1、卫星导航与定位卫星导航与定位 第二讲：第二讲：GPS系统的坐标系系统的坐标系与时间系与时间系卫星导航与定位卫星导航与定位第二章：第二章：GPS卫星导航系统的坐标卫星导航系统的坐标 系统与时间系系统与时间系2.1 天球、天球坐标系天球、天球坐标系2.2 地球坐标系地球坐标系2.3 GPS坐标系坐标系2.4 时间和时间和GPS时系时系2.5 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 卫星导航与定位卫星导航与定位1、天球及天球坐标系、天球及天球坐标系 天球天球 天球分类：天球分类：站心站心天球、天球、地心天球、地心天球、日心天球等。日心天球等。卫星导航与定位卫星导航与定位1）地心天球上的主要点、线、圈）
2、地心天球上的主要点、线、圈 天顶天顶zenith（Z）和天底（）和天底（Z）天轴（天轴（PP）和天极（南、北天极）和天极（南、北天极）天球赤道面和天球赤道天球赤道面和天球赤道 天球子午面和天球子午圈天球子午面和天球子午圈 上子午圈和下子午圈上子午圈和下子午圈 上赤道点上赤道点Q和下赤道点和下赤道点Q【上子午圈是子午圈在地平圈上的一半，下子午圈是上子午圈是子午圈在地平圈上的一半，下子午圈是在地平圈下的另一半。通俗的说法是在天上从南在地平圈下的另一半。通俗的说法是在天上从南天顶天顶北顺序通过的一个假想大弧，亦称天球子午北顺序通过的一个假想大弧，亦称天球子午圈，而在地平线下通过天底，看不见的另一半大
3、圆圈，而在地平线下通过天底，看不见的另一半大圆则称下子午圈。则称下子午圈。】卫星导航与定位卫星导航与定位地心天球上的主要点、线、圈地心天球上的主要点、线、圈 黄道黄道ecliptic：地球绕太阳公转的轨道平面与地球绕太阳公转的轨道平面与地心地心天天球相交的大圆。球相交的大圆。赤道赤道equator不与黄道平行，而有不与黄道平行，而有23o26的夹角，的夹角，即黄赤交角。赤道平面和黄道平面的交叉点正即黄赤交角。赤道平面和黄道平面的交叉点正好在一条天球直径线的两端点，就是著名的二好在一条天球直径线的两端点，就是著名的二分点分点(春分点与秋分点春分点与秋分点)。太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的
4、那太阳沿黄道从天赤道以南向北通过天赤道的那一点，称为春分点，与春分点相隔一点，称为春分点，与春分点相隔180的另一的另一点，称为秋分点。点，称为秋分点。卫星导航与定位卫星导航与定位地心天球上的主要点、线、圈地心天球上的主要点、线、圈 太阳分别在每年的太阳分别在每年的春分（春分（3月月21日前日前后）和秋分（后）和秋分（9月月23日前后）通过春日前后）通过春分点和秋分点分点和秋分点（从（从地心来看）地心来看）黄道北黄道北极点极点K黄道南黄道南极点极点K 本初子午面本初子午面prime meridian plane：l884年国际经度会议决定以通过格林年国际经度会议决定以通过格林尼治天文台艾黎仪器
5、中心的经线为本尼治天文台艾黎仪器中心的经线为本初子午线，作为全球经度零点。初子午线，作为全球经度零点。卫星导航与定位卫星导航与定位北天极北天极南天极南天极黄道黄道天球赤道天球赤道赤经赤经赤纬赤纬太阳太阳星体星体地球地球地球赤道地球赤道本初子午圈本初子午圈地心天球上的主要点、线、圈地心天球上的主要点、线、圈卫星导航与定位卫星导航与定位 A(L,B,H)B L H 0 起始子午面起始子午面 赤道赤道 2）基于天球定义坐标系）基于天球定义坐标系 坐标原点坐标原点 坐标轴指向坐标轴指向 表示坐标的表示坐标的尺度尺度 坐标系统建立的三要素坐标系统建立的三要素 典型的赤经赤道坐标系典型的赤经赤道坐标系以地
6、心天球赤道、过春以地心天球赤道、过春分点的时圈和春分点为分点的时圈和春分点为依据；用赤经依据；用赤经L L、赤纬、赤纬B B和高度和高度H H表示表示卫星导航与定位卫星导航与定位典型的天球坐标系典型的天球坐标系 以地心天球黄道、过春分点的黄经圈和春以地心天球黄道、过春分点的黄经圈和春分点为依据；用黄经分点为依据；用黄经 和黄维和黄维 表示表示黄道北黄道北极点极点K黄道南黄道南极点极点K卫星导航与定位卫星导航与定位 在地心天球坐标系中，任一天体的位置可用地心在地心天球坐标系中，任一天体的位置可用地心天球空间直角坐标系和地心天球球面坐标系来描天球空间直角坐标系和地心天球球面坐标系来描述：述：地心天
7、球空间直角坐标系的定义：原点位于地地心天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，球的质心，z轴指向天球的北极轴指向天球的北极Pn，x轴指向春轴指向春分点分点，y轴与轴与x、z轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。地心天球球面坐标系的定义：原点位于地球的地心天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经质心，赤经 为含天轴和春分点的天球子午面为含天轴和春分点的天球子午面与经过目标与经过目标s的天球子午面之间的交角，赤纬的天球子午面之间的交角，赤纬 为原点至目标的连线与天球赤道面的夹角，向为原点至目标的连线与天球赤道面的夹角，向径径r为原点至天体的距离。为原点至天体的距离。3）地心天球坐标系两种
