坐标与时间系统课件
合集下载
坐标及时间系统
1976年开始由国家测绘局、总参测绘局、 水利部、国家地震局共同承担重新布测国 家一等水准网，总长93000多公里，组成 100个水准环，经过平差，建立了1985年 国家高程系。
水准原点高程为：72.260m
坐标及时间系统
4、参考椭球面
(1) 大地水准面——大地水准面由于受地球重力场影响，微小 起伏、不规则、很难用数学方程表示
(2) 大地水准面
– 与平均海水面相吻合的水准面称大地水准面 – 大地水准面是唯一的。 – 大地水准面所包含的形体，称为大地体，它代表了地球的自
然形状和大小。 – 测量工作的高程基准面
坐标及时间系统
我国在青岛设有验潮站，在青岛观象山建立国家水准原点
坐标及时间系统
国家高程基准
1956年通过对青岛验潮站7年观测成果的 计算，求出水准原点高程为： 72.289m以此为基准称为1956年黄海高 程基准。
坐标及时间系统
2.地球的形状和大小
1、地球 (1)由于地球的自转和公转，地球南北极稍扁，赤道稍长，南北 相差43km ，椭球平均半径约为6371km (2) 地球的自然表面并不光滑，形状十分复杂，有高山、丘
陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈现高低起伏的形 态，如：珠峰+8844.43m, 马里亚纳海沟-11022m,但这样的 高低变化与地球半径6371km相比只有1/600,变化是微小的。 (3) 海洋面积约占71%，陆地面可以忽略时,可将
地球看作圆球体，以球面代替大地水准面，其半径
R=6371km
6、平面
坐标及时间系统
在范围不大时，可以平面代替大地水准面.
WGS-84椭球
美国全球卫星定位系统GPS选用的地球总椭球体。
参数为：
水准原点高程为：72.260m
坐标及时间系统
4、参考椭球面
(1) 大地水准面——大地水准面由于受地球重力场影响，微小 起伏、不规则、很难用数学方程表示
(2) 大地水准面
– 与平均海水面相吻合的水准面称大地水准面 – 大地水准面是唯一的。 – 大地水准面所包含的形体，称为大地体，它代表了地球的自
然形状和大小。 – 测量工作的高程基准面
坐标及时间系统
我国在青岛设有验潮站，在青岛观象山建立国家水准原点
坐标及时间系统
国家高程基准
1956年通过对青岛验潮站7年观测成果的 计算，求出水准原点高程为： 72.289m以此为基准称为1956年黄海高 程基准。
坐标及时间系统
2.地球的形状和大小
1、地球 (1)由于地球的自转和公转，地球南北极稍扁，赤道稍长，南北 相差43km ，椭球平均半径约为6371km (2) 地球的自然表面并不光滑，形状十分复杂，有高山、丘
陵、平原、盆地、湖泊、河流和海洋等，呈现高低起伏的形 态，如：珠峰+8844.43m, 马里亚纳海沟-11022m,但这样的 高低变化与地球半径6371km相比只有1/600,变化是微小的。 (3) 海洋面积约占71%，陆地面可以忽略时,可将
地球看作圆球体，以球面代替大地水准面，其半径
R=6371km
6、平面
坐标及时间系统
在范围不大时，可以平面代替大地水准面.
