李玉柏卫星导航与定位002-坐标系与时间系(第五版)市公开课一等奖省赛课微课金奖PPT课件.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,卫星导航与定位,卫星导航与定位,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二讲：,GPS,系统坐标系与时间系,第1页,第二章：,GPS,卫星导航系统坐标,系统与时间系,2.1,天球、天球坐标系,2.2,地球坐标系,2.3 GPS,坐标系,2.4,时间和,GPS,时系,2.5,坐标系和时间系讨论,第2页,1,、天球及天球坐标系,天球,是一个想像旋转球，以空间某一点为中心，理论上含有任意大半径，并定义有天赤道和天极，天文学中通常把参考坐标建立在天球上。,天球分类：,站心天球、,地心天球、,日心天球等。,第3页,1,）地心天球上主关键点、线、圈,天顶,zenith,（,Z,）和天底（,Z,）,天轴（,PP,）和天极（南、北天极）,天球赤道面和天球赤道,天球子午面和天球子午圈,上子午圈和下子午圈,上赤道点,Q,和下赤道点,Q,【,上子午圈是子午圈在地平圈上二分之一，下子午圈是在地平圈下另二分之一。通俗说法是在天上从南天顶北次序经过一个假想大弧，亦称天球子午圈，而在地平线下经过天底，看不见另二分之一大圆则称下子午圈。,】,第4页,地心天球上主关键点、线、圈,黄道ecliptic,：,地球绕太阳公转轨道平面与,地心,天球相交大圆。,赤道,equator,不与黄道平行，而有,23,o,26,夹角，即黄赤交角。赤道平面和黄道平面交叉点恰好在一条天球直径线两端点，就是著名二分点,(,春分点与秋分点,),。,太阳沿黄道从天赤道以南向北经过天赤道那一点，称为春分点，与春分点相隔,180,另一点，称为秋分点。,第5页,地心天球上主关键点、线、圈,太阳分别在每年春分（,3,月,21,日前后）和秋分（,9,月,23,日前后）经过春分点和秋分点,（从地心来看）,黄道北,极点,K,黄道南,极点,K,本初子午面,prime meridian plane,：,l884,年国际经度会议决定以经过格林尼治天文台艾黎仪器中心经线为本初子午线，作为全球经度零点。,第6页,北天极,南天极,黄道,天球赤道,赤经,赤纬,太阳,星体,地球,地球赤道,本初子午圈,地心天球上主关键点、线、圈,第7页,2,）基于天球定义坐标系,坐标原点,坐标轴指向,表示坐标尺度,坐标系统建立三要素,经典赤经赤道坐标系,以地心天球赤道、过春分点时圈和春分点为依据；用赤经,L,、赤纬,B,和高度,H,表示,第8页,经典天球坐标系,黄道坐标系,以地心天球黄道、过春分点黄经圈和春分点为依据；用黄经,和黄维,表示,黄道北,极点,K,黄道南,极点,K,第9页,在地心天球坐标系中，任一天体位置可用地心天球空间直角坐标系和地心天球球面坐标系来描述：,地心天球空间直角坐标系定义：原点位于地球质心，,z,轴指向天球北极P,n,，,x,轴指向春分点,，,y,轴与,x,、,z,轴组成右手坐标系。,地心天球球面坐标系定义：原点位于地球质心，赤经为含天轴和春分点天球子午面与经过目标,s,天球子午面之间交角，赤纬为原点至目标连线与天球赤道面夹角，向径,r,为原点至天体距离。,3,）地心天球坐标系两种表示,第10页,地心天球坐标系两种表示,地心天球空间直角坐标系与地心天球球面坐标系,第11页,天球赤道坐标系,(,r),和天球直角坐标系,(x,y,z),天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表示同一天体位置时是等价，二者可相互转换。,地心天球坐标系两种表示,课堂练习：,请简单推导以上公式！,第12页,4,）岁差章动对天球坐标影响,地心天球坐标系建立是假定地球自转轴在空间方向上是固定。,实际上地球靠近于一个赤道隆起椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生迟缓西移，此现象在天文学上称为岁差。,在岁差影响下，地球自转轴在空间绕,北黄极旋转,。,旋转速度很慢，周期月为,25920,年。,第13页,岁差章动对天球坐标影响,章动nutation：在天文学上天极相对于黄极位置除有长周期岁差改变外，还有许多短周期微小改变，称为章动。