第二节课测量坐标系统与时间系统
坐标系统和时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
3.GPS常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic Sy stem 1984）
2）ITRS国际地球参照系（International Terrestri al Reference System）与ITRF国际地球参考框架 （International Terrestrial Reference Frame）
坐标 原点
笛卡尔坐标
曲线坐标
平面直角坐标
地
参
站
心
心
心
地心空间直 角坐标系
参心空间直 角坐标系
参考 面
总地球 参考
大地
椭球面 椭球面 水准面
地心大地 坐标系
天文 坐标系
参心大地 坐标系
站心空间直角 站心极 站心赤道 站心地平
坐标系
坐标系 坐标系
坐标系
投影平面
高斯平面 坐标系
WGS-84 ITRS/ITRF CGCS2000
坐标系统的分类和常用坐标系统
4.我国常用坐标系
1）1954年北京坐标系 2）1980西安大地坐标系 3）2000国家大地坐标系
坐标系统的分类和常用坐标系统> 我国常用坐标系
1）1954年北京坐标系
基本情况：
源于前苏联的1942年普尔科夫坐标系；
未根据我国情况，进行椭球定位，由前苏联西伯利亚地 区的一等锁，经我国的东北地区的呼玛、吉拉林、东宁三 个基准网传算；基于1954年北京坐标系的我国天文大地 网未进行整体平差；高程异常是以前苏联1955年大地水 准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算 出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海 水面为基准。
大地测量学基础-第2章坐标系统与时间系统
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
黄道 赤道
PS
πS
πN
πS
6、春分点与秋分点
• 黄道与赤道的两个交点称为春 分点和秋分点。
• 从地球上看，太阳沿黄道逆时 针运动。
• 黄道和赤道在天球上存在相距 180°的两个交点，其中太阳沿 黄道从天赤道以南向北通过天 赤道的那一点，称为春分点（3 月21日前后），与春分点相隔 180°的另一点，称为秋分点（9 月23日前后） 。
• GAMT 表示格林尼治平太阳时角。
• 未经任何改正的世界时表示为UT0；
• 经过极移改正的世界时表示为UT1：
UT1=UT0+Δλ
§2－1 地球的运转 §2－2 时间系统 §2－3 坐标系统
§2－1 地球的运转
• 众所周知，我们生存的地球一直处于运动之中。 • 从不同的角度来看，地球的运转可分为四类： （1）与银河系一起在宇宙中运动 （2）与太阳系一起在银河系内运动 （3）与其它行星一起绕太阳旋转（公转） （4）绕其自身旋转轴(瞬时)旋转（自转，或叫周日视运动） • 大地测量学主要研究后两类运动。
• 考虑岁差和章动的共同影响时，相应的旋转轴、天极、天球赤道 等术语前加上“真”，即真旋转轴、真天极、真天球赤道。
• 若只考虑岁差，则分别称作平旋转轴、平天极、平天球赤道。
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
坐标与时间系统
坐标与时间系统坐标与时间系统是维持现代社会运转的重要基础。
它们帮助我们在地球上找到特定的位置和确切的时间，为我们的日常生活提供了许多便利。
在这篇文章中，我们将讨论坐标与时间系统的重要性以及如何使用它们。
坐标系统是一种用来确定地球上特定位置的方法。
全球定位系统（GPS）是最常用的坐标系统之一，通过卫星和接收器，它可以确定我们所处的位置。
我们可以用经度和纬度来表示任何一个地点的坐标。
经度是一个地点相对于本初子午线的度量，范围从0°至180°。
纬度是一个地点相对于地球赤道的度量，范围从0°至90°。
通过这两个坐标，我们可以在地球上的任何地方找到一个特定的位置。
时间系统是一种用来测量时间的方法。
世界协调时间（UTC）是国际上通用的时间标准，它使用原子钟的精确度来确定时间。
我们使用小时、分钟和秒来表示时间。
此外，时区也是时间系统的重要组成部分。
地球上被划分为24个时区，每个时区覆盖约15°经度。
每个时区都对应着一个标准时间，并根据地理位置决定当地时间。
通过使用时区，我们可以在世界范围内同步并协调时间。
坐标和时间系统在现代社会中有着广泛的应用。
它们不仅仅用在导航领域，如汽车导航、航空导航等，还被广泛用于科学研究、地图制作、天文观测和数据收集等领域。
它们还在航运、铁路和物流等行业中起到关键作用，确保货物能够准时送达。
此外，坐标和时间系统也对我们日常生活产生了深远的影响。
我们可以使用手机或手表上的时间来安排日程，预约会议或计划旅行。
当我们在城市中迷路时，我们可以使用地图应用或GPS系统来找到正确的路线。
不仅如此，通过坐标和时间系统，我们能够准确地知道不同地区的时间，这对于国际商务和跨国合作非常重要。
综上所述，坐标和时间系统是现代社会不可或缺的一部分。
它们帮助我们准确地定位和测量地球上的位置和时间，为我们的日常生活提供了巨大的便利。
无论是科学研究、导航领域还是日常生活中，我们都离不开这些系统的帮助。
大地测量学第2章
原子时（AT）
原子时：是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时 秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃 迁辐射9192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的 时间单位。
根据原子时秒的定义，任何原子钟在确定起始历元后，都可以提供 原子时。由各实验室用足够精确的原子钟导出的原子时称为地方原子时。
高程参考系统