WGS-84椭球
美国全球卫星定位系统GPS选用的地球总椭球体。
参数为：
大地测量学基础-第2章坐标系统与时间系统
的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极缓慢旋转，类似于一个旋 转陀螺，形成一个倒圆锥体（见左下图），其锥角等于黄赤交角 ε=23.5 °。 • 旋转周期为25786年，这种运动称为岁差，是地轴方向在宇宙空 间中的长周期运动（以黄极为中心）。
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
黄道 赤道
PS
πS
πN
πS
6、春分点与秋分点
• 黄道与赤道的两个交点称为春 分点和秋分点。
• 从地球上看，太阳沿黄道逆时 针运动。
• 黄道和赤道在天球上存在相距 180°的两个交点，其中太阳沿 黄道从天赤道以南向北通过天 赤道的那一点，称为春分点（3 月21日前后），与春分点相隔 180°的另一点，称为秋分点（9 月23日前后） 。
• GAMT 表示格林尼治平太阳时角。
• 未经任何改正的世界时表示为UT0；
• 经过极移改正的世界时表示为UT1：
UT1=UT0+Δλ
§2－1 地球的运转 §2－2 时间系统 §2－3 坐标系统
§2－1 地球的运转
• 众所周知，我们生存的地球一直处于运动之中。 • 从不同的角度来看，地球的运转可分为四类： （1）与银河系一起在宇宙中运动 （2）与太阳系一起在银河系内运动 （3）与其它行星一起绕太阳旋转（公转） （4）绕其自身旋转轴(瞬时)旋转（自转，或叫周日视运动） • 大地测量学主要研究后两类运动。
• 考虑岁差和章动的共同影响时，相应的旋转轴、天极、天球赤道 等术语前加上“真”，即真旋转轴、真天极、真天球赤道。
• 若只考虑岁差，则分别称作平旋转轴、平天极、平天球赤道。
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
黄道 赤道
PS
πS
πN
πS
6、春分点与秋分点
• 黄道与赤道的两个交点称为春 分点和秋分点。
• 从地球上看，太阳沿黄道逆时 针运动。
• 黄道和赤道在天球上存在相距 180°的两个交点，其中太阳沿 黄道从天赤道以南向北通过天 赤道的那一点，称为春分点（3 月21日前后），与春分点相隔 180°的另一点，称为秋分点（9 月23日前后） 。
• GAMT 表示格林尼治平太阳时角。
• 未经任何改正的世界时表示为UT0；
• 经过极移改正的世界时表示为UT1：
UT1=UT0+Δλ
§2－1 地球的运转 §2－2 时间系统 §2－3 坐标系统
§2－1 地球的运转
• 众所周知，我们生存的地球一直处于运动之中。 • 从不同的角度来看，地球的运转可分为四类： （1）与银河系一起在宇宙中运动 （2）与太阳系一起在银河系内运动 （3）与其它行星一起绕太阳旋转（公转） （4）绕其自身旋转轴(瞬时)旋转（自转，或叫周日视运动） • 大地测量学主要研究后两类运动。
• 考虑岁差和章动的共同影响时，相应的旋转轴、天极、天球赤道 等术语前加上“真”，即真旋转轴、真天极、真天球赤道。
• 若只考虑岁差，则分别称作平旋转轴、平天极、平天球赤道。
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
坐标系统和时间系统
站心地平直角坐标系
旋转变换 （2－6）
站心赤道直角坐标系
平移变换 （2－5）
地心空间直角坐标系
（三）站心（左手）地平直角坐标系与地心空 间直角坐标系之间的转换
旋转矩阵
X －sinBcosL sinL cosBcosLx
Y
＝sinBsinL
cosL
cosBsinLy
Z地心 cosB
0
sinB z地平 （2－7）
通过天球中黄心道，面且与垂赤直道于面黄的道夹面角的直线与 天球的交点
√8.春分点
地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 当太阳即在当黄地道球上绕，太从阳天公球转南时半，球地向球北上半的球观测者
运行时，所黄见道到与的天，球太赤阳道在的天交球点上运动的轨迹
（二）天球坐标系的定义