8、表示）地心天球坐标系两种表示 卫星导航与定位卫星导航与定位地心天球坐标系两种表示地心天球坐标系两种表示 地心天球空间直角坐标系与地心天球球面坐标地心天球空间直角坐标系与地心天球球面坐标系系卫星导航与定位卫星导航与定位v天球赤道坐标系天球赤道坐标系(,r)和和天球直角坐标系天球直角坐标系(x,y,z)sincoscoscoscosrzyx22222rxyzyarctgxxarctgxyv天球空间直角坐标系与天球天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体球面坐标系在表达同一天体的位置时是等价的，二者可的位置时是等价的，二者可相互转换。相互转换。地心天球坐标系两种表示地心天球坐标系两种表示 课
9、堂练习：课堂练习：请简单推导以上公式！请简单推导以上公式！卫星导航与定位卫星导航与定位4）岁差章动对天球坐标的影响）岁差章动对天球坐标的影响 地心天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空地心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。间的方向上是固定的。实际上地球接近于一个赤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，地球在绕太阳运行时，自转隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产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。
10、生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。在岁差的影响下，地球在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕自转轴在空间绕。旋转速度很慢，周期月旋转速度很慢，周期月为为25920年。年。卫星导航与定位卫星导航与定位岁差章动对天球坐标的影响岁差章动对天球坐标的影响 章动章动nutation：在天文学上：在天文学上天极相对于黄极的位置除有天极相对于黄极的位置除有长周期的岁差变化外，还有长周期的岁差变化外，还有许多短周期的微小变化，称许多短周期的微小变化，称为章动。引起这种变化的原为章动。引起这种变化的原因是地球相对于除太阳外其因是地球相对于除太阳外其他星球，如月球的周期性引他星球，如月球的周期性引力作用变化所造成
11、的。力作用变化所造成的。卫星导航与定位卫星导航与定位岁差章动对天球坐标的影响岁差章动对天球坐标的影响 由于存在岁差和章动的影响，天球的天赤道、由于存在岁差和章动的影响，天球的天赤道、天北极点、天春分点随时变化：天北极点、天春分点随时变化：天球坐标随时在变化。天球坐标随时在变化。由于岁差影响较大，有规律可描述，是时间的由于岁差影响较大，有规律可描述，是时间的函数。其他因素影响（包括章动）很复杂，可函数。其他因素影响（包括章动）很复杂，可以通过长期观测得到一个平均参考以通过长期观测得到一个平均参考 平坐标系。平坐标系。需要定义一个时刻的作为标准需要定义一个时刻的作为标准历元：历元：历元在天文学中，
12、是为指定天球坐标或轨道历元在天文学中，是为指定天球坐标或轨道根数（参数）而规定的某一特定时刻。根数（参数）而规定的某一特定时刻。卫星导航与定位卫星导航与定位岁差章动对天球坐标的影响岁差章动对天球坐标的影响 mean equator 平天赤道：天赤道的瞬时平均平天赤道：天赤道的瞬时平均位置，它的变化只包括岁差的影响。位置，它的变化只包括岁差的影响。equator of epoch历元赤道：在历元时刻定历元赤道：在历元时刻定义的平天赤道的位置，以此为基准，用作义的平天赤道的位置，以此为基准，用作观察时刻的赤道计算。观察时刻的赤道计算。mean equator of date 观察时赤道：对应某观察
13、时赤道：对应某一时刻的平天赤道，通常指观测瞬间的平一时刻的平天赤道，通常指观测瞬间的平天赤道。天赤道。true equator 真赤道：天赤道的瞬时位置，真赤道：天赤道的瞬时位置，它的变化包括岁差、章动和其他影响。它的变化包括岁差、章动和其他影响。卫星导航与定位卫星导航与定位 定义：协议地心天球坐标系定义：协议地心天球坐标系经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系 当前，国际上所采用的地心天球坐标系当前，国际上所采用的地心天球坐标系 早期使用早期使用B1950.0历元时；后来由历元时；后来由国际大地测量国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定，从协会和国际天
14、文协议联合会确定，从1984年年1月月1日起采用日起采用J2000.0历元时历元时 为为2000年年1月月1日日12h的平天球坐标系的平天球坐标系Z轴指向轴指向J2000.0的平北天极的平北天极X轴指向轴指向J2000.0的平春分点的平春分点5）协议天球坐标系（）协议天球坐标系（CIS）卫星导航与定位卫星导航与定位 协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系 进行岁差和章动改正进行岁差和章动改正特定时刻的特定时刻的真天球坐标真天球坐标章动章动改正改正特定时刻的特定时刻的平天球坐标平天球坐标J2000.0的平天球坐标的平天球坐标（协议天球坐标）（协议天球坐标）岁差岁
