GPS坐标系统和时间系统.docx

第2章坐标系统和时间系统
2.1概述
2.1.1坐标系统的重要性
坐标系统是一切测量工作的位置基准,是国民经济和国防建设的基础,贯穿于测绘科学与技术的各分支之中。GPS定位技术是通过安置于地球表面的GPS接收机接收GPS卫星信号以测定地面点位置的技术。观测站固定在地球表面,其空间位置随同地球的自转而运动;GPS卫星围绕地球质心旋转,与地球自转无关,需要建立卫星在其轨道上运动的坐标系。因此,GPS定位必须寻求两种坐标系之间的关系,以实现坐标系之间的转换。
2.1.2时间系统的重要性
时间作为精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准,是GPS系统中的重要量测值,其精度将直接影响GPS定位的精度。
(1卫星位置:若欲使卫星位置误差小于1cm,相应的时刻误差应小于2.6×10-6s;(2星站距离:若欲使距离误差小于1cm,信号传播时间的测定误差应不超过3×10-11s;(3地球上点的位置:若欲使赤道上一点的位置误差小于1cm,时间的测定误差应不超过2×10-5s。(4GPS授时测量对时间的测定精度要求更高。
2.1.3坐标系统和时间系统的关系
可以看出GPS定位的
坐标系统和时间系统密不
可分,且两者的融合构成
四维大地测量学的基准。
2.2坐标系统
在GPS定位测量中,
采用天球坐标系和地球坐
标系两类坐标系:地球坐
标系随同地球自转,可看
作固定在地球上的坐标
系,便于描述地面观测站
的空间位置;天球坐标系
是一种惯性坐标系,与地
球自转无关,便于描述人
造地球卫星的位置。
2.2.1协议天球坐标
系
一、天球及其相关概念(见图2-1
(1天球:以地球质心为中心,半径无穷大的理想球体。可作为天体的投影面,以研究其位置、运动规律及其相互关系。

(2天轴和天极:前者指地球自转轴的延伸直线;天轴和天球表面的交点称为天极P,PN和PS分别表示北天极和南天极。
(3天球赤道面和天球赤道:前者指通过地球质心并与天轴垂直的平面,其与天球表面的交线为天球赤道。
(4黄道面、黄道和黄极:地球绕太阳公转时的轨道平面为黄道面;其与天球表明相交的大圆为黄道,即我们看到的太阳运行轨迹;过天球中心并垂直于黄道平面的直线和天球表面的交点为黄极,分黄北极和黄南极。
(5春分点: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。(6黄赤交角:黄道平面和天球赤道面的夹角ε。
(7天球子午面与子午圈、时圈:包含天轴并通过天球面上任意一点的平面称为天球子午面,天球子午面和天球表面相交的大圆称为天球子午圈,通过天轴的平面和天球表面相交的半个大圆称时圈。二、天球坐标系

原点位置、坐标轴指向和长度单位构成坐标系统的三要素,因此,应从上述三个方面描述坐标系统。常见的天球坐标系包括天球空间直角坐标系和天球球面坐标系两种形式。(1天球空间直角坐标系:以地心M为坐标原点,其Z
轴指向北天极,X轴指向春分点,Y轴垂直于XOZ轴并构成右手坐标系。该坐标系中天体的位置为(x,y,
z。
以地心M为坐标原点,赤经α为含天轴和春分点的天
球子午面与过天体s的天球子午面之间的夹角,赤纬
δ为原点M至天体s的连线与天球赤道面之间的夹角;向径r为原点M至天体s的距离,各轴正向如图2-2所示。岁差与章动
日月对地球的引力产生力距,从而使地球自转轴的方向在惯性空间缓慢地移动。可以将运动分解为一个长周期变化和一系列短周期变化的叠加。地球自转轴的长周期变化约25800

年绕黄极一周。使春分点产生每年约50.26″的长期变化,称之为日月岁差。一系列短日、月周期变化中幅值最大的约为9.2″,周期为18.6年,这些短周期变化统称为章动。岁差使北天极绕黄北极以顺时针方向缓慢旋转,构成如图2-3所示的以黄赤交角ε为的小圆。
这种有规律运动的北极称为平北天极,相应的天球赤道和春分点称为天球平赤道和平春分点;若把观测时的北天极称为瞬时北天极(简称真北天极,相应瞬时天球赤道和瞬时春分点(或称真天球赤道和真春分点,章动将使真北天极绕平北天极产生旋转,轨迹见图2-3。四、协议天球坐标系(一协议天球坐标系
在岁差和章动的影响下,瞬时天球坐标系的坐标轴指向是不断变化的。在这样的坐标系中不能直接使用牛顿第二定律,这对研究卫星的运动很不方便。因此需要建立一个三轴指向不变的天球坐标系,以便在这个坐标系内研究人造卫星的运动(计算卫星的位置。而在这个坐标系中所得到的卫星位置又可以方便地变换为瞬时天球坐标系中的值,以便与地球坐标系进行坐标变换。为此,选择某一个历元时刻,以此瞬间的地球自转轴和春分点方向分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向,y轴按构成右手坐标系取向,坐标系原点与真天球坐标系相同。这样的坐标系称为该历元时刻的平天球坐标系,也称协议天球坐标系。
国际大地测量学协会(IAG和国际天文学联合会(IAU