第二章 坐标系统与时间系统.ppt

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1、 2.1地球的运动地球的运动 从不同的角度，从不同的角度，地球的运转可分为地球的运转可分为四类：四类：天文学的基本概念天文学的基本概念（预备知识）（预备知识）与银河系一起在宇宙中运动与银河系一起在宇宙中运动 在银河系内与太阳一起旋转在银河系内与太阳一起旋转 与其它行星一起绕太阳旋转（公转）与其它行星一起绕太阳旋转（公转）地球的自转（周日视运动地球的自转（周日视运动）第二章第二章 坐标与时间系统坐标与时间系统1预备知识预备知识l天球的基本概念天球的基本概念 所谓天球，是指以地球质心所谓天球，是指以地球质心O为中心，半为中心，半径径r为任意长度的一个假想的球体。在天文学为任意长度的一个假想的球体。

2、在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。体之间的关系。建立球面坐标系统，如图建立球面坐标系统，如图21所示所示.l参考点、线、面和园参考点、线、面和园2图图2 21 1 天球的概念天球的概念3天轴与天极天轴与天极地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点PN和和PS称为称为天极天极，其中，其中PN称为北天极，称为北天极，PS为南天极。为南天极。天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道通过地球质心通过地球质心O与天轴垂

3、直的平面称为天球赤道面。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的大圆称为天球赤道天球赤道。天球子午面与子午圈天球子午面与子午圈含天轴和天顶、天底的平面，称为含天轴和天顶、天底的平面，称为天球子午面天球子午面.天球子午面与天球相交的大园称为天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈天球子午圈。4 时圈时圈通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。黄道黄道地球公转的轨道面地球公转的轨道面(黄道面黄道面)与天球相交的大园称为与天球相交的大园称为黄道黄道。黄道面与

4、赤道面的夹角称为黄赤交角，约为黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。度。黄极黄极通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为称为黄极黄极。其中靠近北天极的交点称为。其中靠近北天极的交点称为北黄极北黄极，靠近南，靠近南天极的交点称为天极的交点称为南黄极南黄极。5春分点与秋分点春分点与秋分点黄道与赤道的两个交点称为黄道与赤道的两个交点称为春分点春分点和和秋分点秋分点。视太。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球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，用赤道的交点称为春分点，用表示。表示。在天文学

5、中和研究卫星运动时，在天文学中和研究卫星运动时，春分点春分点和和天球赤道天球赤道面面，是建立参考系的重要，是建立参考系的重要基准点基准点和和基准面基准面赤经与赤纬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地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬赤纬,过过春分点的天球时圈与过天体的天球时圈的夹春分点的天球时圈与过天体的天球时圈的夹角称为角称为赤经赤经。6天球坐标系天球坐标系在大地天文学中，天球坐标系是用来确定天体在大地天文学中，天球坐标系是用来确定天体在天球上的位置，它是由两个相互垂直的参考在天球上的位置，它是由两个相互垂直的参考面与天球相交的大圈面与天球相交的大圈基圈基圈和

6、和主圈主圈以及它们的交以及它们的交点点主点主点所组成。由于所选取不同的基圈和主圈所组成。由于所选取不同的基圈和主圈就有不同的天球坐标系。一般有四种，分别是：就有不同的天球坐标系。一般有四种，分别是：地平坐标系地平坐标系赤经赤道坐标系赤经赤道坐标系时角赤道坐标系时角赤道坐标系黄道坐标系黄道坐标系7赤经赤道坐标系赤经赤道坐标系以天球赤道作为以天球赤道作为基圈基圈，过，过春分点的天球时圈为春分点的天球时圈为主圈和春分点为主点所建立的坐标系叫主圈和春分点为主点所建立的坐标系叫赤赤经赤经赤道坐标系道坐标系。用。用赤经和赤经和赤纬赤纬表示天体位置表示天体位置。8时角赤道坐标系时角赤道坐标系以天球赤道作为以

