【精品】gps导航原理与应用（可编辑.ppt

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1、GPS导航原理与应用GPS导航原理与应用导航原理与应用 2.1.坐标系统基本概念坐标系统基本概念 2.2.天球坐标系天球坐标系 2.3.地球坐标系地球坐标系 2.4.坐标系转换坐标系转换 2.5.常用坐标系常用坐标系 2.6.时间参考系统时间参考系统第二章第二章 GPS的时空参考系统的时空参考系统GPS导航原理与应用导航原理与应用2.1 坐标系统简介坐标系统简介坐标系统和时间系统是坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统的基本参考系统描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置的物理与数学基础。的物理与数学基础。GPS导航原理与应用导航原理与应用坐标坐标定义

2、：用于在一个给定维数的空间中相对于一个定义：用于在一个给定维数的空间中相对于一个参照系来确定点的位置的一组数。参照系来确定点的位置的一组数。空间坐标系空间坐标系定义：由原点位置，定义：由原点位置，3个坐标轴的指向和尺度所个坐标轴的指向和尺度所定义。定义。类型：天球坐标系、地球坐标系类型：天球坐标系、地球坐标系坐标系转换坐标系转换通过坐标平移，旋转和尺度转换通过坐标平移，旋转和尺度转换 GPS导航原理与应用导航原理与应用天球坐标系天球坐标系不随地球自转的地心坐标系，是空间固不随地球自转的地心坐标系，是空间固定坐标系，用于对卫星位置描述。定坐标系，用于对卫星位置描述。地球坐标系地球坐标系 与地球固

3、联的地心坐标系，用于描述用与地球固联的地心坐标系，用于描述用户空间位置。户空间位置。GPS导航原理与应用导航原理与应用GPS导航原理与应用导航原理与应用GPS导航原理与应用导航原理与应用天球空间直角坐标系天球空间直角坐标系地球质心地球质心M为坐标系原为坐标系原点，点，Z轴指向天球北极，轴指向天球北极，X轴指向春分点，轴指向春分点，Y轴垂直于轴垂直于XMZ平面平面 与与X轴和轴和Z轴构成右手坐轴构成右手坐标系标系天体天体S的位置由坐标（的位置由坐标（X，Y，Z）描述）描述GPS导航原理与应用导航原理与应用 2.2 天球坐标系天球坐标系天球球面坐标系天球球面坐标系地球质心为系统原点，地球质心为系统

4、原点，春分点轴与天轴所在平春分点轴与天轴所在平面为测量基准面为测量基准-基准子基准子午面，午面，天球子午面：过天轴的天球子午面：过天轴的所有平面所有平面赤经赤经：天球子午面与基：天球子午面与基准子午面夹角，以春分准子午面夹角，以春分点划分东西（点划分东西（0180）赤纬赤纬：天体：天体S与原点与原点M的连线相对于天球赤道的连线相对于天球赤道平面的夹角，天球赤道平面的夹角，天球赤道向北向南分（向北向南分（090）长度长度r：原点：原点M到天体到天体S的径向的径向长长度称度称为为天体天体S的的距离。距离。GPS导航原理与应用导航原理与应用岁差、章动岁差、章动在外力的作用下，地球自转轴在空间并不保在

5、外力的作用下，地球自转轴在空间并不保持固定的方向，而是不断发生变化。持固定的方向，而是不断发生变化。地轴的长期运动称为岁差，而其周期运动则地轴的长期运动称为岁差，而其周期运动则称为章动。称为章动。岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运动。动。GPS导航原理与应用导航原理与应用日月岁差和章动日月岁差和章动GPS导航原理与应用导航原理与应用岁差岁差公元前二世纪古希腊天文学家喜帕恰斯是岁差现象公元前二世纪古希腊天文学家喜帕恰斯是岁差现象的最早发现者。公元四世纪，中国晋代天文学家虞的最早发现者。公元四世纪，中国晋代天文学家虞喜根据对冬至日恒星的中天观测，独立地发现

