Chpt2坐标与时间系统
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坐标与时间系统
坐标与时间系统坐标与时间系统是维持现代社会运转的重要基础。
它们帮助我们在地球上找到特定的位置和确切的时间，为我们的日常生活提供了许多便利。
在这篇文章中，我们将讨论坐标与时间系统的重要性以及如何使用它们。
坐标系统是一种用来确定地球上特定位置的方法。
全球定位系统（GPS）是最常用的坐标系统之一，通过卫星和接收器，它可以确定我们所处的位置。
我们可以用经度和纬度来表示任何一个地点的坐标。
经度是一个地点相对于本初子午线的度量，范围从0°至180°。
纬度是一个地点相对于地球赤道的度量，范围从0°至90°。
通过这两个坐标，我们可以在地球上的任何地方找到一个特定的位置。
时间系统是一种用来测量时间的方法。
世界协调时间（UTC）是国际上通用的时间标准，它使用原子钟的精确度来确定时间。
我们使用小时、分钟和秒来表示时间。
此外，时区也是时间系统的重要组成部分。
地球上被划分为24个时区，每个时区覆盖约15°经度。
每个时区都对应着一个标准时间，并根据地理位置决定当地时间。
通过使用时区，我们可以在世界范围内同步并协调时间。
坐标和时间系统在现代社会中有着广泛的应用。
它们不仅仅用在导航领域，如汽车导航、航空导航等，还被广泛用于科学研究、地图制作、天文观测和数据收集等领域。
它们还在航运、铁路和物流等行业中起到关键作用，确保货物能够准时送达。
此外，坐标和时间系统也对我们日常生活产生了深远的影响。
我们可以使用手机或手表上的时间来安排日程，预约会议或计划旅行。
当我们在城市中迷路时，我们可以使用地图应用或GPS系统来找到正确的路线。
不仅如此，通过坐标和时间系统，我们能够准确地知道不同地区的时间，这对于国际商务和跨国合作非常重要。
综上所述，坐标和时间系统是现代社会不可或缺的一部分。
它们帮助我们准确地定位和测量地球上的位置和时间，为我们的日常生活提供了巨大的便利。
无论是科学研究、导航领域还是日常生活中，我们都离不开这些系统的帮助。
坐标和时间系统
极移
2.2、岁差元素和岁差矩阵
2.2、岁差元素和岁差矩阵（2）
2.3、章动元素和章动矩阵（2）
B = P ( −(e + ∆e））R（ − ∆y ）P（e）
− ∆y cose − ∆y sine 1 B= ∆ y cos e 1 − ∆ e ∆e 1 ∆y sine
2.5、极移元素和极移旋转矩阵
y xp
CIO
CEP
yp
x
2.5、极移元素和极移旋转矩阵（2）
• D=Q(-xp)P(-yp)
1 D= 0 − x p 0 1 yp
xp − yp 1
2.5、地心坐标系的转换
• 标准历元地心惯性系: • 瞬时平赤道地心系: • 瞬时真赤道地心系: • 准地固坐标系: • 地固坐标系 • RTRF=D*C*B*A*RCRF 岁差 章动 自转 极移
2.4、地球自转，恒星时
• C=R（Θ0） • Θ0=1.0027379093UT1+θ0+Δψcosε • θ 0=24110.s54841+8640184. s812866T + 0 • 0. s093104T02-6. s2*10-6T03 • T0为从标准历元J2000.0到观测时刻0hUT 以平太阳日表示的儒略世纪数。
0 0 1 R1 (e x ) = 0 cos e sin e x x 0 − sin e x cos e x cos e y 0 − sin e y R2 (e y ) = 0 1 0 sin e y 0 cos e y cos e z R3 (e z ) = − sin e z 0 sin e z cos e z 0 0 0 1
第二章坐标系统和时间系统(2-3)
sin X sin Z cos X sinY cos Z
cosY sin Z cos X cos Z sin X sinY sin Z sin X cos Z cos X sinY sin Z
sinY
sin
X
cosY
cos X cosY
坐标转换公式为：
第三节 坐 标 系 统
一般εx ,εy ,εz为微小量，可取
第三节 坐 标 系 统
b.多点定位：在全国范围内观测许多点的天文经度λ，天文纬度φ ，天文方位角α（这样的点称为拉普拉斯点）。利用这些观测成果 和已有的椭球参数，按照广义弧度测量方程，根据使椭球面与当地 大地水准面最佳拟合条件ΣN2=min（或Σζ2=min），采用最小二乘 原理，求出椭球定位参数ΔX0,ΔY0，ΔZ0，旋转参数εX，εy， εZ，椭球几何参数的改正数Δa，Δα（a新=a旧+ Δa，α新=α旧
第三节 坐 标 系 统
第三节 坐 标 系 统
4）地心坐标系 ① 地心空间直角坐标系：原点与地球质心重合，Z轴指向地球北 极，X轴指向格林尼治平均子午面与地球赤道交点，Y轴垂直于 XOZ平面。 ② 地心大地坐标系：椭球中心与地球质心重合，椭球面与大地水 准面最为密合，短轴与地球自转轴重合.点的坐标为大地经度L ，大地纬度B，大地高H.