以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的 高程系统称为正常高的高程系统。 正常高H正常及正高H正与大地高有如下关系：
H＝H正常＋ H＝H正＋N 式中： ——高程异常，N——大地水准面差距。
大地水准面相对于旋转椭球面的起伏
大地测量参考框架（Geodetic Reference Frame)
大地测量参考系统(Geodetic Reference System)
坐标参考系统：分为天球坐标系和地球坐标系。
天球坐标系:用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系:用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体 建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式
大地坐标系
空间直角坐标
TAI－GPST=19(s) GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
2.3 坐标系统
基本概念
1.大地基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是 指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考 椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。
2. 天球
天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点称为天极（ 为北天极 为南天极）。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心 与天轴垂直的平面，称为天球赤道面，它与天球 ｛相交的大圆，称为天球赤道。 天球子午面与子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球子午面，它与天 球相交的大圆，称为天球子午圈。 时圈：通过天球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，黄道面与赤道面的夹角 ，称为黄赤空角， 约为23.5 。 黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点 称 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。
成都理工大学GPS课程本科试题库第二章坐标系统和时间系统
第二章GPS测量所涉及的时间系统与坐标系统一、填空题1、黄道是指（）。
答案：太阳的视运动的轨迹与天球表面的交线或地球公转的轨迹与天球表面的交线2、GPS目前所采用的坐标系统，是（）。
答案：WGS-84系3、岁差是指（）。
答案：由于日月的引力，平北天极绕着北黄极做圆周运动的现象4、卫星二体问题是指（）。
答案：在研究卫星运动时，仅考虑卫星受到地心引力作用下的运动问题称之为卫星二体问题。
5、升交点是指（）。
答案：卫星在轨道上由难向北运动时轨道与赤道的交点。
6、GPS高程属于（）高程系统。
答案：大地7、建立协议地球坐标系的原因是（）。
答案：存在极移现象8、虚拟参考站法是指（）。
答案：一台接收机静止在地球表面，同步观测4颗以上卫星，确定接收机天线相位中心相对于地球质量中心的三维位置的定位方式称谓静态绝对定位9、我国常用的高程系统有（）、（）、（）。
答案：大地高系统正高系统正常高系统。
10、GPS 时间系统是（）。
答案：GPS 时间系统:GPS 时间系统采用原子时ATI 秒长作为时间基准，时间起算原点定义在1980 年1 月6 日UTC0 时。
二、单选题1、未经美国政府特许的用户不能用（）来测定从卫星至接收机间的距离。
A、C/A 码B、Ll载波相位观测值C、载波相位观测值D、Y 码答案：D2、利用广播星历进行单点定位时，所求得的站坐标属于（）。
A、1954 北京坐标系B、1980 年西安坐标系C、WGS-84D、ITRF答案：C3、计量原子时的时钟称为原子钟，国际上是以()为基准。
A、铷原子钟B、氢原子钟C、铯原子钟D、铂原子钟答案：C4、我国西起东经72°，东至东经135°，共跨有5 个时区，我国采用( A )的区时作为统一的标准时间，称作北京时间。
A、东8 区B、西8 区C、东6 区D、西6 区答案：A5.卫星钟采用的是GPS 时，它是由主控站按照美国海军天文台(USNO) ()进行调整的。
四种卫星定位导航系统的坐标系统与时间系统以及他们的转换关系
GLONASS
坐标系统名：PE-90 时间系统名：GLONASS时
-4-
定义
GLONASS坐标系统：采用的是基于Parameters of the Earth 1990框架的PE-90大地坐标系，其 几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS 推荐的协议地球极（CTP）方向,即1900-1905年 的平均北极，X指向地球赤道与BH定义的零点子 午线交点，Y轴满足右手坐标系。 GLONASS时间系统：采用原子时AT1秒长作为 时间基准，是基于前苏联莫斯科的协调世界时 UTC(SU)，采用的UTC时并含有跳秒改正。
GPS
坐标系统名：WGS-84 时间系统名：GPS时
-1-
定义
GPST规定它的起点在1980年1月6日UTC的0点, 它的秒长始终与主控站的原子钟同步,启动之后不 采用跳秒调整。根据对GPS时间系统起点的规定, 知道GPST与国际原子时有固定19秒的常数差,而 且在1980年之后与UTC另外还有随时间不断变化 的常数差。如1985年12月,常数差为4秒。 GPST=UTC十4秒 总结 原点:1980年1月6日UTC零时 秒长：原子时秒长 不跳秒
Galileo
坐标系统名：ITRS 时间系统名：伽利略系统时间
-6-
定义
