第2章坐标系统以及时间系统
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大地测量学基础-第2章坐标系统与时间系统
的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极缓慢旋转，类似于一个旋 转陀螺，形成一个倒圆锥体（见左下图），其锥角等于黄赤交角 ε=23.5 °。 • 旋转周期为25786年，这种运动称为岁差，是地轴方向在宇宙空 间中的长周期运动（以黄极为中心）。
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 °
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 °
大地测量学第2章
g=（357. 528°＋35999.050°T）（2 /360）
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。
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。
第二章GPS定位的坐标系统和时间系统 第四节时间系统
计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟三 种，国际上是以铯原子钟为基准的，原子钟的计时精度满足了一些高精度时间 部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上全部配置 了原子钟。
国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精 选过的原子钟测定的。
目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般 不便超用过户±获1得m所s，需除的了U发T1。播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以
GPS测量定位技术
六、力学时（DT）
这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于 太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球 质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒， 秒 值 采 用 国 际 原 子 时 （ ATI） 秒 长 。 地 球 质 心 力 学 时 TDT 的 1 9 7 7 年 1 月 1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日 0h0m0s。
GPS时与协调时的关系为：
GPST = UTC + 1S × n － 19S
（2-7）
其中n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。
GPS测量定位技术
八、区会议决定采用一种分区统一时
刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15 °，则
在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运 动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距 也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间， 同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、 文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以 地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基 础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历 来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时 间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425 日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元 元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年 10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位， 除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。
国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精 选过的原子钟测定的。
目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般 不便超用过户±获1得m所s，需除的了U发T1。播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以
GPS测量定位技术
六、力学时（DT）
这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于 太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球 质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒， 秒 值 采 用 国 际 原 子 时 （ ATI） 秒 长 。 地 球 质 心 力 学 时 TDT 的 1 9 7 7 年 1 月 1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日 0h0m0s。
GPS时与协调时的关系为：
GPST = UTC + 1S × n － 19S
（2-7）
其中n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。
GPS测量定位技术
八、区会议决定采用一种分区统一时
刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15 °，则
在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运 动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距 也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间， 同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、 文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以 地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基 础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历 来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时 间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425 日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元 元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年 10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位， 除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。
