GPS衛星定位原理及其應用

GPS定位的坐標系統與時間系統11/27/20231坐標系統的類型1.在空間固定的坐標系2.與地球體相固聯的坐標系統一組坐標值一個空間點位一一對應坐標系定義的三要素：坐標原點的位置三個坐標軸的指向坐標軸長度單位（尺度）11/27/20232協議坐標系在GPS定位中，坐標系的原點一般取地球的質心，而坐標軸的指向具有一定的選擇性。為了使用上的方便和坐標系統的通用性，國際上都通過協議來確定某些全球性坐標系統的坐標軸指向。這種共同確認的坐標系，通常稱為協議坐標系。協議天球坐標系協議地球坐標系11/27/20233協議天球坐標系中常用名詞黃道赤道MεrPnPsпnпn天球的定義：以地球的質心M為中心，半徑R為任意長度的一個假想球體。天軸：地球自轉軸的延伸直線為天軸。天極：天軸與天球的交Pn和Ps為天極。天球子午面：包含天軸并通過地球上任一點的平面。天球子午圈：天球子午面與天球相交的大圓。11/27/20234協議天球坐標系中常用名詞時圈：通過天軸的平面與天球相交的半個大圓。黃道：地球公轉的軌道面與天球相交的大圓。黃赤交角：黃道面與赤道面的夾角ε。黃極：通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點。黃道赤道MεrPnPsпnпn靠近北天極的交點為北黃極。靠近南天極的交點為南黃極。春分點：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時黃道與天球赤道的交點r。11/27/20235天球坐標系天球空間直角坐標系天體S的坐標為：（x,y,z)天球球面坐標系天體S的坐標為：（α，δ，r）SrPnαzyxrδ天球赤道M11/27/20236天球直角坐標系與球面坐標系之間的轉換SrPnαzyxrδ天球赤道M11/27/20237歲差和章動現象歲差：由于地球的實際形體接近于一個赤道隆起的橢球體，因此，在日月引力和其它天體引力，對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉軸的方向不再保持不變，從而使春分點在黃道上產生緩慢的西移，這種現象在天文學中稱為歲差。章動：在日月引力等因素的影響下，瞬時北天極繞瞬時平北天極產生旋轉，大致成橢圓形軌跡，這種現象稱為章動。11/27/20238協議天球坐標系

由于在歲差和章動的影響下，瞬時天球坐標系的坐標軸的指向，在不斷地發生變化，通常選擇某一時刻T作為標準歷元，并將此時地球的瞬時自轉軸和地心到瞬時春分點的方向。經該時刻的歲差和章動改正后，分別作為Z軸和X軸的指向。由此所構成的坐標系稱為所取標準歷元T的協議地球坐標系，也稱為協議慣性坐標系（CIS——ConventionalInertialSystem）11/27/20239協議天球坐標系的衛星坐標的轉換1.將協議天球坐標系轉換為瞬時平天球坐標系（由于歲差引起的坐標軸指向的不同）11/27/202310協議天球坐標系的衛星坐標的轉換2.將瞬時平天球坐標系轉換成瞬時天球坐標系（由于地球自轉軸的章動現象引起的）11/27/202311天球瞬時坐標系與協議坐標系之間的轉換11/27/202312地球坐標系空間直角坐標系S點坐標可表示為（X，Y，Z）大地坐標系S點坐標可表示為（B，L，H）SEPnLZYXB天球赤道OH11/27/202313地球空間直角坐標系和大地坐標系之間的轉換SEPnLZYXB天球赤道OH其中：N為橢球的卯酉圈曲率半徑11/27/202314極移現象與協議地球坐標系地球自轉軸相對地球體的位置并不是固定的，因而地極點在地球表面上的位置，是隨時間而變化的。這種現象稱為地極移動，簡稱為極移。國際上采用平均地極作為基準點，這一基準點通常稱為協議原點也稱為協議地極，以協議地極為基準點的地球坐標系稱為協議地球坐標系（ConventionalTerrestrialPole----CTP）。瞬時極相應的地球坐標系，稱為瞬時地球坐標系。11/27/202315協議地球坐標系與瞬時地球坐標系的轉換11/27/202316協議地球坐標系與協議天球坐標系的轉換1.兩坐標系的原點均位于地球的質心，故其原點位置相同；2.瞬時天球坐標系的z軸與瞬時地球坐標系的Z軸相同；3.兩瞬時坐標系統x軸與X軸的指向不同，期間夾角為α；11/27/202317坐標系轉換過程瞬時天球坐標系瞬時地球坐標系瞬時平天球坐標系歲差旋轉變換章動旋轉變換協議地球坐標系極移變換真春分點時角變換協議天球坐標系11/27/202318地球坐標系的其它表達形式1.地球參心坐標系

由于選擇作為基本參考面參考橢球面的中心與地球質心不相重合,其中心一般位于地球質心附近,這種原點位于地球質心的坐標系通常稱為地球參心坐標系.2.天文坐標系

在地心大地坐標系中,如果以大地水準面代替其中的橢球面,則相應的坐標系通常稱為天文坐標系.3.站心坐標系

原點位于觀測站O,Z軸與觀測站的橢球法線相重合,X軸垂直與Z軸指向橢球的短軸,Y軸垂直與XOZ平面.4.高斯平面直角坐標系11/27/202319衛星大地測量基準WGS-84坐標系國家大地坐標系1.1954北京坐標系2.1980年國家大地坐標系各坐標系的差異：1.坐標原點2.坐標軸的指向3.采用的參考橢球11/27/202320時間系統時間系統的定義：1.尺度（時間單位）2.