第二章GPS坐标系统
GPS系统介绍
1 目 录第一章第一章 概述 ..................................................................................................... 2 一、GPS 的发展历史 ................................................................................ 2 二、GPS 系统构成系统构成.................................................................................... 4 三、GPS 的用途及使用现状 ..................................................................... 6 第二章第二章 GPS 信号及定位原理信号及定位原理........................................................................... 7 一、GPS 信号的基本结构信号的基本结构......................................................................... 7 二、GPS 信号的合成 ................................................................................ 9 三、GPS 的时间系统 .............................................................................. 10 四、GPS 坐标系 ..................................................................................... 11 五、GPS 定位原理定位原理.................................................................................. 14 六、GPS 定位方法分类定位方法分类........................................................................... 16 第三章第三章 GPS 接收机 ....................................................................................... 18 一、GPS 接收机的分类接收机的分类........................................................................... 18 二、GPS 接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理 ........................................................ 20 三、GPS 导航接收机的重要指标 ............................................................ 27 第四章第四章 车载GPS ........................................................................................... 28 一、车载GPS 的基本功能 ..................................................................... 28 二、车载GPS 定位导航系统模块组成 .................................................... 30 第五章第五章 GPS 现代化计划与第三信号L5 ......................................................... 312 第一章 概述导航的定义是“使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。
二、GPS系统的组成及信号结构
地面监控部分 通信和辅助系统 通信和辅助系统是指地面监控系统中负责数据传输以及提 供其他辅助服务的机构和设施，全球定位系统的通信系统 供其他辅助服务的机构和设施， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 由地面通信线，海底电缆及卫星通信等联合组成，此外， 美国国防制图局将提供有关极移和地球自转的数据以及各 监测站的精确地心坐标， 监测站的精确地心坐标，美国海军天文台将提供精确的时 间信息。 间信息。
2、GPS卫星的信号结构 GPS卫星的信号结构 测距码 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 测距码是用于测定从卫星至接收机间的距离的二进制码,GPS 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 卫星中所用的测距码从性质上讲属于伪随机噪声码(PRN) 粗码（ C/A码 A 、粗码（ C/A码)