假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力 的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是 固定的，春分点在天球上的位置保持不变。
t时刻的瞬 时极地球 坐标系
x
x
y
Rz ( G ) y
z et
z ct
对应格林尼治平子 午面的真春分点时
角
（2－10）
t时刻的瞬时 极天球坐标
系
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
（二）协议天球坐标系与协议地球坐标系的坐标 转换
协议天球坐标系 瞬时极天球坐标系
（2－11） （2－12）
3、协议地球坐标系与瞬时极地球坐标系 的坐标转换
二者存在旋转关系：
x
x
y Ry xp Rx yp y
zem
zet
（2－13）
(xp , y p ) 为瞬时地极相对于CIO的坐标。
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
旋转变换 （2－6）
站心赤道直角坐标系
平移变换 （2－5）
地心空间直角坐标系
（三）站心（左手）地平直角坐标系与地心空 间直角坐标系之间的转换
旋转矩阵
X －sinBcosL sinL cosBcosLx
Y
＝sinBsinL
cosL
cosBsinLy
Z地心 cosB
0
sinB z地平 （2－7）
通过天球中黄心道，面且与垂赤直道于面黄的道夹面角的直线与 天球的交点
√8.春分点
地球公转的轨道面与天球相交的大圆。 当太阳即在当黄地道球上绕，太从阳天公球转南时半，球地向球北上半的球观测者
运行时，所黄见道到与的天，球太赤阳道在的天交球点上运动的轨迹
（二）天球坐标系的定义
假设地球为均质的球体，且没有其它天体摄动力 的影响；即假定地球的自转轴，在空间的方向是 固定的，春分点在天球上的位置保持不变。
t时刻的瞬 时极地球 坐标系
x
x
y
Rz ( G ) y
z et
z ct
对应格林尼治平子 午面的真春分点时
角
（2－10）
t时刻的瞬时 极天球坐标
系
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
（二）协议天球坐标系与协议地球坐标系的坐标 转换
协议天球坐标系 瞬时极天球坐标系
（2－11） （2－12）
3、协议地球坐标系与瞬时极地球坐标系 的坐标转换
二者存在旋转关系：
x
x
y Ry xp Rx yp y
zem
zet
（2－13）
(xp , y p ) 为瞬时地极相对于CIO的坐标。
三、天球坐标系与地球坐标系 之间的坐标转换
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。
第二章 坐标系统和时间系统
地球坐标系根据描述点位方式的不同分作： 1、地球空间直角坐标系
原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向格林尼治子午面与地球赤道的交点，Y轴垂 直于XOZ平面，构成右手坐标系统。 P(X，Y，Z)
2、大地坐标系统
参考椭球----参考椭球的中心与地球的质心重合，椭球的短轴与 地球自转轴重合，根据科学家测量的长半轴a和短半轴b来近似模 a b 拟地球的数学球体。
天球赤道面与天球赤道-——通过地球质心与天轴垂直的平 面，称为天球赤道面。该赤道面与天球相交的大圆，称为天 球赤道。 黄道——地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即地球上的 观测者所看到的，太阳绕地球运动的轨迹。 春分点——当太阳在黄道上从地球南半球向北半球运行时， 黄道与天球赤道面的交点。春分点不随地球转动。
对应于 WGS-84大地坐标系有一个WGS-84椭球，其常数 采用 IUGG第 17届大会大地测量常数的推荐值。下面给 出WGS-84椭球两个最常用的几何常数： 长半轴： 6378137± 2（m） 扁 率： 1：298.257223563
§2.3坐标系之间的变换
1.
2.
3.