15、差改正改正00,XNPXXPNX其其中中:协协议议天天球球坐坐标标；为为岁岁差差改改正正矩矩阵阵；为为章章动动态态系系数数阵阵；为为瞬瞬时时真真天天球球坐坐阵阵。协议天球坐标系（协议天球坐标系（CIS）卫星导航与定位卫星导航与定位直角坐标系和大地坐标系 6）地球坐标系）地球坐标系 地球直角坐标系的定义地球直角坐标系的定义 原点原点O与地球质心重合，与地球质心重合，Z轴轴指向地球北极，指向地球北极，X轴指向地球轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交赤道面与格林尼治子午圈的交点，点，Y轴在赤道平面里与轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。构成右手坐标系。大地坐标系的定义大地坐标系的定义 地球椭球的中
16、心与地球质心重地球椭球的中心与地球质心重合，空间点位置在该坐标系中合，空间点位置在该坐标系中表述为表述为(L,B,H)。大地纬度大地纬度B，大地经度，大地经度L卫星导航与定位卫星导航与定位直角坐标系与大地坐标系参数间的转换直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 对同一空间点，大地坐标系转换为直角坐标系的对同一空间点，大地坐标系转换为直角坐标系的转换关系为：转换关系为：定义：定义：N为椭球卯酉圈的曲率半径，为椭球卯酉圈的曲率半径，e为椭球的为椭球的第一偏心率，第一偏心率，a、b为椭球的长短半径为椭球的长短半径222222(1sin)NaeBeabaBHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sinco
17、s)(coscos)(2卫星导航与定位卫星导航与定位直角坐标系与大地坐标系参数间的转换直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 对同一空间点，直角坐标系转换为大地坐标系的对同一空间点，直角坐标系转换为大地坐标系的转换关系：转换关系：222sinarctan1tan(1sin)arctancoscosCCaeBBBZeBLY XHRBBN2222222tan,(1sin)cBZXYRXYZNaeB其中：其中：卫星导航与定位卫星导航与定位zcxcycxy(z)OSGSGcossin0()sincos0001(,)(,)cGGczGcGGcccGcccxxSSxyR SySSyzzzSx y zxy z
18、其其中中真真春春分分点点与与本本初初子子午午线线的的夹夹角角；为为瞬瞬时时地地球球直直角角坐坐标标系系下下的的坐坐标标；为为瞬瞬时时天天球球坐坐标标系系下下的的坐坐标标。瞬时地球直角坐标系与瞬时天球坐标系的关系瞬时地球直角坐标系与瞬时天球坐标系的关系 卫星导航与定位卫星导航与定位 定义：极移定义：极移 由于地球内部和外部的种种动力学因素，地球自由于地球内部和外部的种种动力学因素，地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在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球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。极移包括。极移包括Chandler分量（钱
19、德勒周期分量（钱德勒周期1.2年）年）和周年分量。和周年分量。国际天文学联合会和大地测量学协会在国际天文学联合会和大地测量学协会在1967建议，建议，采用国际上采用国际上5个纬度服务站，以个纬度服务站，以1900-1905年的平均纬年的平均纬 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述期间地球自转轴的平均位置，通常称为是相应上述期间地球自转轴的平均位置，通常称为国际协议原点（国际协议原点（Conventional International OriginCIO）。）。7）地极移动与协议地球坐标系）地极移动与协议地球坐标系卫星导航与定位卫星
20、导航与定位 至今仍采用国际协议原点至今仍采用国际协议原点CIO，作为协议地极，作为协议地极CTP（conventional Terrestrial Pole），以协议），以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系CTS（Conventional Terrestrial System），而与），而与瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。瞬时极相应的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。岁差、章动和极移岁差、章动和极移 岁差、章动造成天球坐标的变化岁差、章动造成天球坐标的变化 极移造成地球坐标的变化极移造成地球坐标的变化地极移动与协议地球坐标系地极移动与
21、协议地球坐标系卫星导航与定位卫星导航与定位v 瞬时（真）地球坐标系瞬时（真）地球坐标系 Z Z轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系轴与瞬时地球自转轴重合或平行的地球坐标系zyxXRYRZYXPyPx)()(v 平地球坐标系平地球坐标系 Z Z轴指向空间中某一固定点轴指向空间中某一固定点-平极的地球坐标系平极的地球坐标系v 平地球坐标平地球坐标(X,Y,Z)(X,Y,Z)和和 瞬时真地球坐标瞬时真地球坐标(x,y,z)(x,y,z)的转换关系的转换关系地极移动与协议地球坐标系地极移动与协议地球坐标系卫星导航与定位卫星导航与定位几种常用坐标系之间的关系几种常用坐标系之间的关系平地球坐标系平地球
