四种卫星定位导航系统的坐标系统与时间系统以及他们的转换关系
合集下载
gps原理与应用第二章坐标系统和时间系统
常见时间系统
UTC 时间
全球通用的时间，由原子钟计算得出。
GPS时间
以GPS卫星发射的信号作为时间基准的时间系统。
GPS坐标系统
经度
东经和西经，以本初子。
维度
北纬和南纬，以赤道为基准。
位置误差椭球
用于描述测量精度和误差范围。
GPS时间系统
GPS时间比UTC时间稍快（大约14秒），因为UTC考虑了地球自转问题而GPS时间不考虑。GPS时间是导航系统 执行定位计算的基础。
GPS的应用
1
导航
车载和手持GPS设备使导航变得更加简单和精确。
2
地图制作
GPS数据可以用于地图制作和更新，提高地图的精度和信息量。
3
气象预报
GPS在大气研究中广泛应用，如大气水汽含量的监测和气象预报的精度提高。
GPS原理与应用：坐标系 统和时间系统
GPS（全球定位系统）是一种全球性卫星导航定位技术，由美国政府开发。本 章介绍GPS中坐标系统和时间系统的基本知识。
坐标系统
1
地心坐标系（WGS）
地球椭球面上的坐标系统，以WGS84为代表，用于GPS导航。
2
平面直角坐标系
平面内的直角坐标系，适用于工程测量和坐标配准。
3
大地坐标系
以地球大地面为基准，用大地经纬度值来确定位置。
时间系统
1 UTC
协调世界时，是世界通用的时间参考标准。
2 GPS时间
以GPS卫星钟为基准计算的时间系统。
常见坐标系统
地心坐标系（WGS）
用于GPS导航定位，也是Google地球、GPS手机软 件等所采用的坐标系。
火星坐标系（Mars）
中国国内采用的坐标系，因为我国第一颗探测器曾 先后多次成功登陆火星。
GPS2第二章 坐标系统和时间系统
赤道 平面
Y
平地球坐标系的Z轴指
X
向国际协定原点CIO 。
PS
协议地球坐标系和瞬时地球坐标系之间的转换 地极的瞬时坐标由国际地球自转服务组织
（International Earth Rotation Service-IERS）根据多 个台站计算出来的。协议地球坐标系和瞬时地球坐 标系之间的转换关系为：
在空间变化，而且还受地球内部质量不均匀影响 在地球内部运动。前者导致岁差和章动，后者导 致极移。 极移：地球自转轴相对地球体的
位置并不是固定的，因而， 地极点在地球表面上的位 置，是随时间而变化的， 这种现象称为极移。
研究分析表明，极移周期有两种：一种周期约为 一年，振幅约为0.1″的变化；另一种周期约为432天， 振幅约为0.2″的变化，即张德勒（S.C.Chandler ）周期 变化。
L arctan Y X
B arctan{Z(N H) /[ X 2 Y 2 N(1 e2) H)]}
H Z / sin B N (1 e2 )
式中， N a / 1 e2 sin2 B ，N为该点的卯酉圈
曲率半径。
岁差、章动和极移的影响 地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其
为什么选用空间直角坐标系？ 任一点的空 间位置可由该点在三个坐标
面的投影（X，Y，Z）唯一地确定，通过坐 标平移、旋转和尺度转换，可以将一个点的 位置方便的从一个坐标系转换至另一个坐标 系。与某一空间直角坐标系所相应的大地坐 标系（B，L，H），只是坐标表现形式不 同，实质上是完全等价的，两者之间可相互 转化。
协议天球坐标系CIS （惯性坐标系）：z
国际大地测量学
会（International
第二章GPS定位系统的坐标系和时间系统
导致春分点
位置发生变
春分点
化
9
南黄极 南天极
§2.1.3 天球坐标系
协议天球坐标系（CIS）①
❖ 协议天球坐标系 经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系
❖ 当前，国际上所采用的协议天球坐标系 国际大地测量协会和国际天文联合会确定从1984 年1月1日起采用 为2000年1月1日12h（J2000.0）的平天球坐标系 ❖Z轴指向J2000.0的平北天极 ❖X轴指向J2000.0的平春分点
19
§2.1.9 转换过程
协议天球坐标
岁差旋转
瞬时平天球坐标
章动旋转
瞬时天球坐标
旋转真春分点时角
瞬时地球坐标
极移旋转
协议地球坐标
20
思考
❖ WGS84坐标系是一种地心坐标系统而国家坐 标系北京54和西安80却属于参心坐标系，那 么如果有了空间点位的GPS测量数据，如何 才能够获得国家坐标系的坐标呢？
UT1：引入极移改正（l）的世界时
UT2：引入极移改正（l）和地球自转速度
的季节改正（ Ts）的世界时
27
§2.2.6 力学时系统（Dynamic Time – DT）
（1）太阳系质心力学时(BDT)：相对于太阳质心的运动方 程所采用的时间参数； （2）地球质心力学时(TDT)：相对于地球质心的运动方程 所采用的时间参数； 地球质心力学时，在GPS定位中，主要用来描述卫星的运 动； 地球质心力学时的基本单位是国际制秒，与原子时的尺度 一致。 在1977年1月1日原子时与地球质心力学时的严格关系： TDT=IAT+32.184（S） 地球质心力学时与世界时之间的时差：△T=TDTUT1=IAT-UT1+32.184(S)，通常记录于天文年历中；
四种卫星定位导航系统的坐标系统与时间系统以及他们的转换关系
GLONASS
坐标系统名：PE-90 时间系统名：GLONASS时
-4-
定义
GLONASS坐标系统：采用的是基于Parameters of the Earth 1990框架的PE-90大地坐标系，其 几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS 推荐的协议地球极（CTP）方向,即1900-1905年 的平均北极，X指向地球赤道与BH定义的零点子 午线交点，Y轴满足右手坐标系。 GLONASS时间系统：采用原子时AT1秒长作为 时间基准，是基于前苏联莫斯科的协调世界时 UTC(SU)，采用的UTC时并含有跳秒改正。