用户部分 接收机、 组成：GPS接收机 气象仪器、计算机、 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器 设成。 设成。
接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 接收机按用途分导航型、测量型、授时型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星信号频率分单频型、双频型。 按接收的卫星类型分单星、 按接收的卫星类型分单星、多星
用户部分
GPS接收机：天线单元，信号处理部分， GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和电源 接收机 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高， 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰 性强。GPS天线分为单极天线 微带天线、锥型天线等。 天线分为单极天线、 性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 信号处理部分： GPS接收机的核心部分， 信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号 接收机的核心部分 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文， 处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪 距定位结果。 距定位结果。 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡 电源: 分为外接和内接电池（12V）， ），机内还有一锂电池 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池
《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。
《GPS测量电子教案》课件
《GPS测量电子教案》课件第一章：GPS测量简介1.1 GPS的发展历史1.2 GPS系统组成1.3 GPS测量原理1.4 GPS测量技术应用第二章：GPS测量设备2.1 GPS接收机介绍2.2 GPS测量设备的选购与维护2.3 GPS测量设备的使用方法2.4 GPS测量设备常见问题及解决方法第三章：GPS测量准备工作3.1 测区资料收集3.2 坐标系统转换3.3 控制点选取与布设3.4 测量计划制定与任务分配第四章：GPS测量操作流程4.1 基准站设置与架设4.2 流动站设置与架设4.3 数据采集与传输4.4 数据处理与质量检核第五章：GPS测量成果分析与应用5.1 数据处理软件介绍5.2 GPS测量成果格式与转换5.3 GPS测量成果的应用领域5.4 GPS测量成果的误差分析与改进措施第六章：GPS测量误差分析6.1 概述6.2 误差来源与分类6.3 误差分析方法6.4 误差改正与精度评价第七章：GPS测量数据处理7.1 数据预处理7.2 数据平差与优化7.3 数据质量评价与控制第八章：高级GPS测量技术8.1 实时动态GPS测量（RTK）8.2 精密GPS测量8.3 卫星激光测距技术8.4 无人机（UAV）辅助GPS测量第九章：GPS测量在工程应用中的案例分析9.1 土地测绘与规划9.2 建筑工程测量9.3 交通运输工程测量9.4 地质勘查与地震监测第十章：GPS测量发展趋势与展望10.1 卫星导航与位置服务的发展10.2 北斗导航系统与GPS的融合应用10.3 物联网与大数据技术在GPS测量中的应用10.4 未来GPS测量技术的发展方向重点和难点解析一、GPS测量原理难点解析：理解GPS信号的传输过程、接收机的定位算法以及误差来源。
二、GPS测量设备难点解析：掌握不同品牌和型号的GPS接收机的特点和适用场景，以及维护保养的方法。
三、GPS测量准备工作难点解析：理解不同坐标系统之间的转换方法，以及如何根据测量需求选取和布设控制点。
《GPS原理与应用》复习资料整理
第一章绪论1.GPS：是接收人造卫星电波，准确求顶接收机自身位置的系统。
目前世界上有那些全球性的卫星导航系统？（俄罗斯GLONASS、欧洲Galileo、中国北斗、美国GPS）欧空局的全球卫星定位系统的名称是什么？2. GPS系统组成：（1）空间星座部分：24颗卫星提供星历和时间信息，发射伪距和载波信号，提供其他辅助信息。
（2）用户部分：接收并观测卫星信号，记录和处理数据，提供导航定位信息。
（3）地面控制部分：中心控制系统，实现时间同步，跟踪卫星进行定轨。
【5个监测站、1个主控站、3个注入站】3. GPS按接收机用途分为三类：导航型、测量型、授时型；接收机由天线单元、机主机单元和电源组成。
4、精密工程测量采用那种类型的GPS接收机？5、GPS接收机中采用的是铷钟、铯钟还是石英钟？6．与传统测量方法相比，GPS系统特点：1）全球性---全球范围连续覆盖；(4~12颗)；2）全能性-—三维位置、时间、速度；3）全天侯4）实时性----定位速度快；；5）连续性；6）高精度；7）抗干扰性能好，保密性好；8）控制性强；9）观测站之间无需通视；10）提供三维坐标；11）操作简便。