引发这种改变原因是地球相对于除太阳外其它星球，如月球周期性引力作用改变所造成。,第14页,岁差章动对天球坐标影响,因为存在岁差和章动影响，天球天赤道、天北极点、天春分点随时改变：,天球坐标随时在改变。,因为岁差影响较大，有规律可描述，是时间函数。其它原因影响（包含章动）很复杂，能够经过长久观察得到一个平均参考,平坐标系。,需要定义一个时刻作为标准,历元：,历元在天文学中，是为指定天球坐标或轨道根数（参数）而要求某一特定时刻。,第15页,岁差章动对天球坐标影响,mean equator,平天赤道：天赤道瞬时平均位置，它改变只包含岁差影响。,equator of epoch,历元赤道：在历元时刻定义平天赤道位置，以此为基准，用作观察时刻赤道计算。,mean equator of date,观察时赤道：对应某一时刻平天赤道，通常指观察瞬间平天赤道。,true equator,真赤道：天赤道瞬时位置，它改变包含岁差、章动和其它影响。,第16页,定义：协议地心天球坐标系,经协商指定某一特定时刻平天球坐标系,当前，国际上所采取地心天球坐标系,早期使用,B1950.0,历元时；以后由,国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定，从,1984,年,1,月,1,日起采取,J.0,历元时,为,年,1,月,1,日,12h,平天球坐标系,Z,轴指向,J.0,平北天极,X,轴指向,J.0,平春分点,5,）协议天球坐标系（,CIS,）,第17页,协议天球坐标系与真天球坐标系间关系,进行岁差和章动更正,特定时刻,真天球坐标,章动更正,特定时刻平天球坐标,J.0,平天球坐标,（协议天球坐标）,岁差,更正,协议天球坐标系（,CIS,）,第18页,直角坐标系和大地坐标系,6,）地球坐标系,地球直角坐标系定义,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圈交点，,Y,轴在赤道平面里与,XOZ,组成右手坐标系。,大地坐标系定义,地球椭球中心与地球质心重合，空间点位置在该坐标系中表述为,(L,B,H),。,大地纬度,B,，大地经度,L,第19页,直角坐标系与大地坐标系参数间转换,对同一空间点，大地坐标系转换为直角坐标系转换关系为：,定义：,N,为椭球卯酉圈曲率半径，,e,为椭球第一偏心率a,、,b,为椭球长短半径,第20页,直角坐标系与大地坐标系参数间转换,对同一空间点，直角坐标系转换为大地坐标系转换关系：,其中：,第21页,瞬时地球直角坐标系与瞬时天球坐标系关系,第22页,定义：极移,因为地球内部和外部种种动力学原因，地球自转轴相对于地球体位置不是固定，地极点在地球表面上位置随时间而改变现象称为极移。极移包含,Chandler,分量（钱德勒周期,1.2,年）和周年分量。,国际天文学联合会和大地测量学协会在,1967,提议，采取国际上,5,个纬度服务站，以,1900-1905,年平均纬 度所确定平均地极位置作为基准点，平极位置是对应上述期间地球自转轴平均位置，通常称为国际协议原点（,Conventional International OriginCIO,）。,7,）地极移动与协议地球坐标系,第23页,至今仍采取国际协议原点,CIO,，作为协议地极,CTP,（,conventional Terrestrial Pole,），以协议地极为基准点地球坐标系称为协议地球坐标系,CTS,（,Conventional Terrestrial System,），而与瞬时极对应地球坐标系称为瞬时地球坐标系。,岁差、章动和极移,岁差、章动造整天球坐标改变,极移造成地球坐标改变,地极移动与协议地球坐标系,第24页,瞬时（真）地球坐标系,Z,轴与瞬时地球自转轴重合或平行地球坐标系平地球坐标系,Z,轴指向空间中某一固定点,-,平极地球坐标系,平地球坐标,(X,Y,Z),和,瞬时真地球坐标,(x,y,z),转换关系,地极移动与协议地球坐标系,第25页,几个惯用坐标系之间关系,平地球坐标系,某一历元平 天球坐标系,观察瞬间真 天球坐标系,观察瞬间真 地球坐标系,岁差,章动,更正,旋转,S,G,角,极移,更正,第26页,3,、,GPS,坐标系,WGS-84,坐标系,WGS-84,坐标系原点在地球质心，,Z,轴指向国际时间局（,Bureau International de lHeure,）,BIH1984.0,定义,协定地球极,（,CTP,）方向，,X,轴指向,BIH1984.0,零度子午面和,CTP,赤道交点，,Y,轴和,Z,、,X,轴组成右手坐标系。