7、天球赤道作为基圈基圈，子午，子午圈为主圈和上赤道圈为主圈和上赤道点为主点所建立的坐标系叫点为主点所建立的坐标系叫时角赤道坐标系时角赤道坐标系。用用时角和时角和赤纬赤纬表示天体位置表示天体位置。赤纬与上式相同，。赤纬与上式相同，时角是过天体的时圈和时角是过天体的时圈和子午子午圈之间的两面角。圈之间的两面角。9天文经纬度与天球坐标系的关系天文经纬度与天球坐标系的关系测站纬度等于天北极的高度或天顶的赤测站纬度等于天北极的高度或天顶的赤纬。纬。两地的经度差等于两地同时观测某天体两地的经度差等于两地同时观测某天体所得的时角之差。所得的时角之差。10地球的公转：地球的公转：开普勒三大运动定律开普勒三大运动

8、定律：运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；在单位时间内扫过的面积相等；在单位时间内扫过的面积相等；运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。11 地球的自转地球的自转的特征：的特征：(1)地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极日

9、、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角（见下图），其锥角等于黄赤交角=23.5，旋转周，旋转周期为期为26000年，这种运动称为年，这种运动称为岁差岁差，是地轴方向相对于，是地轴方向相对于空间的空间的长周期运动长周期运动。岁差使春分点每年向西移动。岁差使春分点每年向西移动50.31213 月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道有约道有约5的倾斜，使得月球引力产生的大小和方向不的倾斜，使得月球引力产生的大小和方向不断变

10、化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地球旋是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振幅为年，且振幅为9.21的的短周期运动短周期运动。这种现象称为这种现象称为章动。章动。考虑岁差和章动的共同影响：考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。极、真天球赤道、瞬时真春分点。考虑岁差的影响：考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。瞬时

11、平春分点。14 (2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为变化，这种现象称为极移极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极瞬时极，某段，某段时间内地极的平均位置称为时间内地极的平均位置称为平极平极。地球极点的变化，导。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。致地面点的纬度发生变化。天文联合会天文联合会(IAU)和大地测量

12、与地球物理联合会和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议采用国际上建议采用国际上5个纬度服务个纬度服务(ILS)站以站以19001905年的年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议国际协议原点原点CIO(ConventionalInternationalOrigin)15国际极移服务国际极移服务(IPMS)和国际时间局和国际时间局(BIH)等机构等机构分别用不同的方法得到地极原点。分别用不同的方法得到地极原点。与与CIO相应的地相应的地球赤道面称为球赤道面称为平赤道面或协议赤道面平赤道面或协议赤道面。16 (3)地球自转速度变化（日长变化）

13、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。时间尺度产生变化。描述上述三种地球自转运动规律的参数称为描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向地球定向参数参数(EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述

14、极移的，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为参数称为地球自转参数地球自转参数(ERP)，EOP即为即为ERP加上岁差加上岁差和章动和章动，其数值可以在国际地球旋转服务，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站网站()上得到。上得到。17v时间的描述包括时间时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素原点、单位（尺度）两大要素。时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。连续、均匀，故一种物质的运动

15、也应该连续、均匀。v周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。法。运动是连续的；运动是连续的；运动的周期具有足够的稳定性；运动的周期具有足够的稳定性；运动是可观测的。运动是可观测的。v选取的物理对象不同，时间的定义不同选取的物理对象不同，时间的定义不同:地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。2.2 2.2 时间系统时间系统18恒星时恒星时(ST)v以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为的时间，称为恒星时恒星时。v春分点连续两次经过

16、同一子午圈春分点连续两次经过同一子午圈上中天上中天的时间间隔为的时间间隔为一个一个恒星日恒星日，分为，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。角。v地方真恒星时地方真恒星时、平恒星时平恒星时、格林尼治真恒星时格林尼治真恒星时、格林格林尼治平恒星时尼治平恒星时之间的关系：之间的关系：19平太阳时平太阳时MTv以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为间，称为真太阳时真太阳时。一个。一个真太阳日真太阳日就是真太阳连续两就是

17、真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。日点慢。太阳周年视远动的轨道与赤道不在一个平面，太阳周年视远动的轨道与赤道不在一个平面，真太阳日在近日点最长、远日点最短。真太阳日在近日点最长、远日点最短。不符合测量时间的要求，可在日常生活中，人们都习不符合测量时间的要求，可在日常生活中，人们都习惯用太阳来确定时刻，安排工作和休息，它和人们的惯用太阳来确定时刻，安排工作和休息，它和人们的生产劳动有着密切关系。生产劳动有着密切关系。20v假设以平太阳作为参考点