7、gps有哪些新的应用领域8、GPS在测量上的用途有那些？9.常见GPS卫星信号接收机（例举几个著名的中外GPS生产厂商）：Ashtech系列GPS接收机、Trimble(天宝)系列GPS接收机、Leica(莱卡) 系列GPS接收机、中纬系列GPS接收机、南方系列GPS接收机、中海达系列GPS接收机第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统1．天球：是指以地球质心M为中心，半径r为任意长的一个假想的球体。
黄道：即当地球绕太阳公转时，地球上观测者所见到太阳在天球上运动的轨迹称为黄道黄赤交角：黄道平面与赤道平面的夹角ε称为黄赤交角，约为23.5°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γ称为春分点。
GPS测量坐标系
GPS测量坐标系GPS（全球定位系统）是一种全球性的卫星导航系统，广泛应用于定位、导航和时间同步等领域。
在GPS测量中，坐标系起着至关重要的作用。
本文将介绍GPS测量中常用的坐标系及其应用。
1. 地球坐标系（WGS84）地球坐标系是GPS测量中使用最广泛的坐标系，也是全球通用的地理坐标系。
它使用经度（longitude）和纬度（latitude）来描述地球上的位置。
经度指的是某位置距离本初子午线的东西方向距离，纬度指的是某位置距离地球赤道的南北方向距离。
WGS84坐标系是一种基于椭球面模型的坐标系，能够准确地描述地球上的各个位置。
它通常用于GPS设备和地理信息系统（GIS）中，用于定位和导航。
2. 地心坐标系（ENU）地心坐标系又称为局部大地坐标系，是一种以地球为中心的坐标系。
在地心坐标系中，地球的中心被定义为原点，x轴指向经度0°的点，y轴指向经度90°的点，z轴指向北极。
该坐标系在GPS测量中通常用于计算测量点之间的距离和方位角。
地心坐标系可以通过将地球坐标系（WGS84）中的经纬度转换为直角坐标来获得。
它具有较小的误差，适用于短距离测量和小范围应用。
3. 大地坐标系（Geodetic）大地坐标系是一种以地球为基准的坐标系，用于描述地球上的位置和形状。
它通过考虑地球的椭球形状和重力场来获得更准确的位置信息。
大地坐标系通常采用大地水准面和大地椭球体来描述地球表面的形状。
在GPS测量中，大地坐标系常用于计算测量点之间的高程差和斜距离。
4. 本地坐标系（Local）本地坐标系是一种以测量点为中心的坐标系，用于描述测量点周围的相对位置。
它是相对于地心坐标系或大地坐标系的一种局部坐标系。
本地坐标系通常用于图纸、工程测量和地理信息系统中，用于精确测量和定位。
它可以通过在地心坐标系中定义一个起始点和坐标轴方向来创建。
5. 投影坐标系（Projection）投影坐标系是将三维地理坐标映射到二维平面上的一种方式。
GPS测量常用的坐标系统
GPS测量常用的坐标系统1.WGS-84坐标系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 Geodical System-84（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BIH1984.0的启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 = 6378137m f = 1/298.2572235632.1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。
该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a = 6378245m f = 1/298.3.我国地形图上的平面坐标位置都是以这个数据为基准推算的。
3.地方坐标系（任意独立坐标系）在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。
三、坐标系统的转换在工程应用中使用GPS卫星定位系统采集到的数据是WGS-84坐标系数据，而目前我们测量成果普遍使用的是以1954年北京坐标系或是地方（任意）独立坐标系为基础的坐标数据。
因此必须将WGS-84坐标转换到BJ-54坐标系或地方（任意）独立坐标系。
目前一般采用布尔莎公式（七参数法）完成WGS-84坐标系到北京54坐标系的转换，得到北京54坐标数据。
XBJ54=XWGS84+ KXWGS84+Δx+YWGS84ξZ＂/ρ＂－ＺＷＧＳ84ξＹ＂/ρ＂YBJ54=YWGS84+ KYWGS84+ΔY-XWGS84ξZ＂/ρ＂+ＺＷＧＳ84ξX＂/ρ＂ZBJ54=ZWGS84+ KZWGS84+ΔZ+XWGS84ξY＂/ρ＂－ＺＷＧＳ84ξX＂/ρ＂四、坐标系的变换同一坐标系统下坐标有多种不同的表现形式，一种形式实际上就是一种坐标系。
GPS测量原理与应用重点
GPS测量复习指南第一章GPS系统组成GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
GPS工作卫星及其星座由21+3颗卫星组成GPS卫星星座。
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55°，各个轨道平面之间相距60°，即轨道的升交点赤经各相差60°；卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。
对地面观测者来说，最少可见到4颗，最多可见到11颗。
GPS卫星的作用如下：接收、存储导航电文；生成用于导航定位的信号（测距码、载波）；发送用于导航定位的信号，接受地面指令，进行相应操作；其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
地面监控系统包括一个主控站，三个注入站，五个监测站。
