1、GPS原理及应用课件全册配套原理及应用课件全册配套 完整精品课件完整精品课件 第一章 GPS系统的组成 GPS的定位系统包括三个部分 1：地面监控部分 2：空间卫星部分 3：用户接受部分 中英文日报导航站 每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提 供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星 是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行 监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各 颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。 中英文日报导航站 地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测 组成； 中英文日报导航站 监控站的作用：监控站的作用： 监控站是无人值守的数据采集中心，其位置经精密测
2、定；主要 设备包括1台双频接收机，1台高精度原子钟，1台电子计算 机和若干台环境数据传感器。 作用如下： 利用接受机获得卫星的位置和工作状况 利用原子钟获得时间标准 利用环境传感器得到当地的气象数据 然后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态传给主控 站； 中英文日报导航站 主控站的作用主控站的作用 主控站拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算和传播设 备，作用如下： 1：收集数据：收集各监测站获得的伪距和伪距差观测值，卫星 时钟、气象参数和工作状态等； 2：数据处理：根据收集到的数据计算各卫星的星历，时钟改正， 卫星状态和大气传播改正。并将这些数据按照一定格式编成导 航电文，并及时将
3、导航电文传给注入站。导航电文的作用即在 于获得卫星的坐标； 3：时间协调： 各测站和GPS卫星的原子钟均应与主控站的原子 钟同步，或测出其间的钟差； 4：控制卫星：修正卫星的运行轨道，调用备用卫星更换失效卫 星； 中英文日报导航站 注入站的作用注入站的作用 注入站是无人值守的工作站，设有3.66m的抛物面天线，1台C波 段发射机和一台电子计算机； 其作用是将主控站编制的导航电文等资料以既定的方式注入到卫 星存储器钟，供卫星向用户发射。 中英文日报导航站 地面监控系统的工作程序为： 由监测站连续接收GPS卫星信号，不断积累测距数据，并将这些 测距数据以及气象数据、卫星状态数据等 发送到主控站；
4、主控站对测距数据进行包括电离层、对流层、相对论效应、天线 相位中心的偏移以及地球自转和时钟改正等的传播时间延迟改 正，并用卡尔曼滤波器进行连续数据平滑及最小二乘与多项式 拟合，以提供卫星的位置和速度的六个轨道根数的摄动，每个 卫星的三个太阳压力常数等； 最后注入站将主控站的导航电文注入到卫星的存储器中。 中英文日报导航站 二二 GPS卫星卫星 GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所 选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到 的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫 星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电 文，实时的计算出测站
5、的三维坐标位置，甚至三维速度和时间。 中英文日报导航站 GPS卫星的主要作用如下：卫星的主要作用如下： 1：接受地面注入站发送的导航电文和其他信号 2：接受地面主控站的命令，修正其在轨运行偏差及启用备用设 备等 3：连续地向用户发送GPS卫星导航定位信号，并用电文的形式 提供卫星的现势位置与其他在轨卫星的概略位置； GPS卫星关键在于卫星的寿命要长，时间精度要高； 中英文日报导航站 三、三、GPS接收机接收机 GPS接收机一般硬件和软件两大部分其中硬件又包括：主机、电 源和天线三个部分； 中英文日报导航站 GPS接收机 按照用途分有：导航型、测地型和授时型 按照携带形式分有：手持式、车载式等
6、按照载波频率分有：单频接收机和双频接收机 按照工作原理分有：码接收机和无码接收机 中英文日报导航站 中英文日报导航站 第二章 测量中的坐标系及其 坐标转换 中英文日报导航站 坐标转换的种类坐标转换的种类 测量中常用的坐标系 1:北京54坐标系，西安80坐标系，地方独立坐标系，WGS84 坐标系,大地坐标系，高斯克吕格平面直角坐标系， 1956和1985黄海高程系统 中英文日报导航站 北京北京54坐标系的由来及特点坐标系的由来及特点 它是一种参心坐标系，采用的是克拉索夫斯基椭球参数，并 与前苏联1942年坐标系进行联测，可以认为是前苏联1942 年坐标系的延伸，它的原点并不在北京而是在前苏联的普
