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1、GPS卫星定位原理及其应用 GPS定位的坐标系统与时间系统6/28/2023 1坐标系统的类型1.在空间固定的坐标系2.与地球体相固联的坐标系统一一对应n坐标系定义的三要素：u坐标原点的位置u三个坐标轴的指向u坐标轴长度单位（尺度）6/28/2023 2协议坐标系在GPS定位中，坐标系的原点一般取地球的质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性。为了使用上的方便和坐标系统的通用性，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向。这种共同确认的坐标系，通常称为协议坐标系。协议天球坐标系协议地球坐标系6/28/2023 3协议天球坐标系中常用名词黄道赤道MrPnPsn n天球的定义：以地球的质心M
2、为中心，半径R为任意长度的一个假想球体。天轴：地球自转轴的延伸 直线为天轴。天极：天轴与天球的交Pn和Ps为天极。天球子午面：包含天轴并通过地球上任一点的平面。天球子午圈：天球子午面与天球相交的大圆。6/28/2023 4协议天球坐标系中常用名词时圈：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。黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角。黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。黄道赤道MrPnPsn n靠近北天极的交点为北黄极。靠近南天极的交点为南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时黄道与天球赤道的交点r。6/28/2023 5天球坐标系天球
3、空间直角坐标系 天体S的坐标为：（x,y,z)天球球面坐标系天体S的坐标为：（，r）SrPnzyxr天球赤道M6/28/2023 6天球直角坐标系与球面坐标系之间的转换SrPnzyxr天球赤道M6/28/2023 7岁差和章动现象岁差：由于地球的实际形体接近于一个赤道隆起的椭球体，因此，在日月引力和其它天体引力，对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，这种现象称为章动。6/28/2023 8协议天球坐标系 由于在岁差和
4、章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴的指向，在不断地发生变化，通常选择某一时刻T作为标准历元，并将此时地球的瞬时自转轴和地心到瞬时春分点的方向。经该时刻的岁差和章动改正后，分别作为Z轴和X轴的指向。由此所构成的坐标系称为所取标准历元T的协议地球坐标系，也称为协议惯性坐标系（CISConventional Inertial System）6/28/2023 9协议天球坐标系的卫星坐标的转换1.将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标系（由于岁差引起的坐标轴指向的不同）6/28/2023 10协议天球坐标系的卫星坐标的转换2.将瞬时平天球坐标系转换成瞬时天球坐标系（由于地球自转轴的章动现象引起的）6/
5、28/2023 11天球瞬时坐标系与协议坐标系之间的转换6/28/2023 12地球坐标系空间直角坐标系S点坐标可表示为（X，Y，Z）大地坐标系S点坐标可表示为（B，L，H）SEPnLZYXB天球赤道OH6/28/2023 13地球空间直角坐标系和大地坐标系之间的转换SEPnLZYXB天球赤道OH其中：N为椭球的卯酉圈曲率半径6/28/2023 14极移现象与协议地球坐标系 地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而地极点在地球表面上的位置，是随时间而变化的。这种现象称为地极移动，简称为极移。国际上采用平均地极作为基准点，这一基准点通常称为协议原点也称为协议地极，以协议地极为基准点的地球坐标
6、系称为协议地球坐标系（Conventional Terrestrial Pole-CTP）。瞬时极相应的地球坐标系，称为瞬时地球坐标系。6/28/2023 15协议地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换6/28/2023 16协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换1.两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同；2.瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴相同；3.两瞬时坐标系统x轴与X轴的指向不同，期间夹角为；6/28/2023 17坐标系转换过程瞬时天球坐标系 瞬时地球坐标系瞬时平天球坐标系岁差旋转变换章动旋转变换协议地球坐标系极移变换真春分点时角变换协议天球坐标系6/28/2023 18地
7、球坐标系的其它表达形式1.地球参心坐标系 由于选择作为基本参考面参考椭球面的中心与地球质心不相重合,其中心一般位于地球质心附近,这种原点位于地球质心的坐标系通常称为地球参心坐标系.2.天文坐标系 在地心大地坐标系中,如果以大地水准面代替其中的椭球面,则相应的坐标系通常称为天文坐标系.3.站心坐标系 原点位于观测站O,Z轴与观测站的椭球法线相重合,X轴垂直与Z轴指向椭球的短轴,Y轴垂直与XOZ平面.4.高斯平面直角坐标系6/28/2023 19卫星大地测量基准n WGS-84坐标系n国家大地坐标系u1.1954北京坐标系u2.1980年国家大地坐标系n各坐标系的差异：u1.坐标原点u2.坐标轴的指向u3.采用的参考椭球6/28/2023 20时间系统n时间系统的定义：u1.尺度（时间单位）u2.原点n时间尺度：u运动连续、周期恒定、可观测、可用试验复现的周期运动。6/28/2023 21常用的时间系统n 世界时n 原子时 n 力学时n 协调世界时n 时间系统u尺度：ATI秒长u原点：1980.1.6UTC0时6/28/2023 22