伽利略地球参考框架（Galileo Terrestrial Reference Frame，GTRF）是实现伽利略所有产品和服务的基础， 它由伽利略大地测量服务原型（GGSP）负责定义、建立、 维持与精化。GTRF符合ITRS定义，并与ITRF对准，它 的维持主要基于GTRF周解。除GTRF外，GGSP还提供 地球自转参数、卫星轨道、卫星和测站钟差改正等产品。 GTRF的发展早在2011年10月首批Galileo卫星升空前， GTRF就完成了它的初始实现（2007年）。它采用了42 个位于伽利略跟踪站（GSS）附近的IGS站、33个其他 IGS站和13个伽利略实验站（GESS）从2006年11月至 2007年6月的GPS观测数据。后续的GTRF将由使用 GPS/Galileo数据逐步过渡到只使用Galileo数据。从2013 年4颗Galileo卫星组网并开始提供导航服务以来，GTRF 每年都会发布新的版本并进行2~3次更新。
GPS测量原理及应用：02 时间系统与坐标系统
协调世界时（Universal Time Coordinated）
建立UTC的原因：
满足高精度时间间隔测量的要求 时刻与UT基本一致
定义
秒长与AT相同 通过跳（闰）秒，与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6
月30日24h或12月31日24h进行跳秒） 正闰秒（增加1秒）与负闰秒（减少1秒）
2
1. 有关时间系统的一些基本概念
3
时间是什么？
是事物存在或延续的过程 与长度、质量一同称为宏观物质世界的三个基本量 是四维空间中的一维 具有绝对和相对两方面的特性
时刻（历元） 时间间隔
4
时间系统-规定时间测量的标准
时间系统的要素：参考基准（起点）、尺度 时间系统：由定义和相应的规定从理论上进行阐述 时间系统框架：通过守时、授时以及时间频率测量
17
世界时（Universal Time）
定义：格林尼治零子午线（本初子午线）处的民用 时称为世界时。
UT0、UT1、UT2
问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓， 且存在短周期变化和季节性变化）
UT0：未改正的世界时 UT1：引入极移改正的世界时 UT2：引入极移改正和地球自转速度的季节改正的世界
太阳时属于地方时
14
真太阳时与平太阳时
真太阳时
参考点：太阳中心 尺度定义：太阳中心连续两次经过当地上子午圈的时间
间隔为一个真太阳日。 数值定义：太阳中心相对于本地子午圈的时角，中午为
0h，子夜为12h 特点
优点：容易测定 缺点：尺度不稳定（由于地球绕日公转时的速度不同，以及黄
赤交角的存在，导致不同时间的真太阳时时长不同）
春分点两次经过地方上子午圈（上中天）的时间间隔为 一恒星日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单 位。
2、时间系统和坐标系统
格林尼治起始子午线处的平太阳时（地方时）
经极移改正:UTI=UT0+Δλ 1 X P sin YP cos tan 15 经地球自转季节性改正:UT2=UT1+ΔT
T 0.022s sin 2 t 0.012s cos 2 t 0.006s sin 4 t 0.007 s cos 4 t
4.授时和时间对比
5.时钟的主要技术指标
频率标准度、频率漂移率、频率稳定度
（1）频率标准度 与理论频率之差
（2）频率漂移率（频漂） 频率的变化率（老化率）
（3）频率稳定度 随机变化程度
（二）恒星时与太阳时
1.恒星时
以春分点为参考点
恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 是地方时 真恒星时与平恒星时
（二）恒星时与太阳时
2.真太阳时和平太阳时
（1）真太阳时
以地球自转为基础，以太阳中心为参考点 太阳时=本地子午圈时角+12 太阳时长度不同，不具备时间系统条件
（2）平太阳时
以地球自转为基础，以平太阳中心为参考点
周年是运动轨迹位于赤道面，角速度恒定 太阳时=平太阳时角+12 由归算得到 是地方时
3. 区时和世界时
更多见教材P26
（3）阴阳历（农）
年以回归年为依据，而月则按朔望月为依据。 单月为30日，双月为29日，每月平均为29.5日； 以新月始见为月首，12个月为一年，总共354日。 每19年中有7年为闰年。闰年中增加一个月，称 为闰月。 更多见教材P26
2.儒略日JD
根据公历的年(Y)、月(M）、日(D)来计算对应的儒略日JD
第二章-GPS坐标系统与时间系统资料
例如：极移改正
平地球坐标系
瞬时地球坐标系
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第二节 ：GPS中的坐标系统
WGS-84坐标系 我国的国家大地坐标系 地方独立坐标系 ITRF坐标框架 站心坐标系
p16
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1、地方独立坐标系
国家统一坐标系 ——〉有利于统一互算 ——〉投影变形
地方独立坐标系 ——〉以当地子午线为中央子午线 ——〉以当地平均海拔高程面为参考椭球面
高斯平面直 角坐标系
站心赤道 坐标系
站心地平 坐标系
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2)GPS中的坐标系统
WGS-84坐标系 我国的国家大地坐标系 地方独立坐标系 ITRF坐标框架 站心坐标系
p16
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3)天球坐标系和地球坐标系
北天极
春分点
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4)坐标系的变换
空间大地坐标系 —〉空间直角坐标系
平地球坐标系
协议地极原点
地心
（如1900.00~1905与. 地心和CIO连线正交之平面 00年地球自转轴 和格林尼治平子午面的交线
的瞬时平均位置)
协议地球坐 标系？？
P16
