第2章坐标系统以及时间系统
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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 °
大地测量学第2章
g=（357. 528°＋35999.050°T）（2 /360）
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精细能级间跃 迁辐射9192631770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。
根据原子时秒的定义，任何原子钟在确定起始历元后，都可以提供 原子时。由各实验室用足够精确的原子钟导出的原子时称为地方原子时。
高程参考系统
以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的 高程系统称为正常高的高程系统。 正常高H正常及正高H正与大地高有如下关系：
H＝H正常＋ H＝H正＋N 式中： ——高程异常，N——大地水准面差距。
大地水准面相对于旋转椭球面的起伏
大地测量参考框架（Geodetic Reference Frame)
大地测量参考系统(Geodetic Reference System)
坐标参考系统：分为天球坐标系和地球坐标系。
天球坐标系:用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系:用于研究地球上物体的定位与运动，是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
大地坐标系
空间直角坐标
TAI－GPST=19(s) GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
2.3 坐标系统
基本概念
1.大地基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，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。
2. 天球
天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点称为天极（ 为北天极 为南天极）。 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，它与天球 ｛相交的大圆，称为天球赤道。 天球子午面与子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球子午面，它与天 球相交的大圆，称为天球子午圈。 时圈：通过天球的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面与赤道面的夹角 ，称为黄赤空角， 约为23.5 。 黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点 称 为北黄极，靠近南天极的交点 为南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点r。
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精细能级间跃 迁辐射9192631770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。
根据原子时秒的定义，任何原子钟在确定起始历元后，都可以提供 原子时。由各实验室用足够精确的原子钟导出的原子时称为地方原子时。
高程参考系统
以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的 高程系统称为正常高的高程系统。 正常高H正常及正高H正与大地高有如下关系：
H＝H正常＋ H＝H正＋N 式中： ——高程异常，N——大地水准面差距。
大地水准面相对于旋转椭球面的起伏
大地测量参考框架（Geodetic Reference Frame)
大地测量参考系统(Geodetic Reference System)
坐标参考系统：分为天球坐标系和地球坐标系。
天球坐标系:用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
地球坐标系:用于研究地球上物体的定位与运动，是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
大地坐标系
空间直角坐标
TAI－GPST=19(s) GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
2.3 坐标系统
基本概念
1.大地基准
所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，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。
2. 天球
天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点称为天极（ 为北天极 为南天极）。 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，它与天球 ｛相交的大圆，称为天球赤道。 天球子午面与子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面，称为天球子午面，它与天 球相交的大圆，称为天球子午圈。 时圈：通过天球的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面与赤道面的夹角 ，称为黄赤空角， 约为23.5 。 黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点 称 为北黄极，靠近南天极的交点 为南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点r。
第二章GPS定位的坐标系统和时间系统 第四节时间系统
计量原子时的时钟称为原子钟，常用的有铯原子钟、铷原子钟和氢原子钟三 种，国际上是以铯原子钟为基准的，原子钟的计时精度满足了一些高精度时间 部门的需要，特别是空间技术和地面高精度定位的需要。GPS卫星上全部配置 了原子钟。
国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精 选过的原子钟测定的。
目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般 不便超用过户±获1得m所s，需除的了U发T1。播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以
GPS测量定位技术
六、力学时（DT）