+Δα.）以及η新,ξ新，N新。 再根据：
求出大地原点新的大地起算数据。
第三节 坐 标 系 统
这样利用新的大地原点数据和新的椭球参数进行新的定位和定 向，从面可建立新的参心大地坐标系。按这种方法进行椭球的定位 和定向，由于包含了许多拉普拉斯点，因此通常称为多点定位法。
参考椭球参数和大地起算数据是一个参心坐标系建成的标志，一 定的参考椭球和一定的大地起算数据确定了一定的坐标系。
坐标系统和时间系统概述
常用于天球坐标系 ➢第一参数：r ➢第二参数：θ
或赤纬δ= 900－θ ➢第三参数：赤经α
※球面坐标和空间直角坐标 之间的坐标转换
图2－1
3 大地坐关标于系坐标系的几种表达形式
常用于地球坐标系
➢ 大地坐标
大地经度L 大地纬度B 大地高H
➢ 大地坐标与空间直 角坐标之间的坐标 转换
图2－2
“球面坐标和空间直角坐标之间的坐标转换”
➢ 瞬时平北天极（简岁称差平北天极）
按照岁差的变化规律在天球上运动的北天极
➢ 瞬时天球平赤道和瞬时平春分点
与平北天极相应的天球赤道和春分点
➢ 瞬时北天极（或真北天极）
观测时的北天极
➢ 瞬时天球赤道和瞬时春分点（或称真天球 赤道和真春分点）
与瞬时北天极相应的天球赤道和春分点
章动
在日月引力等因素 的影响下，瞬时北 天极绕瞬时平北天 极产生旋转，大致 成椭圆形轨迹，其 长半径约为9.2秒， 周期约为18.6年。 这种现象称为章动
2、瞬时地球自转轴
“观测瞬间地球自转轴的位置”
天球坐标系” 原点位于地球质心 z轴指向瞬时地球自转轴（瞬时北天极） x轴指向瞬时春分点 y轴按构成右手坐标系取向
在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标 轴指向，在不断地变化，为非惯性坐标系统。
2、协议天球坐标系
历元平天球坐标系： 选择某一历元时刻t，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轴的指向，y轴按构成右手坐标系取向， 坐标系原点仍取地球质心。
三、天球坐标系与地球坐标系之间的坐 标转换
四、站心地平坐标系 重点 五、坐标系的两种定义方式
1 空关间于直坐角坐标标系系的几种表达形式
• 位置矢量在3个坐标轴上的投影（X,Y,Z） • 定义
或赤纬δ= 900－θ ➢第三参数：赤经α
※球面坐标和空间直角坐标 之间的坐标转换
图2－1
3 大地坐关标于系坐标系的几种表达形式
常用于地球坐标系
➢ 大地坐标
大地经度L 大地纬度B 大地高H
➢ 大地坐标与空间直 角坐标之间的坐标 转换
图2－2
“球面坐标和空间直角坐标之间的坐标转换”
➢ 瞬时平北天极（简岁称差平北天极）
按照岁差的变化规律在天球上运动的北天极
➢ 瞬时天球平赤道和瞬时平春分点
与平北天极相应的天球赤道和春分点
➢ 瞬时北天极（或真北天极）
观测时的北天极
➢ 瞬时天球赤道和瞬时春分点（或称真天球 赤道和真春分点）
与瞬时北天极相应的天球赤道和春分点
章动
在日月引力等因素 的影响下，瞬时北 天极绕瞬时平北天 极产生旋转，大致 成椭圆形轨迹，其 长半径约为9.2秒， 周期约为18.6年。 这种现象称为章动
2、瞬时地球自转轴
“观测瞬间地球自转轴的位置”
天球坐标系” 原点位于地球质心 z轴指向瞬时地球自转轴（瞬时北天极） x轴指向瞬时春分点 y轴按构成右手坐标系取向
在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标 轴指向，在不断地变化，为非惯性坐标系统。
2、协议天球坐标系
历元平天球坐标系： 选择某一历元时刻t，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轴的指向，y轴按构成右手坐标系取向， 坐标系原点仍取地球质心。
三、天球坐标系与地球坐标系之间的坐 标转换
四、站心地平坐标系 重点 五、坐标系的两种定义方式
1 空关间于直坐角坐标标系系的几种表达形式
• 位置矢量在3个坐标轴上的投影（X,Y,Z） • 定义
测量坐标系统与时间系统
测量时间同样需要建立测量基准，包括尺 度基准与原点。可作为时间基准的运动现象必须是周期性的，且其周期应有复现性和足够的稳定性。
GPS测量中，时间的意义：
第二节 GPS测量的时间系统
第二节 GPS测量的时间系统
（1）恒星时ST 定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。 (岁差和章动) （2）平太阳时MT 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。 （3）世界时UT 定义：以子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。
椭球扁率
由相关参数计算的扁率：α=1/298.257
表4 1980年国家大地测量坐标系定义
GPS测量中的常用坐标系统
3.新1954年北京坐标系（BJ54新） 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定 向于GDZ80相同。 （8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
GPS测量中，时间的意义：
第二节 GPS测量的时间系统
第二节 GPS测量的时间系统
（1）恒星时ST 定义： 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为 恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 一个恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒 分类：真恒星时和平恒星时。 (岁差和章动) （2）平太阳时MT 定义：以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为平太阳 时。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒； 一个平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示 的时刻正是平太阳时。 （3）世界时UT 定义：以子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。
椭球扁率
由相关参数计算的扁率：α=1/298.257
表4 1980年国家大地测量坐标系定义
GPS测量中的常用坐标系统