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WGS-84坐标系 World geodetic system
类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）
（2）天球的_________和地球的__________重合；
（3）瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的_________ 重合;
（4）天球坐标系与地球坐标系X轴分别指向________ 和____________；
（5）瞬时天球坐标系和历元平天球坐标系之间的变 换可以通过_____和_____两次变换来实现。
第二章 坐标系统和时间系统
" sin y p " cos y p 0
• 7、了解天球坐标系建立的意义和方法；
• 8、GPS时间系统。
第二章坐标系统和时间系统 2
GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标 系的特点
• GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础 上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而 GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标 系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据 进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐 标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在 地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量， 常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。
第二章坐标系统和时间系统 27
2、平地球坐标系
• 取平地极为原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格 林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz 构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 • 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x y z
如果月球的引力及其运行的轨道都 是固定不变的，同时忽略其它行星引力 的微小影响，那么日月引力的影响，仅 将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢 地旋转，构成一个圆锥面；这时，在天 球上，北天极的轨迹近似地构成一个以 北黄极n为中心，以黄赤交角为半径 的小圆。在这个小圆上，北天极每年西 移约为50.371"。周期大约为25800年。
一、地球坐标系 1、地球直角坐标系 • 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴 在赤道平面里与XOZ构成球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地 球自转轴重合。空间点位臵在该坐标系中表述为 （L，B，H）。
坐标系统与时间系统
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二
时间系统
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1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
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1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
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5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
坐标系统与时间系统
坐标系统与时间系统在物理学和数学中，坐标系统和时间系统是两个基本概念。
坐标系统是一种方式来描述一个物体在空间中的位置，而时间系统则是一种方式来描述事件的顺序和时间。
在本文中，我们将探究什么是坐标系统与时间系统，它们的重要性以及它们如何相互关联。
什么是坐标系统？坐标系统是一个用于描述物体在空间中位置的方法。
它通常由一个数轴组成，数轴上的每个点都对应一个唯一的位置，这个点就是物体的坐标。
坐标系统通常使用x、y和z轴来描述三维空间中的位置。
在二维坐标系中，我们使用x、y轴来描述平面上的位置。
例如，图中所示的点(3，4)代表了在平面上x轴方向上距离原点3个单位，y轴方向上距离原点4个单位的位置。
此外，在三维坐标系中，我们需要使用z轴来描述物体在z轴方向上的位置。
二维坐标系示意图二维坐标系示意图图：二维坐标系示意图坐标系统不仅仅被用于描述物体在空间中的位置，还可以用来描述其他属性，例如温度，压力，颜色等等。
坐标系统在物理学，数学，计算机科学等领域都有广泛的应用。
什么是时间系统？时间系统是一种用于描述事件顺序和时间的系统。
尽管它看起来很简单，但其实是一个非常复杂的概念。
时间是一个连续的进程，它不能被随意停止或复制。
因此，每个时间点都是唯一的，它不能被重复。
时间系统通常由一组标准组成，这些标准被用来标记时间和时间间隔。
例如，在天文学中，我们使用“儒略日”来标记时间。
儒略日是指从公元前4713年1月1日中午12点到某个时刻之间的天数。