这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于 太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球 质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒， 秒 值 采 用 国 际 原 子 时 （ ATI） 秒 长 。 地 球 质 心 力 学 时 TDT 的 1 9 7 7 年 1 月 1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日 0h0m0s。
GPS时与协调时的关系为：
GPST = UTC + 1S × n － 19S
（2-7）
其中n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。
GPS测量定位技术
八、区会议决定采用一种分区统一时
刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15 °，则
在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运 动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距 也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间， 同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、 文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以 地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基 础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历 来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时 间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425 日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元 元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年 10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位， 除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。
国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精 选过的原子钟测定的。
目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般 不便超用过户±获1得m所s，需除的了U发T1。播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以
GPS测量定位技术
六、力学时（DT）
这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于 太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球 质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒， 秒 值 采 用 国 际 原 子 时 （ ATI） 秒 长 。 地 球 质 心 力 学 时 TDT 的 1 9 7 7 年 1 月 1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日 0h0m0s。
GPS时与协调时的关系为：
GPST = UTC + 1S × n － 19S
（2-7）
其中n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。
GPS测量定位技术
八、区会议决定采用一种分区统一时
刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15 °，则
在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运 动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距 也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间， 同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、 文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以 地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基 础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历 来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时 间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425 日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元 元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年 10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位， 除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。
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
《GPS原理及其应用》习题集a.doc
《GPS原理及其应用》复习第一章概论了午卫星系统与GPS定位原理有何区别？子午卫星系统的缺点GPS的基本组成什么是标准定位服务？GPS信号接收机主要组成第二章坐标系统和时间系统名词解释：天球；赤经；赤纬；黄道；春分点；岁差；章动；极移；世界时；原了时；协调世界时；儒略日。
简述协议地球坐标系的定义。
赤纬8与大地纬度B有何区别；赤经a与大地经度L有何区别？什么是参心坐标系？简述卫星大地测量的发展历史，并指出其各个发展阶段的特点。
试说明GPS全球定位系统的组成。
为什么说GPS卫星定位测量技术问世是测绘技术发展史上的一场革命？简述GPS、GLONASS与NAVSAT三种卫星导航定位系统工作卫星星座的主要参数。
简述（历元）平天球坐标系、（观测）平天球坐标系以及瞬时极（真）天球坐标系之间的差别。
怎样进行岁差旋转与章动旋转?它们有什么作用？为什么要进行极移旋转?怎样进行极移旋转？简述协议地球坐标系的定义。
试写出由大地坐标到地心空间直角坐标的变换过程。
综述山（历元）平天球坐标系到协议地球坐标系的变换过程。
简述恒星时、真太阳时与平太阳时的定义。
什么是GPS定位测量采用的时间系统?它与协调世界时UTC有什么区别？在GPS定位测量，具有重要意义的时间系统主要有哪三种？第三章卫星运动基础及GPS卫星的坐标计算试述描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。