坐标系统和时间系统
站心地平直角坐标系
旋转变换 （2－6）
站心赤道直角坐标系
平移变换 （2－5）
地心空间直角坐标系
（三）站心（左手）地平直角坐标系与地心空 间直角坐标系之间的转换
旋转矩阵
X －sinBcosL sinL cosBcosLx
Y
＝sinBsinL
cosL
cosBsinLy
Z地心 cosB
0
sinB z地平 （2－7）
通过天球中黄心道，面且与垂赤直道于面黄的道夹面角的直线与 天球的交点
√8.春分点
地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 当太阳即在当黄地道球上绕，太从阳天公球转南时半，球地向球北上半的球观测者
运行时，所黄见道到与的天，球太赤阳道在的天交球点上运动的轨迹
（二）天球坐标系的定义
假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力 的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是 固定的，春分点在天球上的位置保持不变。
t时刻的瞬 时极地球 坐标系
x
x
y
Rz ( G ) y
z et
z ct
对应格林尼治平子 午面的真春分点时
角
（2－10）
t时刻的瞬时 极天球坐标
系
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
（二）协议天球坐标系与协议地球坐标系的坐标 转换
协议天球坐标系 瞬时极天球坐标系
（2－11） （2－12）
3、协议地球坐标系与瞬时极地球坐标系 的坐标转换
二者存在旋转关系：
x
x
y Ry xp Rx yp y
zem
zet
（2－13）
(xp , y p ) 为瞬时地极相对于CIO的坐标。
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
旋转变换 （2－6）
站心赤道直角坐标系
平移变换 （2－5）
地心空间直角坐标系
（三）站心（左手）地平直角坐标系与地心空 间直角坐标系之间的转换
旋转矩阵
X －sinBcosL sinL cosBcosLx
Y
＝sinBsinL
cosL
cosBsinLy
Z地心 cosB
0
sinB z地平 （2－7）
通过天球中黄心道，面且与垂赤直道于面黄的道夹面角的直线与 天球的交点
√8.春分点
地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 当太阳即在当黄地道球上绕，太从阳天公球转南时半，球地向球北上半的球观测者
运行时，所黄见道到与的天，球太赤阳道在的天交球点上运动的轨迹
（二）天球坐标系的定义
假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力 的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是 固定的，春分点在天球上的位置保持不变。
t时刻的瞬 时极地球 坐标系
x
x
y
Rz ( G ) y
z et
z ct
对应格林尼治平子 午面的真春分点时
角
（2－10）
t时刻的瞬时 极天球坐标
系
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
（二）协议天球坐标系与协议地球坐标系的坐标 转换
协议天球坐标系 瞬时极天球坐标系
（2－11） （2－12）
3、协议地球坐标系与瞬时极地球坐标系 的坐标转换
二者存在旋转关系：
x
x
y Ry xp Rx yp y
zem
zet
（2－13）
(xp , y p ) 为瞬时地极相对于CIO的坐标。
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
《GPS原理及其应用》习题集a.doc
《GPS原理及其应用》复习第一章概论了午卫星系统与GPS定位原理有何区别？子午卫星系统的缺点GPS的基本组成什么是标准定位服务？GPS信号接收机主要组成第二章坐标系统和时间系统名词解释：天球；赤经；赤纬；黄道；春分点；岁差；章动；极移；世界时；原了时；协调世界时；儒略日。
简述协议地球坐标系的定义。
赤纬8与大地纬度B有何区别；赤经a与大地经度L有何区别？什么是参心坐标系？简述卫星大地测量的发展历史，并指出其各个发展阶段的特点。
试说明GPS全球定位系统的组成。
为什么说GPS卫星定位测量技术问世是测绘技术发展史上的一场革命？简述GPS、GLONASS与NAVSAT三种卫星导航定位系统工作卫星星座的主要参数。
简述（历元）平天球坐标系、（观测）平天球坐标系以及瞬时极（真）天球坐标系之间的差别。
怎样进行岁差旋转与章动旋转?它们有什么作用？为什么要进行极移旋转?怎样进行极移旋转？简述协议地球坐标系的定义。
试写出由大地坐标到地心空间直角坐标的变换过程。
综述山（历元）平天球坐标系到协议地球坐标系的变换过程。
简述恒星时、真太阳时与平太阳时的定义。
什么是GPS定位测量采用的时间系统?它与协调世界时UTC有什么区别？在GPS定位测量，具有重要意义的时间系统主要有哪三种？第三章卫星运动基础及GPS卫星的坐标计算试述描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。
试画图并用文字说明开普勒轨道6参数。
简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。
地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响？II、月引力对卫星的轨道运动有什么影响？简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响？综述考虑摄动力影响的GPS卫星轨道参数。
试写出计算GPS卫星瞬时位置的步骤。
第四章、GPS卫星的导航电文和卫星信号名词解释：码；码元（比特）；数码率；自相关系数；信号调制；信号解调；遥测字；交接字；数据龄期；时延差改正；传输参数。
试说明什么是随机噪声码?什么是伪随机噪声码？C/A码和P码是怎样产生的？试述C/A码和P码的特点。
第二章坐标系统和时间系统(2-3)
sin X sin Z cos X sinY cos Z
cosY sin Z cos X cos Z sin X sinY sin Z sin X cos Z cos X sinY sin Z
sinY
sin
X
cosY
cos X cosY
坐标转换公式为：
第三节 坐 标 系 统
一般εx ,εy ,εz为微小量，可取
第三节 坐 标 系 统
b.多点定位：在全国范围内观测许多点的天文经度λ，天文纬度φ ，天文方位角α（这样的点称为拉普拉斯点）。利用这些观测成果 和已有的椭球参数，按照广义弧度测量方程，根据使椭球面与当地 大地水准面最佳拟合条件ΣN2=min（或Σζ2=min），采用最小二乘 原理，求出椭球定位参数ΔX0,ΔY0，ΔZ0，旋转参数εX，εy， εZ，椭球几何参数的改正数Δa，Δα（a新=a旧+ Δa，α新=α旧
第三节 坐 标 系 统
第三节 坐 标 系 统
4）地心坐标系 ① 地心空间直角坐标系：原点与地球质心重合，Z轴指向地球北 极，X轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道交点，Y轴垂直于 XOZ平面。 ② 地心大地坐标系：椭球中心与地球质心重合，椭球面与大地水 准面最为密合，短轴与地球自转轴重合.点的坐标为大地经度L ，大地纬度B，大地高H.
