1、卫星导航定位定时中的坐标系统与时间尺度问题西安测绘研究所 魏子卿魏子卿20102010年年5 5月月北京北京内 容一、坐标系统与时间尺度概述一、坐标系统与时间尺度概述二、二、CGCS2000CGCS2000与与WGS84WGS84三、三、BDTBDT与与GPSTGPST卫星导航系统卫星导航系统卫星导航系统是是构成天基构成天基PNTPNT能能力的力的基础设施基础设施，其基本功能是其基本功能是产生产生和和提供提供PNTPNT信息。信息。P N TP N T 定位定位（PositioningPositioning）：）： 精准精准确定确定一点参考于一点参考于一标准大地坐标系（如一标准大地坐标系（如C
2、GCS2000CGCS2000或或WGS84WGS84）的）的位置位置和和方向方向的能力；的能力； 导航导航（NavigationNavigation）：）： 精准精准确定当前的确定当前的和和要要去的位置去的位置与对达到该目的地（从地下到地面，与对达到该目的地（从地下到地面，从地面到空间）的从地面到空间）的行动路线、方向和速度行动路线、方向和速度进行进行校正校正的能力；的能力； 定时定时（TimingTiming）：及时）：及时获取获取一标准时间（如一标准时间（如UTCUTC）和）和保持保持精准时间的能力。精准时间的能力。 坐标系和系统时导航系统使用的导航系统使用的坐标系坐标系和和系统时系统时
3、是导是导航系统产生航系统产生PNTPNT能力的能力的基础基础。坐标系坐标系为为PNTPNT提供提供大地基准大地基准，系统时系统时为为PNTPNT提供提供时间尺度时间尺度。用不同导航系统得到的用不同导航系统得到的“坐标坐标” ” 和和“时间时间”各自参考于它们各自的坐标各自参考于它们各自的坐标系和时间尺度。系和时间尺度。坐标系和系统时的体现 定轨计算中所用的定轨计算中所用的监测站坐标、重监测站坐标、重力场模型和地球定向参数力场模型和地球定向参数（极移、（极移、地球旋转角、岁差、章动）等决定地球旋转角、岁差、章动）等决定了导航系统使用的了导航系统使用的坐标系坐标系。卫星星卫星星历是历是坐标系的体现
4、。坐标系的体现。 卫星信号卫星信号(如伪随机码测距信号如伪随机码测距信号)时标时标和钟差改正数是和钟差改正数是系统时的体现。系统时的体现。 北斗北斗使用的坐标系是使用的坐标系是20002000中国大地坐标中国大地坐标系系（China Geodetic Coordinate China Geodetic Coordinate System 2000, System 2000, CGCS 2000CGCS 2000）；）；GPSGPS使用使用的坐标系是的坐标系是19841984世界大地系统世界大地系统（World World Geodetic System 1984, Geodetic Syste
5、m 1984, WGS84WGS84）；）； 北斗北斗的系统时是的系统时是北斗时北斗时（BeidouBeidou Time, Time, BDTBDT）；）；GPSGPS的系统时是的系统时是 GPSGPS时时（GPS GPS Time, Time, GPSTGPST）。）。 北斗/GPS使用的坐标系和时间尺度CGCS2000/ WGS84 CGCS2000CGCS2000和和WGS84WGS84都是都是地心地固地心地固（ECEFECEF）坐标系（或参考系）坐标系（或参考系），它们与地球固联它们与地球固联, ,同地球一起旋同地球一起旋转。其原点与地球质量中心重合。转。其原点与地球质量中心重合。
6、ECEFECEF坐标系本质上是一坐标系本质上是一直角坐标直角坐标系系。当用经纬度和高程表示位置。当用经纬度和高程表示位置时，要引入一个时，要引入一个参考椭球参考椭球。 ECEFECEF坐标系由一组坐标系由一组地面点的坐标地面点的坐标和速度和速度来实现。这些点的坐标和来实现。这些点的坐标和速度叫做参考系的速度叫做参考系的“实现实现”。这。这样实现了的参考系称为样实现了的参考系称为参考架参考架。ITRF国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立和维持和维持国际地球参考系国际地球参考系（ITRSITRS）或）或国际地球参考架国际地球参考架（ITRFI
7、TRF）的工作。已发表）的工作。已发表ITRF92ITRF92，ITRF93ITRF93，ITRF94ITRF94，。ITRFITRF是当今国际上最精确的地球坐标是当今国际上最精确的地球坐标系。例如，系。例如， 最新版本最新版本ITRF2005ITRF2005的的坐标精度达坐标精度达mmmm级级，速度精度达速度精度达mm/yrmm/yr。CGCS2000ZXYIERS首子午面赤道面0,0,0IERS极定义定义：符合IERS条件椭球常数椭球常数：长半轴长半轴： a = 6378137.0 ma = 6378137.0 m扁扁 率率： f = 1/298.257222101f = 1/298.25