3.新1954年北京坐标系（BJ54新） 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。 坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。 BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 （3）椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。 （4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定 向于GDZ80相同。 （8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。
坐标系统和时间系统理论分析
坐标系统和时间系统理论分析坐标系统和时间系统是现代科学研究和社会活动中不可或缺的工具。
它们为我们提供了测量和定位的能力，帮助我们理解和探索世界的多个尺度和维度。
本文将对坐标系统和时间系统的理论进行分析，探讨它们在科学研究和实际应用中的重要性和挑战。
坐标系统是用来描述和定位空间中点的系统。
它通常由一组坐标轴和原点组成，每条坐标轴上的一个单位代表特定的长度或角度。
在笛卡尔坐标系中，我们使用直角坐标轴来表示空间的位置，例如数学中常见的X，Y，Z轴。
通过将点的位置表示为坐标值，我们可以准确地计算和描述两个点之间的距离和方向。
然而，坐标系统并非只有笛卡尔坐标系一种形式。
在不同的领域和问题中，我们可能会使用其他形式的坐标系统。
例如，在地理学中，经纬度坐标系统用来表示地球上的位置。
在化学中，我们可能会使用立体坐标系来描述分子的结构。
这些不同的坐标系统都有自己的优势和适用范围，因此选择恰当的坐标系统对于正确描述和理解问题非常重要。
与坐标系统类似，时间系统也是用来描述和测量时间的系统。
时间系统通常由一个起始点（基准时间）和一个时间单位组成。
在科学研究和日常生活中，我们常常使用公历作为时间系统，其中基准时间是公元前1年1月1日。
以秒为单位的国际原子时（International Atomic Time）则是计算机科学和物理学中常用的时间系统。
坐标系统和时间系统的理论分析需要考虑到它们的准确性和精度。
在构建坐标系统和时间系统时，我们必须考虑到测量误差和仪器精度等因素。
例如，在使用GPS进行定位时，卫星信号的延迟和多径效应会导致定位的误差。
因此，在实际应用中，我们需要采用校正方法和纠正技术来提高测量的准确性。
此外，坐标系统和时间系统的理论分析还需要考虑到它们的适用范围和局限性。
由于地球形状并非规则的椭球体，维护一个全球统一的坐标系统是非常困难的。
不同地区和国家可能使用不同的坐标系统，因此在跨国和跨区域的科学研究和工程项目中需要进行坐标转换。
第二章-GPS坐标系统与时间系统资料
例如：极移改正
平地球坐标系
瞬时地球坐标系
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第二节 ：GPS中的坐标系统
WGS-84坐标系 我国的国家大地坐标系 地方独立坐标系 ITRF坐标框架 站心坐标系
p16
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1、地方独立坐标系
国家统一坐标系 ——〉有利于统一互算 ——〉投影变形
地方独立坐标系 ——〉以当地子午线为中央子午线 ——〉以当地平均海拔高程面为参考椭球面
高斯平面直 角坐标系
站心赤道 坐标系
站心地平 坐标系
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2)GPS中的坐标系统
WGS-84坐标系 我国的国家大地坐标系 地方独立坐标系 ITRF坐标框架 站心坐标系
p16
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3)天球坐标系和地球坐标系
北天极
春分点
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4)坐标系的变换
空间大地坐标系 —〉空间直角坐标系
平地球坐标系
协议地极原点
地心
（如1900.00~1905与. 地心和CIO连线正交之平面 00年地球自转轴 和格林尼治平子午面的交线
的瞬时平均位置)
协议地球坐 标系？？
P16
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WGS-84坐标系 World geodetic system
类型：协议地球坐标系，地心地固坐标系（ECEF）
（2）天球的_________和地球的__________重合；
（3）瞬时天球坐标系和瞬时地球坐标系的_________ 重合;
（4）天球坐标系与地球坐标系X轴分别指向________ 和____________；
（5）瞬时天球坐标系和历元平天球坐标系之间的变 换可以通过_____和_____两次变换来实现。
坐标系统与时间系统
可推得GALILEO系统与GPS系统间的转换系数为:
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二
时间系统
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1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
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3
1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
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5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
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二
时间系统
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1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
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1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