GPS
坐标系统名：WGS-84 时间系统名：GPS时
-1-
定义
GPST规定它的起点在1980年1月6日UTC的0点, 它的秒长始终与主控站的原子钟同步,启动之后不 采用跳秒调整。根据对GPS时间系统起点的规定, 知道GPST与国际原子时有固定19秒的常数差,而 且在1980年之后与UTC另外还有随时间不断变化 的常数差。如1985年12月,常数差为4秒。 GPST=UTC十4秒 总结 原点:1980年1月6日UTC零时 秒长：原子时秒长 不跳秒
Galileo
坐标系统名：ITRS 时间系统名：伽利略系统时间
-6-
定义
伽利略地球参考框架（Galileo Terrestrial Reference Frame，GTRF）是实现伽利略所有产品和服务的基础， 它由伽利略大地测量服务原型（GGSP）负责定义、建立、 维持与精化。GTRF符合ITRS定义，并与ITRF对准，它 的维持主要基于GTRF周解。除GTRF外，GGSP还提供 地球自转参数、卫星轨道、卫星和测站钟差改正等产品。 GTRF的发展早在2011年10月首批Galileo卫星升空前， GTRF就完成了它的初始实现（2007年）。它采用了42 个位于伽利略跟踪站（GSS）附近的IGS站、33个其他 IGS站和13个伽利略实验站（GESS）从2006年11月至 2007年6月的GPS观测数据。后续的GTRF将由使用 GPS/Galileo数据逐步过渡到只使用Galileo数据。从2013 年4颗Galileo卫星组网并开始提供导航服务以来，GTRF 每年都会发布新的版本并进行2~3次更新。
全球四大卫星导航系统介绍分析讲义
全球四大卫星导航系统介绍分析
应用范围(1)
卫星导航首先是在军事需求的推动下发 展起来的，GLONASS与GPS一样可为 全球海陆空以及近地空间的各种用户提 供全天候、连续提供高精度的各种三维 位置、三维速度和时间信息（PVT信 息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、 陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导 航。
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
主要内容
卫星通信、卫星导航简介 全球四大卫星导航系统
全球四大卫星导航系统介绍分析
卫星通信
• 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中 继站转发无线电信号，在多个地面站之 间进行的通信
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
系统概述
数量 24颗卫星组成 精度 10米左右 用途 军民两用 进展 目前已有17颗卫星在轨运行，计
划2008年全部部署到位
全球四大卫星导航系统介绍分析
研制历程 第一阶段（1982-1990年）
到1984-1985年，由4颗卫星组成的试验 系统达到验证系统的基本性能指标。空间 星座从1986年开始逐步扩展，到1990年 系统第一阶段的测试计划已经完成，当时 空间星座已有10颗卫星， “格洛纳斯” 系统示意图布置在轨道面1（6颗）和轨道 面3（4颗）上。该星座每天至少能提供 15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少 可达8小时。
全球四大卫星导航系统介绍分析
应用范围(2)
卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、 地质勘探、石油开发、地震预报、地面 交通管理等各种国民经济领域有越来越 多的应用。GLONASS的出现，打破了 美国对卫星导航独家笼断的地位，消除 了美国利用GPS施以主权威慑给用户带 来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使 用可以提供更好的精度几何因子，消除 GPS的SA影响，从而提高定位精度。
应用范围(1)
卫星导航首先是在军事需求的推动下发 展起来的，GLONASS与GPS一样可为 全球海陆空以及近地空间的各种用户提 供全天候、连续提供高精度的各种三维 位置、三维速度和时间信息（PVT信 息），这样不仅为海军舰船、空军飞机、 陆军坦克、装甲车、炮车等提供精确导 航。
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
主要内容
卫星通信、卫星导航简介 全球四大卫星导航系统
全球四大卫星导航系统介绍分析
卫星通信
• 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中 继站转发无线电信号，在多个地面站之 间进行的通信
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
全球四大卫星导航系统介绍分析
系统概述
数量 24颗卫星组成 精度 10米左右 用途 军民两用 进展 目前已有17颗卫星在轨运行，计
划2008年全部部署到位
全球四大卫星导航系统介绍分析
研制历程 第一阶段（1982-1990年）
到1984-1985年，由4颗卫星组成的试验 系统达到验证系统的基本性能指标。空间 星座从1986年开始逐步扩展，到1990年 系统第一阶段的测试计划已经完成，当时 空间星座已有10颗卫星， “格洛纳斯” 系统示意图布置在轨道面1（6颗）和轨道 面3（4颗）上。该星座每天至少能提供 15小时的二维定位覆盖，而三维覆盖至少 可达8小时。
全球四大卫星导航系统介绍分析
应用范围(2)