坐标系的变换包括： 不同空间直角坐标系之间的转换（3参数 或7参数） 不同大地坐标系（球面坐标系）之间的转 换（5参数和9参数） 大地坐标系（B,L）转换为高斯平面坐标 (X,Y)
大地坐标系——是建立在参考椭球上，原点与地球质 建立在参考椭球 建立在参考椭球上 心重合，大地纬度B为过某地面点的椭球法线与椭球 赤道面的夹角；大地经度L为过该地面点的椭球子午 面与格林尼治子午面之间的夹角，大地高H为地面点 沿椭球法线至椭球面的距离。 地面点P的大地坐标为 (B,L,H)
对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：
2、时间系统和坐标系统
(1)区时 15º 时区地方时 格林尼治0子午线东西个7.5º 为0时区 (2)世界时
格林尼治起始子午线处的平太阳时（地方时）
经极移改正:UTI=UT0+Δλ 1 X P sin YP cos tan 15 经地球自转季节性改正:UT2=UT1+ΔT
T 0.022s sin 2 t 0.012s cos 2 t 0.006s sin 4 t 0.007 s cos 4 t
4.授时和时间对比
5.时钟的主要技术指标
频率标准度、频率漂移率、频率稳定度
（1）频率标准度 与理论频率之差
（2）频率漂移率（频漂） 频率的变化率（老化率）
（3）频率稳定度 随机变化程度
（二）恒星时与太阳时
1.恒星时
以春分点为参考点
恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 是地方时 真恒星时与平恒星时
（二）恒星时与太阳时
2.真太阳时和平太阳时
（1）真太阳时
以地球自转为基础，以太阳中心为参考点 太阳时=本地子午圈时角+12 太阳时长度不同，不具备时间系统条件
（2）平太阳时
以地球自转为基础，以平太阳中心为参考点
周年是运动轨迹位于赤道面，角速度恒定 太阳时=平太阳时角+12 由归算得到 是地方时
3. 区时和世界时
更多见教材P26
（3）阴阳历（农）
年以回归年为依据，而月则按朔望月为依据。 单月为30日，双月为29日，每月平均为29.5日； 以新月始见为月首，12个月为一年，总共354日。 每19年中有7年为闰年。闰年中增加一个月，称 为闰月。 更多见教材P26
2.儒略日JD
根据公历的年(Y)、月(M）、日(D)来计算对应的儒略日JD
格林尼治起始子午线处的平太阳时（地方时）
经极移改正:UTI=UT0+Δλ 1 X P sin YP cos tan 15 经地球自转季节性改正:UT2=UT1+ΔT
T 0.022s sin 2 t 0.012s cos 2 t 0.006s sin 4 t 0.007 s cos 4 t
4.授时和时间对比
5.时钟的主要技术指标
频率标准度、频率漂移率、频率稳定度
（1）频率标准度 与理论频率之差
（2）频率漂移率（频漂） 频率的变化率（老化率）
（3）频率稳定度 随机变化程度
（二）恒星时与太阳时
1.恒星时
以春分点为参考点
恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 是地方时 真恒星时与平恒星时
（二）恒星时与太阳时
2.真太阳时和平太阳时
（1）真太阳时
以地球自转为基础，以太阳中心为参考点 太阳时=本地子午圈时角+12 太阳时长度不同，不具备时间系统条件
（2）平太阳时
以地球自转为基础，以平太阳中心为参考点
周年是运动轨迹位于赤道面，角速度恒定 太阳时=平太阳时角+12 由归算得到 是地方时
3. 区时和世界时
更多见教材P26
（3）阴阳历（农）
年以回归年为依据，而月则按朔望月为依据。 单月为30日，双月为29日，每月平均为29.5日； 以新月始见为月首，12个月为一年，总共354日。 每19年中有7年为闰年。闰年中增加一个月，称 为闰月。 更多见教材P26
2.儒略日JD
根据公历的年(Y)、月(M）、日(D)来计算对应的儒略日JD
第2章坐标系统与时间系统
建立球面坐标系统，如图2－1所示.