22、坐标系 某一历元的平某一历元的平 天球坐标系天球坐标系 观测瞬间的真观测瞬间的真 天球坐标系天球坐标系 观测瞬间的真观测瞬间的真 地球坐标系地球坐标系岁差岁差 章动章动 改正改正 旋转旋转 SG角角 极移极移 改正改正 卫星导航与定位卫星导航与定位3、GPS坐标系坐标系 WGS-84坐标系坐标系 WGS-84坐标系的原点在地球质心，坐标系的原点在地球质心，Z轴指向国际轴指向国际时间局（时间局（Bureau International de lHeure）BIH1984.0定义的定义的协定地球极协定地球极（CTP）方向，）方向，X轴轴指向指向BIH1984.0的零度子午面和的零度子午面和CTP赤
23、道的交点，赤道的交点，Y轴和轴和Z、X轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。WGS-84坐标系坐标系称为称为1984年世界大地指教坐标系。年世界大地指教坐标系。WGS-84椭球及其有关常数椭球及其有关常数 WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数：本参数：卫星导航与定位卫星导航与定位长半径：长半径：a=6378137 2（m）地球引力常数：地球引力常数：=GM=3986005108m3s-2 0.6108m3s-2 正常化二阶带谐系数：正常化二阶带谐系数：C20=
24、-484.1668510-6 1.310-9 J2=10826310-8（地球动力扁率）（地球动力扁率）地球自转角速度：地球自转角速度：=729211510-11rads-1 0.15010-11rads-1GPS坐标系坐标系 卫星导航与定位卫星导航与定位4、时间系统、时间系统 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述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。是利用卫星进行定位的重要基准。在在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：卫星定位中，时间系统的重要性表现在：G
25、PS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在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。例如当要求刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于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。若要距离误差小于定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则，则信号传播时间的测定误差应小于信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s卫星导航与定位卫星导航与定位时间系统时间系统 时间包含了
26、时间包含了“时刻时刻”和和“时间间隔时间间隔”两个概念两个概念。时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和。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卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。元。时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，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。是这一过程始末的时间之差。卫星导航与定位卫星导航与定位1）时间系统）时间系统世界时系统世界时系统 世界时系统世界时系统 地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最早建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立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时以地球自
27、转运动为基准的世界时系统系统。由于观察地球自转运动时，所选取的空间参考点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、平太阳时和世界不同，世界时系统包括恒星时、平太阳时和世界时。时。恒星时恒星时ST(Sidereal Time)：以春分点为参考点，由：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。春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。卫星导航与定位卫星导航与定位 参考点：参考点：春分点春分点 定义：定义：春分点两次经过本地所在的上子午圈，所春分点两次经过本地所在的上子午圈，所对应的时间间隔为一恒星日。并由此派生出时、对应的时间间隔为一恒星日。并由此派