卫星导航在大地和海洋测绘、邮电通信、 地质勘探、石油开发、地震预报、地面 交通管理等各种国民经济领域有越来越 多的应用。GLONASS的出现，打破了 美国对卫星导航独家笼断的地位，消除 了美国利用GPS施以主权威慑给用户带 来的后顾之忧，GPS/GLONASS兼容使 用可以提供更好的精度几何因子，消除 GPS的SA影响，从而提高定位精度。
卫星导航系统的坐标系统与时间系统
系统时的两种定义方式
●主钟方式：由主控站的主钟定义，如GLONASS 系统时间以中央同步器时间为基础产生，GPS系 统时间在1991年6月17日以前由在科罗拉多的 GPS主控站的主钟产生。
●合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组 定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。 这就是合成钟（Composite Clock, CC）的概 念。合成钟又称‘纸’钟，由所有监测站和卫星 钟组成。
• 用不同导航系统得到的“坐标” 和 “时间”各自参考于它们各自的坐标 系和时间尺度。
坐标系和系统时的体现
• 定轨计算中所用的监测站坐标、重 力场模型和地球定向参数（极移、 地球旋转角、岁差、章动）等决定 了导航系统使用的坐标系。卫星星 历是坐标系的体现。
• 卫星信号(如伪随机码测距信号)时标 和钟差改正数是系统时的体现。
• 导航（Navigation）： 精准确定当前的和要 去的位置与对达到该目的地（从地下到地面， 从地面到空间）的行动路线、方向和速度进行 校正的能力；
• 定时（Timing）：及时获取一标准时间（如 UTC）和保持精准时间的能力。
坐标系和系统时
• 导航系统使用的坐标系和系统时是导 航系统产生PNT能力的基础。坐标系 为PNT提供大地基准，系统时为PNT 提供时间尺度。
• ECEF坐标系由一组地面点的坐 标和速度来实现。这些点的坐标 和速度叫做参考系的“实现”。 这样实现了的参考系称为参考架。
ITRF
国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立 和维持国际地球参考系（ITRS）或国际地球参考架 （ITRF）的工作。已发表ITRF92，ITRF93， ITRF94，…。ITRF是当今国际上最精确的地球坐标 系。例如， 最新版本ITRF2005的坐标精度达mm 级，速度精度达mm/yr。
GPS原理及应用坐标系统与时间系统
GPS原理及应用坐标系统与时 间系统
主要内容
2.1 天球及天球坐标系
2.2 协议地球坐标系 2.3 GPS坐标系统 2.4 时间系统
2.1 天球及天球坐标系
2.1.1天球主要点、线、圈
定义：以空间某一点为中心、半径为无穷大的一个 圆球。
作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上
分类：站心天球、地心天球、日心天球
0
P为岁差改正矩阵；
N为章动态系数阵；
X为瞬时真天球坐标。
2.2 协议地球坐标系
1.地球直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向 地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平 面里与XOZ构成右手坐标系。
2.地球大地坐标系的定义 地球椭球的中心与地球质心重合椭球 的短轴与地球自转轴重合。空间点位 置在该坐标系中表述为（L，B，H）。
– UT2：引入极移改正（）和地球自转速度的
季节改正（ Ts）的世界时
UT1 UT 0
UT 2 UT1 Ts
2.4.2 力学时
定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为
力学时。
历事（书）时
– 历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的 时间系统，其规定1900年1月1日12h的回归 年长度的1/31556925.9747为1历书秒。在该 瞬间，历书时与世界时在数值上相同，其后关 系如下
❖ 格林尼治平均子午线
– 由多个天文台共同维持 – 可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的影响
CIO-BIH经度零点
通过CIO和天文经度零点的子午线称 为起始子午线，其与CIO赤道的交点 称为赤道参考点或CIO-BIH经度零点
几种常用坐标系之间的关系
某一历元的平天球 坐标系
主要内容
2.1 天球及天球坐标系
2.2 协议地球坐标系 2.3 GPS坐标系统 2.4 时间系统
2.1 天球及天球坐标系
2.1.1天球主要点、线、圈
定义：以空间某一点为中心、半径为无穷大的一个 圆球。
作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上
分类：站心天球、地心天球、日心天球
0
P为岁差改正矩阵；
N为章动态系数阵；
X为瞬时真天球坐标。
2.2 协议地球坐标系
1.地球直角坐标系的定义 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向 地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平 面里与XOZ构成右手坐标系。
2.地球大地坐标系的定义 地球椭球的中心与地球质心重合椭球 的短轴与地球自转轴重合。空间点位 置在该坐标系中表述为（L，B，H）。
– UT2：引入极移改正（）和地球自转速度的
季节改正（ Ts）的世界时
UT1 UT 0
UT 2 UT1 Ts
2.4.2 力学时
定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为
力学时。
历事（书）时