主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作；收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站；将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。
地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。
监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，井将所收集到的数据传送给主控站。
地点：夏威夷、主控站及三个注入站。
注入站（3个）作用:将导航电文注入GPS卫星。
地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。
第二章、坐标系统和时间系统能解释时间系统名词，分析或判断或选择时间系统。
1.恒星时ST以春分点为参考点，由春分点周日视运动所确定的时间系统。
春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日。
恒星时=春分点相对于本地子午圈的时角恒星日=24个恒星小时=1440个恒星分=86400个恒星秒，以地球自转为基础，是地方时，两点间的恒星时之差等于两点间的经度之差。
2.真太阳时和平太阳时真太阳时以地球自转为基础，以太阳中心为参考点。
太阳时=太阳相对于本地子午圈的时角太阳时长度不同，不具备时间系统条件平太阳时以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统为平太阳时系统以地球自转为基础，以平太阳中心为参考点周年是运动轨迹位于赤道面，角速度恒定平太阳时=平太阳相对于本地子午圈的时角是地方时原子时、国际原子时、协调世界时、GPS时以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统。
资料
WGS-84的解释WGS84:World Geodetic System 1984，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系统。
通过遍布世界的卫星观测站观测到的坐标建立，其初次WGS84的精度为1-2m，在1994年1月2号，通过10个观测站在GPS测量方法上改正，得到了WGS84（G730），G表示由GPS 测量得到，730表示为GPS时间第730个周。
WGS841996年，National Imagery and Mapping Agency (NIMA) 为美国国防部(U.S.Departemt of Defense, DoD)做了一个新的坐标系统。
这样实现了新的WGS版本：WGS（G873）。
其因为加入了USNO站和北京站的改正，其东部方向加入了31-39cm 的改正。
所有的其他坐标都有在1分米之内的修正WGS-84坐标系的几何意义是：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向（国际时间局）BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，y轴通过右手规则确定。
WGS-84地心坐标系可以与1954北京坐标系或1980西安坐标系等参心坐标系相互转换，其方法之一是：在测区内，利用至少3个以上公共点的两套坐标列出坐标转换方程，采用最小二乘原理解算出7个转换参数就可以得到转换方程。
其中7个转换参数是指3个平移参数、3个旋转参数和1个尺度参数。
WGS84点校正GPS RTK测量工作中，可以在内业或外业进行点校正工作。
点校正的目的是求解WGS-84坐标转换为用户使用坐标的转换参数。
校正方法：1．外业校正流动站获得初始化后，找到用作点校正的已知控制点．在测量点的界面中方法选择校正点，从网格点名称的列表中调出已输入的已知点，WGS-84坐标可通过实测得到，测量完毕后自动显示到校正界面，进行点校正，点击应用即可。
此时GPS点名称将自动变为在网格点名称加后缀＿GPS的形式，在已知点上测3分钟后便能测得该点的WGS-84坐标，这样有了两套坐标系统我们就可以进行点校正了．3分钟后校正点精度达到要求，点击存储．出现点校正界面：Trimble平面要求至少3个已知平面点对应进行点校正才能看到水平残差，高程至少要求4个已知高程点对应进行点校正才能看到垂直残差．在进行完3个或3个以上平面点校正后若最大水平残差小于0.05m 则我们认为此平面点校正的精度完全能够达到厘米级测量的要求．同样在使用4个或4个以上高程点校正后，若最大垂直残差小于0.08m 则我们认为此高程点校正的精度完全能够达到厘米级测量的要求H代表horizontal 水平 V代表vertical 垂直 这是两种极化方式。
《GPS》考试重点【缩印版】
◆GPS的概念:GPS是NAVSTAR/GPS的简称，全名应为Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”。
*GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统。
采用空间的后方交会法，既距离交会法第一章绪论◆美国政府的GPS政策 SPS PPS SA AS标准定位服务SPS：包括定位服务和定时服务,这一服务是全天候,全球性的。
对一切用户开放，不直接向用户收费。
精密定位服务PPS：由国防部DOD控制，连续在全球范围内提供定位定时和测速服务，服务对象限于美军以及国防部DOD有专门协定的盟军。
未经批准的民用部门不得使用。