7、 尔科沃。 该坐标系曾发挥了巨大作用，但也有不可避免的缺点： 1：椭球参数有较大误差； 2：参考椭球面与我国大地水准面差距较大，存在着自西向 东的明显的系统性的倾斜； 3：定向不明确； 4：几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一； 5：椭球只有两个几何参数，缺乏物理意义； 6：该坐标系是按分区进行平差的的，在分区的结合部 误差较大。 中英文日报导航站 西安西安80坐标系的由来及特点坐标系的由来及特点 它也是一种参心坐标系，大地原点位于我国陕西省泾阳县永乐镇。 1:采用的国际大地测量和地球物理联合会于1975年推荐的椭球参 数，简称1975旋转椭球。它有四个基本参数： 地球椭球长半径 a=
8、6378140m G是地心引力常数 地球重力场二阶带谐系数 地球自转角速度 2：椭球面同大地水准面在我国境内最为拟合； 3：椭球定向明确，其短轴指向我国地极原点JYD1968.0方向，大 地起始子午面平行于格林尼治平均天文台的子午面。 4：大地高程基准面采用1956黄海高程系统。 srad J smGM /10292115.7 1008263.12 /10986005.3 5 8 2314 中英文日报导航站 新北京新北京1954年北京坐标系年北京坐标系 新北京1954坐标系是由1980西安坐标系转换得来的，它是在采用 1980西安坐标系的基础上，仍选用克拉索夫斯基椭球为基准椭 球，并将椭球中心
9、平移，使其坐标轴与1980西安坐标系的坐标 轴平行。其特点如下： 1：是采用克拉索夫斯基椭球； 2：采用多点定位，但椭球面同大地水准面在我国境内并不最佳 拟合； 3：椭球定向明确，其短轴指向与我国地极原点JYD1968.0方向平 行，大地起始子午面平行我国起始天文子午面。 4：大地高程基准面采用1956黄海高程系统； 5：大地原点与1980西安坐标系相同，但起算数据不同； 中英文日报导航站 地方独立坐标系的由来及特点地方独立坐标系的由来及特点 基于限制变形、方便、实用和科学的目的，在许多城市和工程测 量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系，建立地方独 立坐标系，实际上就是通过一些参数来确定
10、地方参考椭球与投 影面。 地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭 球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其椭球半径a增 大为： 式中， 为当地平均海拔高程， 为该地区平均高程异常 在地方投影面的确定过程中，应当选取过测区中心的经线为独立 中央子午线，并选取当地平均高程面为投影面。 01 111 m H m H 0 中英文日报导航站 大地坐标系的由来及特点大地坐标系的由来及特点 大地坐标系的定义是：地球椭圆的中心与地球质心重合， 椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点 的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地 面点的椭球子午面与格林尼治平子午面的夹角，大地 高H
11、为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。 中英文日报导航站 WGS84坐标系坐标系 前面的均是参心坐标系，就整个地球空间而言，有以下 缺点： （1）不适合建立全球统一的坐标系统 （2）不便于研究全球重力场 （3）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间三维 坐标的完整性。 WGS84坐标系就是能解决上述问题的地心坐标系。 中英文日报导航站 高斯克吕格投影平面直角坐标系的由来及特点高斯克吕格投影平面直角坐标系的由来及特点 为了建立各种比例尺地形图的控制及工程测量控制，一般应将椭 球面上各点的大地坐标按照一定的规律投影到平面上，并以相 应的平面直角坐标表示。 目前各国常采用的是高斯投影和UTM投影，这两种
12、投影具有下列 特点： （1）椭球面上任意一个角度，投影到平面上都保持不变,长度投 影后会发生变形，但变形比为一个常数。 （2）中央子午线投影为纵轴，并且是投影点的对称轴，中央子 午线投影后无变形，但其它长度均产生变形，且越离中央子午 线越远，变形愈大。 （3）高斯平面直角坐标系的坐标轴与笛卡儿直角坐标系坐标轴 相反，一般将y值加上500公里，在y值前冠以带号。 （4）带号与中央子午线经度的关系为 kL nL 3 36 0,3 0,6 中英文日报导航站 高程系统的由来及特点高程系统的由来及特点 在测量中有三种高程，分别是大地高，正高，正常高， 我国高程系统日常测量中采用的是正常高，GPS测量 得
13、到的是大地高。 高程基准面是地面点高程的统一起算面，通常采用大地 水准面作为高程基准面。所谓大地水准面是假想海洋 处于完全静止的平衡状态时的海水面，并延伸到大陆 地面以下所形成的闭合曲面。 我国的高程系统目前采用的是1956黄海高程系统和1985 黄海高程系统。 中英文日报导航站 坐标系转换的种类坐标系转换的种类 1 大地坐标系与空间直角坐标系之间的转换大地坐标系与空间直角坐标系之间的转换 例如：大地坐标系与北京54坐标系之间的转换,换算关系如下， 其中N为椭球卯酉圈的曲率半径，e为椭球的第一偏心率，a、b 为椭球的长短半径。 BHeNZ LBHNY LBHNX sin)1 ( sincos)