– 历书时是以太阳系内的天体公转运动为基础的 时间系统，其规定1900年1月1日12h的回归 年长度的1/31556925.9747为1历书秒。在该 瞬间，历书时与世界时在数值上相同，其后关 系如下
❖ 格林尼治平均子午线
– 由多个天文台共同维持 – 可减少板块运动、局部地壳运动和观测误差的影响
CIO-BIH经度零点
通过CIO和天文经度零点的子午线称 为起始子午线，其与CIO赤道的交点 称为赤道参考点或CIO-BIH经度零点
几种常用坐标系之间的关系
某一历元的平天球 坐标系
坐标系统与时间系统
可推得GALILEO系统与GPS系统间的转换系数为:
Page
11
二
时间系统
Page
12
1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
Page
3
1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
Page
7
5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
Page
11
二
时间系统
Page
12
1.时间系统——GPS
GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义 为铯原子CS133基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡192631170 周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时 UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累， GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期 公布。 目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地 坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是 1997.0。【6】
Page
3
1.坐标系统——GPS
WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的 星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodetic System(世界大地坐标系-84)，它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS 所采用的坐标系统―WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Ｚ轴指向BIH1984.0定义 的协议地球极方向,X轴指向BIH984.0的起始子午面和赤道的交点，Y 轴与X轴和Ｚ轴构成右手系。采用椭球参数为： ａ=6 378 137ｍ ｆ=1/298.257 223 563 【2】
Page
7
5.坐标系统转换
在GPS与GLONASS之间的坐标系转换，即为WGS—84 与PE—90间的转换。俄罗斯MCC(Russian Mision Control Center)的Mitrikas等 人经过长期实验与精确计算，所提出的且已经应用于GPS/GLONASS组合型接 收机中的转换参数， 被认为是目前最精确的坐标转换参数，其表达式为：
GPS卫星定位基础知识
2481935.9644 34.954
大地基准：椭球大小和形状、椭球短半轴指向、椭球中 心位置、本初子午线。 大地纬度B：过地面点与椭球法线与椭球赤道面的夹角。 大地经度L：过地面点的椭球子午面与本初子午面的夹角。 大地高H：地面点沿椭球法线至椭球面的距离。
GPS卫星定位基础知识
按坐标原点和坐标轴的指向分
GPS卫星定位基础知识
第二章 GPS卫星定位基础知识
掌握内容：
了解内容：
天球坐标系统的定义；
地心坐标系统和参心坐标系 统的区别；大地坐标系和空间直角 坐标系的区别。
坐标系统转换； 卫星位置计算； 卫星的受摄运动；
WGS-84和CGCS2000坐标系的 定义；
GPS时间系统；
GPS卫星的码信号； GPS接收机的类型。
GPS卫星定位基础知识
北黄极
北天极
天 轴
春分点
南天极
南黄极
岁差：北天极沿圆形轨道绕北黄极的运动。半径等于黄赤交 角，周期大约为25800年。 平北天极：在天球上，只有岁差运动的北天极称为瞬时平北 天极（简称平北天极）。与之相应的天球上赤道和春分点称 为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点。 真北天极：观测时真正的北天极称为瞬时北天极（简称真北 天极）。与之相应的天球上赤道和春分点称为瞬时天球赤道 和瞬时春分点。 章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极绕平北天极 顺时针旋转的运动称为章动。其轨迹成椭圆形，长半径约为 9.2″，周期约为18.6年。
天球空间直角坐标系和天球球面坐标系转换关系：
GPS卫星定位基础知识
天球坐标系
平天球坐标系：X 轴指向平天极，Y 轴指向平春分点
真天球坐标系：X 轴指向真天极，Y 轴指向真春分点
(完整)全球四大卫星定位系统精品PPT资料精品PPT资料
“伽利略”定位系统的优势
“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统， 投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位 卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是“伽利略”计 划给用户带来的直接好处。