试画图并用文字说明开普勒轨道6参数。
简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。
地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响？II、月引力对卫星的轨道运动有什么影响？简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响？综述考虑摄动力影响的GPS卫星轨道参数。
试写出计算GPS卫星瞬时位置的步骤。
第四章、GPS卫星的导航电文和卫星信号名词解释：码；码元（比特）；数码率；自相关系数；信号调制；信号解调；遥测字；交接字；数据龄期；时延差改正；传输参数。
试说明什么是随机噪声码?什么是伪随机噪声码？C/A码和P码是怎样产生的？试述C/A码和P码的特点。
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2-1章 坐标系统和时间系统
张德勒运动（周期 个月 振幅0.2秒） 个月， 张德勒运动（周期14个月，振幅 秒 季节性运动（周期12个月 振幅0.1秒） 个月， 季节性运动（周期 个月，振幅 秒
极 移
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
国际天文学联合会和大地测量学协会在1967建 建 国际天文学联合会和大地测量学协会在 G 采用国际上5个纬度服务站 个纬度服务站， 年的平 P 议，采用国际上 个纬度服务站，以1900-1905年的平 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， S 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点 ， 平极的 测 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置 ， 通常 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置， 量 称 为 国 际 协 议 原 点 （ Conventional International 原 ） 理 Origin——CIO）。与之相应的地球赤道面称为平赤 道面或协议赤道面。 至今仍采用CIO作为协议地极 及 道面或协议赤道面 。 至今仍采用 CIO 作为协议地极 应 （ conventional Terrestrial Pole——CTP） ， 以协议 ） 用 地 极 为 基 准 点 的 地 球 坐 标 系 称 为 协 议 地 球 坐 标系 ） 中 （Conventional Terrestrial System——CTS），而与 南 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
第二章 坐标系统和时间系统
2.1 天球坐标系和地球坐标系
G P S • 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的 测 位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标 量 系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此， 原 首先要设立适当的坐标系。 理 • 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，需要建立不随地球 及 自转的地心坐标系－－空间固定坐标系（天球坐标系）； 应 另一方面观测站是在地球表面，随地球自转而运动，因此 用 需要建立与地球固联的地心坐标系－－地固坐标系（地球 坐标系）。 中 • 由上可看出在不同观测时间，其各自的坐标轴指向不同。
极 移
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
国际天文学联合会和大地测量学协会在1967建 建 国际天文学联合会和大地测量学协会在 G 采用国际上5个纬度服务站 个纬度服务站， 年的平 P 议，采用国际上 个纬度服务站，以1900-1905年的平 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点， S 均纬度所确定的平均地极位置作为基准点 ， 平极的 测 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置 ， 通常 位置是相应上述期间地球自转轴的平均位置， 量 称 为 国 际 协 议 原 点 （ Conventional International 原 ） 理 Origin——CIO）。与之相应的地球赤道面称为平赤 道面或协议赤道面。 至今仍采用CIO作为协议地极 及 道面或协议赤道面 。 至今仍采用 CIO 作为协议地极 应 （ conventional Terrestrial Pole——CTP） ， 以协议 ） 用 地 极 为 基 准 点 的 地 球 坐 标 系 称 为 协 议 地 球 坐 标系 ） 中 （Conventional Terrestrial System——CTS），而与 南 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。 瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。
G P S 测 量 原 理 及 应 用
中 南 大 学
第二章 坐标系统和时间系统
2.1 天球坐标系和地球坐标系
G P S • 全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的 测 位置。而所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标 量 系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此， 原 首先要设立适当的坐标系。 理 • 为了描述卫星在其轨道上的运动规律，需要建立不随地球 及 自转的地心坐标系－－空间固定坐标系（天球坐标系）； 应 另一方面观测站是在地球表面，随地球自转而运动，因此 用 需要建立与地球固联的地心坐标系－－地固坐标系（地球 坐标系）。 中 • 由上可看出在不同观测时间，其各自的坐标轴指向不同。
2-1GPS定位的坐标系统(GPS)
2 2 2
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 大地水准面重新平差的结果为起算值， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 大地水准面重新平差的结果为起算值， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
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❖ 大地高是空间点沿椭球 的法线方向到椭球面的 距离。