14、( coscos)( 2 2 22 2 2 1 22 )sin1 ( / a ba e BeW WaN N B R H X arctgL W B Z ae tgarctgB cos cos Y sin 1 2 2/1222 2/122 )( ZYXR YX Z arctg 中英文日报导航站 2 大地坐标系与高斯投影平面直角坐标系之间的转换大地坐标系与高斯投影平面直角坐标系之间的转换 分为两种公式，分别是正算公式和反算公式 由大地坐标计算高斯坐标为正算公式，反之为反算公式。 正算公式如下： 式中，B为投影点的大地纬度，l=LL0,L为投影点的大地经度， L0为轴子午线的大地经度，N为投影点的卯酉
15、圈曲率半径； 为B的函数式。 622242 4442222 cos)3305861(720/ cos)495(cos2/ lBttttN lBttlBtNXx 5522242 3322 cos)5814185(120/ cos)1 (6/cos lBtttN lBtNlBNy , t 中英文日报导航站 3 直角坐标系之间的转换直角坐标系之间的转换 分为三维空间直角坐标系之间的转换，例如：北京54坐 标系与WGS84坐标系之间的转换；平面直角坐标系之 间的转换，例如：数字化仪坐标与测量坐标系之间的 转换。 通常采用布尔莎模型又称七参数法进行坐标转换。 中英文日报导航站 3.1 平面直角坐标系之间
16、的转换平面直角坐标系之间的转换 包括两种情况，一种是不同投影带之间的坐标转 换，另一种是不同平面直角坐标系之间的转换例如： 屏幕坐标系与数字化仪坐标系之间的转换通常采用四 参数法、相似变换和仿射变换。 所谓不同投影带的坐标转换又称邻带换算，它是 指一个带的平面坐标换算到相邻带的平面坐标。 利用高斯投影正反算公式进行邻带坐标换算的实 质是把椭球面上的大地坐标作为过渡坐标，其解法是 首先利用高斯投影反算公式，将(x1,y1)换算成椭球面 大地坐标(B,l1),进而得到该点经度 ，然后再 由大地坐标(B,l2) ，这里的经度差l2应为 。 再利用高斯投影坐标正算公式，计算该点在邻带的平 面直角坐标(
17、x2,y2)。 110, 1lLL 0, 212LLl 中英文日报导航站 1）平面直角坐标系之间的转换）平面直角坐标系之间的转换 假设原始坐标系为 ，转换后为 ,令P表示平面上一个未 被转换的点，P表示经某种变换后的新点，则平面直角坐标系 之间存在三种变换分别是平移变换、比例变换和旋转变换。 对于平移变换，假定 表示点P沿X方向的平移量， 为沿Y方向 的平移量。则有相应的矩阵形式为。 （1） 对于比例变换， 是给定点P相对于坐标原点沿X方向的比例系数, 是沿Y方向的比例系数，经变换后则有矩阵。 （2） y x T T y x y x y x S S yxyx 0 0 x T y T x S y
18、 S xoy yox 中英文日报导航站 对于旋转变换，先讨论绕原点的旋转，若点P相对于原点逆时针 旋转角度，则从数学上很容易得到变换后的坐标为 矩阵可以表示为： 这里的旋转角通常称为欧勒角。 称为旋转矩阵。 cossin sincos yxy yxx cossin sincos yxyx cossin sincos 中英文日报导航站 在地理信息系统中，经常会遇到同时具有以上三种变换的平面直 角坐标系的坐标换算，例如高斯坐标系与数字化仪坐标系之间 的转换。设 为数字化仪坐标系下的坐标， 为高斯坐标系下的坐标。则，可有如下变换： 共有五个参数，也即五个未知数，所以至少需要三个互相重合的 已知坐标的
19、公共点。 y x y x T T y x S S y x cossin sincos 0 0 ,yxP , yxP 中英文日报导航站 2：空间直角坐标系之间的转换：空间直角坐标系之间的转换 对于空间直角坐标系之间的转换类似于平面直角坐标系之间的转 换。假设原始坐标系为 ，转换后为,其中平移变换的矩 阵形式为 其中平移变换的矩阵形式为 比例变换的矩阵形式为 XYZO ZYXO z y x T T T z y x z y x z y x S S S zyxzyx 00 00 00 中英文日报导航站 对于旋转变换，设原始坐标系通过三次旋转转换到新坐标系,分别 是： （1）绕 轴旋转 角度， 旋转至
20、（2）绕 轴旋转 角度， 旋转至 （3）绕 轴旋转 角度， 旋转至 则 为空间直角坐标系坐标变换的三个旋转角，也称为 欧勒角，与它们相对应的矩阵分别为： xx xxx R cossin0 sincos0 001 )( 1 yy yy y R cos0sin 010 sin0cos )( 1 100 0cossin 0sincos )( 1zz zz z R z 1 OZ 11,OY OX 00 ,OYOX Y 0 OY 1 0 ,OZOX 0 2,OZ OX X 2 OX 00 ,OZOY 22,OZ OY ZYX , 中英文日报导航站 令 则有 可得 一般地，若 较小，则又有 0 Rzyxz
