第二章 gps坐标系统

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1、GPS原理及应用ThePrincipleandApplicationofGPS第二章坐标系统与时间系统测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一个特定的空间框架和时间框架之上的。所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框架就是我们常说的时间系统。概述一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位

2、、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度的定义。概述确定物体的位置需要一个参照系，测量上的参照系，就是各类坐标系统，卫星的运动是在受到地球引力情况下的惯性运动，与地球的自转无关，所以要描述卫星的位置，应该引入一个不随地球自转变化的坐标系统（天球坐标系统）。另一方面，地球表面的测站点，空间位置随地球自转而变化，但是在地面的观测者看来，其位置是固定不动的，所以描述其位置，需要一个随地球自转而变化的坐标系统（地球坐标系）。概述需要指出的是，两种坐标系统理论上原点都是地球的质心，Z轴指向地球旋转轴，差别仅在于X（Y）轴是否随地球转动而转动。另外从地球公

3、转的角度看，两种坐标系均是运动的。概述第二章坐标系统与时间系统2.1协议天球坐标系2.2协议地球坐标系2.4国家坐标系和地方坐标系2.5时间系统天球——以地心为球心，以任意长为半径的球体。天轴——地球旋转轴所在直线。天极——天轴与天球面的交点。Pn、Ps。天球赤道面——过球心且与天轴垂直的平面。黄道面——地球公转轨道所在平面，与赤道面夹角为23.5°。天球的基本概念春分点——太阳从南半球向北半球运行时，黄道与赤道的交点。秋分点——太阳从北半球向南半球运行时，黄道与赤道的交点。建立天球坐标系的基准点和基准面天球的基本概念天球坐标系的概念地球在自转及公转中

4、旋转轴（极轴）指向不变，而公转的轨道平面也是不变的，所以天球赤道面和黄道面的交点－春分点和秋分点是固定不变的。天球坐标系的概念1）天球空间直角坐标系原点：地球质量中心Z轴：指向北天极PnX轴：指向春分点Y轴：与X、Z轴构成右手坐标系天球坐标系的概念2）天球球面坐标系原点：地球质量中心赤经α：天体子午面与春分点子午面的夹角赤纬δ：天体与地心连线和天球赤道面的夹角向径r：天体到地心的距离天球球面坐标系与天球直角坐标系天球球面坐标(celestialsphericcoordinate):赤经α、赤纬δ、向径r天球直角坐标(celestialCartesian

5、)：x、y、zOrαδθPXYZ图2-4球面坐标系与直角坐标系岁差与章动的影响天球坐标系建立是基于下列假设：1地球是一个质量均匀的球体，只受到太阳引力作用2地球旋转轴在空间的方向不变。实际上上述两项假设并不严格成立，所以地球极轴的指向、地球赤道面和黄道面夹角、春分点位置并非绝对不变，日月对地球赤道隆起部分的引力作用，使地球旋转轴在空间的指向发生移动。极轴的变化是极其复杂的，处理这一问题目前是采用将其分解为有两种规律的运动，称为岁差和章动，极轴的运动则被认为是两者的叠加。岁差(precession)与章动(nutation)日、月对地球的引力(gravi

6、tation)产生力矩(moment)，使地球自转轴的方向在天球上缓慢地运动。地球自转轴的变化引起与它垂直的赤道面的倾斜，从而使春分点(vernalequinox)（黄道与赤道的交点—intersectionofeclipticplaneandequator）变化。这种变化可以分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加（superpositionofaseriesoflongperiodandshortperiodchanges)。岁差与章动的叠加岁差(precession)与章动(nutation)地球自转轴的长周期变化约25800年绕黄极一周。使

7、春分点产生每年约50.2″的长期变化，称之为日月岁差(sunandmoonprecession)。一系列短周期变化中幅值最大的约为9″，周期为18.6年，这些短周期变化称之为章动(nutation)。春分点除因地球自转轴方向改变引起的变化外，还因黄道的缓慢变化（行星引力对地球绕日运动轨道的摄动）而变化，称为行星岁差(planetprecession)。岁差与章动的叠加岁差与章动的影响在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的轴向是不断变化的，这样的坐标系称为非惯性坐标系，不利于研究行星的运动规律，因此需要建立一种轴向稳定不变的天球坐标系统。由于这样的天球坐标

8、系统，是通过国家间协商建立的标准坐标系统，所以称为协议天球坐标系统。协议天球坐标系1）瞬时天球