+Δα.）以及η新,ξ新，N新。 再根据：
求出大地原点新的大地起算数据。
第三节 坐 标 系 统
这样利用新的大地原点数据和新的椭球参数进行新的定位和定 向，从面可建立新的参心大地坐标系。按这种方法进行椭球的定位 和定向，由于包含了许多拉普拉斯点，因此通常称为多点定位法。
参考椭球参数和大地起算数据是一个参心坐标系建成的标志，一 定的参考椭球和一定的大地起算数据确定了一定的坐标系。
第2-1章 坐标系统和时间系统
张德勒运动（周期 个月 振幅0.2秒） 个月， 张德勒运动（周期14个月，振幅 秒 季节性运动（周期12个月 振幅0.1秒） 个月， 季节性运动（周期 个月，振幅 秒
极 移
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
国际天文学联合会和大地测量学协会在1967建 建 国际天文学联合会和大地测量学协会在 G 采用国际上5个纬度服务站 个纬度服务站， 年的平 P 议，采用国际上 个纬度服务站，以1900-1905年的平 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， S 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点 ， 平极的 测 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置 ， 通常 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置， 量 称 为 国 际 协 议 原 点 （ Conventional International 原 ） 理 Origin——CIO）。与之相应的地球赤道面称为平赤 道面或协议赤道面。 至今仍采用CIO作为协议地极 及 道面或协议赤道面 。 至今仍采用 CIO 作为协议地极 应 （ conventional Terrestrial Pole——CTP） ， 以协议 ） 用 地 极 为 基 准 点 的 地 球 坐 标 系 称 为 协 议 地 球 坐 标系 ） 中 （Conventional Terrestrial System——CTS），而与 南 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
第二章 坐标系统和时间系统
2.1 天球坐标系和地球坐标系
G P S • 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的 测 位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标 量 系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此， 原 首先要设立适当的坐标系。 理 • 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，需要建立不随地球 及 自转的地心坐标系－－空间固定坐标系（天球坐标系）； 应 另一方面观测站是在地球表面，随地球自转而运动，因此 用 需要建立与地球固联的地心坐标系－－地固坐标系（地球 坐标系）。 中 • 由上可看出在不同观测时间，其各自的坐标轴指向不同。
极 移
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
国际天文学联合会和大地测量学协会在1967建 建 国际天文学联合会和大地测量学协会在 G 采用国际上5个纬度服务站 个纬度服务站， 年的平 P 议，采用国际上 个纬度服务站，以1900-1905年的平 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， S 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点 ， 平极的 测 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置 ， 通常 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置， 量 称 为 国 际 协 议 原 点 （ Conventional International 原 ） 理 Origin——CIO）。与之相应的地球赤道面称为平赤 道面或协议赤道面。 至今仍采用CIO作为协议地极 及 道面或协议赤道面 。 至今仍采用 CIO 作为协议地极 应 （ conventional Terrestrial Pole——CTP） ， 以协议 ） 用 地 极 为 基 准 点 的 地 球 坐 标 系 称 为 协 议 地 球 坐 标系 ） 中 （Conventional Terrestrial System——CTS），而与 南 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
第二章 坐标系统和时间系统
2.1 天球坐标系和地球坐标系
G P S • 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的 测 位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标 量 系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此， 原 首先要设立适当的坐标系。 理 • 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，需要建立不随地球 及 自转的地心坐标系－－空间固定坐标系（天球坐标系）； 应 另一方面观测站是在地球表面，随地球自转而运动，因此 用 需要建立与地球固联的地心坐标系－－地固坐标系（地球 坐标系）。 中 • 由上可看出在不同观测时间，其各自的坐标轴指向不同。
2-1GPS定位的坐标系统(GPS)
2 2 2
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 该坐标系的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， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 该坐标系的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， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
GPS测量与数据处理_第二章 GPS定位的时间系统及其换算
以地球自转为基础的世界时系统，已难以满足要求。为此，
征为基础的原子时间系统。 具有很高的稳定性和复现性，所以由此而建立的原子时，
便成为当代最理想的时间系统。
因为物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，
第二章
时间系统及其换算
原子时秒长的定义为：位于海平面上的铯原子基 态两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射振荡9 192 631 770周所持续的时间，为一原子时秒。该 原子时秒作为国际制秒(SI)的时间单位。 这一定义严格地确定了原子时的尺度，而原 子时的原点由下式确定： TA=UT2-0.0039 s
第二章 时间系统及其换算
3、确定时间的基准
测量时间，同样必须建立一个测量的基准，即时间的 单位(尺度)和原点(起始历元)。其中时间的尺度是关键， 而原点可以根据实际应用加以选定。一般来说，任何一个 可观察的周期运动现象，只要符合以下要求，都可以用作 确定时间的基准。
◆运动应是连续的，周期性的； ◆运动的周期应具有充分的稳定性； ◆运动的周期必须具有复现性，即要求在任何地方和时 间，都可以通过观测和实验复现这种周期性运动。
GPS测量与数据处理