18、，其速度等于真太阳周年运假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个间间隔，称为一个平太阳日平太阳日平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如果平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如果LAMT表示平太阳时角，则某地的平太阳时表示平太阳时角，则某地的平太阳时MT=LAMT+12(平子夜与平正午差平子夜与平正午差12小时）小时）世界时世界时UT：以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时世界时。UT=GAMT+12GAMT代表格林尼治

19、平太阳时角。代表格林尼治平太阳时角。21v未经任何改正的世界时表示为未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的，经过极移改正的世界时表示为世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为性改正后的世界时表示为UT2。UT1=UT0+,UT2=UT1+T历书时历书时ET与力学时与力学时DTv由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。匀。1958年第年第10届届IAU决定，自决定，自1960年起开始年起开始以地球以地球公转运动为基准公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统的历书时来

20、量度时间，用历书时系统代替世界时。代替世界时。v历书时的秒长规定为历书时的秒长规定为1900年年1月月1日日12时整回归年长度时整回归年长度的的131556925.974722v在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数T,其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。v参考点不同，力学时分为两种：参考点不同，力学时分为两种：1)太阳系质心力学时太阳系质心力学时TDB2)地球质心力学时地球质心力学时TDTvTDT和和TD

21、B可以看作是可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现，分别在两个坐标系中的实现，TDT代替了过去的代替了过去的ETv地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度相同。相同。IGU规定：规定：1977年年1月月1日原子时（日原子时（TAI)0时与地时与地球力学时严格对应为：球力学时严格对应为：TDT=TAI+32.18423原子时原子时(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

22、精细能级间跃迁辐射平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际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。单位制中的时间单位。原子时的原点定义：原子时的原点定义：1958年年1月月1日日UT2的的0时。时。AT=UT20.0039(s)地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。24协调世界时协调世界时(UTC)v原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，长期变慢的趋势，原子时与世界时

23、的差异将逐渐变大，秒长不等，大约每年相差秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调秒，便于日常使用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳时之差小于刻上与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，秒的时间系统，称之为世称之为世界协调时界协调时(UTC)。v当大于当大于0.9秒，采用秒，采用12月月31日或日或6月月30日调秒。调秒由日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。国际计量局来确定公布。v世界各国发布的时号均以世界各国发布的时号均以UTC为准。为准。vTAI=UTC+1n(秒）秒）25GPS时间系统时间系统v时间的计量对于卫

24、星定轨、地面点与卫星之间距离测量时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。分。vGPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维维持的原子时称为持的原子时称为GPST，它与国际原子的原点不同，瞬，它与国际原子的原点不同，瞬时相差一常量：时相差一常量：TAIGPST=19(s)vGPST的起点，规定的起点，规定1980年年1月月6日日0时时GPS与与UTC相等。相等。262.3坐标系统坐标系统1、大地基准、大地基准v所谓基准是指用以描述地球形状的参考椭

25、球的所谓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。置时所采用的单位长度的定义。v测量常用的基准包括测量常用的基准包括平面基准平面基准、高程基准高程基准、重力基准重力基准等。等。27 2 2、大地测量坐标系、大地测量坐标系天球坐标系：天球坐标系：用于用于研究天体和人造卫星的定位与运动。研究天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动，是用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球

26、为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标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，系和空间直角坐标系两种形式，基准基准和和坐标系坐标系两方面要素构成了完整的两方面要素构成了完整的坐标参考系统坐标参考系统!上面介绍的两种坐标系，在大地测量、地形测图及制上面介绍的两种坐标系，在大地测量、地形测图及制图学的理论研究得到广泛应用。此外，它们是由地心、图学的理论研究得到广泛应用。此外，它们是由地心、旋转轴、赤道以及地球椭球法线确定的，因此，它们旋转轴、赤道以及地球椭球法线确定的，因此，它们对地球自然形状及大地水准面的研究、高程的确定以对地球自然形状及大地水准面的研究、高程的确