21、yx yxzyxzxzyxzx yxzyxzxzyxzx yzyy R coscossinsincoscossinsinsincossinsin cossinsinsinsincoscoscossinsinsincos sinsincoscos 0 0sinsinsinsinsinsin sin,sin,sin 1coscoscos zyzxyx zzyyxx zyx ZYX , )()()( 1110ZYX RRRR 中英文日报导航站 由此又得 R0通常称为旋转矩阵 1 1 1 0 xy xz yx R 中英文日报导航站 在测量中，经常会遇到既有旋转又有平移的两个空间直角坐标系 的坐标换算，
22、这里存在着三个平移参数和三个旋转参数，再顾 及到两个坐标系之间尺度的不尽一致，从而还有一个尺度变化 参数（通常情况下在（OX，OY，OZ）三个方向有相同的缩放 因子，因此可以只设只有一个尺度变化参数），共计有7个参 数，相应的坐标转换公式即为： 式中， 为三个平移参数， 为三个旋转参数，m为尺 度变化参数。 上式即为测量中两个不同空间直角坐标系之间的转换模型，在实 际中，为了求得这7个转换参数，在两个坐标系之间需要至少 有3个已知坐标的重合的公共点，列9个方程。 z y x z y x m z y x xy xz yx 1 1 1 )1 ( zyx ,zyx, GSI Japan - 21st
23、 of June 1999 中英文日报导航站 坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处 理观测数据和表达观测站位置的数学与物 理基础。 2.1坐标系统的类型坐标系统的类型 在在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：定位中，通常采用两类坐标系统： 一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转 无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。 另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表 达地面观测站的位置和处理达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方观测数据尤为方 便。便。
24、坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所 定义的。在定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球定位中，坐标系原点一般取地球 质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了 使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全 球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐 标系称为协议坐标系。标系称为协议坐标系。 2.2协议天球坐标系协议天球坐标系 1.天球的基本概念天球的基本概念 天球：指以地球质心为中心，半径天球：指以地球质心为中心，
25、半径r为任为任 意长度的一个假想球体。为建立球面坐标意长度的一个假想球体。为建立球面坐标 系统，必须确定球面上的一些参考点、线、系统，必须确定球面上的一些参考点、线、 面和圈。面和圈。 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为 天轴，天轴与天球的交点天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极北天极)Ps(南南 天极天极)称为天极。称为天极。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心天球赤道面与天球赤道：通过地球质心 与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与 天球相交的大圆为天球赤道。天球相交的大圆为天球赤道。 天球子午面与天球子午圈：包含天轴并天球
26、子午面与天球子午圈：包含天轴并 经过地球上任一点的平面为天球子午面，经过地球上任一点的平面为天球子午面， 该面与天球相交的大圆为天球子午圈。该面与天球相交的大圆为天球子午圈。 时圈时圈：通过天轴的平面与天球相交的半：通过天轴的平面与天球相交的半 个大圆。个大圆。 黄道黄道：地球公转的轨道面与天球相交的：地球公转的轨道面与天球相交的 大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上 的观测者所见到的太阳在天球上的运动的观测者所见到的太阳在天球上的运动 轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤 交角，约交角，约23.50。 黄极黄极；通过天球中心，垂