伽利略系统由空间段、地面段、用户三部分组成。空间段由分 布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面 上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用；轨道面倾角56度。地 面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理 中心、地面支持设施、地面管理机构。用户端主要就是用户接收机 及其等同产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起 组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接 收机。
欧洲“伽利略”系统的目的
•为用户提供更准确的 数据 •加强对高纬度地区的 覆盖，包括挪威、瑞 典等地区。 •减低对现有GPS系统 的依赖，尤其是在战 争发生时。
欧洲“伽利略”系统的组成
该系统计划将由30颗中高度圆轨道卫星和2个地面 控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星,3颗为候补。 卫星高度为24126km，位于3个倾角为56度的轨道平面内， 该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控 制中心。当时预计系统于 年建成，总 36亿欧元，以 商业运营的模式全部民用。
北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是北斗卫星导航系统示意图。
Glonass 3.8亿美元，2006年则为1.81亿美元。
欧洲“伽利略”系统
伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟 一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也 是继 现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS 系统外，第三个可供民用的定位系统。伽利略系统的基本服务 有导航、定位、授时；特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务 系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、 海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。 年1月7日， 欧盟委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从 年起投入运营。
GPS2第二章 坐标系统和时间系统
x
Ps
J2000.0：公历为2000年1月1日12:00:00
y
天球 赤道
协议天球坐标系与瞬时天球坐标系的转换：
协议天球坐标系
岁差
观测瞬间的平天球坐标系 章动
瞬时天球坐标系
二、地球坐标系
地球空间直角坐标系的定义：
Z
原点O：地球质心 Z轴：指向地球北极Pn
PN
赤道 平面
X轴：指格林尼治子午
P
Z
L arctan Y X
B arctan{Z(N H) /[ X 2 Y 2 N(1 e2) H)]}
H Z / sin B N (1 e2 )
式中， N a / 1 e2 sin2 B ，N为该点的卯酉圈
曲率半径。
岁差、章动和极移的影响 地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其
Πn
天极
Pn
在岁差和章动 黄道 的影响下，瞬时天
球坐标系的坐标轴
的指向在不断的变
M
化，将不能直接根
ε γ
天球 赤道
Πs
据牛顿力学定律来 研究卫星的运动规 律。
瞬时天球坐标系：
原点：地球质心 坐标轴指向： z轴——指向瞬时地球自
转轴 x轴——指向瞬时春分点 y轴——与x轴、z轴构成
右手坐标系
Z
Pn
长半轴： 6378245（m） 扁率： 1：298.3
BJ54可归结为： a．属参心大地坐标系； b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数； c. 大地原点在原苏联的普尔科沃； d．采用多点定位法进行椭球定位； e．高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平
均海水面。
怎样定义一个坐标系？
坐标系固连在参照系上，且与参照系同
GPS测量中常用的几种坐标系统及相应的坐标转换
GPS测量中常用的几种坐标系统及相应的坐标转换摘要:本文主要介绍了GPS测量中常用的几种坐标系统的建立及其相关技术参数,并针对日常生产常用到的这几种坐标系统的相互转换作了简单的总结关键词:GPS 测量坐标系统坐标转换1、GPS测量概述GPS(Global Positioning System全球定位系统)经过多年的发展已发展成为一种被广泛采用的系统,目前,它在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中,都被作为一项非常重要的技术手段和方法。
在测量中,它最初主要用于高精度大地测量和控制测量,建立各种类型和等级的测量控制网;它在测量领域的其它方面也得到充分的应用,如用于各种类型的施工放样、测图、变形观测、航空摄影测量、海测和地理信息系统中地理数据的采集等。
尤其是在各种类型的测量控制网的建立这一方面,GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段,成为了主要的技术手段。
2、GPS测量中常用的几种坐标系统2.1 WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。
WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84(世界大地坐标系-84),它是一个地心地固坐标系统。
WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立。
WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向,X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点,Y轴与X轴和Z轴构成右手系。
WGS-84系所采用椭球参数为:2.2 1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。
建国前,我国没有统一的大地坐标系统,建国初期,在苏联专家的建议下,我国根据当时的具体情况,建立起了全国统一的1954年北京坐标系。
该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球,该椭球的参数为:但是该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位,而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁,经我国的东北地区传算过来的,该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值,按我国天文水准路线推算出来的,而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
四大卫星定位系统介绍
GPS,GLONASS,GALILEO,北斗四大卫星定位系统介绍北斗卫星导航定位系统（Compass Navigation Satellite System）始于2000年，是中国自行研制开发的区域性有源卫星定位与通信系统，是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。
中国的北斗分为两代。
第一代是区域系统，包含4颗卫星，已经发挥20世纪60年代末70年代初，美国和前苏联分别开始研制全天候、全天时、连续实时提供精确定位服务的新一代全球卫星导航系统，至90年代中期全球卫星导航系统GPS和GLONASS 均已建成并投入运行。
中国也开始建设自主知识产权的北斗卫星导航系统，2003年底正式开通运行。
欧盟筹建的GALILEO伽利略全球卫星导航系统正在计划实施之中。
GPS全球卫星定位系统GPS(Global Positioning System) 全球卫星定位系统是美国第二代空间卫星导航定位系统。
具体来说即通过 GPS接收设备，接受美国发射的24颗卫星中任意３颗以上卫星所发射的导航信号，在任何时候、任何地点都能准确地测量到物体瞬时位置的一种定位系统（包括物体的经纬度、高度、速度等位置信息）。
它是一个基于被动式定位原理的卫星导航定位系统，由美国陆海空三军于20世纪70年代联合研制。
经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星己布设完成并投入运营。
它不仅成为军事的重要技术手段，而且也成为车辆导航、交通管理（海、陆、空）、物流、救助、娱乐业、安保市场等民用产业必不可少的通信手段。
GPS全球卫星定位系统所有权、控制权和运营权均属于美国国防部。
为了限制不同用户对GPS 的应用，GPS通过发射不同的无线电信号来分别为军事部门和民间用户提供两种不同的定位服务。
GLONASS全球卫星定位系统俄罗斯于2002年12月25日在哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场用一枚“质子-K”火箭成功发射了3颗GLONASS全球导航系统卫星。
四大全球卫星定位系统比较
GLONASS包括24颗卫星（3颗备用），卫星高度19100公里，均匀分布在个 轨道面上，轨道面倾角为64.8度，运行周期约为11小时15分，卫星信号 采用了两种载波，其频率分别为 l.6 GHz 和 1.2GHz。目前的卫星状 况已具备可用性。
数量：24颗卫星组成 轨道：三个轨道平面两两相隔120度，同平面内的卫星之间相隔45度。
GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户设备三部分组成。
GPS-系统组成
GPS构成
空间部分
•24颗工作卫星组成 •距地表20200km上 空
•全球任何地方、任 何时间都可观测到4 颗以上的卫星
地面控制
•监测站 •主控制站 •地面天线
用户设备
•测量出接收天线至 卫星的伪距离和距 离的变化率 •计算出用户所在经 纬度、高度、速度、 时间
系统组成：
用户段：由北斗用户终端以及与其它GNSS兼容的终端 组成
北斗系统的用户终端
北斗卫星导航系统-时间系统
时间系统： 北斗时（BDT）溯源到协调世界时UTC（NTSC），与
UTC的时间偏差小于100纳秒。BDT的起算历元时间是 2006年1月1日零时零分零秒（UTC）。 BDT与GPS时和Galileo时的互操作在北斗设计时间系统 时已经考虑，BDT 与GPS时和Galileo时的时差将会被监 测和发播。
美国的GPS 中国的北斗
俄罗斯的GLONASS 欧盟的Galileo 四大系统参数应用比较
+ 2002年3月26日，欧盟首脑会议批准Galileo卫星导航定位系统的实施 计划。这标志着在2008年欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统，并结 束美国的GPS独霸天下的局面。
+ 欧洲建设Galileo系统的目的主要有两个： – 军事安全 尽管伽利略计划是民用卫星导航服务，但该项计划完成后，将使欧 洲赢得建立欧洲共同安全防务体系的条件。 – 经济利益 欧盟一项研究预测表明，发展Galileo计划，仅在欧洲就可以创造出 140000多个就业岗位。每年创造的经济收益将会高达90亿欧元， 到2020年，Galileo系统的收益将达到740亿欧元。
