坐标转换为平面直角坐标。
§2.5 基准转换——1、布尔沙-沃尔夫模型（布尔沙模型）：七参数转换，包含3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。
布尔沙七参数模型：以ΔX、ΔY、ΔZ三个平移量，εX、εY、εZ三个旋转角与尺度因子k，实现两个空间直角坐标系间的基准转换。
§2.4 WGS84坐标系——1、WGS84坐标系的定义：属协议地球坐标系，原点为地球质心M；Z轴指向BIH1985.0定义的协议地极（CTP）；X轴指向BIH1985.0定义的零子午面与CTP相应赤道的交点；Y轴垂直于XMZ平面，构成右手直角坐标系。
2、WGS84椭球参数：
| 参数 | 取值 |
|---|---|
| 长半轴 a | 6378137±2 m |
| 扁率 f | 1/298.257 |
| 地球引力常数 GM | （39686005×108±0.6×108）m3/s2 |
| 地球自转角速度 ω | （7292115×10-11±0.150×10-11）rad/s |
§2.5 时间系统——GPS定位中时间系统的意义：
| 来源 | 精度要求 | 允许的时间误差 |
|---|---|---|
| GPS卫星位置观测误差小于1cm | 卫星不断运动 | 小于5.6×10-6 s |
| 接收机测距误差小于1cm | 测定信号传播时间 | 小于3.0×10-11 s |
| 赤道位置测量误差小于1cm | 地球不断自转 | 小于5.1×10-5 s |
时间包含时刻和时间间隔。时刻指发生某一现象的瞬间，也称历元；时间间隔指现象所经历的过程，是始末时刻之差。
时间基准的必要性：
2、世界时系统
由于地球自转的不稳定性，从1956年起在世界时中引入极移改正和地球自转速度的季节性改正：未经改正的世界时表示为UT0，经极移改正后为UT1，再经地球自转速度季节性变化改正后为UT2，相互关系为 UT1 = UT0 + Δλ，UT2 = UT1 + ΔTS。
3、原子时（atomic time，AT）
4、力学时（dynamic time，DT）：天体星历根据天体动力学理论建立的运动方程编算，其中采用的独立变量T被定义为力学时。
5、协调世界时（coordinated universal time，UTC）：从1972年起采用以原子时秒长为基础、在时刻上尽量接近于世界时的时间系统。采用闰秒（跳秒）办法使协调时与世界时之差小于0.9 s，协调时与原子时的关系为 IAT = UTC + 1″×n。
6、GPS时间系统
各时间系统的差值关系：自1980年起GPST与UTC相差19 s（1992年等年份随闰秒积累变化），图中给出1980、1987、1992等年份UT1、UTC、GPST、IAT、TDT之间的差值。
§2.6 时间标示法
时间标示法（续）
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