27、直于黄道面的；通过天球中心，垂直于黄道面的 直线与天球的交点。靠近北天极的交点直线与天球的交点。靠近北天极的交点 n称北黄极，靠近南天极的交点称北黄极，靠近南天极的交点 s称称 南黄极。南黄极。 春分点春分点：当太阳在黄道上从天球南半球：当太阳在黄道上从天球南半球 向北半球运行时，黄道与天球赤道的交向北半球运行时，黄道与天球赤道的交 点点 。 在天文学和卫星大地测量学中，在天文学和卫星大地测量学中，春分点春分点 和天球赤道面是建立参考系的重要基准和天球赤道面是建立参考系的重要基准 点和基准面。点和基准面。 v天球的概念天球的概念 2.天球坐标系天球坐标系 在天球坐标系中，任一天体的位置可用在天
28、球坐标系中，任一天体的位置可用 天球空间直角坐标系和天球球面坐标天球空间直角坐标系和天球球面坐标 系来描述。系来描述。 天球空间直角坐标系的定义天球空间直角坐标系的定义：原点位于：原点位于 地球的质心，地球的质心，z轴指向天球的北极轴指向天球的北极Pn， x轴指向春分点轴指向春分点 ，y轴与轴与x、z轴构成右轴构成右 手坐标系。手坐标系。 天球球面坐标系的定义天球球面坐标系的定义：原点位于地球：原点位于地球 的质心，赤经的质心，赤经 为含天轴和春分点的天为含天轴和春分点的天 球子午面与经过天体球子午面与经过天体s的天球子午面之的天球子午面之 间的交角，赤纬间的交角，赤纬 为原点至天体的连线为原
29、点至天体的连线 与天球赤道面的夹角，向径与天球赤道面的夹角，向径r为原点至为原点至 天体的距离天体的距离。 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系天球空间直角坐标系与天球球面坐标系 天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一 天体的位置时是等价的，二者可相互转换。 sin sincos coscos r z y x 22 222 yx z arctg x y arctg zyxr 3. 岁差与章动 上述天球坐标系的建立是假定地球的自转轴 在空间的方向上是固定的，春分点在天球上 的位置保持不变。实际上地球接近于一个赤 道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对 地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行
30、时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分 点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学 上称为岁差。在岁差的影响下，地球自转轴 在空间绕北黄极顺时针旋转，因而使北天极 以同样方式绕北黄极顺时针旋转。 在天球上，这种顺时针规律运动的北天极称为瞬 时平北天极（简称平北天极），相应的天球赤 道和春分点称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分 点。 在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运行 轨道以及月地之间的距离在不断变化，北天极 绕北黄极顺时针旋转的轨迹十分复杂。如果观 测时的北天极称为瞬时北天极（或真北天极）， 相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和 瞬时春分点（或真天球赤道和真春分点）。则 在日月引力等因素的影
31、响下，瞬时北天极将绕 瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。这 种现象称为章动。 4. 协议天球坐标系的定义和转换 由于岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的 坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系 统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星 的运动规律。为建立一个与惯性坐标系相接 近的坐标系，通常选择某一时刻t0作为标准历 元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极） 和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁 差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的 空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标 系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标 系（Conventional Inertial SystemCIS） 为了