GPS坐标系统和时间系统
xoz构成右手系统而成的坐标系统称为平地 球坐标系。
❖ 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
❖ x
x
y
Ry (xp )Rx ( yp ) y
z em
z et
❖
（2-13）
❖ 下标xepm, y表p 示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系， 为t时刻以角度表示的极移值。
2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
❖
❖ C2.0=-J2/ 5
❖
❖ J2=108263×10-8
❖ 地球自转角速度： ❖ ω=7292115×10-11rad·s-1±0.150×10-11rad·s-1
❖
2.2.2 国家大地坐标系
❖ 1). 1954年北京坐标系（BJ54旧）
❖ 坐标原点：前苏联的普尔科沃。
❖ 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。
❖
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。
又称大地原点，该点的大地经纬度与天文经纬
度一致。大地经、纬度是根据起始大地点的大地坐
标，按大地测量所得数据推算而得。位于陕西省泾阳县-永乐镇-北洪流村。
地 理 坐 标 为 东 经 108°55′ ， 北 纬 34°32′ ， 海 拔 417.2m。
–。
❖ 特点：（1）采用1975年国际椭球。
❖ 平差方法：天文大地网整体平差。
❖ BJ54新的特点 ：（1）采用克拉索夫斯基椭球。 ❖ （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 ❖ （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内
不是最佳拟 合。
❖ （4）定向明确。 ❖ （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 ❖ （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 ❖ （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相
❖ 平地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式：
❖ x
x
y
Ry (xp )Rx ( yp ) y
z em
z et
❖
（2-13）
❖ 下标xepm, y表p 示平地球坐标系，et表示t 时的瞬时地球坐标系， 为t时刻以角度表示的极移值。
2.2 WGS-84坐标系和我国大地坐标系
❖
❖ C2.0=-J2/ 5
❖
❖ J2=108263×10-8
❖ 地球自转角速度： ❖ ω=7292115×10-11rad·s-1±0.150×10-11rad·s-1
❖
2.2.2 国家大地坐标系
❖ 1). 1954年北京坐标系（BJ54旧）
❖ 坐标原点：前苏联的普尔科沃。
❖ 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。
❖
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。
又称大地原点，该点的大地经纬度与天文经纬
度一致。大地经、纬度是根据起始大地点的大地坐
标，按大地测量所得数据推算而得。位于陕西省泾阳县-永乐镇-北洪流村。
地 理 坐 标 为 东 经 108°55′ ， 北 纬 34°32′ ， 海 拔 417.2m。
–。
❖ 特点：（1）采用1975年国际椭球。
❖ 平差方法：天文大地网整体平差。
❖ BJ54新的特点 ：（1）采用克拉索夫斯基椭球。 ❖ （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。 ❖ （3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内
不是最佳拟 合。
❖ （4）定向明确。 ❖ （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 ❖ （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 ❖ （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，其定位相
任务1 四大卫星导航定位系统简介
项目34 GNSS的基本知识任务1 四大卫星导航定位系统简介一、GNSS是什么很久以来，人们一直因为“我在哪里”这个问题而感到困惑，也想了许多解决的办法，但是没有一个直接、快速和有效的解决方法为全球提供精确定位服务，直到GPS系统出现。
GNSS是全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)的缩写。
它是所有在轨工作的卫星导航定位系统的总称。
GNSS能为我们提供什么？它可为用户提供高精度、全天时、全天候的定位、导航和授时服务。
GNSS包括的定位系统有哪些？目前，GNSS包含了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统、中国的Compass(北斗)，全部建成后其可用的卫星数目达到100颗以上，截止目前欧盟的Galileo系统、中国的Compass(北斗)还未进入有规模的民用阶段。