8、7222101地心引力常数地心引力常数： GM = 3986004.418GM = 3986004.418 10108 8m m3 3s s-2-2地球角速度地球角速度： = 7292115.0 = 7292115.0 1010-11-11radrad s s-1-1CGCS2000 CGCS2000CGCS2000通过通过国国家家GPSGPS大地网大地网的的25002500多点多点的坐标的坐标和速度（历元和速度（历元2000.02000.0）实现，）实现，其实现精度：坐其实现精度：坐标标cmcm级级；速度精速度精度：度：mm/yrmm/yr级。级。CGCS2000 北斗的监测站通北斗的监测站
9、通 过过GPSGPS联测联测纳入纳入 CGCS2000 CGCS2000 坐标系。坐标系。卫星定轨卫星定轨计算用监计算用监测站的坐标。测站的坐标。用户用轨道数据进用户用轨道数据进行行定位和导航定位和导航，得，得到到CGCS2000CGCS2000坐标。坐标。监测站GPS联测监测站坐 标卫星轨道用户导航 定 位WGS84椭球常数椭球常数：长半轴长半轴： a = 6378137.0 ma = 6378137.0 m扁扁 率率： f = 1/298.257223563f = 1/298.257223563地心引力常数地心引力常数： GM = 3986004.418GM = 3986004.418 1
10、0108 8m m3 3s s-2-2地球角速度地球角速度： = 7292115.0 = 7292115.0 1010-11-11radrad s s-1-1定义定义：同IERS标准一致XYZWGS84Transit(Transit(1-2m1-2m) 1987) 1987年年1 1月月G730G730（10cm10cm） 19941994年年6 6月月G870(G870(5cm5cm) 1997) 1997年年1 1月月G1150(G1150(1cm1cm) 2002) 2002年年1 1月月 GPS GPS的的跟踪站跟踪站分布分布WGS84WGS84的的4 4 次实现次实现：CGCS200
11、0/WGS84 ITRF ILRSSLR 观测 IGSGPS/GLONASS 观测 IVSVLBI 观测 IDSDORIS 观测站位置/精密轨道和钟误差估值/地球自转参数值参考站坐标和速度 = ITRFxITRFx监测站坐标监测站坐标 CGCS2000/WGS84(Gz)监测站联测IGS站观测协议模型常数CGCS2000CGCS2000，WGS84(G1150)WGS84(G1150)与与ITRF2000/ITRF2005ITRF2000/ITRF2005一致至一致至cmcm水平水平系统时的作用与性质系统时的系统时的作用作用： 为卫星钟的精密预报提供稳定的时间参考；为卫星钟的精密预报提供稳定的
12、时间参考； 支持时间服务。支持时间服务。系统时应具有以下系统时应具有以下性质性质：稳定度稳定度：短期（：短期（11日）、中期（日）、中期（1 1日日1 1月）、月）、长期（长期（1 1月）的稳定度都要达到规定要求。月）的稳定度都要达到规定要求。例如，日稳例如，日稳5 5x10 x10-14-14，中期稳定度，中期稳定度3 34x104x10-14-14，月稳月稳2 2x10 x10-14-14。准确度准确度：系统时与：系统时与TAI/UTCTAI/UTC之间的同步精度应之间的同步精度应符合规定要求，例如，符合规定要求，例如，5 5x10 x10-14-14。系统时的两种定义方式主钟方式主钟方式
13、：由：由主控站的主钟主控站的主钟定义，如定义，如GLONASSGLONASS系系统时间以中央同步器时间为基础产生，统时间以中央同步器时间为基础产生，GPSGPS系统系统时间在时间在19911991年年6 6月月1717日以前由在科罗拉多的日以前由在科罗拉多的GPSGPS主主控站的主钟产生。控站的主钟产生。合成钟方式合成钟方式：由：由所有地面钟和卫星钟组成的钟所有地面钟和卫星钟组成的钟组组定义，定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。得到。这就是合成钟（这就是合成钟（Composite Clock, CCComposite Clock, CC）的概念。）的概念。合
14、成钟又称合成钟又称纸纸钟，由所有监测站和卫星钟组钟，由所有监测站和卫星钟组成。成。 合成钟举例 自自19911991年年6 6月月1717日，日，GPSGPS时间由它的合成时间由它的合成钟定义。右图钟定义。右图 示出示出19981998年某段时间年某段时间GPSGPS合成钟内各钟的权合成钟内各钟的权分配。当时合成钟分配。当时合成钟由由1818个卫星钟个卫星钟和和5 5个个监测站钟监测站钟组成。组成。系统时的产 生数据采集数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于外场的：位于控制中心的精密守时站和分布于外场的监测站观测卫星得到站至卫星的伪距（参见上图），并监测站观测卫星得到站至卫星的伪距（参见上