课程主要内容
1 2 3 4 5 6 7 绪论 GPS定位的时间系统及其换算 GPS卫星坐标的计算 载波相位观测值周跳探测与修复 基线向量解算 GPS网建立与数据处理分析 CORS系统简介
第二章
时间系统及其换算
主要内容
2.1 2.2 时间系统回顾 GPS定位中的时间表示方法
2.3
第二章 时间系统及其换算
2.1 时间系统回顾
一、有关时间的基本概念 1、时间的两个概念 ◆时间有“时刻”和“时间间隔”两个概念。
◆时刻，即发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星测 量学中，与所获数据对应的时刻也称为历元。 ◆时间间隔，系指发生某一现象所经历的过程，是这 一过程始末的时刻之差。 ◆时间间隔测量也称为相对时间测量，而时刻测量相 应地称为绝对时间测量。
第2章坐标系统与时间系统
建立球面坐标系统，如图2－1所示.
参考点、线、面和园
第2章坐标系统与时间系统
图2－1 天球的概念
第2章坐标系统与时间系统
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 和 PS 称为天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。
天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天 球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大 圆称为天球赤道。
某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时 间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地 面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建 议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均 纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 CIO (Conventional International Origin)
第2章坐标系统与时间系统
国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用 不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为 平赤道面或协议赤道面 。
第2章坐标系统与时间系统
(3)地球自转速度变化（日长变化）
地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期 变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化 表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导 致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的 时间尺度产生变化。
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。视太阳在黄 道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称 为春分点，用 γ表示。 在天文学中和研究卫星运动时，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
赤经与赤纬 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬, 春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。
参考点、线、面和园
第2章坐标系统与时间系统
图2－1 天球的概念
第2章坐标系统与时间系统
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 和 PS 称为天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。
天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天 球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大 圆称为天球赤道。
某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时 间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地 面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建 议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均 纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 CIO (Conventional International Origin)
第2章坐标系统与时间系统
国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用 不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为 平赤道面或协议赤道面 。
第2章坐标系统与时间系统
(3)地球自转速度变化（日长变化）
地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期 变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化 表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导 致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的 时间尺度产生变化。
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。视太阳在黄 道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称 为春分点，用 γ表示。 在天文学中和研究卫星运动时，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
赤经与赤纬 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬, 春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。
GPS测量原理及其应用复习资料
GPS测量原理及其应用第一章绪论一：全球导航卫星系统GNSS美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧盟的伽利略（GALILEO）系统和中国的北斗二号卫星导航定位系统。
二：GPS系统组成合各部分的作用包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
GPS工作卫星及其星座的作用：1)提供星历和时间信息2)发射伪距和载表信息，提供其他辅助信息地面监控系统的作用：1)监测卫星是否正常工作2)跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星3)保持各颗卫星时间同步GPS接收机的作用：接受GPS卫星发射的无线电信号，获得必要的信息并经数据处理完成定位工作。