SA政策（1）在卫星的广播星历中人为地加入误差，以降低卫星星历的精度，即ε技术。
（降低已知点的坐标精度）2）有意识地使卫星钟频产生一种快速的抖动。
产生的效果相当于降低了钟的稳定度，从而影响导航定位精度，这就是δ技术。
AS政策AS政策是美国国防部为防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰而采取的一种措施。
具体做法是在P码上加上严格保密的W码，使其模二相加产生完全保密的Y码。
（1994年1月31日起实施）。
是一种防卫性的措施。
一般采用Z跟踪技术就仍然能利用P码进行测距。
◆子午卫星系统及其局限性：由6颗卫星组成，卫星轨道高度为1075km，轨道倾角约900，周期为107min。
精度：绝对定位1m，相对定位0.1~0.5m，定位原理:多普勒定位技术。
优点：全天候；全球覆盖；自动定位；定位精度较高。
缺点：（1）卫星数少（6颗），不能实现连续实时导航定位；卫星运行高度低，难以实现精密定位；（3）观测时间长。
◆GLONASS全球导航卫星系统前苏联——俄罗斯。
采用距离交会法。
由24颗卫星组成（21颗工作，3颗在轨备用）；分布在三个轨道倾角为64.8°的轨道平面上。
每个轨道上8颗卫星。
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Z
zs
δ
地心
x
y
α
天球坐标系
GPS原理及应用
GPS原理及应用
天球球面坐标系与天球直角坐标系
天球球面坐标(celestial spheric coordinate): 赤经α、赤纬δ 、 向径r
天球直角坐标(celestial
Cartesian)：x、y、z
Z
x cos cos
y
协议地球坐标系的两种表达形式：空间直角坐 标系和大地坐标系。
GPS原理及应用
GPS原理及应用
2.2协议地球坐标系
GPS原理及应用
GPS原理及应用
空间直角坐标系统（X、Y、Z）和大地坐标系 （L、B、H），他们相互之间的转换关系如下（各 参数意义见控制测量学）
B arctan
Z Ne
GPS原理及应用
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二、站心坐标系（了解）
以测站处为原点的空间直角坐标系统，这是一 种常用于公式推导的过渡性坐标系统。
GPS原理及应用
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地心坐标与站心坐标
•站心坐标（topocentric coordinate or local-level system or east-north-up) 与地心坐标(geocenter coordinate)的关系为：
在GPS卫星定位测量中，通常在协议天球坐标系中研究 卫星运动轨道，而在协议地球坐标系中研究地面点坐标 这样就需要在两个坐标系中进行变换。 由于两坐标系原点相同，瞬时天球和瞬时地球坐标系Z 轴指向相同，所以转换按下列步骤进行： 协议天球坐标系→瞬时天球坐标系→瞬时地球坐标系→
协议地球坐标系。
GPS原理及应用
X
2
Y
2
L arctan Y X
X 2Y2
H
N
cos B
GPS原理及应用
X NHcosBcosL
Y
N
HcosBsinL
LN1e2 H sinB
GPS原理及应用
2.3 协议地球坐标系和协议天球坐标系的转换
1地球是一个质量均匀的球体，只受到太阳引力作用
2地球旋转轴在空间的方向不变。
实际上上述两项假设并不严格成立，所以地球极轴
的指向、地球赤道面和黄道面夹角、春分点位置并
非绝对不变，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。极轴的
变化是极其复杂的，处理这一问题目前是采用将其
分解为有两种规律的运动，称为岁差和章动，极轴
赤道 春分点 Ps Πs
GPS原理及应用
天球的基本概念
春分点——太阳从南半球向北 半球运行时，黄道与赤道的 交点。
秋分点——太阳从北半球向南 半球运行时，黄道与赤道的 交点。
建立天球坐标系的基准点和基 准面
Πn Pn
黄道 ε 黄赤交角
赤道 春分点 Ps Πs
GPS原理及应用
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天球坐标系的概念
春分点除因地球自转轴方向 改变引起的变化外，还因黄 道的缓慢变化（行星引力对 地球绕日运动轨道的摄动） 而变化，称为行星岁差 (GplPaSn原e理t p及re应c用ession)。
r
II
P
岁差与章动的叠加
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岁差与章动的影响
在岁差和章动影响下，瞬时天球坐标系的轴向是不断 变化的，这样的坐标系称为非惯性坐标系，不利于 研究行星的运动规律，因此需要建立一种轴向稳定 不变的天球坐标系统。由于这样的天球坐标系统， 是通过国家间协商建立的标准坐标系统，所以称为 协议天球坐标系统。
GPS原理及应用
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2.2协议地球坐标系
地面上的点被认为是相对于地球固定不变的， 所以其参照系统应是与地球体固连的坐标体系， 目前普遍采用的就是所谓大地坐标系统。但是由 于地球质量不均匀，并且存在内部运动，导致了 地球的旋转轴相对于地球体并不是固定不变的， 这种现象称为极移。类似于协议天球坐标系，国 际大地测量协会和国际天文联合会规定了一个所 谓的协议地极（CTP)，以协议地极为极点的地 球坐标系，就称为协议地球坐标系。
