坐标系统和时间系统
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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：
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。
第二章坐标系统和时间系统
的椭圆。
• 4）黄 极
•天 球
•黄道
•黄赤交角23°27′
第一节 地球的运转
2. 地球自转：绕其自身旋转轴的转动。周期为24小时。 • 2.1 地轴方向相对于空间的变化：由于日月等天体的影响 及地球自身的不规则，地球自转轴方向是不断变化的。
• 1）岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作 用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变 ，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天 文学中称为岁差。
第一节 地球的运转
① 行星运行的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与 太阳的质心相重合
② 行星质心与太阳质心间的距离向量，在相同的时间 内所扫过的面积相等
③ 行星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比 为一常量
第一节 地球的运转
• 2)天 ：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。 球
① 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天
• 其中，Δψ为黄经章动 ，ε黄赤交角
•第二节 时间系 统
•2.平太阳时（MT） •（1）真太阳时:以真太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定 的 • 时间； •（2）平太阳:由于真太阳的视运动速度是不均匀的，因而真太阳 时 • 不是均匀的时间尺度。为此引入虚拟的在赤道上匀速运行的 • 平太阳，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。 •（3）平太阳时:以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定 的 • 时间。 •（4）计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳 • 秒；
•第一节 地球的运转
•⑤
• :地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面
黄道
与赤道面的夹角，称为黄赤交角，约为 。
• ⑥ 春分 • :当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时
• 4）黄 极
•天 球
•黄道
•黄赤交角23°27′
第一节 地球的运转
2. 地球自转：绕其自身旋转轴的转动。周期为24小时。 • 2.1 地轴方向相对于空间的变化：由于日月等天体的影响 及地球自身的不规则，地球自转轴方向是不断变化的。
• 1）岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作 用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变 ，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天 文学中称为岁差。
第一节 地球的运转
① 行星运行的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与 太阳的质心相重合
② 行星质心与太阳质心间的距离向量，在相同的时间 内所扫过的面积相等
③ 行星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比 为一常量
第一节 地球的运转
• 2)天 ：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。 球
① 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天
• 其中，Δψ为黄经章动 ，ε黄赤交角
•第二节 时间系 统
•2.平太阳时（MT） •（1）真太阳时:以真太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定 的 • 时间； •（2）平太阳:由于真太阳的视运动速度是不均匀的，因而真太阳 时 • 不是均匀的时间尺度。为此引入虚拟的在赤道上匀速运行的 • 平太阳，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。 •（3）平太阳时:以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定 的 • 时间。 •（4）计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳 • 秒；
•第一节 地球的运转
•⑤
• :地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面
黄道
与赤道面的夹角，称为黄赤交角，约为 。
• ⑥ 春分 • :当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时
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
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：
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、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
第二章 坐标系统和时间系统
" "
" sin y p " cos y p 0
• 7、了解天球坐标系建立的意义和方法；
• 8、GPS时间系统。
第二章坐标系统和时间系统 2
GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标 系的特点
• GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础 上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而 GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标 系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据 进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐 标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在 地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量， 常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。
第二章坐标系统和时间系统 27
2、平地球坐标系
• 取平地极为原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格 林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz 构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 • 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x y z
如果月球的引力及其运行的轨道都 是固定不变的，同时忽略其它行星引力 的微小影响，那么日月引力的影响，仅 将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢 地旋转，构成一个圆锥面；这时，在天 球上，北天极的轨迹近似地构成一个以 北黄极n为中心，以黄赤交角为半径 的小圆。在这个小圆上，北天极每年西 移约为50.371"。周期大约为25800年。
一、地球坐标系 1、地球直角坐标系 • 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴 在赤道平面里与XOZ构成球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地 球自转轴重合。空间点位臵在该坐标系中表述为 （L，B，H）。
" sin y p " cos y p 0
• 7、了解天球坐标系建立的意义和方法；
• 8、GPS时间系统。
第二章坐标系统和时间系统 2
GPS定位所采用的坐标系与经典测量的坐标 系的特点
• GPS卫星的运行是建立在地球与卫星之间的万有引力基础 上的，而经典大地测量主要是以几何原理为基础的，因而 GPS定位中采用的地球坐标系的原点与经典大地测量坐标 系的原点不同。经典大地测量是根据本国的大地测量数据 进行参考椭球体定位，以此参考椭球体中心为原点建立坐 标系，称为参心坐标系。而GPS定位的地球坐标系原点在 地球的质量中心，称为地心坐标系。因而进行GPS测量， 常需进行地心坐标系与参心坐标系的转换。
第二章坐标系统和时间系统 27
2、平地球坐标系
• 取平地极为原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤道面与格 林尼治子午线的交点，y轴指向经度270度的方向，与xoz 构成右手系统而成的坐标系统称为平地球坐标系。 • 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
x y z
如果月球的引力及其运行的轨道都 是固定不变的，同时忽略其它行星引力 的微小影响，那么日月引力的影响，仅 将使北天极绕北黄极以顺时针方向缓慢 地旋转，构成一个圆锥面；这时，在天 球上，北天极的轨迹近似地构成一个以 北黄极n为中心，以黄赤交角为半径 的小圆。在这个小圆上，北天极每年西 移约为50.371"。周期大约为25800年。
一、地球坐标系 1、地球直角坐标系 • 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴 指向地球赤道面与格林尼治子午面的交点，Y轴 在赤道平面里与XOZ构成球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地 球自转轴重合。空间点位臵在该坐标系中表述为 （L，B，H）。
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图2 地心、参心空间直角坐标系
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(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，
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
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。
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
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
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
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
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。
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 GDZ80
图1 坐标系统分类图
坐标系统的分类和常用坐标系统
rads-1 ➢ 椭球扁率:f84=1/298.257223563
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
用途：
2）ITRS与ITRF
国际大地测量局采用和IGS精密星历基于此系统
定义：
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。
❖ 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
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。
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）
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：
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）
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
10-6 ➢ 地球自转角速度：=729211510-11 0.15 10-11
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；
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
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
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
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。
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。
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
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
பைடு நூலகம்
❖ 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；
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(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，
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
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。
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
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
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
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
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。
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 GDZ80
图1 坐标系统分类图
坐标系统的分类和常用坐标系统
rads-1 ➢ 椭球扁率:f84=1/298.257223563
坐标系统的分类和常用坐标系统> ＧＰＳ常用坐标系
用途：
2）ITRS与ITRF
国际大地测量局采用和IGS精密星历基于此系统
定义：
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。
❖ 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
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。
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）
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：
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）
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
10-6 ➢ 地球自转角速度：=729211510-11 0.15 10-11
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；
二、坐标系统的分类和常用坐标系统
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
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
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。
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。
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
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
பைடு நூலகம்
❖ 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；