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5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
Chpt2坐标与时间系统精品资料
（CTP）方向。 X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点。
Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
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3STF
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2.5 常用坐标系统简介
1954年北京坐标系 采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球（苏）。 大地坐标系。 问题：
椭球参数有较大误差。 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。 定向不明确。
度表示的地理网格的。
什么是经线（Latitude） ？ 什么是纬线（Longitude） ？ 地面上点位的确定:通常用经度和纬度来决定。
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3STF
3
2.1 地球及其地球网格
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3STF
4
2.1 地球及其地球网格
描述和表现地理空间
建立地球表面的几何模型
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2.4 天球坐标系统
天球球面坐标系的作用？ 常用的星表、星图上恒星的坐标位置均用天球
球面坐标系来表示。 该坐标系对恒星来说是固定的，因此用赤经和
纬经来表示天体在天球上的位置较为合适。 问题： 地球自转轴的岁差、章动和极动等现象。
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Z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，X 轴指向协议春分点。
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2.5 常用坐标系统简介
WGS-84世界大地坐标系 由美国国家影像制图局（NIMA）和其前身美国国防
部测绘局（DMA）制定的。 GPS采用。 一个地固空间直角坐标系。 原点在地球质心。（又称地心坐标系） Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球极
Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
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2.5 常用坐标系统简介
1954年北京坐标系 采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球（苏）。 大地坐标系。 问题：
椭球参数有较大误差。 几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。 定向不明确。
度表示的地理网格的。
什么是经线（Latitude） ？ 什么是纬线（Longitude） ？ 地面上点位的确定:通常用经度和纬度来决定。
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2.1 地球及其地球网格
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2.1 地球及其地球网格
描述和表现地理空间
建立地球表面的几何模型
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2.4 天球坐标系统
天球球面坐标系的作用？ 常用的星表、星图上恒星的坐标位置均用天球
球面坐标系来表示。 该坐标系对恒星来说是固定的，因此用赤经和
纬经来表示天体在天球上的位置较为合适。 问题： 地球自转轴的岁差、章动和极动等现象。
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Z轴指向协议北天极的天球坐标系称为协议天球坐标系，X 轴指向协议春分点。
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2.5 常用坐标系统简介
WGS-84世界大地坐标系 由美国国家影像制图局（NIMA）和其前身美国国防
部测绘局（DMA）制定的。 GPS采用。 一个地固空间直角坐标系。 原点在地球质心。（又称地心坐标系） Z轴指向国际时间局BIH1984.0定义的协议地球极
第二章坐标系统和时间系统
视位置由南向北通过赤道的交点。另外一点则 称为秋分点。
第二章坐标系统和时间系统
20
岁差、章动：由于日、月对地球非球形部分的摄动， 地球自转轴在空间不断摆动产生两种运动。
一．天球、天球坐标系
2. 天球球面坐标系
① 坐标原点：地心M ；
S
r
M
② 赤经α：含天轴和春分点的天球子午面 与过空间点S的天球子午面之间的夹角；
③ 向径γ：原点M至空间点S的距离；
④ 赤纬δ：原点M至空间点S的连线与天球
天球赤道
赤道面之间的夹角
第二章坐标系统和时间系统
15
§2.2 天球坐标系
二．岁差和章动、协议天球坐标系
第二章坐标系统和时间系统
9
§2.1 基本概念
三． 常用坐标系
3. 站心坐标系
① 在描述两点间的空间关系时，有时采用一 种被称为站心坐标系的坐标系更为方便直 观。
② 分类：站心直角坐标系、站心极坐标系
③ 表示：N、E、U（短半轴N、E垂直于NU、 天顶U），或R、A、EL（极距R、方位角 A、高度角EL）
第二章坐标系统和时间系统
3
§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
2. 大地水准面
大地水准面（Geoid） 是一个物理参考面，是地球的一个重力等位面 大地测量野外作业的基准面
第二章坐标系统和时间系统
