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- 上傳時間:
- 2020-01-21
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- 250530
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- 課件PPT
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這是坐標系統(tǒng)ppt,包括了坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng),協(xié)議天球坐標系,歲差與章動,坐標系的旋轉,協(xié)議地球坐標系,地球坐標系與天球坐標系的轉換等內容,歡迎點擊下載。
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GPS全球定位技術 第二章 坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 第二章 坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng) 第一節(jié) 坐標系的類型 慣性坐標系(Inertial System) 協(xié)議慣性坐標系(CIS) 非慣性坐標系(Non-Inertial System) 協(xié)議地球坐標系(CTS) 1、空固坐標系; 2、地固坐標系; 地心坐標系(地心空間直角坐標系、地心大地坐標系) 參心坐標系、球面坐標系; 3、瞬時坐標系、協(xié)議坐標系; 4、二維坐標系、三維坐標系。 第二節(jié) 協(xié)議天球坐標系 一、天球的基本概念 天球——以地心為球心,以任意長為半徑的球面。 天軸——地球自轉軸。 天極——天軸與天球面的交點。Pn 、Ps。 天球赤道面——過球心且與天軸垂直的平面。 黃道面——地球公轉軌道所在平面,與赤道面夾角為23.5°。 春分點——太陽從南半球向北半球運行時,黃道與赤道的交點。 重慶3月1日地方時12點春分點位置 二、天球坐標系的概念 1)天球空間直角坐標系 原點:地球質量中心 Z軸:指向北天極Pn X軸:指向春分點 Y軸:與X、Z軸構成右手坐標系 2)天球球面坐標系 原點:地球質量中心 赤經α:天體子午面與春分點子午面的夾角 赤緯δ:天體與地心連線和天球赤道面的夾角 向徑r :天體到地心的距離 3)空間直角坐標系與球面坐標系的轉換 三、歲差與章動 日月對地球赤道隆起部分的引力作用,使地球旋轉軸在空間的指向發(fā)生移動。 歲差:假定月球軌道固定,北天極沿圓形軌道繞北黃極的運動叫歲差,春分點每年西移50.2″,周期約為25800年。 章動:由月球軌道變化引起的北天極沿橢圓形軌道運動叫章動,橢圓長半徑約為9.2″,18.6年一周期。 平北天極:不考慮章動的北天極。平春分點。 瞬時北天極:繞平北天極18.6年轉一周。真春分點。 歲差與章動 協(xié)議天球坐標系ICS-Instantaneous Celestial System 1)瞬時天球坐標系:z軸指向瞬時北天極,x軸指向瞬時春分點(真春分點)。 2)平天球坐標系:z軸指向平北天極,x軸指向平春分點。 3)協(xié)議天球坐標系 1984年1月1日后,取2000年1月1日12hr00min00s作為標準歷元(t0),取這一時刻的平北天極為協(xié)議北天極,z軸指向協(xié)議北天極的天球坐標系稱為協(xié)議天球坐標系,x軸指向協(xié)議春分點。 4)三者間的轉換: 坐標系的旋轉 坐標系轉換計算 歐勒角與旋轉矩陣 第三節(jié) 協(xié)議地球坐標系 空間直角坐標系: 原點:一般取地球質心; Z軸:指向地球北極; X軸:指向格林威治子午線與地球赤道的 交點; Y軸:構成右手坐標系。 第三節(jié) 協(xié)議地球坐標系 大地坐標系: 大地經度L; 大地緯度B; 大地高H (P點的法線方向到 大地水平面的距離) 空間直角坐標系與大地坐標系的轉換 地極移動 二、協(xié)議地球坐標系 Z軸指向1900~1905年平均地球北極或其它國際協(xié)定的地球北極。 應當注意,地極移動與歲差和章動是不同的概念,歲差和章動是指地球自轉軸在空間指向的移動,而地極移動則是指地球北極與地面參照物的相對移動。 二、常用大地測量基準 1)WGS-84坐標系 WGS-84坐標系是美國84年在衛(wèi)星大地測量的基礎上建立的以地球質心為原點的大地測量基準。大小形狀參數見后,Z軸指向1984北極,X軸指向1984格林威治子午線與赤道交點,Y軸與X、Z軸構成右手坐標系。 由GPS衛(wèi)星發(fā)布的星歷參數是WGS-84坐標系的數據,故GPS測量時,先求得測站點的WGS-84坐標,再換算為當地使用的坐標。 2)ITRF參考框架 ITRF是國際地球自轉服務局根據分布全球的地面觀測站,以最先進的測量技術獲得的數據確定的大地測量基準。是世界公認的精度最高的大地測量基準。目前尚未普遍采用。但其日后必將代替WGS-84。 IERF已發(fā)布了ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000等多個地心參考框架,橢球參數與WGS-84相同,定向不同。 網站:http://www.iers.org/ 衛(wèi)星測量中常用坐標系 3)北京54坐標系(1)克拉索夫斯基橢球,與現代值相差較大;(2)指向不明;(3)參考橢球面與大地水準面差距大;(4)誤差積累大;(5)未整體平差,各部分結合部有2m誤差。 