在其他领域，例如计算机科学和物理学中，我们通常使用时间戳来标记事件发生的时间。
时间戳是指从一个特定的时间点到事件发生时的时间间隔。
时间系统的设计是为了表达时间的准确性和可靠性。
因此，它在日常生活和科学研究中都有重要意义。
例如，在国际贸易和金融市场中，时间掌控着交易的进程，是有效监管和管理交易的重要工具，使得交易双方能够基于同一标准和时间计量单位。
坐标系统与时间系统的关系坐标系统和时间系统之间存在着密切的关系。
时间系统与坐标参照系
时间系统与坐标参照系时间系统和坐标参照系是当今科学和日常生活中不可或缺的两个概念。
时间系统是为了测量和描述事件发生的先后顺序以及事件之间的时间间隔而创建的一种系统。
坐标参照系则是为了描述和测量物体在空间中的位置和移动而建立的一种系统。
时间系统的起源可以追溯到古代。
人们最初是通过观察天空中的自然现象，如太阳的位置、月亮的相位等来判断时间的流逝。
随着时间的推移，人们开始根据不同地区的地理条件以及社会需求而发展出各种不同的时间系统。
例如，格林尼治标准时间（GMT）是根据英国伦敦的本初子午线而设立的时间系统，世界各地的时间都是相对于GMT来表示的。
随着科技的进步，时间系统也变得越来越精确。
现代的时间系统一般采用原子钟来测量时间，其中铯原子钟的误差仅约为每亿年一秒。
此外，国际原子时（TAI）和世界协调时（UTC）也是国际通用的时间系统，用于各种科学研究、航空航天以及国际交流等领域。
坐标参照系则用于描述物体在空间中的位置和运动。
人们通常使用直角坐标系，也称笛卡尔坐标系，来表示物体在三维空间中的坐标。
在直角坐标系中，我们可以使用三个互相垂直的坐标轴（通常是x、y和z轴）来描述一个物体的位置。
这样，我们可以利用这些坐标轴上的数值来计算物体之间的距离和方向。
除了直角坐标系，人们还经常使用极坐标、球坐标等其他坐标系来描述物体在不同情况下的位置。
例如，极坐标系适用于描述圆形和环形运动；球坐标系适用于描述物体在三维球体上的位置。
时间系统和坐标参照系在许多领域都起着关键作用。
例如，物理学中的力学、天文学中的星体运动、地理学中的地球表面描述等都离不开时间系统和坐标参照系的应用。
此外，全球定位系统（GPS）也是基于时间系统和坐标参照系的工作原理来实现对地球上任意位置的准确定位。
总而言之，时间系统和坐标参照系是现代科技和文明中不可或缺的概念。
它们为人类提供了准确测量和描述时间和空间的工具，极大地推动了科学研究和社会发展。
时间系统和坐标参照系是当今科学和日常生活中不可或缺的两个概念。
坐标系统与时间系统
坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统和时间系统是人类社会中不可或缺的重要概念，它们在我们的日常生活和科学研究中都扮演着关键角色。
坐标系统用于确定位置和距离，而时间系统用于测量和记录时间。
本文将分别探讨坐标系统和时间系统的原理、种类以及应用。
首先，让我们来了解坐标系统。
坐标系统是一种用于描述和定位点在空间中位置的数学和逻辑系统。
它由一组数值或符号组成，用于标识和表示各个点的位置。
坐标系统可以是一维、二维或三维的，分别用于描述一条直线、一个平面或一个立体。
常见的三维坐标系统是笛卡尔坐标系，它以直角坐标的形式描述点在三个互相垂直的轴上的位置坐标。
笛卡尔坐标系以坐标原点为基准，通过三个轴分别表示X、Y和Z轴。
点的位置由三个坐标值表示，分别对应X、Y和Z轴上的距离。
这种坐标系统非常常见，广泛应用于几何、物理和工程学中，用于定位和描述三维空间中的对象和位置。
除了笛卡尔坐标系，还有其他种类的坐标系统，如极坐标系、球坐标系和地理坐标系。
极坐标系使用半径和角度来描述点在平面上的位置，球坐标系使用半径、纬度和经度来描述点在球体上的位置，地理坐标系使用经度和纬度来定位地球上的地点。
不同的坐标系统适用于不同的应用领域，能够更准确地描述和定位物体和地点。
接下来，我们将关注时间系统。
时间系统是一种用于测量和记录时间的系统，用于确定事件发生的先后顺序和持续时间的长短。
时间系统可以是相对的或绝对的。
相对时间系统是以某个事件为基准，将其他事件与之进行比较和计算。
绝对时间系统则是以一个不变的基准来测量时间，如地球自转的周期。
最常见的时间系统是格林威治时间（GMT）和协调世界时（UTC）。
GMT是以伦敦格林威治天文台的时间为基准，被广泛应用于世界各地。
UTC是一种更精确的时间系统，使用原子钟来测量时间，并通过闰秒进行校正。
UTC作为国际标准时间，被广泛应用于科学、航空和通信领域。
除了GMT和UTC，还有其他种类的时间系统，如地方时、夏令时和万年历。
第2章 时间系统和坐标系统
42
2.8 ITRS与GCRS之间的转换
武汉大学 测绘学院 卫星应用工程研究所
• 赤道岁差
由于太阳、月球以及行星对地球上赤道隆起部分的作用力 矩而引起天球赤道的进动，最终导致春分点每年在黄道上 向西移动约的现象称为赤道岁差。
28
岁差②
• 黄道岁差
由于行星的万有引力而导致地月系质心绕日公转平面（黄 道面）发生变化，从而导致春分点在天球赤道上每年向东 运动约的现象称为黄道岁差。
• 太阳系质心动力学时TDB
太阳系质心动力学时简称为质心动力学时。这是一种用以 解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程、编制行星星表 时所用的一种时间系统。
20
建立在相对论框架下的时间系统③
• 地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB
地心坐标时TCG是远点位于地心的天球坐标系中所使用的 第四维坐标：时间坐标。它是把TDT从大地水准面上通过 相对论转换到地心时的类时变量。 太阳质心时TCB是太阳系质心天球坐标中的第四维坐标。 它是用于计算行星绕日运动的运动方程中的时间变量，也 是编制行星星表时的独立变量。
• 章动模型
IAU 1980模型和IAU2000模型
31
章动②
• 日、月章动
• 行星章动
32
ห้องสมุดไป่ตู้ 章动③