,WGS-84,坐标系称为,1984,年世界大地指教坐标系。,WGS-84,椭球及其相关常数,WGS-84,采取椭球是国际大地测量与地球物理联合会第,17,届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数：,第27页,长半径：,a=6378137 2,（,m,）,地球引力常数：,=,GM=398600510,8,m,3,s,-2,0.610,8,m,3,s,-2,正常化二阶带谐系数：,C20=-484.1668510,-6,1.310,-9,J2=10826310,-8,（地球动力扁率）,GPS,坐标系,地球自转角速度：729211510,-11,rads,-1,0.15010,-11,rads,-1,第28页,4,、时间系统,在天文学和空间科学技术中，时间系统是准确描述天体和卫星运行位置及其相互关系主要基准，也是利用卫星进行定位主要基准。,在,GPS,卫星定位中，时间系统主要性表现在：,GPS,卫星作为高空观察目标，位置不停改变，在给出卫星运行位置同时，必须给出对应瞬间时刻。比如当要求,GPS,卫星位置误差小于,1cm,，则对应时刻误差应小于,2.6,10,-6,s,。,准确地测定观察站至卫星距离，必须精密地测定信号传输时间。若要距离误差小于,1cm,，信号传输时间测定误差应小于,3,10,-11,s,第29页,时间系统,时间包含了,“时刻”,和,“时间间隔”,两个概念。时刻是指发生某一现象瞬间。在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应时刻也称历元。,时间间隔是指发生某一现象所经历过程，是这一过程始末时间之差。,第30页,1,）时间系统,世界时系统,世界时系统,地球自转运动是连续，且比较均匀。最早建立时间系统是,以地球自转运动为基准世界时系统,。,因为观察地球自转运动时，所选取空间参考点不一样，世界时系统包含恒星时、平太阳时和世界时。,恒星时,ST(Sidereal Time),：以春分点为参考点，由春分点周日视运动所确定时间称为恒星时。,第31页,参考点：,春分点,定义：,春分点两次经过当地所在上子午圈，所对应时间间隔为一恒星日。并由此派生出时、分、秒等单位。,数值上等于春分点相对于当地子午圈时角。,有真恒星时与平恒星时之分,。,恒星日是地方时，比如格林尼治恒星时。,时间系统,世界时系统,第32页,时间系统,世界时系统,世界时系统,平太阳时,MT,（,Mean Solar Time,）：因为地球绕太阳公转是椭圆轨道，造成“太阳日”有长短。为此引入“平太阳”,假设一个参考点视地球运动速度等于真地球公转周年运动平均速度，且在天球赤道上作周年匀速运动，这个假设参考点在天文学中称为平太阳。,平太阳连续两次经过当地子午圈时间间隔为一平太阳日，包含,24,个平太阳时。,第33页,参考点,：,平太阳,定义,：,平太阳中心连续两次经过地方上子午圈时间间隔为一太阳日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位；属于地方时。,数值上等于平太阳中心相对于当地子午圈时角；正午（,0h,）与子夜（,12h,）。,时间系统,世界时系统,第34页,时间系统,世界时系统,世界时系统,世界时,UT,（,Universal Time,）：以平子夜为零时起算格林尼治平太阳时，称为世界时。,世界时与平太阳时时间尺度相同，起算点不一样。,1956,年以前，秒被定义为一个平太阳日,1/86400,，是以地球自转这一周期运动作为基础时间尺度。,因为自转不稳定性，在,UT,中加入极移更正得,UT1,；再加入地球自转角速度季节更正得,UT2,。