4
§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
3. 参考椭球面
参考椭球面（Reference Ellipsoid）
是一个几何或数学参考面，是一个与大地水准 面非常接近的旋转椭球面
地球的数学表面,大地测量成果处理的依据面
第二章坐标系统和时间系统
第二章坐标系统和时间系统
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岁差、章动：由于日、月对地球非球形部分的摄动， 地球自转轴在空间不断摆动产生两种运动。
一．天球、天球坐标系
2. 天球球面坐标系
① 坐标原点：地心M ；
S
r
M
② 赤经α：含天轴和春分点的天球子午面 与过空间点S的天球子午面之间的夹角；
③ 向径γ：原点M至空间点S的距离；
④ 赤纬δ：原点M至空间点S的连线与天球
天球赤道
赤道面之间的夹角
第二章坐标系统和时间系统
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§2.2 天球坐标系
二．岁差和章动、协议天球坐标系
第二章坐标系统和时间系统
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§2.1 基本概念
三． 常用坐标系
3. 站心坐标系
① 在描述两点间的空间关系时，有时采用一 种被称为站心坐标系的坐标系更为方便直 观。
② 分类：站心直角坐标系、站心极坐标系
③ 表示：N、E、U（短半轴N、E垂直于NU、 天顶U），或R、A、EL（极距R、方位角 A、高度角EL）
第二章坐标系统和时间系统
3
§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
2. 大地水准面
大地水准面（Geoid） 是一个物理参考面，是地球的一个重力等位面 大地测量野外作业的基准面
第二章坐标系统和时间系统
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§2.1 基本概念
一．地形面、大地水准面和参考椭球面
3. 参考椭球面
参考椭球面（Reference Ellipsoid）
是一个几何或数学参考面，是一个与大地水准 面非常接近的旋转椭球面
地球的数学表面,大地测量成果处理的依据面
第二章坐标系统和时间系统
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的参考系。 如何确定坐标系？
选择了相应的椭球 确定坐标原点及其坐标轴的方向 确定它与大地水准面的相关关系
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2.3 地球坐标系统
空间直角坐标系 原点位于地球椭球的中心
Earth Centered, Earth Fixed Cartesian coordinates
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2.2 天球及其模型
什么是天球？
以空间某一点（例如观 察者）为中心、半径为 无穷大的一个圆球。
半径是任意长，观测者 任何移动，球面形状不 变。
2019/12及其模型
地平线与天顶
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2.2 天球及其模型
Z轴指向地球的自转轴北极 X轴指向格林威治子午线与地球赤道的交点 Y轴位于赤道面上 按右手系与X轴呈90度夹角
观察者与地平线
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2.2 天球及其模型
观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系
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2.2 天球及其模型
天轴：地轴的延长线，叫做天轴。
天极：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是 北天极（P），在南极上空的是南天极（P‘）。
天球赤道：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球 相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是 天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显 然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心 天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天 球）。
如何建立地球表面的几何模型？
用一种球体来表示：地球椭球体 由一个椭圆绕其短轴旋转而成的
地球椭球体的表示：
长半径a和短半径b 或一个半径和扁率α α = (ab)/b
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2.1 地球及其地球网格
如何选择地球椭球体的长半径a和短半径b？
为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用 数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。
黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角，称为黄赤 交角，约为23.5度。
春分点：定义当太阳在黄道上从南半天球向北 半天球运动时，黄道与天球赤道的交点，称为 春分点。
春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准 点和基准面。
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2.2 天球及其模型
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主要内容
2.1 地球及其地球网格 2.2 天球及其模型 2.3 地球坐标系统 2.4 天球坐标系统 2.5 常用坐标系统简介 2.6 时间系统 2.7 小结
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2.1 地球及其地球网格