27、定以及解决大地测量及其他学科领域的实践问题也是最方及解决大地测量及其他学科领域的实践问题也是最方便的。便的。28 图图28天球坐标系天球坐标系29 图图2 210 10 大地坐标系与空间直角坐标大地坐标系与空间直角坐标303、高程参考系统、高程参考系统v以大地水准面为参照面的高程以大地水准面为参照面的高程系统称为系统称为正高正高以似大地水准面以似大地水准面为参照面的高程系统称为为参照面的高程系统称为正常正常高；高；v大地水准面相对于旋转椭球面大地水准面相对于旋转椭球面的起伏如图所示，正常高及正的起伏如图所示，正常高及正高与大地高有如下关系：高与大地高有如下关系：H=H正常正常+H=H正高正高+

28、N31v国家平面控制网国家平面控制网是全国进行测量工作的平面位置的参是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共制网含三角点、导线点共154348个。个。v国家高程控制网国家高程控制网是全国进行测量工作的高程参考框架，是全国进行测量工作的高程参考框架，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目前提供使用的前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果国家

29、高程系统共有水准点成果114041个，水准路线长度为个，水准路线长度为4166191公里。公里。v 大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面上的控制网确定的固定在地面上的控制网(点点)所构建所构建坐标参考架、坐标参考架、高程参考框架、重力参考框架高程参考框架、重力参考框架。32v国家重力基本网国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的架，目前提供使用的2000国家重力基本网包括国家重力基本网包括21个重个重力基准点和力基准点和126个重力基本点个重力基本点。v“2000国家

30、国家GPS控制网控制网”由国家测绘局布设的高精度由国家测绘局布设的高精度GPSA、B级网，总参布设的级网，总参布设的GPS一、二级网，地震局一、二级网，地震局、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，该控制网整合了上述三个大型的有运动观测网组成，该控制网整合了上述三个大型的有重要影响力的重要影响力的GPS观测网的成果，共观测网的成果，共2609个点，通过个点，通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的

31、地心坐标地心坐标系统的基础框架系统的基础框架.33v椭球定位和定向概念椭球定位和定向概念椭球的类型椭球的类型:参考椭球参考椭球:具有确定参数具有确定参数(长长半径半径 a a和扁率和扁率)，经过经过局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟拟合的合的地球地球椭椭球球.总地球椭球总地球椭球:除了除了满满足地心定位和双平行条件外，在足地心定位和双平行条件外，在确定确定椭椭球参数球参数时时能使它在全球范能使它在全球范围围内与大地体最密合内与大地体最密合的地球的地球椭椭球球.椭球定位椭球定位:是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和是指确定椭球中心的位置，

32、可分为两类：局部定位和地心定位。地心定位。34局部定位局部定位：要求在一定范围内椭球面与大地水准面要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；地心定位地心定位：要求在全球范围内椭球面与大地水准面要求在全球范围内椭球面与大地水准面最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致。椭球的定向椭球的定向 指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位，都应满足两个平行条件：定位，都应满足两个平行条件：椭球短轴平行于地球自转轴；椭球短轴平行

33、于地球自转轴；大地起始子午面平行于天文起始子午面。大地起始子午面平行于天文起始子午面。352.3.2惯性坐标系惯性坐标系(CIS)与协议坐标系与协议坐标系v惯性坐标系惯性坐标系：是指在空间固定不动或做匀速直线运动是指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。的坐标系。v协议惯性坐标系的建立：协议惯性坐标系的建立：由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻t0作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后的指向作为章动改正后的指向作为Z轴，以对应的春分点为轴，以对应的春分点为X轴的指向点，以轴的指

34、向点，以XOY的垂直方向为的垂直方向为Y轴建立天球坐轴建立天球坐标系，称为标系，称为协议天球坐标系协议天球坐标系或或协议惯性坐标系协议惯性坐标系CIS(CIS=ConventionalInertialSystem)36v国际大地测量协会国际大地测量协会IAG和国际天文学联合会和国际天文学联合会IAU决决定，从定，从1984年年1月月1日起采用以日起采用以J2000.0(2000年年1月月15日日)的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系.协议天球坐标系协议天球坐标系瞬时平天球标系瞬时平天球标系瞬时真天球标系瞬时真天球标系l协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐

35、标系协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差导致的导致的Z轴方向发生变化产生的，通过对协议天球轴方向发生变化产生的，通过对协议天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐标坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐标变换变换。37为观测历元为观测历元 t t 的的儒略日儒略日。38l 瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转轴的章动造成的，两者之间的相互转换是地球自转轴的章动造成的，两