三：GPS系统的特点定位精度高；观测时间段；测站间无需通视；可提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多、应用广第二章坐标系统和时间系统各时间系统的应用1)恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统。
恒星时在天文学中有着广泛的应用。
2）平太阳时MT：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统为平太阳时系统，平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的。
3）世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT，用于天球坐标系与地球坐标系之间的转换计算。
4）原子时：这一时间尺度被广泛用于动力学作为时间单位。
5）协调世界时：既保持时间尺度的均匀性，又能近似地反映地球自转的变化。
第三章卫星运动基础及GPS卫星星历一：人造卫星所受的作用力有地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等。
二体问题是忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体运动。
二：GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
三：GPS卫星广播星历预报参数(p40)第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号一：GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。
《北斗导航原理与系统》2-坐标与时间系统
岁差改正
24
三种天球坐标系的转换
Givens旋转矩阵：
1 R1( ) 0
0
0 cos( ) sin( )
0
sin(
)
cos( )
cos( ) sin( ) 0
R3( ) sin( ) cos( ) 0
0
0 1
cos( ) 0 sin( )
R2(
)
0
1
0
sin( ) 0 cos( )
17
坐标转换
天球赤道坐标系(α, δ, r) 天球直角坐标系(x, y, z)
天球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。
x cos cos
y
r
cos
sin
z sin
r x2 y2 z2
arctan y
x
arctan
20
章动
在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运动轨道以 及月地之间的距离在不断变化，北天极绕北黄极顺时 针旋转的轨迹十分复杂。如果观测时的北天极称为瞬 时北天极（或真北天极），相应的天球赤道和春分点 称为瞬时天球赤道和瞬时春分点（或真天球赤道和真 春分点）。则在日月引力等因素的影响下，瞬时北天 极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨道大致为椭圆。这 种现象称为章动。
北天极
本初子午圈
地球赤道
天球赤道
地球
太阳 黄道
赤经 星体
赤纬
南天极
14
天球上的主要点、线
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γ。
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）。
" 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）。
GPS定位的坐标系统和时间系统精选全文
• 一般做法： –选择某一时刻t0作为原则历元，此刻旳瞬时北天极、瞬 时春分点和瞬时天球赤道经该时刻岁差和章动改正后， 可构成一种天球坐标系。这个坐标系称为原则历元t0旳 平天球坐标系，或协议天球坐标系，也叫协议惯性坐标 系（CIS）
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
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
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。
《GPS测量原理及应用》第三版复习资料
第一章绪论1. GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座，地面控制部分——地面监控系统，用户设备部分——GPS信号接收机。
2 .GPS卫星星座部分：由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。
24颗在轨卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°。
在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
3. GPS卫星的作用：第一，用L波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号。
第二，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户。
第三，接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
4. 地面监控系统：1个主控站（美国科罗拉多）3个注入站（阿森松岛,迪哥加西亚岛，卡瓦加兰）5个监控站（1+3+夏威夷）5. GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。
6. GPS系统的特点：定位精度高，观测时间短，测站间无需通视，可提供三维坐标，操作简便，全天候作业，功能多，应用广。
7. GPS系统的应用前景:①用于建立高精度的国家性大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数②用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘③用于监测地球板块运动状态和地壳形变④用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段⑤用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置.8. 我国的GPS定位技术的应用和发展情况：在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化大地水准面；在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程；在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS 航测等航测成图的各个阶段；在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测；此外，GPS技术还用于海洋测量、水下地形测绘、军事国防、智能交通、邮电通信、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、环境监测、金融、公安等部门和行业。
大地测量学基础作业与参考答案