28、生出时、分、秒等单位。分、秒等单位。数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。有真恒星时与平恒星时之分有真恒星时与平恒星时之分。恒星日是地方时，比如格林尼治恒星时。恒星日是地方时，比如格林尼治恒星时。时间系统时间系统世界时系统世界时系统 卫星导航与定位卫星导航与定位时间系统时间系统世界时系统世界时系统 世界时系统世界时系统 平太阳时平太阳时MT（Mean Solar Time）：由于地）：由于地球绕太阳公转是椭圆轨道，造成球绕太阳公转是椭圆轨道，造成“太阳日太阳日”有有长短。为此引入长短。为此引入“平太阳平太阳”假设一个参考点的视地球运动速度等于真地假设一
29、个参考点的视地球运动速度等于真地球公转周年运动的平均速度，且在天球赤道球公转周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年匀速运动，这个假设的参考点在天上作周年匀速运动，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳。文学中称为平太阳。卫星导航与定位卫星导航与定位 参考点参考点：平太阳平太阳 定义定义：平太阳中心连续两次经过地方上子午圈的平太阳中心连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一太阳日。并由此派生出时间间隔为一太阳日。并由此派生出“时时”、“分分”、“秒秒”等单位；属于地方时。等单位；属于地方时。数值上等于平太阳中心相对于本地子午圈的数值上等于平太阳中心相对于本地子午圈的时角；正午（时角；正午（0h）与
30、子夜（）与子夜（12h）。）。时间系统时间系统世界时系统世界时系统 卫星导航与定位卫星导航与定位时间系统时间系统世界时系统世界时系统 世界时系统世界时系统 世界时世界时UT（Universal Time）：以平子夜为）：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时，称为世界时。零时起算的格林尼治平太阳时，称为世界时。世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。不同。1956年以前，秒被定义为一个平太阳日的年以前，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，是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。础的时间尺度。由于自转的不稳定性，在由
31、于自转的不稳定性，在UT中加入极移改中加入极移改正得正得UT1；再加入地球自转角速度的季节改；再加入地球自转角速度的季节改正得正得UT2。卫星导航与定位卫星导航与定位01UTUTsTUTUT12 UT0：未经改正的世界时：未经改正的世界时 UT1：引入极移改正（：引入极移改正（）的世界时）的世界时 UT2：引入极移改正（：引入极移改正（）和地球自转速度）和地球自转速度的季节改正（的季节改正（Ts）的世界时）的世界时时间系统时间系统世界时系统世界时系统 卫星导航与定位卫星导航与定位 物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，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
32、的原子时成为最理具有很高的稳定度，由此建立的原子时成为最理想的时间系统。想的时间系统。定义：定义：1967年年10月，第十三届国际度量衡大会通月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为周所持续的时间为1原子时秒。原子时秒。原本规定原本规定AT与与UT2在在1958年年1月月1日日0h时相同，时相同，但实际相差但实际相差0.0039秒，即：秒，即：(AT-UT2)1958.0=-0.0039秒秒2）时间系统）时间系统原子时
33、原子时卫星导航与定位卫星导航与定位 不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上不同的地方原子时之间存在差异，为此，国际上大约大约100座原子钟，通过相互比对，经数据处理座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时推算出统一的原子时系统，称为国际原子时IAT（International Atomic Time）。）。在卫星测量中，原子时作为高精度的时间基准，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。普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。时间系统时间系统原子时原子时卫星导航与定位卫星导航与定位3）时间系统）时间系统协调世界时协调世界时U
34、TC 在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器在进行大地天文测量、天文导航和空间飞行器的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基础的的跟踪定位时，仍然需要以地球自转为基础的世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋世界时。但由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近势，近20年，世界时每年比原子时慢约年，世界时每年比原子时慢约1秒，且秒，且两者之差逐年积累。两者之差逐年积累。为避免发播的原子时与世为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从界时之间产生过大偏差，从1972年采用了一种年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为世界