,第35页,UT0,：未经更正世界时,UT1,：引入极移更正（,）世界时,UT2,：引入极移更正（,）和地球自转速度季节更正（,T,s,）世界时,时间系统,世界时系统,第36页,物质内部原子跃迁所辐射和吸收电磁波频率，含有很高稳定度，由此建立原子时成为最理想时间系统。,定义：,1967,年,10,月，第十三届国际度量衡大会经过：位于海平面上铯,133,（,Cs,133,）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡,9192631770,周所连续时间为,1,原子时秒。,原本要求,AT,与,UT2,在,1958,年,1,月,1,日,0h,时相同，但实际相差,0.0039,秒，即：,(AT-UT2),1958.0,=-0.0039,秒,2,）时间系统,原子时,第37页,不一样地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约,100,座原子钟，经过相互比对，经数据处理推算出统一原子时系统，称为国际原子时,IAT,（,International Atomic Time,）。,在卫星测量中，原子时作为高精度时间基准，普遍用于精密测定卫星信号传输时间。,时间系统,原子时,第38页,3,）时间系统,协调世界时,UTC,在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器跟踪定位时，依然需要以地球自转为基础世界时。但因为地球自转速度有长久变慢趋势，近,20,年，世界时每年比原子时慢约,1,秒，且二者之差逐年积累。,为防止发播原子时与世界时之间产生过大偏差，从,1972,年采取了一个以原子时秒长为基础，在时刻上尽可能靠近于世界时一个折衷时间系统，称为世界协调时或协调时（,Coordinate universal Time,）。,采取润秒或跳秒方法，使协调时与世界时时刻相靠近。,第39页,时间系统,协调世界时,UTC,采取润秒或跳秒方法，使协调时与世界时时刻相靠近。即当协调时与世界时时刻差超出,0.9s,时，便在协调时中引入一润秒（正或负）。普通在,12,月,31,日或,6,月,30,日末加入，详细日期由国际地球自转服务组织（,IERS,）安排并通告。,协调时与国际原子时关系定义为IAT=UTC+1s,n+19s,n,为调整参数，由,IERS,（,International Earth Rotation Service,国际地球自转服务）公布,(,为了与后面,GPST,时对应，设,1980.1.5,时,n=0),。,第40页,在天文学中，天体星历是依据天体动力学理论建立运动方程而编算，其中所采取独立变量是时间参数,T,，这个数学变量,T,定义为力课时。,力课时分为：,太阳系质心力课时,TDB,（,Barycentric Dynamic Time,）是相对于太阳系质心运动方程所采取时间参数。,地球质心力课时,TDT,（,Terrestrial Dynamic Time是相对于地球质心运动方程所采取时间参数。,4,）时间系统,力课时,第41页,在,GNSS,定位中，天体动力学和运动轨道描述都采取地球质心力课时，作为一个严格均匀时间尺度和独立变量，最终用于描述卫星运动。,TDT,基本单位是国际制秒（,SI,），与原子时尺度一致。国际天文学联合会（,IAU,）决定，,1977,年,1,月,1,日原子时（,IAT,）零时与地球质心力课时严格关系以下：,TDT=IAT+32.184S,时间系统,力课时,第42页,为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用时间系统，由,GPS,主控站原子钟控制。,GPS,时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时、以及地球质心力课时,TDT,原点不一样，在任一瞬间都有一常量偏差。,GPST=IAT-19s,；,GPST=TDT-51.184s,GPS,时与协调时时刻，要求在,1980,年,1,月,6,日,0,时一致，伴随时间积累，二者差异将表现为秒整数倍。,GPS,时与协调时之间关系：,GPST=UTC+,1s,(n-19),5,）时间系统,GPS,时（,GPST,）,第43页,到,1987,年，调整参数,n,为,23,，两系统之差为,4,秒，到,1992,年调整参数为,26,，两系统之差已达,7,秒。