GPS原理及应用
2.4国家坐标系和地方坐标系
一、地球参心坐标系 坐标原点在参考椭球体中心而不在地球质心，通 常在大地水准面差距平方和为最小的条件下，得 到的坐标系统都是参心坐标系。参心坐标系能使 大地水准面和参考椭球面有最好的符合，而地心 坐标系更适合空间大地测量的需求，两者各有其 适应范围。所以，我国同时建立了80参心坐标系 和80地心坐标系。
x
x
y R RZxZARyARZAy
zMt
zMt0
式中，A,A,ZA 为岁差参数。
(2-1)
GPS原理及应用
GPS原理及应用
黄经章动和交角章动
GPS原理及应用
GPS原理及应用
⑵ 章动旋转变换(nutation rotation transform) 在已进行岁差旋转变换的基础上，还要进行章动旋转 变换。
GPS原理及应用
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概述
需要指出的是，两种坐标系统理论上原点都是地 球的质心，Z轴指向地球旋转轴，差别仅在于X（Y） 轴是否随地球转动而转动。另外从地球公转的角度 看，两种坐标系均是运动的。
GPS原理及应用
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第二章坐标系统与时间系统
2.1协议天球坐标系 2.2协议地球坐标系 2.4国家坐标系和地方坐标系 2.5时间系统
GPS原理及应用
GPS原理及应用
天球的基本概念
天球——以地心为球心，以任意 Πn 长为半径的球体。
天轴——地球旋转轴所在直线。
天极——天轴与天球面的交点。 Pn 、Ps。
天球赤道面——过球心且与天轴 垂直的平面。
黄道面——地球公转轨道所在平 面，与赤道面夹角为23.5°。
GPS原理及应用
Pn
黄道 ε 黄赤交角
GPS原理及应用
GPS原理及应用
概述
一个完整的坐标系统是由坐标系和基准两方面 要素所构成的。坐标系指的是描述空间位置的表达 形式，而基准指的是为描述空间位置而定义的一系 列点、线、面。在大地测量中的基准一般是指为确 定点在空间中的位置，而采用的地球椭球或参考椭 球的几何参数和物理参数，及其在空间的定位、定 向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度 的定义。
z r sinh
r x2 y2 z2
A arctany / x
ห้องสมุดไป่ตู้
h arctan z
r
c
os
s in
z sin
或
r x2 y2 z2
arctan y x
arctan
z
GPS原理及应x 2 用 y 2
P
r
θ
δ
O
Y
α
X
图2-4 球面坐标系与直角坐标系
GPS原理及应用
岁差与章动的影响
天球坐标系建立是基于下列假设：
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概述
确定物体的位置需要一个参照系，测量上的参照 系，就是各类坐标系统，卫星的运动是在受到地球引 力情况下的惯性运动，与地球的自转无关，所以要描 述卫星的位置，应该引入一个不随地球自转变化的坐 标系统（天球坐标系统）。另一方面，地球表面的测 站点，空间位置随地球自转而变化，但是在地面的观 测者看来，其位置是固定不动的，所以描述其位置， 需要一个随地球自转而变化的坐标系统（地球坐标 系）。
x
x
y RxRZRxy
zCt
zMt
(2-2) 式 中 ， ε 为 所 论 历 元 的 平 黄 赤 交 角 (mean angle between ecliptic and equator)。, 分别为黄经 章动(nutation in longitude)和交角章动(nutation in obliquity)参数。
的运G动PS则原被理认及为应用是两者的叠加。
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岁差(precession)与章动(nutation)
日、月对地球的引力 (gravitation)产生力矩 (moment)，使地球自转轴的 方向在天球上缓慢地运动。
地球自转轴的变化引起与它垂 直的赤道面的倾斜，从而使春 分点(vernal equinox)（黄道 与赤道的交点—intersection of
岁差(precession)与章动(nutation)
地球自转轴的长周期变化约
25800 年 绕 黄 极 一 周 。 使 春
分点产生每年约50.2″的长
期变化，称之为日月岁差
(sun
and
moon
precession)。
一系列短周期变化中幅值最 大的约为9″，周期为18.6年， 这些短周期变化称之为章动 (nutation)。
地球在自转及公转 中旋转轴（极轴） 指向不变，而公转 的轨道平面也是不 变的，所以天球赤 道面和黄道面的交 点－春分点和秋分 点是固定不变的。
Πn Pn
黄道 ε 黄赤交角
赤道 春分点 Ps Πs
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天球坐标系的概念
1）天球空间直角坐标系
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协议天球坐标系
1）瞬时天球坐标系：z轴指向瞬时北天极，x轴 指向瞬时春分点（真春分点）。
2）平天球坐标系：z轴指向平北天极，x轴指向 平春分点。
3）协议天球坐标系
1984年1月1日后，取2000年1月15日的平 北天极为协议北天极，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。