• 章动改正
33
天球坐标系①
• 概念
天球坐标系是用以描述自然天体和人造天体在空间的位置 或方向的一种坐标系。依据所选用的坐标原点的不同可分 为站心天球坐标系、地心天球坐标系和太阳系质心天球坐 标系等。
39
协议地球坐标系①
•
ITRS
坐标原点位于包括海洋和大气层在内的整个地球的质量 中心； 尺度为广义相对论意义下的局部地球框架内的尺度； 坐标轴的指向是由BIH 1984.0来确定的； 坐标轴指向随时间的变化应满足“地壳无整体旋转”这 一条件。
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
§2-1 协议天球坐标系统
协议天球坐标系CIS→→瞬时平天球 坐标系Mt （由岁差引起）→→瞬时 天球坐标系t （由章动引起）
x x y R R y xzx zyz z t z CIS
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
协议天球坐标系
协议地球坐标系
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
§2-4 国家大地坐标系
1954年北京坐标系 该坐标系源自于原 苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。 建国前，我国没有统一的大地坐标系 统，建国初期，在苏联专家的建议下， 建立起了全国统一的1954年北京坐标 系。该坐标系采用的参考椭球是克拉 索夫斯基椭球。
X x x Y MR (GAST ) y R R R y z yxz xzx zyz Z CTS z t z CIS
Ryxz MRz (GAST ) Ry ( x p ) Rx ( y p ) Rz (GAST )
0 0 2 0 0 0 2 0 3 3
0.5567530 T 0.0001185 T 0.0000116 T
T=（t-t0）儒略世纪数, J2000.0 t =241545.0
0
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
§2-1 协议天球坐标系统
协议天球坐标系CIS→→瞬时平天球 坐标系Mt （由岁差引起）→→瞬时 天球坐标系t （由章动引起）
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
§2-2 协议地球坐标系统
第二章 GPS 坐标系统与时间系统
§2-2 协议地球坐标系统
定义：以协议地极（CTP）为基准点
坐标系统与时间系统
坐标系统与时间系统坐标系统是现代科学与技术领域中常用的工具，用于确定和描述地球表面上的点的位置。
它是一种将地球表面划分为一系列网格或网格线，并用坐标值来标识位置的方法。
而时间系统则是用于测量和表示时间的系统。
在现代的全球范围内，人们通常使用的是经度、纬度和协调世界时（UTC）这两个系统。
下面将对坐标系统和时间系统进行详细介绍。
首先，坐标系统是用来确定地球上某一点的位置的系统。
经度和纬度是两个用来描述地理位置的重要概念。
经度是按照东西方向的角度或弧度来测量地球上某点的位置，其基准线是通过英国伦敦的本初子午线（0度经度），向东为正值，向西为负值。
纬度是按照南北方向的角度或弧度来测量地球上某点的位置，其基准线是赤道（0度纬度），向北为正值，向南为负值。
经纬度的组合可以准确地确定地球表面上任意一点的位置。
与此同时，时间系统也是现代社会中不可或缺的一部分。
协调世界时（UTC）是国际上通用的时间系统。
它以原子钟的标准时间为基准，以24小时制度计算时间，用于统一世界各地的时间标准。
UTC与格林威治标准时间（GMT）几乎是相同的，只有在几毫秒的范围内略有差异。
现在，人们一般使用GPS卫星系统来获得准确的时间和位置数据。
坐标系统和时间系统在现代科学研究中有着广泛的应用。
例如，在地理研究中，人们可以利用坐标系统准确地标识和定位地球上的地貌、河流、山脉等自然地理要素。
在气象和气候研究中，人们可以使用坐标系统来记录和分析天气数据，了解气候变化的规律。
此外，在导航和地理信息系统（GIS）领域，坐标系统也是至关重要的一部分，人们可以通过坐标系统来实现导航和地图制作的功能。
时间系统的应用也是多种多样的。
在天文学研究中，人们可以使用绝对时间来记录和标识天体的运动和变化。
在航空航天领域，时间的准确性和同步性对于飞行安全和导航至关重要。
此外，时间系统在金融交易、信息技术和交通运输等领域也有着重要的作用。
人们可以使用时间系统来确保金融交易的准确性和一致性，以及同步全球的信息和通信网络。
GPS测量的坐标系统与时间系统
GPS测量的坐标系统与时间系统全球定位系统（GPS）是一种由美国政府运营的卫星导航系统，可提供全球定位、导航和时间服务。
它是许多现代技术和应用的基础，例如车辆导航、飞行导航、航海、地图绘制等。
GPS测量提供了一种在地球上确定位置的精确方法，但是它的坐标系统和时间系统需要特定的标准和约定来确保精度。
本文将介绍GPS测量中使用的坐标系统和时间系统，并讨论它们与其他GPS应用和技术的关系。
坐标系统GPS测量使用经纬度和高度来确定位置，这是因为它可以提供全球范围内的定位。
经度是一个位置相对于本初子午线的度数，可以从0度到360度，东经为正，西经为负。
纬度是一个位置相对于赤道的度数，可以从-90度到90度，北纬为正，南纬为负。
高度是一个位置相对于海平面的高度。
GPS测量使用的坐标系统是WGS 84（World Geodetic System 1984），这是一种由美国国防部和国家海洋和大气管理局发展的全球定位系统坐标系统。
WGS 84使用地球模型作为椭球体，将地球视为一个近似椭球体。
这个椭球体的参数被称为参考椭球体，在WGS 84中，参考椭球体的参数为a=6378137.0 m，f=1/298.257223563。
WGS 84是GPS定位用的最通用的地理坐标系，在大多数现代地图上都采用了WGS 84坐标。
此外，许多其他地理信息系统（GIS）和工程应用也使用WGS 84坐标系来表示地球上的位置。