35、协调时或界时的一种折衷时间系统，称为世界协调时或协调时（协调时（Coordinate universal Time）。）。采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。的时刻相接近。卫星导航与定位卫星导航与定位时间系统时间系统协调世界时协调世界时UTC 采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过 0.9s时，便在协调时中引入一润秒（正或负）。时，便在协调时中引入一润秒（正或负）。一般在一般在12月月31日或日或6月月30日末加入，
36、具体日期由国日末加入，具体日期由国际地球自转服务组织（际地球自转服务组织（IERS）安排并通告。）安排并通告。协调时与国际原子时的关系定义为：协调时与国际原子时的关系定义为：IAT=UTC+1s n+19s n为调整参数，由为调整参数，由IERS（International Earth Rotation Service 国际地球自转服务）发布国际地球自转服务）发布(为为了与后面了与后面GPST时对应，设时对应，设1980.1.5时时n=0)。卫星导航与定位卫星导航与定位 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论在天文学中，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
37、变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量是时间参数T，这个数学变量，这个数学变量T定义为力学时。定义为力学时。力学时分为：力学时分为：太阳系质心力学时太阳系质心力学时TDB（Barycentric Dynamic Time）是相对于太阳系质心的运动）是相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。方程所采用的时间参数。地球质心力学时地球质心力学时TDT（Terrestrial Dynamic Time）是相对于地球质心的运动方程所采用）是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。的时间参数。4）时间系统）时间系统力学时力学时卫星导航与定位卫星导航与定位 在在GNSS定位中，天体
38、动力学和运动轨道描述都定位中，天体动力学和运动轨道描述都采用地球质心力学时，作为一种严格均匀的时间采用地球质心力学时，作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量，最终用于描述卫星的运动。尺度和独立的变量，最终用于描述卫星的运动。TDT的基本单位是国际制秒（的基本单位是国际制秒（SI），与原子时的），与原子时的尺度一致。国际天文学联合会（尺度一致。国际天文学联合会（IAU）决定，）决定，1977年年1月月1日原子时（日原子时（IAT）零时与地球质心力）零时与地球质心力学时的严格关系如下：学时的严格关系如下：TDT=IAT+32.184S时间系统时间系统力学时力学时卫星导航与定位卫星导航与定位 为精密
39、导航和测量需要，全球定位系统建立了专为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时、以及地球质心力学时与国际原子时、以及地球质心力学时TDT的原点的原点不同，在任一瞬间均有一常量偏差。不同，在任一瞬间均有一常量偏差。GPST=IAT-19s；GPST=TDT-51.184s GPS时与协调时的时刻，规定在时与协调时的时刻，规定在1980年年1月月6日日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为时一致，随着时间的积累，两者的差异
40、将表现为秒的整数倍。秒的整数倍。GPS时与协调时之间关系：时与协调时之间关系：GPST=UTC+1s (n-19)5）时间系统）时间系统 GPS时（时（GPST）卫星导航与定位卫星导航与定位 到到1987年年，调整参，调整参数数n为为23，两系统，两系统之差为之差为4秒，到秒，到1992年调年调整参数为整参数为26，两系，两系统之差已统之差已达达7秒。秒。时间系统时间系统 GPS时（时（GPST）卫星导航与定位卫星导航与定位 5、坐标系和时间系讨论、坐标系和时间系讨论 1）人类对坐标系认识的演进）人类对坐标系认识的演进 数学上的直角和极坐标数学上的直角和极坐标 推演到天球坐标推演到天球坐标建立
41、天体运动建立天体运动协议天球坐标协议天球坐标平天球坐标平天球坐标平天球坐标平天球坐标真真天球坐标天球坐标 转换到平地球直角坐标转换到平地球直角坐标 得到大地坐标得到大地坐标 (经纬高经纬高)地球人的视角地球人的视角！卫星导航与定位卫星导航与定位 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 2）GPS的坐标系的坐标系WGS-84坐标系坐标系 坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的的Z轴指向轴指向BIH（国际时间）（国际时间）1984.O定义的协定义的协议地球极（议地球极（CTP)方向，方向，X轴指向轴指向BIH 1984.0的的零子午面和零子午面和CTP赤道