参考点、线、面和园
第2章坐标系统与时间系统
图2－1 天球的概念
第2章坐标系统与时间系统
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 PN 和 PS 称为天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。
天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 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的大 圆称为天球赤道。
某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时 间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地 面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建 议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均 纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 CIO (Conventional International Origin)
第2章坐标系统与时间系统
国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用 不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为 平赤道面或协议赤道面 。
第2章坐标系统与时间系统
(3)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 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 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。
春分点与秋分点 黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太阳在黄 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 γ表示。 在天文学中和研究卫星运动时，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
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赤纬, 春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。
参考点、线、面和园
第2章坐标系统与时间系统
图2－1 天球的概念
第2章坐标系统与时间系统
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 PN 和 PS 称为天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。
天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 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的大 圆称为天球赤道。
某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时 间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地 面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建 议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均 纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 CIO (Conventional International Origin)
第2章坐标系统与时间系统
国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用 不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为 平赤道面或协议赤道面 。
第2章坐标系统与时间系统
(3)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 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 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。
春分点与秋分点 黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太阳在黄 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 γ表示。 在天文学中和研究卫星运动时，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
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赤纬, 春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。
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
Slide 37
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
Slide 38
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
Slide 3
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
Slide 4
3)天球坐标系和地球坐标系
北天极
春分点
Slide 5
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
Slide 32
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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
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。
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
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。
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
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）。
与平面上对应的坐标（x, y）之间的函数关系
2.3 地球坐标系统
2.3 地球坐标系统
地图投影的种类 不同的投影方式具有不同的形态和变形特征 常见的投影是把参考椭球向一个几何投影面投
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。
2.2 天球及其模型
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
第2章 坐标与时间系统
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
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
其中高度H为空间点到椭球面的垂直距离。
问题：
由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重 合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测 得的大地坐标之间存在一定的差异。
2.3 地球坐标系统
地图投影 地球椭球面是不可展曲面 我们习惯操作的纸质地图和数字地图是建立在
二维平面坐标基础上的 需要把球形的地球表面的点映射到一个平面上 这种从球形表面到平面的转换就称为地图投影 实质就是建立地球椭球面上点的坐标（m, n）
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。
2.2 天球及其模型
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。
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。
2.1 地球及其地球网格
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
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
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
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
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
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。
2.1 地球及其地球网格
2.1 地球及其地球网格
2.1 地球及其地球网格
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，，298.3，北京54坐标系 IAG-75，1975，，298.257，国家80坐标系 WGS-84，1984，，298.257223563美国
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
2.3 地球坐标系统
赤道和本初子午线
2.3 地球坐标系统
大地坐标系和空间直角坐标系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.3 地球坐标系统
球面坐标系 以参考椭球中心为原点。 用大地经纬度和大地高程来描述空间点位置。 用（B, L, H）来表示。纬度B和经度L表示，
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。
2.2 天球及其模型
地平线与天顶
2.2 天球及其模型
观察者与地平线
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
2.2 天球及其模型
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 。
2.2 天球及其模型
地球轴的进动（岁差）
2.2 天球及其模型
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
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。
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
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
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。
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
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。
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
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）。
与平面上对应的坐标（x, y）之间的函数关系
2.3 地球坐标系统
2.3 地球坐标系统
地图投影的种类 不同的投影方式具有不同的形态和变形特征 常见的投影是把参考椭球向一个几何投影面投
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。
2.2 天球及其模型
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
第2章 坐标与时间系统
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
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
其中高度H为空间点到椭球面的垂直距离。
问题：
由于参考椭球的中心大多不能与地球的质心完全重 合，就导致使用不同的椭球参数的国家和地区所测 得的大地坐标之间存在一定的差异。
2.3 地球坐标系统
地图投影 地球椭球面是不可展曲面 我们习惯操作的纸质地图和数字地图是建立在
二维平面坐标基础上的 需要把球形的地球表面的点映射到一个平面上 这种从球形表面到平面的转换就称为地图投影 实质就是建立地球椭球面上点的坐标（m, n）
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。
2.2 天球及其模型
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。
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。
2.1 地球及其地球网格
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
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
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
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
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
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。
2.1 地球及其地球网格
2.1 地球及其地球网格
2.1 地球及其地球网格
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，，298.3，北京54坐标系 IAG-75，1975，，298.257，国家80坐标系 WGS-84，1984，，298.257223563美国
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
2.3 地球坐标系统
赤道和本初子午线
2.3 地球坐标系统
大地坐标系和空间直角坐标系
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.3 地球坐标系统
球面坐标系 以参考椭球中心为原点。 用大地经纬度和大地高程来描述空间点位置。 用（B, L, H）来表示。纬度B和经度L表示，
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。
2.2 天球及其模型
地平线与天顶
2.2 天球及其模型
观察者与地平线
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
2.2 天球及其模型
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 。
2.2 天球及其模型
地球轴的进动（岁差）
2.2 天球及其模型
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
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。
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