32、将协议天球坐标系的卫星坐标，转换为 观测历元t的瞬时天球坐标系，通常分两步 进行。 首先将协议天球坐标系中的坐标，换算到观 测瞬间的平天球坐标系统，再将瞬时平天球 坐标系的坐标，转换到瞬时天球坐标系统 2.3 协议地球坐标系 1.地球坐标系 由于天球坐标系与地球自转无关，导致地球上 一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自 转而变化，应用不方便。 为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地 球体相固联的坐标系地球坐标系（有时 称地固坐标系）。 地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标 系和大地坐标系。 地心空间直角坐标系的定义；原点与地球质心重 合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午 面与赤道
33、的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手 坐标系。 地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球 质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬 度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角， 大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治 平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿 椭球法线至椭球面的距离。任一地面点在地球坐 标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H）， 两者可进行互换。 换算关系如下，其中N为椭球卯酉圈的曲率半径，e 为椭球的第一偏心率，a、b为椭球的长短半径。 BHeNZ LBHNY LBHNX sin)1 ( sincos)( coscos)( 2 2 22 2 2 1 22 )s
34、in1 ( / a ba e BeW WaN N B R H X y arctgL W B Z ae tgarctgB cos cos sin 1 2 2/1222 2/122 )( ZYXR YX Z arctg 2.地极移动与协议地球坐标系 地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的， 地极点在地球表面上的位置随时间而变化 的现象称为极移。地极点作为地球坐标系 的重要基准点，极移将使地球坐标系的Z轴 方向发生变化，造成实际工作困难。 国际天文学联合会和大地测量学协会在1967 建议，采用国际上5个纬度服务站，以 1900-1905年的平均纬度所确定的平均地极 位置作为基准点，平极的位置是相应上
35、述 期间地球自转轴的平均位置，通常称为国 际协议原点（Conventional International OriginCIO）。与之相应的地球赤道面 称为平赤道面或协议赤道面。至今仍采用 CIO作为协议地极（conventional Terrestrial PoleCTP），以协议地极为基准点的地 球坐标系称为协议地球坐标系 （Conventional Terrestrial System CTS），而与瞬时极相应的地球坐标系称 为瞬时地球坐标系。 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知： （1）两坐标系的原点均位于地球的质心，故其原点位置相同。 （2）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐
36、标系的Z轴指向相 同。 （3）两瞬时坐标系x轴与X轴的指向不同，其间夹角为春分点 的格林尼治恒星时。 二者的转换过程如下： 此外，地球坐标系还有其它表示形式：此外，地球坐标系还有其它表示形式： （1）地球参心坐标系）地球参心坐标系 （2）天文坐标系）天文坐标系 （3）站心坐标系）站心坐标系 （4）高斯平面直角坐标系等）高斯平面直角坐标系等 如果测量工作以测站为原点，则所构成的坐标系称为测站中心 坐标系（简你站心坐标系）。站心坐标系分为站心地平直角 坐标系和站心极坐标系。 站心地平直角坐标系是以测站的椭球法线方向为Z轴，以测站 大地子午线北端与大地地平面的交线为X轴，大地平行圈 （东方向）与大地
37、地平面的交线为Y轴，构成左手坐标系。 GPS相对定位确定的是点之问的相对位置，一般用空间直角 坐标差 或大地坐标差 表示。如果建立以 已知点为 为原点的站心地平直角坐标系则其他点 在该坐标系内的坐标 与基线向量的关系为 ZYX,HLB, 000 ,ZYX zyx, Z Y X BLBLB LL BLBLB z y x j j j 00000 00 00000 sinsincoscoscos 0cossin cossinsincossin 站 站心极坐标系是以测站的铅垂线为准，以测站点到某点的空间 距离D，高度角Z高和大地方位角A表示j点的位置 站心地平直角坐标系与站心极坐标系之间也可以转换。