除此之外还有W AAS广域增强系统、EGNOS欧洲静地卫星导航重叠系统、DORIS星载多普勒无线电定轨定位系统、PRARE精确距离及其变率测量系统、QZSS准天顶卫星系统、GAGAN GPS静地卫星增强系统和IRNSS印度区域导航卫星系统。
GNSS是由谁开发的？目前现行的卫星导航系统有全球卫星导航系统和区域卫星导航系统。
开发者也有国家或是部门。
具体情况参见表1-1。
GNSS系统组成？GNSS系统一般由三部分组成，也即地面部分、空间部分和用户部分。
各卫星定位系统的组成参见表1-2。
表1-2 GNSS系统组成各卫星定位系统的卫星图参见图1-7、1-8、1-9和图1-10。
图1-1 GPS 卫星星座 图1-2 GLONASS 卫星星座图1-3 Galileo卫星星座图1-4 北斗卫星星座图1-5 2011年6月北斗卫星运行轨道图 图1-6 2011年9月北斗卫星运行轨道图图1-7 GPS 卫星 图1-8 GLONASS 卫星图1-9 伽利略卫星图1-10 北斗卫星GNSS卫星发射的是什么信号？不同的导航定位系统发射的信号不尽相同，但基本上有三种，一种是供用户计算卫星位置的导航电文，一个是用来测距的测距码，还有一个是加载信号和测距的载波。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四种时间转换关系
+33S
BDT
GPST
+19S
+(TAI-UTC)-3h
TAI
GLONASST
+19S
俄罗斯国家参考时
GST
-12-
转换关系
转换关系
转换关系
Geodetic datum transformation
PZ90-WGS84
俄罗斯 MCC（Russian Mission Control Center）给出的 WGS84 与 PZ90 之 间国际上公认精度最高的坐标转换七参数。
导航 四 大
定位系
统
GPS
坐标系统名：WGS-84 时间系统名：GPS时
-2-
定义
GPST规定它的起点在1980年1月6日UTC的0点, 它的秒长始终与主控站的原子钟同步,启动之后不 采用跳秒调整。根据对GPS时间系统起点的规定, 知道GPST与国际原子时有固定19秒的常数差,而 且在1980年之后与UTC另外还有随时间不断变化 的常数差。如1985年12月,常数差为4秒。 GPST=UTC十4秒 总结 原点:1980年1月6日UTC零时 秒长：原子时秒长 不跳秒
GLONASS
坐标系统名：PE-90 时间系统名：GLONASS时
-5-
定义
GLONASS坐标系统：采用的是基于Parameters of the Earth 1990框架的PE-90大地坐标系，其 几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS 推荐的协议地球极（CTP）方向,即1900-1905年 的平均北极，X指向地球赤道与BH定义的零点子 午线交点，Y轴满足右手坐标系。 GLONASS时间系统：采用原子时AT1秒长作为 时间基准，是基于前苏联莫斯科的协调世界时 UTC(SU)，采用的UTC时并含有跳秒改正。
Байду номын сангаас
定义
在卫星轨道坐标不参加解算的情况下，用户测站 坐标解算所使用的坐标系，取决于GPS卫星星历 计算使用的坐标系。该坐标系自试验以来经历了 不同的发展阶段,1985年10月以前,使用的是 WGS-72坐标系,以后则使用新的WGS-84坐标系。 该系统的坐标原点更加靠近地球质心,采用改进以 后的重力场模型,各项参数值的确定也更加精确, 作为一种全球性的统一参考坐标系,它更加适合于 目前的卫星导航定位应用的需要。
定义
Galileo的时间系统(Galileo system time，GST)：由周数 和周秒组成，也是一个连续计数的时间系统。起算时刻 为UTC时间的1999-08-22 T00：00：00。GST比UTC快 13s。因此，GST和GPST之间相差1024周和一个很小的 偏差(GPS to GalileO time offset，GGTO)。值得注意的 是在RINEX文件中习惯将Galileo周数设为与GPS周数相 同。
COMPASS
坐标系统名：CGCS2000 时 间 系 统 名 ： 北 斗 时 （ BDT ）
-10-
定义
北斗卫星导航系统的系统时间叫做北斗时，属于 原子时，溯源到中国的协调世界时，与协调世界 时的误差在100纳秒内，起算时间是协调世界时 2006年1月1日0时0分0秒。 北斗卫星导航系统的坐标系是国家2000大地坐标 系，CGCS2000的坐标参考框架是ITRF1997。 在相同的历元下，CGCS2000与WGS84 （G1150）是相容的，在坐标系的实现精度范围 内两者坐标是一致的。
Galileo
坐标系统名：ITRS 时间系统名：伽利略系统时间
-7-
定义
伽利略地球参考框架（Galileo Terrestrial Reference Frame，GTRF）是实现伽利略所有产品和服务的基础， 它由伽利略大地测量服务原型（GGSP）负责定义、建立、 维持与精化。GTRF符合ITRS定义，并与ITRF对准，它 的维持主要基于GTRF周解。除GTRF外，GGSP还提供 地球自转参数、卫星轨道、卫星和测站钟差改正等产品。 GTRF的发展早在2011年10月首批Galileo卫星升空前， GTRF就完成了它的初始实现（2007年）。它采用了42 个位于伽利略跟踪站（GSS）附近的IGS站、33个其他 IGS站和13个伽利略实验站（GESS）从2006年11月至 2007年6月的GPS观测数据。后续的GTRF将由使用 GPS/Galileo数据逐步过渡到只使用Galileo数据。从2013 年4颗Galileo卫星组网并开始提供导航服务以来，GTRF 每年都会发布新的版本并进行2~3次更新。
-16-
■模板简要说明
-17-
■模板简要说明
-18-
演示完毕 感谢聆听
◎中国风系列作品之“虚竹”