地图要素：代表地球表面的空间要素。 坐标系：地图要素的位置是基于坐标系的。 地理网格：空间要素的位置是基于用经度和纬
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2.2 天球及其模型
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2.2 天球及其模型
极移与岁差、章动对坐标系的影响？
它们是完全不同的地球物理现象。 岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变
化，但是地球内部的相对位置并没有变化。 岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地
度表示的地理网格的。
什么是经线（Latitude） ？ 什么是纬线（Longitude） ？ 地面上点位的确定:通常用经度和纬度来决定。
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2.1 地球及其地球网格
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2.1 地球及其地球网格
描述和表现地理空间
建立地球表面的几何模型
但是：大地水准面仍然有起伏。
因此：与局部地区（一个或几个国家）的大地 水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球 体（基准椭球 ）。
例如：
克拉索夫斯基，1940，6378245，298.3，北京54 坐标系
IAG-75，1975，6378140，298.257，国家80坐标 系
WGS-84，1984，6378137，298.257223563美国
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2.2 天球及其模型
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：岁差、章动。
岁差？
春分点在恒星间的位置不是固定不变的。 使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约
50.37s 。 使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间
的同一位置的时刻要早一些 。 回归年的长度比恒星年的长度短。 这一现象称为岁差 。
用地球的自然表面？ 用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地
球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是 大地水准面。
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2.1 地球及其地球网格
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2.1 地球及其地球网格
球表面经度和纬度的改变。 极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引
起地球表面上各地经度和纬度的变化。
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2.3 地球坐标系统
地球坐标系是围绕地球椭球建立起来的。 又称为全球坐标系统（Global Coordinate
System）或大地坐标系。 以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置
天球子午圈（面）：通过天极的大圆，叫做（天）子 午圈，相应的平面就是天球子午面。
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2.2 天球及其模型
北天极 本初子午圈
地球赤道
天球赤道
地球
黄道
太阳
赤经 星体
赤纬
南天极
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2.2 天球及其模型
黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆， 称为黄道。即当地球绕太阳公转时，地球上的 观察者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。
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2.2 天球及其模型
地球轴的进动（岁差）
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2.2 天球及其模型
章动？
地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平 均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆 动为章动。
极移？
地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为305天。 地极的这种运动，称为极移。
选择了相应的椭球 确定坐标原点及其坐标轴的方向 确定它与大地水准面的相关关系
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2.3 地球坐标系统
空间直角坐标系 原点位于地球椭球的中心
Earth Centered, Earth Fixed Cartesian coordinates
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2.2 天球及其模型
什么是天球？
以空间某一点（例如观 察者）为中心、半径为 无穷大的一个圆球。
半径是任意长，观测者 任何移动，球面形状不 变。
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地平线与天顶
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2.2 天球及其模型
Z轴指向地球的自转轴北极 X轴指向格林威治子午线与地球赤道的交点 Y轴位于赤道面上 按右手系与X轴呈90度夹角
观察者与地平线