7．水准面的不平行性是由于什么原因引起的?这种现象对水准测量会产生什么影响? 答：由于水准面是一重力等位面，正常重力的大小与纬度有关，当位 W 一定时，两水准面 之间的距离与重力成反比， 从而导致两水准面之间的不平行。 这种现象会引起经过不同路线 测定某点的高程不同，使某点高程产生多值性。 8．1956 年黄海高程系统与 1985 国家高程基准有何差别？ 答：1956 年黄海高程系统的高程基准面是采用 1950 年至 1956 年 7 年间青岛验潮站的潮汐 资料推求得到的。1985 国家高程基准的高程基准面是采用青岛验潮站 1952～1979 年中取 19 年的验潮资料计算确定的。两者相差 0.029m。 9．1956 年黄海高程系统与 1985 国家高程基准的水准原点高程各是多少？ 答：1956 年黄海高程系统水准原点高程是 72.289m，1985 国家高程基准的水准原点高程是 72.260m。 第四章 地球椭球及其数学投影变换的基本理论 1.椭球面上的常用坐标系有哪些？ 答：有大地坐标系、空间直角坐标系、天文坐标系、子午面直角坐标系、地心纬度坐标系及 归化纬度坐标系、站心地平坐标系。 2. 地球椭球基本参数有哪些？它们的互相关系是什么？ 答：椭圆的长半轴 a 、短半轴ｂ、扁率 、第一偏心率 e 、第二偏心率 e 、辅助 量
6.正高、正常高和大地高如何定义的？三者有何关系： 答：正高：地面点沿垂线方向至大地水准面的距离，用 H 正 表示；地面点沿垂线方向至似大 地水准面的距离，用 H 常 表示；地面点沿法线方向至椭球面的距离，用 H 大 表示。三者的关 系为：
H 大 H 正常 。其中 为高程异常， N 为大地水准面差距。 H大 H正 N
X 0 , Y0 , Z 0
为平移参数； X , Y , Biblioteka 为旋转参数， m 为尺度变化参数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
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❖ 大地高是空间点沿椭球 的法线方向到椭球面的 距离。
图4 大地坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
3）平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标通过某种数 学变换，投影或映射到平面上。
投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等， 在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。
卡儿坐标系、曲线坐标系等。
5.坐标系转换与基准转换 坐标系转换：同一点在相同基准或参照系下的坐标转换，
实质上是不同坐标表达方式间的变换。 基准转换：同一点在不同基准或参照系下的坐标转换，如
WGS 84与北京54坐标系间的大地坐标或空间直角坐标的相互 转换。
第2章坐标系统以及时间系统
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系
用途： GPS系统内部处理与位置有关信息，广播星历基于此 系统。
建立： 20世纪80年代中期，美国国防制图局建立，1987年 取代WGS-72。之后 WGS 84又进行了三次修订，第 一次1994年，第二次1996年，第三次2001年，分别 表示为 “WGS 84 （G730）”、“WGS 84 （G873）”和“WGS 84 （G1150）”。其中，“G” 表示GPS；而跟在后面的数字所表示的是开始使用的 GPS周数。
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
BJ54
第2章坐标系统以及时间系统
图1 坐标系统分类图
GDZ80
坐标系统的分类和常用坐标系统
2.常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系 2）大地坐标系/椭球坐标系 3）平面直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系
❖ 坐标系原点位于地球的质心或参考椭球的中心； ❖ Z轴指向地球或参考椭球的北极； ❖ X轴指向本初（起始）子午面与赤道的交点； ❖ Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角
2.坐标参照系 空间位置的描述需要在一个特定的系统下采用特定的方式来进
行，这一特定的系统被称为坐标参照系，即提供系统原点、尺 度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。
坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也 不易于使用。
3.参考框架 参考框架是坐标参照系的实现，是一组具有相应参照系下坐标
第2章坐标系统以及时间系统
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 System 1984）
2）ITRS国际地球参照系（International Terrestrial Reference System）与ITRF国际地球 参考框架（International Terrestrial Reference Frame）
E，U坐标为该点在三个坐标 轴上的投影长度。
图3 站心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
2）大地坐标系/椭球坐标系
❖ 大地坐标系是采用大地 经、纬度和大地高来描 述空间位置的:
❖ 纬度是空间点的椭球面 的法线与赤道面的夹角；
❖ 经度是包括空间点与椭 球短轴的子午面和椭球 的起始子午面的夹角；
图2 地心、参心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标坐标系/笛卡尔坐标系(续)
❖ 原点位于P0； ❖ U法轴线与重过合P，0点指的向参上考方椭；球面的 ❖ N轴垂直于U轴，指向参考椭
球的短半轴； ❖ E轴垂直于U轴和N轴，形成左
手系； ❖ 在站心直角坐标系下点的N，
1.坐标系统分类 2.常用坐标系 3.GPS坐标系 4.我国常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
1.坐标系统分类
坐
惯性坐标系
标
系
非惯性坐标系
协议天球坐标系 协议地球坐标系
天体卫星 用户位置
表达 方式
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
及其时间演变的点。一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一 个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一 个尺度。
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念（续）
4.坐标和坐标系 坐标：在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定
点的位置的一组数。 坐标系：在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法。如：笛
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
WGS-84椭球参数（IAC+IUGG联合会17届推荐值）:
➢ 长半轴:a=6378137m2m ➢ 地球引力常数:GM=3986005108 0.6 108 （m3s-2） ➢ 正常化二阶带谐系数：C2.0=-484.16685 10-6 1.30
第二章 坐标系统和时间系统
❖ 坐标系统及坐标系统之间的转换 ❖ 时间标示法及不同时间标识法间的转换
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念
1.位置基准
定位中被用作测量或计算基础的点、线或面。如：天体参照系 的天球、赤道面、黄道面、春分点；大地坐标系的参考椭球及 其定位和定向；高程参照系的大地水准面。
X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERS Reference
Meridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM 与在历元1984时的BIH零子午线（BIH Zero Meridian）
一致。 Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。如图5所
示：
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
图5 WGS-84世界大地坐标系
定义：
原点位于包括海洋和大
气在内的整个地球的 质心；
Z轴与IERS参考极
（IRP)指向相同，该指 向与历元1984.0的BIH 协议地
极（CTP–Conventions Terrestrial Pole）一致；
图4 大地坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
3）平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标通过某种数 学变换，投影或映射到平面上。
投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等， 在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。
卡儿坐标系、曲线坐标系等。
5.坐标系转换与基准转换 坐标系转换：同一点在相同基准或参照系下的坐标转换，
实质上是不同坐标表达方式间的变换。 基准转换：同一点在不同基准或参照系下的坐标转换，如
WGS 84与北京54坐标系间的大地坐标或空间直角坐标的相互 转换。
第2章坐标系统以及时间系统
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系
用途： GPS系统内部处理与位置有关信息，广播星历基于此 系统。
建立： 20世纪80年代中期，美国国防制图局建立，1987年 取代WGS-72。之后 WGS 84又进行了三次修订，第 一次1994年，第二次1996年，第三次2001年，分别 表示为 “WGS 84 （G730）”、“WGS 84 （G873）”和“WGS 84 （G1150）”。其中，“G” 表示GPS；而跟在后面的数字所表示的是开始使用的 GPS周数。
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
BJ54
第2章坐标系统以及时间系统
图1 坐标系统分类图
GDZ80
坐标系统的分类和常用坐标系统
2.常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系 2）大地坐标系/椭球坐标系 3）平面直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系
❖ 坐标系原点位于地球的质心或参考椭球的中心； ❖ Z轴指向地球或参考椭球的北极； ❖ X轴指向本初（起始）子午面与赤道的交点； ❖ Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角
2.坐标参照系 空间位置的描述需要在一个特定的系统下采用特定的方式来进
行，这一特定的系统被称为坐标参照系，即提供系统原点、尺 度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。
坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也 不易于使用。
3.参考框架 参考框架是坐标参照系的实现，是一组具有相应参照系下坐标
第2章坐标系统以及时间系统
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 System 1984）
2）ITRS国际地球参照系（International Terrestrial Reference System）与ITRF国际地球 参考框架（International Terrestrial Reference Frame）
E，U坐标为该点在三个坐标 轴上的投影长度。
图3 站心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
2）大地坐标系/椭球坐标系
❖ 大地坐标系是采用大地 经、纬度和大地高来描 述空间位置的:
❖ 纬度是空间点的椭球面 的法线与赤道面的夹角；
❖ 经度是包括空间点与椭 球短轴的子午面和椭球 的起始子午面的夹角；
图2 地心、参心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标坐标系/笛卡尔坐标系(续)
❖ 原点位于P0； ❖ U法轴线与重过合P，0点指的向参上考方椭；球面的 ❖ N轴垂直于U轴，指向参考椭
球的短半轴； ❖ E轴垂直于U轴和N轴，形成左
手系； ❖ 在站心直角坐标系下点的N，
1.坐标系统分类 2.常用坐标系 3.GPS坐标系 4.我国常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
1.坐标系统分类
坐
惯性坐标系
标
系
非惯性坐标系
协议天球坐标系 协议地球坐标系
天体卫星 用户位置
表达 方式
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
及其时间演变的点。一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一 个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一 个尺度。
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念（续）
4.坐标和坐标系 坐标：在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定
点的位置的一组数。 坐标系：在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法。如：笛
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
WGS-84椭球参数（IAC+IUGG联合会17届推荐值）:
➢ 长半轴:a=6378137m2m ➢ 地球引力常数:GM=3986005108 0.6 108 （m3s-2） ➢ 正常化二阶带谐系数：C2.0=-484.16685 10-6 1.30
第二章 坐标系统和时间系统
❖ 坐标系统及坐标系统之间的转换 ❖ 时间标示法及不同时间标识法间的转换
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念
1.位置基准
定位中被用作测量或计算基础的点、线或面。如：天体参照系 的天球、赤道面、黄道面、春分点；大地坐标系的参考椭球及 其定位和定向；高程参照系的大地水准面。
X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERS Reference
Meridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM 与在历元1984时的BIH零子午线（BIH Zero Meridian）
一致。 Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。如图5所
示：
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
图5 WGS-84世界大地坐标系
定义：
原点位于包括海洋和大
气在内的整个地球的 质心；
Z轴与IERS参考极
（IRP)指向相同，该指 向与历元1984.0的BIH 协议地
极（CTP–Conventions Terrestrial Pole）一致；