图4 大地坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
3）平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标通过某种数 学变换，投影或映射到平面上。
投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等， 在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。
卡儿坐标系、曲线坐标系等。
5.坐标系转换与基准转换 坐标系转换：同一点在相同基准或参照系下的坐标转换，
实质上是不同坐标表达方式间的变换。 基准转换：同一点在不同基准或参照系下的坐标转换，如
WGS 84与北京54坐标系间的大地坐标或空间直角坐标的相互 转换。
第2章坐标系统以及时间系统
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系
用途： GPS系统内部处理与位置有关信息，广播星历基于此 系统。
建立： 20世纪80年代中期，美国国防制图局建立，1987年 取代WGS-72。之后 WGS 84又进行了三次修订，第 一次1994年，第二次1996年，第三次2001年，分别 表示为 “WGS 84 （G730）”、“WGS 84 （G873）”和“WGS 84 （G1150）”。其中，“G” 表示GPS；而跟在后面的数字所表示的是开始使用的 GPS周数。
参心空间直 角坐标系
参考 面
总地球 参考
大地
椭球面 椭球面 水准面
地心大地 坐标系
天文 坐标系
参心大地 坐标系
站心空间直角 站心极 站心赤道 站心地平
坐标系
坐标系 坐标系 坐标系
投影平面
高斯平面 坐标系
WGS-84
ITRS/ITRF CGCS2000
BJ54
第2章坐标系统以及时间系统
图1 坐标系统分类图
GDZ80
坐标系统的分类和常用坐标系统
2.常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系 2）大地坐标系/椭球坐标系 3）平面直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系
❖ 坐标系原点位于地球的质心或参考椭球的中心； ❖ Z轴指向地球或参考椭球的北极； ❖ X轴指向本初（起始）子午面与赤道的交点； ❖ Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角
2.坐标参照系 空间位置的描述需要在一个特定的系统下采用特定的方式来进
行，这一特定的系统被称为坐标参照系，即提供系统原点、尺 度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。
坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也 不易于使用。
3.参考框架 参考框架是坐标参照系的实现，是一组具有相应参照系下坐标
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
3.GPS常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic System 1984）
2）ITRS国际地球参照系（International Terrestrial Reference System）与ITRF国际地球 参考框架（International Terrestrial Reference Frame）
E，U坐标为该点在三个坐标 轴上的投影长度。
图3 站心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
2）大地坐标系/椭球坐标系
❖ 大地坐标系是采用大地 经、纬度和大地高来描 述空间位置的:
❖ 纬度是空间点的椭球面 的法线与赤道面的夹角；
❖ 经度是包括空间点与椭 球短轴的子午面和椭球 的起始子午面的夹角；
图2 地心、参心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标坐标系/笛卡尔坐标系(续)
❖ 原点位于P0； ❖ U法轴线与重过合P，0点指的向参上考方椭；球面的 ❖ N轴垂直于U轴，指向参考椭
球的短半轴； ❖ E轴垂直于U轴和N轴，形成左
手系； ❖ 在站心直角坐标系下点的N，
1.坐标系统分类 2.常用坐标系 3.GPS坐标系 4.我国常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
1.坐标系统分类
坐
惯性坐标系
标
系
非惯性坐标系
协议天球坐标系 协议地球坐标系
天体卫星 用户位置
表达 方式
坐标 原点
笛卡尔坐标
曲线坐标
平面直角坐标
地
参
站
心
心
心
地心空间直 角坐标系
及其时间演变的点。一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一 个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一 个尺度。
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念（续）
4.坐标和坐标系 坐标：在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定
点的位置的一组数。 坐标系：在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法。如：笛
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
WGS-84椭球参数（IAC+IUGG联合会17届推荐值）:
➢ 长半轴:a=6378137m2m ➢ 地球引力常数:GM=3986005108 0.6 108 （m3s-2） ➢ 正常化二阶带谐系数：C2.0=-484.16685 10-6 1.30
第二章 坐标系统和时间系统
❖ 坐标系统及坐标系统之间的转换 ❖ 时间标示法及不同时间标识法间的转换
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念
1.位置基准
定位中被用作测量或计算基础的点、线或面。如：天体参照系 的天球、赤道面、黄道面、春分点；大地坐标系的参考椭球及 其定位和定向；高程参照系的大地水准面。
X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERS Reference
Meridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM 与在历元1984时的BIH零子午线（BIH Zero Meridian）
一致。 Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。如图5所
示：
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
图5 WGS-84世界大地坐标系
定义：
原点位于包括海洋和大
气在内的整个地球的 质心；
Z轴与IERS参考极
（IRP)指向相同，该指 向与历元1984.0的BIH 协议地