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2.2 天球及其模型
观察者与地平线、黄道、天球赤道、春分点的关系
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2.2 天球及其模型
天轴：地轴的延长线，叫做天轴。
天极：天轴同天球的交点就是天极，在北极上空的是 北天极（P），在南极上空的是南天极（P‘）。
天球赤道：通过天球中心，同天轴垂直的平面和天球 相交的大圆圈，叫做天球赤道。北天极和南天极就是 天赤道的两极。天赤道把天球分成南、北两半球。显 然，天球赤道平面同地球的赤道平面或者重合（地心 天球）或者平行（以观测者为中心的天球或日心天 球）。
如何建立地球表面的几何模型？
用一种球体来表示：地球椭球体 由一个椭圆绕其短轴旋转而成的
地球椭球体的表示：
长半径a和短半径b 或一个半径和扁率α α = (ab)/b
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2.1 地球及其地球网格
如何选择地球椭球体的长半径a和短半径b？
为了测量计算的需要，选用一个同大地体相近的、可以用 数学方法来表达的旋转椭球来代替地球。
黄赤交角：黄道面与赤道面的夹角，称为黄赤 交角，约为23.5度。
春分点：定义当太阳在黄道上从南半天球向北 半天球运动时，黄道与天球赤道的交点，称为 春分点。
春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准 点和基准面。
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2.2 天球及其模型
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主要内容
2.1 地球及其地球网格 2.2 天球及其模型 2.3 地球坐标系统 2.4 天球坐标系统 2.5 常用坐标系统简介 2.6 时间系统 2.7 小结
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2.1 地球及其地球网格
地图要素：代表地球表面的空间要素。 坐标系：地图要素的位置是基于坐标系的。 地理网格：空间要素的位置是基于用经度和纬
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2.2 天球及其模型
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2.2 天球及其模型
极移与岁差、章动对坐标系的影响？
它们是完全不同的地球物理现象。 岁差和章动是地球自转轴的方向在恒星空间中的变
化，但是地球内部的相对位置并没有变化。 岁差和章动只引起天体坐标的变化，却不会引起地
度表示的地理网格的。
什么是经线（Latitude） ？ 什么是纬线（Longitude） ？ 地面上点位的确定:通常用经度和纬度来决定。
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2.1 地球及其地球网格
描述和表现地理空间
建立地球表面的几何模型
但是：大地水准面仍然有起伏。
因此：与局部地区（一个或几个国家）的大地 水准面符合得最好的旋转椭球，称为参考椭球 体（基准椭球 ）。
例如：
克拉索夫斯基，1940，6378245，298.3，北京54 坐标系
IAG-75，1975，6378140，298.257，国家80坐标 系
WGS-84，1984，6378137，298.257223563美国
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2.2 天球及其模型
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：岁差、章动。
岁差？
春分点在恒星间的位置不是固定不变的。 使得春分点沿着黄道缓慢地向西移动，每年约
50.37s 。 使得太阳通过春分点的时刻总是比太阳回到恒星间
的同一位置的时刻要早一些 。 回归年的长度比恒星年的长度短。 这一现象称为岁差 。
用地球的自然表面？ 用地球的海平面？从海平面延伸到所有大陆下部，而与地
球重力方向处处正交的一个连续、闭合的水准面，这就是 大地水准面。
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2.1 地球及其地球网格
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2.1 地球及其地球网格
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2.1 地球及其地球网格
球表面经度和纬度的改变。 极移表现为地球内部的相对位置在改变，这样就引
起地球表面上各地经度和纬度的变化。
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2.3 地球坐标系统
地球坐标系是围绕地球椭球建立起来的。 又称为全球坐标系统（Global Coordinate
System）或大地坐标系。 以参考椭球面为基准面，用以表示地面点位置
天球子午圈（面）：通过天极的大圆，叫做（天）子 午圈，相应的平面就是天球子午面。
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2.2 天球及其模型
北天极 本初子午圈
地球赤道
天球赤道
地球
黄道
太阳
赤经 星体
赤纬
南天极
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2.2 天球及其模型
黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆， 称为黄道。即当地球绕太阳公转时，地球上的 观察者所见到的太阳在天球上运动的轨迹。
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2.2 天球及其模型
地球轴的进动（岁差）
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2.2 天球及其模型
章动？
地球自转轴的进动复杂。进动轨迹可以看作是在平 均位置附近做短周期的微小摆动。称这种微小的摆 动为章动。
极移？
地球自转轴会在地球内部绕行，其周期为305天。 地极的这种运动，称为极移。