38、1.经典大地测量基准经典大地测量基准 大地测量基准是由一组确定测量参考面（参考大地测量基准是由一组确定测量参考面（参考 系）在地球内部的位置和方向，以及描述参考系）在地球内部的位置和方向，以及描述参考 面形状和大小的参数来表示。一般选择一个椭面形状和大小的参数来表示。一般选择一个椭 球面作为计算的参考面。同时地球作为宇宙空球面作为计算的参考面。同时地球作为宇宙空 间的一个行星，也有重要的物理性质，间的一个行星，也有重要的物理性质，1967年年 国际大地测量协会（国际大地测量协会（IAG）推荐如下）推荐如下4个量来描个量来描 述地球椭球的基本特征：述地球椭球的基本特征： a地球椭球长半径地球椭球
39、长半径m J2地球重力场二阶带谐系数地球重力场二阶带谐系数 GM地球引力与地球质量乘积地球引力与地球质量乘积km3s-2 地球自转角速度地球自转角速度rad/s 2.卫星大地测量基准 在全球定位系统中，为了确定用户接收机的 位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统 一的地球坐标系统。 在GPS试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用 了1972年世界大地坐标系（World Geodetic System WGS-72），1987年1月10日开 始采用改进的大地坐标系统WGS-84。世界 大地坐标系WGS属于协议地球坐标系CTS， WGS可看成CTS的近似系统。 为地球重力场正常化二阶带谐系数， 等于-
40、J2/51/2 基本大地参数WGS-72WGS-84 a(m)63781356378137 或f-484.160510-6 1/298.26 -484.1668510-6 1/298.257223563 (rad/s)7.292115147 10-57.292115 10-5 GM(km3/s2)398600.8398600.5 0 , 2 C 0 , 2 C WGS-72与与WGS-84的基本大地参数的基本大地参数 2.5时间系统 1有关时间的基本概念 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确 描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要 基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。 在GPS卫星定位
41、中，时间系统的重要性表现在： 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，必须给出相应的瞬 间时刻。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2.6 10-6s。 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 10-11s 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2 10-5s。 显然，利用GPS进行精密导航和定位，尽可能 获得高精度的时间信息是至关重要的。 时间包含了“时刻”和“时间
42、间隔”两个概 念。时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文 学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻 也称历元。时间间隔是指发生某一现象所经 历的过程，是这一过程始末的时间之差。时 间间隔测量称为相对时间测量，而时刻测量 相应称为绝对时间测量。 测量时间必须建立一个测量的基准，即时 间的单位（尺度）和原点（起始历元）。 其中时间的尺度是关键，而原点可根据实 际应用加以选定。 符合下列要求的任何一个可观察的周期运 动现象，都可用作确定时间的基准： 运动是连续的、周期性的。 运动的周期应具有充分的稳定性。 运动的周期必须具有复现性，即在任何地 方和时间，都可通过观察和实验，复现这 种周期性运动。 在实践中
43、，因所选择的周期运动现象不同， 便产生了不同的时间系统。在GPS定位中， 具有重要意义的时间系统包括恒星时、力 学时和原子时三种。 2.世界时系统 地球的自转运动是连续的，且比较均匀。 最早建立的时间系统是以地球自转运动为 基准的世界时系统。由于观察地球自转运 动时所选取的空间参考点不同，世界时系 统包括恒星时、平太阳时和世界时。 恒星时(Sidereal TimeST) 以春分点为参考点，由春分点的周日视运 动所确定的时间称为恒星时。 春分点连续两次经过本地子午圈的时间间 隔为一恒星日，含24个恒星小时。恒星时 以春分点通过本地子午圈 时刻为起算原 点，在数值上等于春分点相对于本地子午 圈的