极（CTP–Conventions Terrestrial Pole）一致；
图4 大地坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
3）平面直角坐标系
平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标通过某种数 学变换，投影或映射到平面上。
投影变换的方法有很多，如UTM投影、Lambuda投影等， 在我国采用的是高斯-克吕格投影，也称为高斯投影。
卡儿坐标系、曲线坐标系等。
5.坐标系转换与基准转换 坐标系转换：同一点在相同基准或参照系下的坐标转换，
实质上是不同坐标表达方式间的变换。 基准转换：同一点在不同基准或参照系下的坐标转换，如
WGS 84与北京54坐标系间的大地坐标或空间直角坐标的相互 转换。
第2章坐标系统以及时间系统
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系
用途： GPS系统内部处理与位置有关信息，广播星历基于此 系统。
建立： 20世纪80年代中期，美国国防制图局建立，1987年 取代WGS-72。之后 WGS 84又进行了三次修订，第 一次1994年，第二次1996年，第三次2001年，分别 表示为 “WGS 84 （G730）”、“WGS 84 （G873）”和“WGS 84 （G1150）”。其中，“G” 表示GPS；而跟在后面的数字所表示的是开始使用的 GPS周数。
参心空间直 角坐标系
参考 面
总地球 参考
大地
椭球面 椭球面 水准面
地心大地 坐标系
天文 坐标系
参心大地 坐标系
站心空间直角 站心极 站心赤道 站心地平
坐标系
坐标系 坐标系 坐标系
投影平面
高斯平面 坐标系
WGS-84
ITRS/ITRF CGCS2000
BJ54
第2章坐标系统以及时间系统
图1 坐标系统分类图
GDZ80
坐标系统的分类和常用坐标系统
2.常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系 2）大地坐标系/椭球坐标系 3）平面直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
1）空间直角坐标系/笛卡尔坐标系
❖ 坐标系原点位于地球的质心或参考椭球的中心； ❖ Z轴指向地球或参考椭球的北极； ❖ X轴指向本初（起始）子午面与赤道的交点； ❖ Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90夹角
2.坐标参照系 空间位置的描述需要在一个特定的系统下采用特定的方式来进
行，这一特定的系统被称为坐标参照系，即提供系统原点、尺 度、定向及其时间演变的一组协议、算法和常数。
坐标参照系的定义虽然明确且严密，但是却非常抽象，而且也 不易于使用。
3.参考框架 参考框架是坐标参照系的实现，是一组具有相应参照系下坐标
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
3.GPS常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic System 1984）
2）ITRS国际地球参照系（International Terrestrial Reference System）与ITRF国际地球 参考框架（International Terrestrial Reference Frame）
E，U坐标为该点在三个坐标 轴上的投影长度。
图3 站心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> 常用坐标系
2）大地坐标系/椭球坐标系
❖ 大地坐标系是采用大地 经、纬度和大地高来描 述空间位置的:
❖ 纬度是空间点的椭球面 的法线与赤道面的夹角；
❖ 经度是包括空间点与椭 球短轴的子午面和椭球 的起始子午面的夹角；
图2 地心、参心空间直角坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标坐标系/笛卡尔坐标系(续)
❖ 原点位于P0； ❖ U法轴线与重过合P，0点指的向参上考方椭；球面的 ❖ N轴垂直于U轴，指向参考椭
球的短半轴； ❖ E轴垂直于U轴和N轴，形成左
手系； ❖ 在站心直角坐标系下点的N，
1.坐标系统分类 2.常用坐标系 3.GPS坐标系 4.我国常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统
1.坐标系统分类
坐
惯性坐标系
标
系
非惯性坐标系
协议天球坐标系 协议地球坐标系
天体卫星 用户位置
表达 方式
坐标 原点
笛卡尔坐标
曲线坐标
平面直角坐标
地
参
站
心
心
心
地心空间直 角坐标系
及其时间演变的点。一组相容的坐标中，实际上隐含了定义一 个坐标参照系所必需的一个原点、一组正交坐标轴的指向和一 个尺度。
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念（续）
4.坐标和坐标系 坐标：在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定
点的位置的一组数。 坐标系：在给定维数的空间中用坐标来表示点的方法。如：笛
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
WGS-84椭球参数（IAC+IUGG联合会17届推荐值）:
➢ 长半轴:a=6378137m2m ➢ 地球引力常数:GM=3986005108 0.6 108 （m3s-2） ➢ 正常化二阶带谐系数：C2.0=-484.16685 10-6 1.30
第二章 坐标系统和时间系统
❖ 坐标系统及坐标系统之间的转换 ❖ 时间标示法及不同时间标识法间的转换
第2章坐标系统以及时间系统
一、坐标系统基本概念
1.位置基准
定位中被用作测量或计算基础的点、线或面。如：天体参照系 的天球、赤道面、黄道面、春分点；大地坐标系的参考椭球及 其定位和定向；高程参照系的大地水准面。
X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERS Reference
Meridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM 与在历元1984时的BIH零子午线（BIH Zero Meridian）
一致。 Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。如图5所
示：
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
第2章坐标系统以及时间系统
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
1）WGS-84世界大地坐标系（续）
图5 WGS-84世界大地坐标系
定义：
原点位于包括海洋和大
气在内的整个地球的 质心；
Z轴与IERS参考极
（IRP)指向相同，该指 向与历元1984.0的BIH 协议地
极（CTP–Conventions Terrestrial Pole）一致；