6、岁差喜根据对冬至日恒星的中天观测，独立地发现岁差并定出冬至点每并定出冬至点每50年后退一度。年后退一度。牛顿是第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对牛顿是第一个指出产生岁差的原因是太阳和月球对地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作地球赤道隆起部分的吸引。在太阳和月球的引力作用下，地球自转轴绕着黄道面的垂直轴旋转，在空用下，地球自转轴绕着黄道面的垂直轴旋转，在空间绘出一个圆锥面，绕行一周约需间绘出一个圆锥面，绕行一周约需26，000年。年。GPS导航原理与应用导航原理与应用在天球上天极绕黄极描绘出一个半径约为在天球上天极绕黄极描绘出一个半径约为23.5（黄赤交角）的小圆，在这个圆上，北（黄

7、赤交角）的小圆，在这个圆上，北天极每年约西移天极每年约西移50.371”，周期大约为，周期大约为25800年。年。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。为日月岁差。其他行星引力造成的影响叫做行星岁差，合其他行星引力造成的影响叫做行星岁差，合者称为总岁差。者称为总岁差。GPS导航原理与应用导航原理与应用章动章动英国天文学家不拉德雷在英国天文学家不拉德雷在1748年分析了年分析了17271747年的恒星位置的观测资料后，发现了章动。年的恒星位置的观测资料后，发现了章动。月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动月球轨道面（白道面）位置的变化是引起章动

8、的主要原因。白道的升交点沿黄道向西运动，的主要原因。白道的升交点沿黄道向西运动，约约18.6年绕行一周，因而月球对地球的引力作用年绕行一周，因而月球对地球的引力作用也有同一周期的变化。也有同一周期的变化。在天球上表现为天极（真天极）在绕黄极运动在天球上表现为天极（真天极）在绕黄极运动的同时，还围绕其平均位置（平天极）作周期的同时，还围绕其平均位置（平天极）作周期18.6年的运动。年的运动。GPS导航原理与应用导航原理与应用三种天球坐标系三种天球坐标系瞬时真天球坐标系瞬时真天球坐标系不同观测历元，天球瞬时坐标，考虑岁差和章动影不同观测历元，天球瞬时坐标，考虑岁差和章动影响响瞬时平天球坐标系瞬时平

9、天球坐标系任一历元，瞬时平天极，瞬时平赤道，瞬时平春分任一历元，瞬时平天极，瞬时平赤道，瞬时平春分点，只考虑岁差影响，略去章动影响点，只考虑岁差影响，略去章动影响协议天球坐标系协议天球坐标系在特殊时刻作为标准历元下平天球坐标系，称为协在特殊时刻作为标准历元下平天球坐标系，称为协议天球坐标系（议天球坐标系（CIS）。）。2000年年1月月15日日TDB（太阳（太阳系力学时）为标准历元。系力学时）为标准历元。GPS导航原理与应用导航原理与应用2.3地球坐标系地球坐标系2.3.1 地球几何形状地球几何形状2.3.2地球坐标系地球坐标系2.3.3站心坐标系站心坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用2

10、.3.1 地球几何形状地球几何形状人们对地球形状和大小的认识经历了一个相人们对地球形状和大小的认识经历了一个相当长的历史过程。当长的历史过程。地球是在不断自旋的，按照自旋的物理特性，地球是在不断自旋的，按照自旋的物理特性，地球应该是一个旋转椭球地球应该是一个旋转椭球地球表面起伏不平，有高山、陆地、大海等很地球表面起伏不平，有高山、陆地、大海等很不规则，并不是理想旋转椭球体。不规则，并不是理想旋转椭球体。地球的形状通常可由物理表面和数学表面来表地球的形状通常可由物理表面和数学表面来表示。示。GPS导航原理与应用导航原理与应用大地水准面大地水准面物理表面指的是客观存在的地球与外层大气之物理表面指的

11、是客观存在的地球与外层大气之间的分界面；数学表面则是地球表面间的分界面；数学表面则是地球表面重力的等重力的等位面位面，也叫（，也叫（Geoids），由大地测量确定。），由大地测量确定。大地水准面大地水准面是一个假想的海面，这种海面无潮是一个假想的海面，这种海面无潮汐、温差、盐，密度均匀，可以渗透到陆地中，汐、温差、盐，密度均匀，可以渗透到陆地中，由此延伸所形成的闭合区面。由此延伸所形成的闭合区面。由于地球形状的不规则和质量分布的不均匀，由于地球形状的不规则和质量分布的不均匀，大地水准面仍然是一个不规则的球面，但它所大地水准面仍然是一个不规则的球面，但它所包围的大地体最能代表地球，也便于测量。包

