空间坐标系#航天工程系列

描述物体在空间的位置、运动速度和运动轨迹等需要在一定的坐标系中进行。航天测控中，坐标系是表述运载器和航天器在空间运动的参照系，是研究与实施导航、定位、天体测量和航天器发射、跟踪测量以及定轨等的基础。

为了建立一个坐标系，需要确定 4 个要素，即原点、基准平面、主轴和第 3 个坐标轴。其中：原点是坐标系在物理上可确认的起点；基准平面包含坐标系的两个轴；建立了基本平面后，可以通过定义一个始于原点并与该平面垂直的单位矢量来建立第 1 个轴，之后确定主轴，主轴的单位矢量可以通过在基准平面内定义从原点到某个可见的、遥远的物体（如某个星体）的指向得到；有了这两个轴的方向，通过右手法则可以确定第 3 个轴的方向。由此 4 个元素即可建立起坐标系。

右手系(right-hand system)是在空间中规定直角坐标系的方法之一。此坐标系中x轴，y轴和z轴的正方向是如下规定的：把右手放在原点的位置，使大姆指，食指和中指互成直角，把大姆指指向x轴的正方向，食指指向y轴的正方向时，中指所指的方向就是z轴的正方向。也可以按如下方法确定右手(左手)坐标系：如果当右手(左手)的大拇指指向第一个坐标轴(x轴)的正向，而其余手指以第二个轴(y轴)绕第一轴转动的方向握紧，就与第三个轴(z轴)重合，就称此坐标系为右手(左手)坐标系。

根据坐标系原点所在位置不同，航天测控中常用到以下几种坐标系。

1. 原点在地心的坐标系

包括地心赤道坐标系、地心轨道坐标系、地心黄道坐标系、2000 国家大地坐标系（CGCS2000）等。

原点：位于地心。

基准平面：地球赤道平面。

轴向：第一轴OZ，指向国际地球自转服务（IERS）参考极方向，定向与国际时间局

（BIH）的定向一致；主轴OX，为 IERS 参考子午面与通过原点且同Z 轴正交的赤道面的

交线；第三轴OY，与OX和OZ构成右手直角坐标系。

2. 原点在日心的坐标系

包括日心黄道坐标系、J2000.0 日心坐标系、日心球面黄道坐标系和日心球面赤道坐标系等。当原点在行星（水星、金星、火星、木星、土星、天王星和海王星）中心时，所定义的坐标系与日心坐标系类似。

原点：位于日心。

基准平面：对应历元 2000.0 时刻的日平赤道。

轴向：M 为日心到空间点 N 的距离，α 为赤经，δ 为赤纬。

3. 原点在地球表面的坐标系

包括发射坐标系、发射惯性坐标系、水平定向坐标系、航天器（返回）坐标系、大地坐标系(h,L,B)和逃逸飞行器发射坐标系等。

原点：位于格林尼治子午线与地球赤道的交点。

基准平面：地球赤道平面。

轴向：h 为从参考椭球表面量起的法向距离（高度），L 为大地经度，B 为大地纬度。

4. 原点在航天飞行器质心的坐标系

包括运载火箭箭体坐标系、速度坐标系、惯性平台坐标系、运载火箭箭体球面坐标系、航天器轨道坐标系、航天器直角坐标系、逃逸飞行器体坐标系、逃逸飞行器质心坐标系、逃逸飞行器速度坐标系、船箭对接坐标系和卫星本体坐标系等。

原点：位于航天器质心。

基准平面：航天器轨道平面。

轴向：主轴OZ在航天器轨道平面内，指向航天器到地心的方向；OX在航天器轨道平面内，垂直OZ轴，指向航天器运动方向；OXYZ为右手直角坐标系。