GPS卫星导航基础
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卫星定位基本原理
利用到达时间测量值（TOA）测距的原理
已知：(1)信号从已知位置的辐射源（如卫星）发出 至到达用户所经历的时间； (2)信号传播的速度 (即光速)。
求：从辐射源到接收机的距离。
通过对多个TOA的测量，便 能确定位置。
二维位置的确定
由卫星产生的测距信号确定三维位置
前提条件：
卫星位置已知：即把卫星看作是动态已知 点．
的转换
（1）地球坐标系
z（N）
P
O
y
x（E）
地球空间直角坐标系
z P
H
OB
y
L
xE
大地坐标系
两种地球坐标系的转换
X =（N+H）cosB ·cosL Y =（N+H）cosB ·sinL Z = [（1-e2）+ H] ·sinB
极移：由于受到地球内部质量不均匀的影响，地球自 转轴在地球体内部发生运动，使得地极点在地球表面 上的位置随时间发生变化，这种现象称为地极移动， 简称极移。(P19)
1.天轴与天极 2.天球赤道面与天球赤道 3.天球子午面与子午圈 4.时圈 5.黄道与黄极 6.春分点γ 7.黄赤交角
Ｐn北天极
M
ε γ
Ｐs南天极 Пn黄南极
（2）天球坐标系(P13)
天球空间直角坐标系： S（x， y，z）
z（Ｐn）
S
M
y
x（γ）
天球球面坐标系： S（ α，δ，r ）
z Ｐn
rS
利用已知的卫星位置来求得站星距离（测 站点与卫星之间的距离），利用多个距离测量 值进行地面点的定位．
第一节 GPS定位的参照系统
（一）GPS定位的坐标系统
1.协议天球坐标系 2.协议地球坐标系 3.世界测地系
协议天球坐标系 （1）天球 （2）天球坐标系 （3）协议天球坐标系
（1）天球的基本概念(P12) Пn黄北极
Пn Ｐn’ Ｐn
γ γ’
章动
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆轨道， 其长半径约为9.2秒，周期约为18.6年.这种现 象称为章动.
Пn
（3）协议天球坐标系
定义：通常选择某时刻作为标准历元,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， 经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作z轴和x轴的指 向。由此构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元 t0时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协 议惯性坐标系。（conventional inertial system, CIS）
回顾:
GPS概述(概念,组成,特点,功能)
卫星定位基础 基本定位原理
理想状态下
空间坐标系 天球坐标系 岁差和章动影响
协议天球坐标系
地球坐标系
北天极
卫星
时刻随地球自转 而变化位置的地 面点
地球 Y
春分点
天球坐标系
协议地球坐标系(P18) （1）地球坐标系 （2）协议地球坐标系 （3）与协议天球坐标系
时刻（历元）：发生某一现象的瞬间。 ——绝对时间测量
（7292115±1源自文库×10―11±0.15×10―11）rad/s
YWGS-84
（二）GPS定位的时间系统(P32)
1.时间的概念 2.世界时系统 3.原子时 4.力学时 5.协调世界时 6.GPS时间系统
时间的概念
在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述 天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因 而也是人类利用卫星进行定位的重要基准。
极移的变化: (1)周期约为一年，振幅约为0.1秒； (2)周期约为432天，振幅约为0.2秒。（张德勒周期变
化）
地极的移动将使地球坐标系坐标轴的指向发生变化。
（2）协议地球坐标系
定义：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）。 协议地极：以1900-1905年的平均纬度所确定 的平均地极的位置通常称为国际协议原点 （conventioanal international origin， CIO），在实际工作中普遍采用CIO作为协议 地极。 瞬时坐标系相对协议地球坐标系发生旋转。
Mδ
y
α
γ x
两种坐标系的转换
x = cosδ· cosα y = cosδ· sinα z = sinα
r = (x2+y2+z2)1/2 α= arctan(y/x) δ= arctan(z/(x2+y2)1/2)
岁差与章动的影响(P15)
岁差
由于地球的形体是一个接近于赤道隆起的 椭球体，在日月引力和其他天体引力对地球隆 起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不 变，这使得春分点在黄道上产生缓慢的西移现 象，这种现象在天文学中称为岁差．
国际大地测量学协会和国际天文学联合会决定， 从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系，其坐标 轴的指向是以2000年1月15日太阳质心力学时为标准 历元的赤道和春分点所定义的。
转换： （1）将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标
系（岁差旋转）
（2）将瞬时平天球坐标系转换为瞬时天球坐标 系（章动旋转）
（3）协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换
协议地球坐标系与协议天球坐标系的异同点： （1）原点位置相同； （2）Z轴指向相同； （3）X轴指向不同，其夹角为春分点的格林尼治恒星
时。
Z
天球坐标系
地球坐标系
Y γ X
E X’
协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换过程：
协议天球坐标系 真天球坐标系 真地球坐标系 协议地球坐标系
X轴指向BIH1984.0定义的
零子午面与CTP相应的赤道
O
的交点；Y轴垂直于XMZ平
面，且与Z、X轴构成右手 坐标系。
XWGS-84
WGS-84主要参数： （1）长半径α=6378137±2m （2）地球引力常数GM = (39686005±0.6×108)m3/s2 （3）正常二阶带谐系数C2.0=―484.16685×10―6±0.6×10―6 （4）地球自转角速度ω=
岁差章动旋转 旋转真春分点时角
极移旋转
协议地球坐标系---WGS-84坐标系
参心坐标系---国家大地坐标系,如1954北京坐 标系和1980西安坐标系等.