时间系统在GPS测量中，时间系统也是至关重要的。
GPS测量使用一个基于原子钟的时间系统来测量信号的传播时间，并计算出接收器的位置。
原子钟比基于机械振荡器的钟表更为精确，可以维持极高的准确性。
GPS测量使用的时间系统是GPS时间，它是由GPS卫星提供的21个原子钟的平均值。
GPS时间以UTC（协调世界时）为基础，但它使用了其他一些修正来保持与UTC同步。
UTC是一个国际标准时间系统，它基于原子钟的时间，但考虑了地球自转的变化。
GPS定位的坐标系统和时间系统精选全文
目前使用旳协议天球坐标系要求如下
1980年，国际大地测量学会（IGA）和国际天文学会（IAU）决定，自1984年1 月1后来启用新原则历元旳协议天球坐标系，以儒略日JD=2451545.0为原则历 元（记为JD2000.0，公历为2023年1月1日12hr00min00s），其坐标轴指向是以 原则历元旳赤道和春分点所定义
2.2 GPS使用旳坐标系统
2.2.1 协议天球坐标系 2.2.2 协议地球坐标系（CTS） 2.2.3 坐标转换 2.2.4 地图投影与高斯-克吕格平面直角坐标系
2．2．1 协议天球坐标系
•主要内容 1.天球旳基本概念 2.天球坐标系 3.岁差与章动 4.协议天球坐标系
1.天球及其基本概念
• 天球（Celestial Sphere）：是一种半径巨大旳假想旳虚球， 是天文学上用来描述天体位置旳参照物 有日心天球、地心天球和站心天球
•自然地表形状起伏较大且极不规则， 不适合用来代表地球旳形状 •人们是利用大地水准面来替代地球 旳形状
大地水准面
•水准面:水处于静止时旳表面 •与水准面相切旳平面称为水平面 •大地水准面：假设在重力作用下，静止海水面无限延伸，穿 越大陆、岛屿、山川、平原而形成旳一种假想旳自行封闭曲面
大地水准面示意图
间系统可有不同旳时间原点。 • 时间单位尺度是由时钟来拟定旳，不同步钟有不同旳度量
时间方式 • 从本质上讲，时间系统间旳差别体目前时钟上。
时间度量旳精度对GPS定位非常主要
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第一节 GPS测量的坐标系统
全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户 在空间的位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用 户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标 系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系 GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据 GPS接收机观测的星战距离来确定接收机或者测站 的位置，而位置的确定离不开坐标系。
表4 1980年国家大地测量坐标系定义
坐标系类型 1980年国家大地测量坐标系属参心坐标系
原点
z轴
位于我国中部—陕西省泾阳县永乐镇
平行于地球质心指向我国定义的1968.0地极原点(JYD)方向
x轴
参考椭球
起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面
椭球参数采用1975年第16届国际大地测量与地球物理联合 会的推荐值
空固坐标系与天球固连，与地球自转无关，用来确定天体位置较方 便。地固坐标系与地球固连，随地球一起转动，用来确定地面点 位置较方便。
地心坐标系以地球的质量中心为原点，如WGS-84坐标系和ITRF参 考框架均为地心坐标系。而参心坐标系以参考椭圆体的几何中心 为原点，如北京54坐标系和80国家大地坐标系。
岁差：由于对隆起部分的作用，致
使春分点每年西移50.2″移动一周 25800年
章动：由于月球轨道和月地距离的
P1瞬 时平天极，绕瞬时平天机旋转轴旋 转。
地球坐标系
1．地球直角坐标系的定义 地球直角坐标系的定义是： 原点O与地球质心重合，Z轴指向地 球北极，X轴指向地球赤道面与格 林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道 平面里与XOZ构成右手坐标系 2. 地球大地坐标系的定义 地球大地坐标系的定义是： 地球椭球的中心与地球质心重合椭 球的短轴与地球自转轴重合。空间 点位臵在该坐标系中表述为（L，B， H）。 地球直角坐标系和地球大地 坐标系可用图2-2表示：
GPS测量中的常用坐标系统
4.地方坐标系
地方坐标系选自己的地方参考椭球，基准 面为当地的平均海拔高程面。 地方与国家的参考椭球的关系: 中心一致 轴向一致 扁率一致 长半径有一增量
坐标系统之间的转换
不同空间直角坐标系统之间的转换 （七参数法）
上式即为两个不同空间直角坐标系的转换模型，通过该模型，利 用重合点的两套坐标值（XA，YA，ZA）（XB，YB，ZB）采取平差 的方法可以求得转换参数。求得转换参数后，再利用上述模型进 行各点的坐标转换。
坐标系统之间的转换
不同平面直角坐标系之间的转换（四参数法）
适用于高斯平面坐标间的转换
七参数法：定参数需要三个点在两个坐标系中的坐标 四参数法：定参数需要两个点在两个坐标系中的坐标
高程系统的转换
GPS测得的高程是以WGS-84椭球面为高程起算面 的即为大地高，我国的1956年黄海高程系统和 1985年国家高程基准是以似大地水准面作为高程 起算面的即为正常高，所以GPS测量要进行高程系 统的转换。 常用的转换方法有四种： 高程拟合法 1）斜面拟合法 2）二次曲面拟合法 区域似大地水准面精化法
天球坐标系和地球坐标系
