坐標系統和時間系統第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第二章坐標系統和時間系統2.1天球坐標系與地球坐標系2.2WGS-84坐標系和我國大地坐標系2.3坐標系統之間的轉換2.4時間系統第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系

全球定位系統（GPS）的最基本任務是確定用戶在空間的位置。用戶的位置，實際上是指該用戶在特定坐標系的位置坐標，位置是相對于參考坐標系而言的，為此，首先要設立適當的坐標系。坐標系統是由原點位置、3個坐標軸的指向和尺度。根據坐標軸指向的不同，可劃分為兩大類坐標系：天球坐標系和地球坐標系。 由于坐標系相對于時間的依賴性，每一類坐標系又可劃分為若干種不同定義的坐標系。不管采用什么形式，坐標系之間通過坐標平移、旋轉和尺度轉換，可以將一個坐標系變換到另一個坐標系。第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2.1.1天球坐標系

天球空間直角坐標系的定義地球質心O為坐標原點，Z軸指向天球北極，X軸指向春分點，Y軸垂直于XOZ平面，與X軸和Z軸構成右手坐標系。則在此坐標系下，空間點的位置由坐標（X，Y，Z）來描述。

黃道：地球繞太陽公轉的軌道平面與天球相交的大圓。

春分點：赤道平面和黃道的兩個相交點的一個（另一個是秋分點）。冬至后，太陽從南向北移動，在春分那一天通過這一點第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2.1.1天球坐標系

2．天球球面坐標系的定義地球質心O為坐標原點，春分點軸與天軸所在平面為天球經度（赤經）測量基準——基準子午面，赤道為天球緯度測量基準而建立球面坐標。空間點的位置在天球坐標系下的表述為（r，α，δ）。球面坐標系適于描述人造衛星的位置。直角坐標系與球面坐標系

第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系3.直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數間的轉換

對同一空間點，天球空間直角坐標系與其等效的天球球面坐標系參數間有如下轉換關系：第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2.1.2地球坐標系

1．地球直角坐標系的定義地球直角坐標系：原點O與地球質心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向地球赤道面與格林尼治子午圈的交點，Y軸在赤道平面里與XOZ構成右手坐標系。

2.地球大地坐標系的定義地球大地坐標系：地球橢球的中心與地球質心重合,橢球的短軸與地球自轉軸重合。空間點位置在該坐標系中表述為（L，B，H）。

大地坐標系適于大地測量中表示地面點的位置。直角坐標系和大地坐標系第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2.1.2地球坐標系3.直角坐標系與大地坐標系參數間的轉換對同一空間點，直角坐標系與大地坐標系參數間有如下轉換關系：第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2.1.3站心赤道直角坐標系與站心地平直角坐標系1．站心赤道直角坐標系

如圖2-3，P1是測站點，O為球心。以O為原點建立球心空間直角坐標系。以P1為原點建立與相應坐標軸平行的坐標系叫站心赤道直角坐標系。顯然，同坐標系有簡單的平移關系：

第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.1天球坐標系和地球坐標系2．站心地平直角坐標系以P1為原點，以P1點的法線為z軸（指向天頂為正），以子午線方向為x軸（向北為正），y軸與x，z垂直（向東為正）建立的坐標系叫站心地平直角坐標系。站心地平直角坐標系與站心赤道直角坐標系的轉換關系如下

站心地平直角坐標系能夠比較直觀方便的描述衛星與觀測站之間的瞬時距離、方位角和高度角，了解衛星在天空中的分布情況。第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.2WGS-84坐標系和我國大地坐標系

2.2.1WGS-84坐標系

WGS-84的定義：原點在地球質心，Z軸指向BIH1984.0定義的協定地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構成右手坐標系。它是一個地固坐標系。

WGS-84橢球及其有關常數：WGS-84采用的橢球是國際大地測量與地球物理聯合會第17屆大會大地測量常數推薦值，其四個基本參數

長半徑：a=6378137±2（m）；地球引力常數：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；

正常化二階帶諧系數：C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；

J2=108263×10-8

地球自轉角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.2WGS-84坐標系和我國大地坐標系

2.2.2國家大地坐標系1.1954年北京坐標系（BJ54舊）

坐標原點：前蘇聯的普爾科沃。參考橢球：克拉索夫斯基橢球。平差方法：分區分期局部平差。存在的問題：（1）橢球參數有較大誤差。（2）參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統性傾斜。（3）幾何大地測量和物理大地測量應用的參考面不統一。（4）定向不明確。第十二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.2WGS-84坐標系和我國大地坐標系

2.1980年國家大地坐標系（GDZ80）

坐標原點：陜西省涇陽縣永樂鎮。 參考橢球：1975年國際橢球。 平差方法：天文大地網整體平差。特點： （1）采用1975年國際橢球。 （2）參心大地坐標系是在1954年北京坐標系基礎上建立起來的。 （3）橢球面同似大地水準面在我國境內最為密合，是多點定位。 （4）定向明確。 （5）大地原點地處我國中部。 （6）大地高程基準采用1956年黃海高程。第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.3坐標系統之間的轉換

2.3.1不同空間直角坐標系統之間的轉換1.旋轉矩陣2.微分旋轉矩陣

由于一般

為微小角，可取：第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.3坐標系統之間的轉換

2.3.1不同空間直角坐標系統之間的轉換3.不同空間直角坐標系統轉換公式

上式即為兩個不同空間直角坐標系的轉換模型，通過該模型，利用重合點的兩套坐標值（X1，Y1，Z1）（X2，Y2，Z2）采取平差的方法可以求得轉換參數。求得轉換參數后，再利用上述模型進行各點的坐標轉換。第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.4時間系統概述

2.4.1恒星時ST

定義：以春分點為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。

(周日視運動：由于地球每天自西向東自轉一周，造成了太陽每天早上從東方升起，晚上又從西方落下的自然現象。因為這種現象是地球自轉造成的人的視覺效果，所以天文學上把太陽的這種運動叫做周日視運動。)

計量時間單位：恒星日、恒星小時、恒星分、恒星秒； 一個恒星日=24個恒星小時=1440個恒星分=86400個恒星秒

分類：真恒星時和平恒星時。2.4.2平太陽時MT

定義：以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為平太陽時。(平太陽：在天赤道上運行的假想天體，其速度為太陽周年運動平均速度)

計量時間單位：平太陽日、平太陽小時、平太陽分、平太陽秒； 一個平太陽日=24個平太陽小時=1440平太陽分=86400個平太陽秒。 平太陽時與日常生活中使用的時間系統是一致的，通常鐘表所指示的時刻正是平太陽時。

第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五2.4時間系統概述

2.4.3世界時UT

定義：以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界時UT。2.4.4原子時IAT

原子時：以物質內部原子運動的特征為基礎建立的時間系統。

原子時的秒長：銫原子基態的兩個超精細能級間躍遷輻射振蕩9192631170周所持續的時間。

原子時的原點：1958年1月1日0時0秒2.4.5協調世界時UTC

為了兼顧對世界時時刻和原子時秒長兩者的需要建立了一種折衷的時間系統，稱為協調世界時UTC。它采用原子時秒長，但因原子時比世界時每年快約1s，兩者