12、围的大地体最能代表地球，也便于测量。GPS导航原理与应用导航原理与应用参考椭球面参考椭球面地球内部的物质分布不均匀，因而地球重力地球内部的物质分布不均匀，因而地球重力场的变化也不规则，大地水准面在各点上应场的变化也不规则，大地水准面在各点上应与铅垂线方向正交，无法用一个简单的数学与铅垂线方向正交，无法用一个简单的数学方程来描述。方程来描述。在实际应用中，人们采用一个旋转椭球面按在实际应用中，人们采用一个旋转椭球面按照一定的期望指标（椭球面和大地水准面之照一定的期望指标（椭球面和大地水准面之间的高度差的平方和最小）来近似大地水准间的高度差的平方和最小）来近似大地水准面，这样的椭球面称之为面，这样

13、的椭球面称之为参考椭球面参考椭球面。GPS导航原理与应用导航原理与应用参参考考椭椭球球面面的的大大小小和和形形状状可可以以用用两两个个几几何何参参数数来来描描述述，即即长半轴长半轴a和扁率和扁率f，其具体数值由大地测量确定。，其具体数值由大地测量确定。目目前前应应用用中中两两个个比比较较重重要要的的参参考考椭椭球球系系是是克克拉拉索索夫夫斯斯基基椭椭球和球和WGS-84椭球椭球GPS导航原理与应用导航原理与应用大地水准面、地面与椭球面之间的关系大地水准面、地面与椭球面之间的关系椭球高度椭球高度h：椭球面：椭球面E上方的点上方的点P的高度，对应的高度，对应EP；大地水准高度大地水准高度N：椭球面

14、：椭球面E上方的点上方的点G的高度，对应的高度，对应EG；海拔高海拔高H：大地水准面：大地水准面G上方的点上方的点P的高度，对应的高度，对应GP。GPS导航原理与应用导航原理与应用地形面、参考椭球面和大地水准面地形面、参考椭球面和大地水准面GPS导航原理与应用导航原理与应用2.3.2 地球坐标系地球坐标系GPS接收机的位置是相对于地球坐标系；接收机的位置是相对于地球坐标系；固联于地球上随同地球转动的坐标系；固联于地球上随同地球转动的坐标系；地球直角坐标系和地球在地坐标系；地球直角坐标系和地球在地坐标系；地球直角坐标系定义：地球直角坐标系定义：原点原点O与地球质心重合与地球质心重合Z轴指向地球北

15、板，轴指向地球北板，X轴指向地球赤道面与格威治子午圈轴指向地球赤道面与格威治子午圈的交点的交点EY轴在赤道玉米面里与轴在赤道玉米面里与XOZ构成右手系统。构成右手系统。GPS导航原理与应用导航原理与应用地球坐标系定义：地球坐标系定义：原点与地球质心重原点与地球质心重合，合，短轴与地球自转轴短轴与地球自转轴重合，重合，纬度纬度：过：过P点的点的椭球与椭球赤道面椭球与椭球赤道面的夹角的夹角经度经度：过：过P点所在点所在的椭球子午面与格的椭球子午面与格林威治子午面的夹林威治子午面的夹角角高度高度h：P点椭球法点椭球法线到椭球面的距离线到椭球面的距离GPS导航原理与应用导航原理与应用极移（北地极）极移

16、（北地极）地球复杂的内部运动，地球非刚体；地球复杂的内部运动，地球非刚体；北地极在地球表上随着时间的变化是不断变北地极在地球表上随着时间的变化是不断变化的，称为地极移动。化的，称为地极移动。瞬时地极对应的坐标为瞬时地球坐标系；瞬时地极对应的坐标为瞬时地球坐标系；坐标轴随时间而变化，对描述地球上某一点坐标轴随时间而变化，对描述地球上某一点的位置不方便。的位置不方便。GPS导航原理与应用导航原理与应用协议地球坐标系协议地球坐标系地极基准点，国际协议原点地极基准点，国际协议原点CIO，Z轴指向轴指向CIO点；点；X轴指向协议赤道面与格林尼治子午线的交点；轴指向协议赤道面与格林尼治子午线的交点；Y轴与