36、者之间的相互转换可以通过章动旋转矩阵来实现可以通过章动旋转矩阵来实现.为黄赤交交、交角章动、黄经章动为黄赤交交、交角章动、黄经章动.39合并上述两式：合并上述两式：402.3.3地固坐标系地固坐标系（地球坐标系地球坐标系）v以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标系系,又称为又称为参心地固坐标系参心地固坐标系。v以总地球椭球为基准的坐标系以总地球椭球为基准的坐标系.与地球体固连在一起与地球体固连在一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系且与地球同步运动，地心为

37、原点的坐标系,又称为又称为地地心地固坐标系心地固坐标系。特点：特点：地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考虑地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的(地球地球自转自转).41v坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中心或地心，坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上心或地心，坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上通用的坐标系一般采用协议地极方向通用的坐标系一般采用协议地极方向CTP)

38、作为作为Z轴指轴指向，因而称为向，因而称为协议协议(地固）坐标系地固）坐标系。与其相对应坐标系。与其相对应坐标系瞬时地球坐标系称为瞬时地球坐标系称为瞬时瞬时(地固）坐标系地固）坐标系.l协议协议(地固）坐标系与瞬时坐标系的转换地固）坐标系与瞬时坐标系的转换极移的影响极移的影响极移参数的确定极移参数的确定 42坐标系统坐标系统(续续)国际地球自转服务组织国际地球自转服务组织IERSIERS根据所属台站的观测根据所属台站的观测资料推算得到并以公报形式发布，由此可以实现两种资料推算得到并以公报形式发布，由此可以实现两种坐标系之间的相互变换坐标系之间的相互变换。4344l 协议地球坐标系与协议天球坐标

39、系的关系协议地球坐标系与协议天球坐标系的关系4546 3.3.地球参心坐标系地球参心坐标系建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：选择或求定椭球的几何参数选择或求定椭球的几何参数(半径半径a a和扁率和扁率)。确定椭球中心的位置确定椭球中心的位置(椭球定位椭球定位)。确定椭球短轴的指向确定椭球短轴的指向(椭球定向椭球定向)。建立大地原点。建立大地原点。广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程：广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程：4748v一点定位一点定位 如果选择大地原点如果选择大地原点：则大地原点的坐标为：则大地原点的坐标为：v多点定位多点定位 采用采用

40、广义弧度测量方程广义弧度测量方程 49坐标系统坐标系统(续续)广义弧度测量方程广义弧度测量方程:设设垂线偏差与大地水准面公式垂线偏差与大地水准面公式:50515253上式称为上式称为广义弧度测量方程广义弧度测量方程特殊情况下：特殊情况下：54 v 多点定位的过程：多点定位的过程：1)1)由广义弧度测量方程采用最小二乘法求由广义弧度测量方程采用最小二乘法求 椭球参数椭球参数:旋转参数旋转参数:新的椭球参数：新的椭球参数：2)2)由广义弧度测量方程计算由广义弧度测量方程计算大地原点大地原点:3)3)广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程计算广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程计算大地原点坐标大地原点坐标

41、:55v大地原点和大地起算数据大地原点和大地起算数据大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数参考椭球参数和大地原点上的起算数据大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标志.56v1954年北京坐标系年北京坐标系1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃普尔科沃。相应的椭球为相应的椭球为克拉索夫斯基椭球克拉索夫斯基椭球。1954年北京坐标系的缺限年北京坐标系的缺限:椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显

42、参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。57几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时采用赫尔默特我国在处理重力数据时采用赫尔默特19001909年年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。这给实际工作带来了麻烦。定向不明确定向不明确 。58v1980年国家大地坐

43、标系年国家大地坐标系 l特点特点 采用采用19751975年国际大地测量与地球物理联合会年国际大地测量与地球物理联合会 IUGGIUGG第第1616届大会上推荐的届大会上推荐的5 5个椭球基本参数。个椭球基本参数。长半径长半径 a=6378140m,a=6378140m,地球的扁率为地球的扁率为 1/298.2571/298.257 地心引力常数地心引力常数 GM=3.986 005GM=3.986 00510101414m m3 3/s/s2 2,重力场二阶带球谐系数重力场二阶带球谐系数J2=1.082 63J2=1.082 631010-8-8 自转角速度自转角速度 =7.292 115=