4)西安80坐標系 對國家網進行了整體平差,在我國國內,橢球面與似大地水準面吻合最好。 Z軸、X軸分別指向1968北極和格林威治子午線與赤道交點。 存在問題: 是局部基準而非全球基準; 二維坐標系,不適合衛(wèi)星定位。 各基準的參數比較 我國2000似大地水準面模型(0.3~0.7m) 青島市似大地水準面模型(17mm) 地球坐標系與天球坐標系的轉換 衛(wèi)星位置用天球坐標系的坐標表示,而測站點位置用地球坐標系的坐標表示,要用衛(wèi)星坐標求測站坐標,需將天球坐標系的坐標轉換成地球坐標系的坐標。 轉換的步驟是: 協(xié)議天球坐標系——平天球坐標系——瞬時天球坐標系——瞬時地球坐標系——協(xié)議地球坐標系。 在轉換過程中,因兩者的坐標原點一致,故只需多次旋轉坐標軸即可。 固定極天球坐標系—平天球坐標系 選擇某一歷元時刻,以此瞬間的地球自轉軸和春分點方向分別扣除此瞬間的章動值作為z軸和x軸指向,y軸按構成右手坐標系取向,建立天球坐標系——平天球坐標系,坐標系原點與真天球坐標系相同。瞬時極天球坐標系與歷元平天球坐標系之間的坐標變換通過下面兩次變換來實現。 歲差與章動 歲差旋轉變換 ZM(t0)(也表示為CIS)表示歷元J2000.0年平天球坐標系z軸指向,ZM(t)表示所論歷元時刻t真天球坐標系z軸指向。兩個坐標系間的變換式為: 式中:ζA ,θA,ZA為歲差參數。 章動旋轉變換 類似地有章動旋轉變換式: 式中:ε為所論歷元的平黃赤交角,⊿ψ,⊿ε分別為黃經章動和交角章動參數。 得到觀測歷元t的瞬時天球坐標系(ICS) 瞬時極天球坐標系與地球坐標系 瞬時極天球坐標系:原點位于地球質心,z軸指向瞬時地球自轉方向(真天極),x軸指向瞬時春分點(真春分點),y軸按構成右手坐標系取向。 瞬時極地球坐標系:原點位于地球質心,z軸指向瞬時地球自轉軸方向,x軸指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉軸與平均天文臺赤道參考點的子午面之交點,y軸構成右手坐標系取向。瞬時極天球坐標系與瞬時極地球坐標系的關系如圖2-4所示。 瞬時極天球坐標系與瞬時極地球坐標系的 轉換關系為: 下標ITS表示對應t時刻的瞬時極地球坐標系, ICS表示對應t時刻的瞬時極天球坐標系。 θG 為對應平格林尼治子午面的真春分點時角。 固定極地球坐標系—平地球坐標系 極移:地球瞬時自轉軸在地球上隨時間而變,稱為地極移動,簡稱極移。 瞬時極:與觀測瞬間相對應的自轉軸所處的位置,稱為該瞬時的地球極軸,相應的極點稱為瞬時極。 國際協(xié)定原點CIO:采用國際上5個緯度服務站的資料,以1900.00至 1905.05年地球自轉軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。 圖2-5為瞬時極與平極關系。 協(xié)議地球坐標系 平地球坐標系:取地球球心為坐標原點,z軸指向CIO(平地極),x軸指向協(xié)定赤道面與格林尼治子午線的交點,y軸在協(xié)定赤道面里,與 xoz構成右手系統(tǒng)而成的坐標系統(tǒng)稱為平地球坐標系。 平地球坐標系與瞬時地球坐標系的轉換公式: 下標CTS表示平地球坐標系,ITS表示t 時的瞬時地球坐標系, 為t時刻以角度表示的極移值。 表2-2衛(wèi)星自協(xié)議天球坐標系轉換到協(xié)議地球坐標系的過程 2.3 GPS時間系統(tǒng) 一、時間的概念 現代測量科技與空間科技緊密結合,測量精度極高。如衛(wèi)星定軌、飛機和車輛導航、地球自轉與公轉、研究地殼升降和板塊運動等問題,不僅要求給出空間位置,而且應給出相應的時間。現代大地測量基準應是包括時間在內的四維基準。 GPS測量中,時間的意義 確定GPS衛(wèi)星的在軌位置; 確定測站位置; 確定地球坐標系與天球坐標系的關系。 時間包括時刻(絕對時間)與時間間隔(相對時間)兩個概念。 測量時間同樣需要建立測量基準,包括尺度與原點。可作為時間基準的運動現象必須是周期性的,且其周期應有復現性和足夠的穩(wěn)定性。 二、世界時 1)恒星時 以春分點連續(xù)兩次經過本地子午線的時間間隔為一恒星日,含24恒星小時。分真春分點地方時、真春分點格林威治時、平春分點地方時、平春分點格林威治時四種。 2)真太陽時與平太陽時(GAMT) 真太陽連續(xù)兩次通過測站上中天所經歷的時間段為一個真太陽日。 以平太陽連續(xù)兩次經過本地子午線的時間間隔為一平太陽日,含24平太陽 小時。 3)世界時 以子夜為零時起算的格林威治平太陽時,用UT0表示。與平太陽時相差12小時,即 UT0=GAMT+12h 平太陽時和世界時均以地球自轉為參照,而地球自轉速度是變化的,包括極移、自轉速度季節(jié)性變化和逐年變慢等。1956年引入極移改正和自轉速度季節(jié)性變化改正: UT1=UT0+Δλ UT2=UT1+ΔTS 加逐年變慢改正。 三、原子時 以銫原子基態(tài)兩超精細能級的輻射躍遷定義時間尺度,以1958年1月1日零時的世界時減去0.0039秒為原點。 原子鐘精度極高,目前使用的氫鐘精度可達10-16。 四、協(xié)調世界時 尺度用原子時尺度。為了與地球自轉運動相吻合,通過潤秒方法盡量與世界時在時刻上接近。一年相差可達幾十秒。 五、GPS時 尺度是原子時秒長,原點取1980年1月6日零時的協(xié)調世界時。不潤秒。故與協(xié)調世界時時間差逐年增大。 六、時間基準 以一定數目的守時設備確定,GPS時由主控站提供基準。
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