GPS测量技术是通过安臵于地球表面的GPS接收机，接 收GPS卫星信号来测定地面点位臵。观测站固定在地球表面， 其空间位臵随地球自转而变动，而GPS卫星围绕地球质心旋 转且与地球自转无关。因此，在卫星定位中，需建立两类坐 标系统和统一的时间系统，即天球坐标系与地球坐标系。天 球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在 空间保持不变，用于描述卫星运行位臵和状态。地球坐标系 则是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位臵。并寻 求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，从 而实现坐标系之间的转换。
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密 合。 （4）定向明确。 （5）大地原点地处我国中部。 （6)其大地点的高程起算面是似大地水准面，是局部基准而 非全球基准。
GPS测量中的常用坐标系统
ITRF参考框架
ITRF是国际地球自转服务局（IERF）根 据分布全球的地面观测站，以最先进的测量 技术获得的数据确定的大地测量基准，是世 界精度最高的大地测量基准。目前尚未普遍 采用，但其日后必将代替WGS-84. IERF已发布了ITRF88、89、90、91、92、 93、94、96、97、2000等多个地心参考框架， 椭球参数与WGS-84相同，定向不同
椭球长半径
椭球扁率
a=6378140m
由相关参数计算的扁率：α=1/298.257
GPS测量中的常用坐标系统
3.新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标 （GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定 向于GDZ80相同。 （8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
天球坐标系
1. 天球空间直角坐标系的定义 地球质心O为坐标原点，Z轴指向 天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直 于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐 标系。则在此坐标系下，空间点的位 臵由坐标（X，Y，Z）来描述。 2．天球球面坐标系的定义 天球球面坐标系的坐标原点也位 于地球质心。天体所在天球子午面与 春分点所在天球子午面之间的夹角称 为天体的赤经，用α表示；天体到原 点O的连线与天球赤道面之间的夹角 称为赤纬，用δ表示；天体至原点的 距离称为向径，用r表示。这样，天体 的位置也可用三维坐标（α，δ，r） 唯一地确定。
地球坐标系之间的转换
瞬时地球坐标系-----------------协议地球坐标系
极移改正
天球坐标系与地球坐标系之间的转换
卫星的位臵是由天球坐标系的坐标表示， 测站的位臵是由地球坐标系的坐标表示，要 想用卫星的坐标测出测站的坐标，需将天球 坐标系的坐标转化为地球坐标系的坐标。
高程系统
一、正高（海拔高）H正 1、定义： 指地面点沿铅垂线到大地水准面的 距离 2、特点：（1）正高高程是唯一的； （2）一点在不同深度处的重力加速 度的平均值 二、正常高H常 1、定义： 指地面点沿铅垂线到似大地水准面 的距离。 我国采用的高程系统。基准面为似大地水准面
第二节 GPS测量的时间系统
（1）恒星时ST
定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。 (岁差和章动)
（2）平太阳时MT
定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太 阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻 正是平太阳时。
地球坐标系
1、瞬时地球坐标系： 原点位于地球质心 z轴指向瞬时北极 x轴指向起始子午面与赤道面的交点 y轴构成右手坐标系取向。
地球坐标系
2、协议地球坐标系 极移：在地幔对流以及其他物质迁移的影响 下，地球自转轴的位臵随时间的不同而发生改变的 现象称为地极移动，简称极移。 国际协定原点CIO：采用国际上5个纬度服务 站的资料，以1900至 1905年地球自转轴瞬时位臵的 平均位臵作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。 原点：地球质心 z轴：指向CIO x轴：指向与CIO相对应的赤道面与起始子午面 的交点 y轴：按构成右手坐标系取向
高程系统
三、大地高（椭球高）H 1、地面点沿椭球法线到椭球面得距离叫该点 的大地高 2、特点：大地高是纯几何量，不具物理意义。 同一个点在不同基准下有不同的大地高 大地水准面差距：椭球面与大地水准面之间的距离。 高程异常：椭球面与似大地水准面之间的距离。
GPS测量中的常用坐标系统
一、大地测量的坐标系与大地测量基准的差别 大地测量坐标系是理论定义，空间一点 在不同坐标系之间转换不影响点位 大地测量基准是依据若干观测点的观测 数据确定的大地测量坐标系，因观测有误差， 故空间一点在不同基准之间的转换会带来误 差。 在多数场合下，两者不加区别。 我们常用的坐标系都是大地测量基准
③空间直角坐标系、球 经典大地测量采用的坐标系通常有两种，一是以大地经纬度表示点 面坐标系、大地坐 位的大地坐标系，二是将大地经纬度进行高斯投影或横轴墨卡托 标系及平面 投影后的平面直角坐标系。在GPS测量中，为进行不同大地坐标 直角坐标系 系之间的坐标转换，还会用到空间直角坐标系和球面坐标系。 采用单独坐标系统既不是我国国家统一坐标系常用的是80国家大地 坐标系也不是北京54坐标系， ④国家统一坐标系与地 方 独立坐标系
表3
坐标系类型
1954年北京坐标系定义
1954年北京坐标系属参心坐标系
原点
z轴
位于原苏联的普尔科沃
没有明确定义
x轴
参考椭球
没有明确定义
椭球参数采用1940年克拉索夫斯基椭球参数
椭球长半径
椭球扁率
a=6378245m
由相关参数计算的扁率：α=1/298.3
GPS测量中的常用坐标系统
2.1980年国家大地坐标系（GDZ80）
GPS测量中的常用坐标系统