42、的交点，赤道的交点，Y轴与轴与Z轴、轴、X轴轴垂直构成右手坐标系，称为垂直构成右手坐标系，称为1984年世界地球坐年世界地球坐标。标。GPS输出（经纬高）输出（经纬高）大地坐标系统大地坐标系统 地球人的视角地球人的视角！卫星导航与定位卫星导航与定位 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 3）时间系）时间系 两大体系：世界时两大体系：世界时UT和原子时和原子时IAT 世界时世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的平太阳时称为世界时。世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。时间尺度相同，起算点不同。以国际上多座原子钟数据处理推
43、算出统一的以国际上多座原子钟数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时原子时系统，称为国际原子时IAT（International Atomic Time）。）。卫星导航与定位卫星导航与定位 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 时间系的折中时间系的折中协调世界时协调世界时UTC 为避免发播的原子时与世界时之间产生过大为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从偏差，从1972年采用了一种以原子时秒长为年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统，称为世界协调时或协调时（衷时间系统，称为世界协调时或协调时（Coordin
44、ate universal Time）。）。采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时采用润秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。的时刻相接近。地球人的习惯！地球人的习惯！卫星导航与定位卫星导航与定位 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 卫星导航与定位卫星导航与定位 坐标系和时间系讨论坐标系和时间系讨论 GPS时间系由主控站的原子钟控制，属于原子时间系由主控站的原子钟控制，属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即的原点不同，即GPST与与IAT在任一瞬间均有一在任一瞬间均有一常量偏差。常量偏差。IAT-GPST=19s。UTC
45、=GPST-1s n+19 s 卫星导航与定位卫星导航与定位附件附件-典型的国际组织典型的国际组织 国际大地测量与地球物理学联合会国际大地测量与地球物理学联合会IUGG（The International Union of Geodesy and Geophysics）国际大地测量协会国际大地测量协会IAG（International Association of Geodesy）：大地测量学界的国际学术团体，是）：大地测量学界的国际学术团体，是IUGG所属的七个协会之一，所属的七个协会之一，1864年年10 月在德国柏林成立月在德国柏林成立 国际天文学联合会国际天文学联合会IAU（Inter
46、national Astronomical Union）：是世界各国天文学术团体联合组成的非政府）：是世界各国天文学术团体联合组成的非政府性学术组织，于性学术组织，于1919年年7月在布鲁塞尔成立月在布鲁塞尔成立卫星导航与定位卫星导航与定位典型的国际组织典型的国际组织 国际时间局国际时间局BIH（Bureau International de lHeure）设在法国。设在法国。1911年由法国经度局组织的一次国际会议年由法国经度局组织的一次国际会议上决定成立的上决定成立的，1919年国际天文学联合会成立后，才年国际天文学联合会成立后，才由国际天文学联合会主持国际时间局的工作。由国际天文学联合会
47、主持国际时间局的工作。国际地球自转服务国际地球自转服务IERS（International Earth Rotation Service）专门从事地球自转参数服务和参考系建立的）专门从事地球自转参数服务和参考系建立的国际组织。由国际天文学联合会和国际大地测量学与国际组织。由国际天文学联合会和国际大地测量学与地球物理学联合会共同于地球物理学联合会共同于1987年建立，年建立，1988年开始工年开始工作。作。卫星导航与定位卫星导航与定位1.1.什么是岁差和章动?北天极在天球上是 怎样运动？2.2.什么是天球什么是天球?简述天球上的主要点、简述天球上的主要点、线、圈线、圈?3、区别协议天球坐标系和地球坐标系统?4、简述时间类型?5 5、什么是、什么是GPSGPS定位测量采用的时间系统？它与定位测量采用的时间系统？它与 协调世界时协调世界时UTCUTC有什么区别？有什么区别？思考题思考题卫星导航与定位卫星导航与定位电子科技大学欢迎您！电子科技大学欢迎您！联系方式：联系方式：卫星导航与定位卫星导航与定位地心天球坐标系转换地心天球坐标系转换 见图见图 sincoscoscoscosrzyxcoscoscossinsinxryrzr