44、时角，同一瞬间不同测站的恒星时不 同，具有地方性，也称地方恒星时。 由于岁差和章动的影响，地球自转轴在空由于岁差和章动的影响，地球自转轴在空 间的指向是变化的，春分点在天球上的位间的指向是变化的，春分点在天球上的位 置也不固定。对于同一历元，所相应的真置也不固定。对于同一历元，所相应的真 北天极和平北天极，也有真春分点和平春北天极和平北天极，也有真春分点和平春 分点之分。相应的恒星时就有真恒星时和分点之分。相应的恒星时就有真恒星时和 平恒星时之分。平恒星时之分。 LAST真春分点地方时角真春分点地方时角 GAST真春分点的格林尼治时角真春分点的格林尼治时角 LMST平春分点的地方时角平春分点的
45、地方时角 GMST平春分点的格林尼治时角平春分点的格林尼治时角 零子午线 赤道 地方子午线 1 平 Pn GAST LAST GMST LMST 平太阳时（平太阳时（Mean Solar TimeMT） 由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开 普勒定律，可知太阳的视运动速度是不均匀的，普勒定律，可知太阳的视运动速度是不均匀的， 如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点， 则不符合建立时间系统的基本要求。假设一个参则不符合建立时间系统的基本要求。假设一个参 考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速考点的视运
46、动速度等于真太阳周年运动的平均速 度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的 参考点在天文学中称为平太阳。平太阳连续两次参考点在天文学中称为平太阳。平太阳连续两次 经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含 24个平太阳时。平太阳时也具有地方性，常称为个平太阳时。平太阳时也具有地方性，常称为 地方平太阳时或地方平时。地方平太阳时或地方平时。 世界时（世界时（Universal TimeUT） 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳 时称为世界时时称为世界时。世界时与平太阳时的时。世
47、界时与平太阳时的时 间尺度相同，起算点不同。间尺度相同，起算点不同。1956年以前，年以前， 秒被定义为一个平太阳日的秒被定义为一个平太阳日的1/86400， 是以地球自转这一周期运动作为基础的是以地球自转这一周期运动作为基础的 时间尺度。由于自转的不稳定性，在时间尺度。由于自转的不稳定性，在 UT中加入极移改正得中加入极移改正得UT1。加入地球。加入地球 自转角速度的季节改正得自转角速度的季节改正得UT2。虽然经。虽然经 过改正，其中仍包含地球自转角速度的过改正，其中仍包含地球自转角速度的 长期变化和不规则变化的影响，世界时长期变化和不规则变化的影响，世界时 UT2不是一个严格均匀的时间系统
48、。在不是一个严格均匀的时间系统。在 GPS测量中，主要用于天球坐标系和地测量中，主要用于天球坐标系和地 球坐标系之间的转换计算。球坐标系之间的转换计算。 3.原子时（Atomic TimeAT） 物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波 频率，具有很高的稳定度，由此建立的原 子时成为最理想的时间系统。 原子时秒长的定义；位于海平面上的铯133原 子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃 迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为 一原子时秒。原子时秒为国际制秒（SI） 的时间单位。 原子时的原点为AT=UT2-0.0039s 不同的地方原子时之间存在差异，为此，国 际上大约100座原子钟，通过相
49、互比对，经 数据处理推算出统一的原子时系统，称为 国际原子时（International Atomic Time IAT） 在卫星测量中，原子时作为高精度的时间 基准，普遍用于精密测定卫星信号的传播 时间。 4.力学时（Dynamic TimeDT） 在天文学中，天体的星历是根据天体动 力学理论建立的运动方程而编算的，其 中所采用的独立变量是时间参数T，这个 数学变量T定义为力学时。 根据描述运动方程所对应的参考点不同， 力学时分为： 太阳系质心力学时（Barycentric Dynamic TimeTDB）是相对于太阳系质心的 运动方程所采用的时间参数。 地球质心力学时（Terrestrial Dynamic TimeTDT）是相对于地球质心的运动 方程所采用的时间参数。 在GPS定位中，地球质心力学时，作为一 种严格均匀的时间尺度和独立的变量， 被用于描述卫星的运动。 TDT的基本单位是国际制秒（SI），与原子时的 尺度一致。国际天文学联合会（IAU）决定， 1977年1月1日原子时（IAT）零时与地球质心 力学时的严格关系如下： TDT=IAT+32.184S 若以T表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之 间的时差，则可得： T=TDT-UT1=IAT-UT1+32.184S 5.协调世界时（Coordin