15、图），并发送至控制中心。精密守时站钟组各钟间进行比对，比发送至控制中心。精密守时站钟组各钟间进行比对，比对数据也传至控制中心。这些数据供控制中心产生系统对数据也传至控制中心。这些数据供控制中心产生系统时间用。时间用。系统时计算系统时计算：计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；：计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；确定每一单个钟在钟组中的权；确定每一单个钟在钟组中的权；用用KalmanKalman滤波计算钟组滤波计算钟组的平均时间的平均时间；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。 导航卫星 控控 制制 中中 心心守时站守时站钟钟 组组监测站监测站 钟钟监测站监测站
16、钟钟UTCUTC实验实验室主钟室主钟静止卫星GPS系统时的产生系统时与TAI/UTC的同步UTCUTC实验室与精密守时站之间为什么要时间同步？实验室与精密守时站之间为什么要时间同步？ 利用利用TAI/ UTCTAI/ UTC的长期稳定性保证系统时间的长稳的长期稳定性保证系统时间的长稳（1 1月），监测系统时与月），监测系统时与UTCUTC的偏差，提供系统时的偏差，提供系统时间对间对UTCUTC的改正数。的改正数。 监测每个卫星钟对监测每个卫星钟对UTCUTC的改正数；便于与其它系的改正数；便于与其它系统兼容。统兼容。时间传递技术时间传递技术 双向卫星时间传递（双向卫星时间传递（TWSTTTWS
17、TT）：准确度）：准确度0.20.2nsns; ; 精精确度确度 1.01.0nsns 载波相位时间传递（载波相位时间传递（CPTTCPTT）: : 好于好于 1.01.0nsns。北斗的系统时 北斗的系统时（北斗的系统时（BDTBDT），由），由位于中心站的位于中心站的主钟主钟定义。定义。 BDTBDT用用卫星双向时间传递卫星双向时间传递技技术传递给每一监测站钟。术传递给每一监测站钟。站钟对站钟对BDTBDT的偏差小于的偏差小于1 1usus. . BDTBDT用用无线电双向时间比对无线电双向时间比对技术传递给每一卫星钟。技术传递给每一卫星钟。星钟对星钟对BDTBDT的偏差小于的偏差小于1
18、1msms。钟差改正数以钟差改正数以a a0 0、a a1 1、a a2 2的的形式在电文中给出。形式在电文中给出。中心站主钟I类监测站钟MEOGEOTWSTT北斗的系统时 BDTBDT与中国军用时频中心与中国军用时频中心（CMTCCMTC）的时间进行比对。）的时间进行比对。BDTBDT对对UTC(CMTC)UTC(CMTC)的偏差小于的偏差小于2020nsns。 UTCUTC（CMTCCMTC）对）对UTCUTC（BIPMBIPM）的偏差小于的偏差小于100100nsns。 BDTBDT的历元是的历元是20062006年年1 1月月1 1日日 0 0h h UTC UTC； BDTBDT为一
19、连续时间为一连续时间尺度，与尺度，与TAITAI有有33s33s的偏差，的偏差，即即 BDT+33s = TAIBDT+33s = TAI中心站主钟CMTCCMTC时间比对GPS的系统时 从从19901990年年6 6月月1717日日0 0h h0 0m m0000s sUTUT至今，至今，GPSGPS时间由它的时间由它的合成合成钟钟 (Composite Clock)(Composite Clock)给出给出, , 合成钟由所有运行的监合成钟由所有运行的监测站和卫星频率标准组成。测站和卫星频率标准组成。 系统时间又参考于海军天文台（系统时间又参考于海军天文台（NSNONSNO）的主钟（）的主
20、钟（MCMC），），并被驾驭于并被驾驭于UTCUTC（NSNONSNO），系统时间对它的偏差不超），系统时间对它的偏差不超过过5050nsns。其准确差值包含在导航星历中，以两个常数。其准确差值包含在导航星历中，以两个常数 a0 和和a1的形式给出系统时间对的形式给出系统时间对UTC (USNO,MC) 的时间差和变率。的时间差和变率。 GPS GPS 时间历元是时间历元是19801980年年1 1月月6 6日日 0 0h h UTC UTC 。 GPS GPS 时间时间不调整，所以它对不调整，所以它对UTCUTC偏离一个整秒数。偏离一个整秒数。GPSTGPST与与TAITAI之之间有间有19 s 19 s 的偏差，即的偏差，即 GPST + 19 s = TAIGPST + 19 s = TAI。谢 谢 ！
