Southwest Jiaotong University GPS技术与应用 第二讲坐标与时间系统 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email:Igyuan@home.switu.edu.cn 坐标与时间系统 A 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达 观测站位置的数学与物理基础。 2005918 GS技术与应用
1 GPS技术与应用 第二讲 坐标与时间系统 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 2005-9-18 GPS技术与应用 2 坐标与时间系统 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达 观测站位置的数学与物理基础
21坐标系统的类型 .天球坐标系 星的运行位置和状态极真方使与地球自转无关,对描述卫 定的坐 地球坐标系 提踏烋6}x秀從统对表达地面观测站f 坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在 GPS定位中,坐标系原点一般取地球质心,而坐标轴的指向具有 定的选择性,为了使用上的方便,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称为协 议坐标系。 205918 GFS技术与应用 22协议天球坐标系 A 1.天球的基本概念 天球:指以地球质心为中心,半径r为任意长度的一个假想球体。 为建立球面坐标系统,必须确定球面上的一些参考点、线、面和 圈 的延伸直线为天轴,天轴与天球的交点 Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极 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,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 2005918 GS技术与应用 2
2 2005-9-18 GPS技术与应用 3 2.1 坐标系统的类型 一．天球坐标系 空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫 星的运行位置和状态极其方便 二．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 坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。在 GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有 一定的选择性，为了使用上的方便，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称为协 议坐标系。 2005-9-18 GPS技术与应用 4 2.2 协议天球坐标系 1. 天球的基本概念 天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。 为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和 圈。 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点 Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。 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，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
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。黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角,约2350。 黄极:通过天球中心,垂直于黄道面的直线与天球的交点。 靠近北天极的交点∏称北黄极,靠近南天极的交点∏称南黄 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y。 在天文学和卫星大地测量学中,春分点和天球赤道面是建立 参考系的重要基准点和基准面。 205918 GFS技术与应用 1.天球的概念 A 天球赤道 2005918 GS技术与应用
3 2005-9-18 GPS技术与应用 5 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。黄道面与赤道面的夹角ε称为黄赤交角，约23.50。 黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。 靠近北天极的交点Πn称北黄极，靠近南天极的交点Πs称南黄 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γ。 在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立 参考系的重要基准点和基准面。 2005-9-18 GPS技术与应用 6 1. 天球的概念 黄道 天球赤道 Πs Πn Ps Pn γ ε
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:原点位于地球的质心,z轴指向天球 的北极Pn,x轴指向春分点γ,y轴与x、z轴构成右手坐标 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δ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。 205918 GFS技术与应用 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 2005918 GS技术与应用 4
4 2005-9-18 GPS技术与应用 7 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：原点位于地球的质心，z轴指向天球 的北极Pn，x轴指向春分点γ，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α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δ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。 2005-9-18 GPS技术与应用 8 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 M r α δ P x y z
天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体 的位置时是等价的,二者可相互转换。 coso cos a r cos o sin a a=arct arcs g 205918 GFS技术与应用 3.岁差与章动 A 上述天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的方向上 是固定的,春分点在天球上的位置保持不变。 实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体,在日月和其它天 体引力对地球隆起部分的作用下,地球在绕太阳运行时,自 转轴方向不再保持不变,从而使春分点在黄道上产生缓慢西 移,此现象在天文学上称为岁差。 在岁差的影响下,地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转, 因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转 2005918 GS技术与应用
5 2005-9-18 GPS技术与应用 9 ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ δ δ α δ α sin cos sin cos cos r z y x 2 2 2 2 2 x y z arctg x y arctg r x y z + = = = + + δ α 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体 的位置时是等价的，二者可相互转换。 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 2005-9-18 GPS技术与应用 10 3. 岁差与章动 上述天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的方向上 是固定的，春分点在天球上的位置保持不变。 实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天 体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自 转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西 移，此现象在天文学上称为岁差。 在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转， 因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转