GNSS原理与应用（三）——坐标系统与时间系统

目录

１、前言

２、坐标系统

２.１天球坐标系

２.１.１天球基本概念

２.１.２岁差与章动

２.１.３天球坐标系的组成与分类

２.１.４天球坐标系为什么“稳定”？ 

２.２地球坐标系

２.２.１基本概念

２.２.２分类

２.２.３极移

２.３天球坐标系与地球坐标系的转换

２.４常用的坐标系

２.４.１世界大地坐标系统

２.４.２PZ－９０坐标系统

２.４.３伽利略地球参考框架

２.４.４我国主要坐标系统

２.４.５几种坐标系统对应的全球导航系统

３、时间系统

３.１基本概念

３.１.１时刻与时间间隔

３.１.２时间系统对定位的重要性

３.２时间系统的分类

３.２.１基本分类

３.２.２世界时系统

３.２.３力学时系统

３.２.４原子时

 ３.３各种时间系统的比较

 ３.４其他长时间计时

４、课后习题

５、参考材料

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１、前言

　　物体在空间位置、运动速度及运动轨迹等都需要在一定的坐标系中来加以描述。本章节主要是对GNSS测量中所涉及的时间系统与空间系统进行简单介绍。

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２、坐标系统

２.１天球坐标系

２.１.１天球基本概念

天球：以地球质心为球心，以无穷远为半径形成的球体。

天轴：地球自转轴的延伸。

天极：天轴与天球表面的交点。

天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面。

天球赤道：天球表面与天球赤道面的交线（圈）。

时圈：过天轴的平面与天球表面的交线（圈）。

黄道：地球公转平面与天球表面的交线（圈）。

黄赤交角：天球（地球）赤道面与黄道面的夹角。

黄极：过地球质心垂直于黄道面的直线，与天球表面的交点。

秋分点：太阳在黄道面上运动（逆时针旋转），由北向南，运动到天球赤道与黄道的交点。

（在《大地测量学基础》一书中有详细解释每个元素的含义）

 加两个百度的图，辅助理解。

２.１.２岁差与章动

岁差：由于天球赤道和天球黄道的长期运动而导致的春分点的进动。

组成：按照影响因素分为：赤道岁差（日月）和黄道岁差（行星）。

特点：

章动：由于月球、太阳和各大行星与地球间的相对位置存在周期性变化，因此作用在地球赤道隆起部分的力矩也在变化，地月系质心绕日公转的轨道面也存在周期性摄动，因此在岁差的基础上还存在各种大小和周期各不相同的微小周期性变化。

岁差与章动的动态理解

岁差：北天极绕北黄极顺时针转动，周期为２５８００年。

章动：瞬时北天极围绕瞬时北黄极旋转，大致成椭圆形状，其长半轴约为９.２″，周期为１８.６年。

岁差与章动对天球的影响

不改正岁差与章动影响：瞬时真

改正章动影响：瞬时平

改正岁差与章动影响：协议

２.１.３天球坐标系的组成与分类

组成：原点＋三轴

原点：地球质心；

X轴：指向春分点；J２０００.０时的平春分点－＞GCRS

Z轴：与地球自转轴重合；

Y轴：垂直于X轴与Z轴，构成右手直角坐标系。

右手直角坐标系：伸出右手，四指并拢，虎口张开，大拇指与四指垂直。大拇指为X轴方向、四指为Y轴方向、Z轴方向垂直于手掌由手背向手心穿出。

２.１.４天球坐标系为什么“稳定”？ 

２.２地球坐标系

　　我们在GNSS测量中，直接求得的坐标一般都是地心坐标，既可以用空间大地坐标BLH表示也可以用空间直角坐标XYZ表示。

２.２.１基本概念

 ２.２.２分类

 ２.２.３极移

　　概念

　　由于地球表面的物质运动（如洋流、海潮等）以及地球内部的物质运动（如地幔的运动），会使极点的位置产生变化，这种现象称为极移。

　　瞬时真与协议

　　不考虑改正极移为真

　　为使地面固定点的坐标保持一致，由国际权威机构来统一做出规定，这就是国际地球参考系ITRS。具体规定如下：

（１）坐标原点位于包括海洋和大气层在内的整个地球的质量中心；

（２）尺度为广义相对论意义下的局部地球框架内的尺度；

（３）坐标轴指向是BIH１９８４.０来确定的；

（４）坐标轴指向随时间的变化应该满足“地壳无整体旋转”这一条件。

 ２.３天球坐标系与地球坐标系的转换

２.４常用的坐标系

２.４.１世界大地坐标系统

２.４.２PZ－９０坐标系统

 ２.４.３伽利略地球参考框架

２.４.４我国主要坐标系统

２.４.５几种坐标系统对应的全球导航系统

３、时间系统

３.１基本概念

３.１.１时刻与时间间隔

　　时间包含了“时刻”与“时间间隔”两个含义。

３.１.２时间系统对定位的重要性

　　由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不 断变化的，若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小于？(地球自转平均速度470m/s)

　　GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于？（GPS卫星运行速度平均约为3.9km/s）

　　准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误 差应小于？

３.２时间系统的分类

３.２.１基本分类

３.２.２世界时系统

　　恒星时和太阳时都是以地球自转作为时间基准的，其主要差异在于量测自转时所采取的参考点不同。

３.２.３力学时系统

３.２.４原子时

 ３.３各种时间系统的比较

 ３.４其他长时间计时

４、课后习题

1. 什么是协议天球坐标系和协议地球坐标系？
2. 什么是岁差、章动和极移？
3. 如何从协议天球坐标系转换到协议地球坐标系？
4. 试述时间系统的分类及它们之间的关系？
5. 什么是UTC和GPST？

５、参考材料

春分点_百度百科 (baidu.com)https://baike.baidu.com/item/%E6%98%A5%E5%88%86%E7%82%B9/2341604?fr=aladdin天球（天文学概念）_百度百科 (baidu.com)https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%A9%E7%90%83/494605

部分图源课程学习资料与个人复习笔记；

封面图源“深圳卫健委”。