地心地固坐标系与北天东坐标系的转换

地心地固坐标系的原点在地心,Z轴指向北极点,X轴指向本初子午线与赤道的交点,Y轴指向符合右手定则,如下图所示。
图1 地心地固坐标系

北天东坐标系的原点在任选的一点,X轴指向北,Y轴指向天,Z轴指向东,如下图所示。
图2 北天东坐标系

下面实现地心地固坐标系到北天东坐标系的转换,问题描述为:设一点在地心地固坐标系下的坐标是,设北天东坐标系的原点点在地心地固坐标系下的坐标是,点的经度和纬度分别是和。求在北天东坐标系下的坐标。


要实现坐标系转换,其实就是平移和旋转。

**第一步,**进行平移,令,相当于得到点在图3坐标系下的坐标。
图3

**第二步,**将图3的坐标系旋转成图2的样子。这里需要多次旋转,每次以某个轴为对称轴进行旋转,对应的坐标变换参考这篇文章。这里共需要3次旋转。

**(1)**以y1轴为对称轴,顺时针旋转90°,得到图4的样子。
图4

这里绕y1轴顺时针旋转90°,相当于逆时针旋转-90°,因此得到旋转矩阵:

设点在图4坐标系下的坐标是,则

(2) 以x2轴为对称轴,顺时针旋转,得到图5的样子。经过这一步旋转,x3轴和y3轴就处在过O3点的经度线所在的平面了,而且z3轴指向了东。
图5

对应的旋转矩阵为

设点在图5坐标系下的坐标是,则

(3) 以z3轴为对称轴,顺时针旋转。经过这一步,把x3轴拧向了北,y3轴拧向了天,于是得到图2中的北天东坐标系。

对应的旋转矩阵为

因此,点在北天东坐标下的坐标为

综上, 从变换到的公式可以写成:

化简得:

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