航天常用坐标系

一、英文缩写说明
CIO:国际协议原点(考虑极移与章动)
CRF:协议天球参考框架
CTS:协议地球坐标系
ECEF:地心地固坐标系
ECI:地心惯性坐标系
ECSF:地心空间坐标系
ECEI:地心椭球惯性坐标系(地心黄道惯性坐标系)
ECF: 地心固定坐标系


二、坐标系解析
1. 笛卡尔坐标系
01—笛卡尔坐标系有两种:
右手系和左手系;其中,
右手系分为:CTS(包括ECEF, 其中ECEF可以是直角系或椭球系或大地坐标系)、

CRF(包括ECI、ECSF和ECEI)和星固坐标系;
左手系有:当地坐标系(站星坐标系)!


2. ECEF 地心地固坐标系
02—ECEF:
1)原点-地球几何中心(地球质心);
2)Z轴-地球平均自转极点(CIO);
3)X轴-子午线与赤道交点;
4)Y轴-右手系决
定!


3. ECI 地心惯性坐标系
03—ECI:
1)原点-地球质心;
2)Z轴-地球平均自转极点(CIO);
3)X轴-春分点(每年春分点均会发生变动,参考J2000.0);
4)Y
轴-右手系决定!

地心惯性坐标系(ECI×J2000历元坐标系)
地心惯性坐标系是太阳系内的一个惯性坐标系,不随地球而转动,也不受地球、DAC6574IDGS太阳运行的章动和岁差的影响。其坐标原点位于地心0e;OeX轴位于赤道平面内,指向特定某一年(历元时刻)的太阳春分点位置;Oez轴指向某一年(历元时刻)地球北极的平均位置处;Ocy轴位于赤道平面内,与0eX轴垂直,且与0cX、9ez构成满足右手定则的笛卡儿直角坐标系。由于采用的历元时间不同,可以有各种不同的地心惯性坐标系,目前国际上通用的地心惯性坐标系是12.000历元坐标系,它是以公元20.OO年的春分点为基准的历元坐标系。

在空间保持静止或匀速直线运动(无加速度)的坐标系称为惯性坐标系。所有惯性器件在测量轴方向产生的都是惯性系下的测量结果。此外,还需要在惯性系下完成卫星绕地球的位置和速度的估计。对于近地卫星,通常采用地心惯性(ECI)坐标系。


4. ECSF 地心空间坐标系
04—ECSF==ECI!


5. ECEI 地心椭球惯性坐标系(地心黄道惯性坐标系)
05—ECEI:1)原点-地球几何中心(地球质心);2)Z轴-椭球极轴(黄道极-地球公转 轨迹在地球表面投影轨迹形成);3)X轴-春分点
(每年春分点均会发生变动,参考J2000.0);4)Y轴-右手系决定!


6. ECF 地心固定坐标系
地心固定坐标系(ECF)(WGS84坐标系)
地心固定坐标系的坐标原点位于地心0c,Oez轴指向地球北极,Oe凭轴位于赤道平面内指向地理经度的零点,Oey轴根据右手定则确定。地心固
定坐标系为笛卡尔直角坐标系,该坐标系在宇宙空间中相对地球静止,伴随地球自转和公转。


7.星固坐标系
06—星固坐标系:1)原点-卫星质心;2)Z轴-指向地心或者与天线指向平行方向;3) Y轴-平行太阳能面板(若面板不对称,Y轴指向何
方?);4)X轴-右手系决定!


8. 当地坐标系
07—当地坐标系:1)Z轴-垂直水平面向上;2)X轴-指向大地北;3)Y轴-指东;4)X- Y面构成水平面!


9. 坐标系转换
08—若原点相同的系可以归属为同一类笛卡尔坐标系!
09—不同的笛卡尔坐标系转换公式:X(new)=X(原点坐标差)+U * R * X(old)!
10—X(ECEF) = R(M) * R(S) * R(N) * R§ * X(ECI)
11—X(ECEI) = R1(-ems) * X(ECI)
12—IAU 2000框架下:X(ECEF0 = R(M) * R(S) * R(NP) * X(ECI)
13—不同的坐标可以通过R1、R2、R3矩阵进行转换!


一、参心坐标系

reference-ellipsoid-centric coordinate system

是以 参考椭球的几何中心为原点的 大地坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。

通常分为:参心空间直角坐标系(以x,y,z为其坐标元素)和参心大地坐标系(以B,L,H为其坐标元素)。参心坐标系是在参考椭球内建立的O-XYZ坐标系。原点O为参考椭球的几何中心,X轴与赤道面和首子午面的交线重合,向东为正。Z轴与旋转椭球的短轴重合,向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成右手系。在测量中,为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标,通常须选取一参考椭球面作为基本参考面,选一参考点作为大地测量的起算点(大地原点),利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。

参心大地坐标的应用十分广泛,它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论,参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系,为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定。

北京54和西安80均为参心坐标系。

二、地心坐标系

geocentric coordinate system

以地球质心为原点建立的空间直角坐标系,或以球心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系。
以地球质心(总椭球的几何中心)为原点的大地坐标系。通常分为地心空间直角坐标系(以x,y,z为其坐标元素)和地心大地坐标系(以B,L,H为其坐标元素)。地心坐标系是在大地体内建立的O-XYZ坐标系。原点O设在大地体的质量中心,用相互垂直的X,Y,Z三个轴来表示,X轴与首子午面与 赤道面的交线重合,向东为正。Z轴与地球 旋转轴重合,向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成 右手系。

产生的背景

20世纪50年代之前,一个国家或一个地区都是在使所选择的参考椭球与其所在地区的大地水准面最佳拟合的条件下,按弧度测量方法来建立各自的局部大地坐标系的。由于当时除海洋上只有稀疏的重力测量外,大地测量工作只能在各个大陆上进行,而各大陆的局部大地坐标系间几乎没有联系。不过在当时的科学发展水平上,局部大地坐标系已能基本满足各国大地测量和制图工作的要求。但是,为了研究地球形状的整体及其外部重力场以及地球动力现象;特别是50年代末,人造地球卫星和远程弹道武器出现后,为了描述它们在空间的位置和运动,以及表示其地面发射站和跟踪站的位置,都必须采用地心坐标系。因此,建立全球地心坐标系(也称为世界坐标系)已成为大地测量所面临的迫切任务。

WGS-84、CGCS2000,都是属于地心坐标系。

注:资料来源于网络

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