44、7.292 1151010-5-5 rad/srad/s 在在19541954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。椭椭球球面面同同似似大大地地水水准准面面在在我我国国境境内内最最为为密密合合，是是多点定位。多点定位。59定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点的方向的方向大大地地原原点点地地处处我我国国中中部部，位位于于西西安安市市以以北北60km处处的的泾阳县永乐镇泾阳县永乐镇，简称，简称西安原点西安原点。大地高程基准采用大地高程基准采用1956年黄海高程系年黄海高程系l1980大地坐标系建立的方法大地坐标系建立的方法6

45、0按按最最小小二二乘乘法法求求:，在在进进一一步步求求大大地地原原点点的起算数据的起算数据.平平差差后后提提供供的的大大地地点点成成果果属属于于19801980年年西西安安坐坐标标系系，它它和和原原19541954年年北北京京坐坐标标系系的的成成果果是是不不同同的的。这这个个差差异异除除了了由由于于它它们们各各属属不不同同椭椭球球与与不不同同的的椭椭球球定定位位、定定向向外外，还还因因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互

46、相转换，使用时必须注意所在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。用成果相应的坐标系统。61v新新1954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54新新)新新1954年北京坐标系年北京坐标系,是在是在GDZ80基础上，改变基础上，改变GDZ80相对应的相对应的IUGG1975椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点参数，并将坐标原点 (椭球中心椭球中心)平移平移,使坐标轴保持使坐标轴保持平行而建立起来的。平行而建立起来的。按按 ，求解求解62 6364 BJ54新新的特点是：的特点是：采用克拉索夫斯基采用克拉索夫斯基椭椭球参数。球参数。

47、是是综综合合GDZ80GDZ80和和BJBJ建立起来的参心坐建立起来的参心坐标标系。系。采采 用用 多多 点点 定定 位位，但但 椭椭 球球 面面 与与 大大 地地 水水 准准 面面 在在 我我 国国 境内不是最佳境内不是最佳拟拟合。合。定向明确，坐标轴与定向明确，坐标轴与GDZ80GDZ80相平行，椭球短轴平行相平行，椭球短轴平行 于地球质心，指向于地球质心，指向1968.01968.0地极原点的方向。地极原点的方向。地原点与地原点与GDZ80GDZ80相同，但大地起算数据不同。相同，但大地起算数据不同。高程基准采用高程基准采用19561956年黄海高程系。年黄海高程系。与与BJ54BJ54

48、相相比比，所所采采用用的的椭椭球球参参数数相相同同，其其定定位位相相近，但定向不同。近，但定向不同。65v 地心坐标系地心坐标系l原点原点O与地球质心重合，与地球质心重合，Z轴指向地球北极，轴指向地球北极，X轴指向轴指向格格 林尼治平均子午面与地球赤道的交点，林尼治平均子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直轴垂直于于XOZ平面构成右手坐标系。平面构成右手坐标系。l地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极点的变动将引起坐标轴方向的变化。基准指向点的指点的变动将引起坐标轴方向的变化。基准指向点的指向不同，可分为向不同，可分为瞬时地心坐标系瞬时地心坐标系

49、与与协议地心坐标系协议地心坐标系。l在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地在大地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原点极原点CIO为指向点。为指向点。661)地心地固坐标系的建立方法地心地固坐标系的建立方法直接法直接法:间接法间接法:通过一定的资料通过一定的资料(包括地心系统和参心系统的资料包括地心系统和参心系统的资料)，求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法通过一定的观测资料通过一定的观测资料(如天文、重力资料、卫星观测资如天文、重力资

50、料、卫星观测资料等料等)，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法，直接求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。和卫星大地测量动力法等。672)WGS-84世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84WGS-84是是CTS,CTS,坐标系的原点是地球的质心，坐标系的原点是地球的质心，Z Z 轴指向轴指向 BIHBIH1984.0 1984.0 CTPCTP方向，方向，X X轴指向轴指向 BIHBIH1984.01984.0零子午面和零子午面和 CTP CTP 赤赤道的交点，道的交点，Y Y 轴和轴和 Z Z、X X 轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。5 5个基本参数个基本参数