,时间系统,GPS,时（,GPST,）,第44页,5,、坐标系和时间系讨论,1,）人类对坐标系认识演进,数学上直角和极坐标,推演到天球坐标,建立天体运动,协议天球坐标,平天球坐标,平天球坐标,真,天球坐标,转换到平地球直角坐标,得到大地坐标,(,经纬高,),地球人视角！,第45页,坐标系和时间系讨论,2,）,GPS,坐标系,WGS-84,坐标系,坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系,Z,轴指向,BIH,（国际时间）,1984.O,定义协议地球极（,CTP),方向，,X,轴指向,BIH 1984.0,零子午面和,CTP,赤道交点，,Y,轴与,Z,轴、,X,轴垂直组成右手坐标系，称为,1984,年世界地球坐标。,GPS,输出（经纬高）,大地坐标系统,地球人视角！,第46页,坐标系和时间系讨论,3,）时间系,两大致系：世界时,UT,和原子时,IAT,世界时UT,：以平子夜为零时起算格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时时间尺度相同，起算点不一样。,以国际上多座原子钟数据处理推算出统一原子时系统，称为国际原子时,IAT,（,International Atomic Time,）。,第47页,坐标系和时间系讨论,时间系折中,协调世界时,UTC,为防止发播原子时与世界时之间产生过大偏差，从,1972,年采取了一个以原子时秒长为基础，在时刻上尽可能靠近于世界时一个折衷时间系统，称为世界协调时或协调时（,Coordinate universal Time,）。,采取润秒或跳秒方法，使协调时与世界时时刻相靠近。,地球人习惯！,第48页,坐标系和时间系讨论,地球人习惯！,第49页,坐标系和时间系讨论,GPS,时间系由主控站原子钟控制，属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时原点不一样，即,GPST,与,IAT,在任一瞬间都有一常量偏差。,IAT-GPST=19s,。,但地球人认时间系为,UTC:,UTC,=,GPST,-,1s n+19 s,第50页,附件,-,经典国际组织,国际大地测量与地球物理学联合会,IUGG,（,The International Union of Geodesy and Geophysics,）,国际大地测量协会,IAG,（,International Association of Geodesy,）：大地测量学界国际学术团体，是,IUGG,所属七个协会之一，,1864,年,10,月在德国柏林成立,国际天文学联合会,IAU,（,International Astronomical Union,）：是世界各国天文学术团体联合组成非政府性学术组织，于,1919,年,7,月在布鲁塞尔成立,第51页,经典国际组织,国际时间局,B,IH,（,Bureau International de lHeure,）,设在法国。19由法国经度局组织一次国际会议上决定成立,，,19国际天文学联合会成立后，才由国际天文学联合会主持国际时间局工作。,国际地球自转服务IERS（International Earth Rotation Service）专门从事地球自转参数服务和参考系建立国际组织。由国际天文学联合会和国际大地测量学与地球物理学联合会共同于1987年建立，1988年开始工作。,第52页,1.,什么是岁差和章动,?,北天极在天球上是,怎样运动？,2.,什么是天球,?,简述天球上主关键点、,线、圈,?,3,、,区分协议天球坐标系和地球坐标系统,?,4,、简述时间类型,?,5,、什么是,GPS,定位测量采取时间系统？它与,协调世界时,UTC,有什么区分？,思索题,第53页,电子科技大学欢迎您！,联络方式：,ybli,第54页,1,、地心天球坐标系转换,见图所表示,极坐标,/,笛卡尔坐标,第55页,2,、子午平面坐标系与大地坐标系,大地坐标纬度与地球坐标关系,第56页,子午平面坐标系与大地坐标系,定义卯酉圈曲率半径,第57页,子午平面坐标系与大地坐标系,地表纬度和地心纬度转换,第58页,