站心坐标系,独立坐标系,投影坐标系
ZWGS-84
WGS-84坐标系
WGS-84坐标系的原
点为地球质心；Z轴指向
BIH1984.0定义的协议地极；
利用到达时间测量值（TOA）测距的原理
已知：(1)信号从已知位置的辐射源（如卫星）发出 至到达用户所经历的时间； (2)信号传播的速度 (即光速)。
求：从辐射源到接收机的距离。
通过对多个TOA的测量，便 能确定位置。
二维位置的确定
由卫星产生的测距信号确定三维位置
前提条件：
卫星位置已知：即把卫星看作是动态已知 点．
的转换
（1）地球坐标系
z（N）
P
O
y
x（E）
地球空间直角坐标系
z P
H
OB
y
L
xE
大地坐标系
两种地球坐标系的转换
X =（N+H）cosB ·cosL Y =（N+H）cosB ·sinL Z = [（1-e2）+ H] ·sinB
极移：由于受到地球内部质量不均匀的影响，地球自 转轴在地球体内部发生运动，使得地极点在地球表面 上的位置随时间发生变化，这种现象称为地极移动， 简称极移。(P19)
1.天轴与天极 2.天球赤道面与天球赤道 3.天球子午面与子午圈 4.时圈 5.黄道与黄极 6.春分点γ 7.黄赤交角
Ｐn北天极
M
ε γ
Ｐs南天极 Пn黄南极
（2）天球坐标系(P13)
天球空间直角坐标系： S（x， y，z）
z（Ｐn）
S
M
y
x（γ）
天球球面坐标系： S（ α，δ，r ）
z Ｐn
rS
利用已知的卫星位置来求得站星距离（测 站点与卫星之间的距离），利用多个距离测量 值进行地面点的定位．
第一节 GPS定位的参照系统
（一）GPS定位的坐标系统
1.协议天球坐标系 2.协议地球坐标系 3.世界测地系
协议天球坐标系 （1）天球 （2）天球坐标系 （3）协议天球坐标系
（1）天球的基本概念(P12) Пn黄北极
Пn Ｐn’ Ｐn
γ γ’
章动
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆轨道， 其长半径约为9.2秒，周期约为18.6年.这种现 象称为章动.
Пn
（3）协议天球坐标系
定义：通常选择某时刻作为标准历元,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， 经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作z轴和x轴的指 向。由此构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元 t0时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协 议惯性坐标系。（conventional inertial system, CIS）
回顾:
GPS概述(概念,组成,特点,功能)
卫星定位基础 基本定位原理
理想状态下
空间坐标系 天球坐标系 岁差和章动影响
协议天球坐标系
地球坐标系
北天极
卫星
时刻随地球自转 而变化位置的地 面点
地球 Y
春分点
天球坐标系
协议地球坐标系(P18) （1）地球坐标系 （2）协议地球坐标系 （3）与协议天球坐标系
时刻（历元）：发生某一现象的瞬间。 ——绝对时间测量
（7292115±1源自文库×10―11±0.15×10―11）rad/s
YWGS-84
（二）GPS定位的时间系统(P32)
1.时间的概念 2.世界时系统 3.原子时 4.力学时 5.协调世界时 6.GPS时间系统
时间的概念
在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述 天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因 而也是人类利用卫星进行定位的重要基准。
极移的变化: (1)周期约为一年，振幅约为0.1秒； (2)周期约为432天，振幅约为0.2秒。（张德勒周期变
化）
地极的移动将使地球坐标系坐标轴的指向发生变化。
（2）协议地球坐标系
定义：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）。 协议地极：以1900-1905年的平均纬度所确定 的平均地极的位置通常称为国际协议原点 （conventioanal international origin， CIO），在实际工作中普遍采用CIO作为协议 地极。 瞬时坐标系相对协议地球坐标系发生旋转。
Mδ
y
α
γ x
两种坐标系的转换
x = cosδ· cosα y = cosδ· sinα z = sinα
r = (x2+y2+z2)1/2 α= arctan(y/x) δ= arctan(z/(x2+y2)1/2)
岁差与章动的影响(P15)
岁差
由于地球的形体是一个接近于赤道隆起的 椭球体，在日月引力和其他天体引力对地球隆 起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不 变，这使得春分点在黄道上产生缓慢的西移现 象，这种现象在天文学中称为岁差．
国际大地测量学协会和国际天文学联合会决定， 从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系，其坐标 轴的指向是以2000年1月15日太阳质心力学时为标准 历元的赤道和春分点所定义的。
转换： （1）将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标
系（岁差旋转）
（2）将瞬时平天球坐标系转换为瞬时天球坐标 系（章动旋转）
（3）协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换
协议地球坐标系与协议天球坐标系的异同点： （1）原点位置相同； （2）Z轴指向相同； （3）X轴指向不同，其夹角为春分点的格林尼治恒星
时。
Z
天球坐标系
地球坐标系
Y γ X
E X’
协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换过程：
协议天球坐标系 真天球坐标系 真地球坐标系 协议地球坐标系
X轴指向BIH1984.0定义的
零子午面与CTP相应的赤道
O
的交点；Y轴垂直于XMZ平
面，且与Z、X轴构成右手 坐标系。
XWGS-84
WGS-84主要参数： （1）长半径α=6378137±2m （2）地球引力常数GM = (39686005±0.6×108)m3/s2 （3）正常二阶带谐系数C2.0=―484.16685×10―6±0.6×10―6 （4）地球自转角速度ω=
岁差章动旋转 旋转真春分点时角
极移旋转
协议地球坐标系---WGS-84坐标系
参心坐标系---国家大地坐标系,如1954北京坐 标系和1980西安坐标系等.
站心坐标系,独立坐标系,投影坐标系
ZWGS-84
WGS-84坐标系
WGS-84坐标系的原
点为地球质心；Z轴指向
BIH1984.0定义的协议地极；