17、轴与XOZ构成右手系统；构成右手系统；简称简称CTS，与地球固联的坐标系，理想的地固系；，与地球固联的坐标系，理想的地固系；工程中，由国际时间局（工程中，由国际时间局（BIH），），BIH地球参考系地球参考系BTS。GPS导航原理与应用导航原理与应用GPS导航原理与应用导航原理与应用2.3.3 站心坐标系站心坐标系站心坐标系站心坐标系Topocentric Coordinate System定义：以测站为原点的坐标系。定义：以测站为原点的坐标系。类型：站心直角坐标系和站心极坐标系。类型：站心直角坐标系和站心极坐标系。GPS导航原理与应用导航原理与应用站心坐标系站心坐标系站心直角坐标系站心直角坐

18、标系原点位于原点位于P0；U轴与过轴与过P0点的参考椭球面的法线重合，指向上方；点的参考椭球面的法线重合，指向上方；N轴垂直于轴垂直于U轴，指向参考椭球的短半轴；轴，指向参考椭球的短半轴；E轴垂直于轴垂直于U轴和轴和N轴，形成左手系；轴，形成左手系；在站心直角坐标系下点的在站心直角坐标系下点的N，E，U坐标为该点在三个坐标轴上的投坐标为该点在三个坐标轴上的投影长度。影长度。地球坐标参照系地球坐标参照系 常用坐标系常用坐标系 站心坐标系站心坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用站心坐标系站心坐标系站心极坐标系站心极坐标系NP0E平面为平面为基准面基准面；极点极点位于位于P0；极轴为极轴为N轴轴

19、；点在站心极坐标系下的坐标用点在站心极坐标系下的坐标用极距极距（R 由极点到该点的距离），由极点到该点的距离），方位角方位角（A 在基准面上，以极点为顶点，由极轴顺时针方向量测在基准面上，以极点为顶点，由极轴顺时针方向量测到到 在基准面上投影的角度），在基准面上投影的角度），高度角高度角（EL 极点与该点连线与基极点与该点连线与基准面间的夹角）表示。准面间的夹角）表示。地球坐标参照系地球坐标参照系 常用坐标系常用坐标系 站心坐标系站心坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.坐标系转换坐标系转换地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换2.4.1基本转换的数学表达基本转换的数学表达2

20、.4.2布尔沙模型布尔沙模型 2.4.3莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型2.4.4天球直角坐标系与球面坐标系的相互转换天球直角坐标系与球面坐标系的相互转换2.4.5 地球大地坐标系转换成地球直角坐标系地球大地坐标系转换成地球直角坐标系2.4.6 协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS，T）与协议天球坐标系（）与协议天球坐标系（I）的转换的转换2.4.7站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.1基本转换的数学表达基本转换的数学表达 平移变换平移变换地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 基本转换的数学表达基本转换的数学

21、表达 GPS导航原理与应用导航原理与应用基本转换的数学表达基本转换的数学表达 缩放变换缩放变换地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 基本转换的数学表达基本转换的数学表达 GPS导航原理与应用导航原理与应用基本转换的数学表达基本转换的数学表达 旋转变换旋转变换地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 基本转换的数学表达基本转换的数学表达 GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.2布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法概述概述布尔沙布尔沙-沃尔夫（沃尔夫（Bursa-Wolf）模型）模型 在该模型中共采用了在该模型中共采用了7个参数，分别是个参数，分别是3个平移参数、个平移参数、

22、3个旋转参数（也被称个旋转参数（也被称为为3个欧拉角）和个欧拉角）和1个尺度参数。个尺度参数。又被称为七参数转换（又被称为七参数转换（7-Parameter Transformation）或七参数赫尔墨特变）或七参数赫尔墨特变换（换（7-parameter Helmert transformation）地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法转换过程转换过程地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布

23、尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法转换模型转换模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法该转换方法又被称为七参数法该转换方法又被称为七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法转换模型转换模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法转换模型转换模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布尔沙模型布尔沙模型 七参数

24、法七参数法转换参数的确定转换参数的确定原理原理通过公共点通过公共点 具有两个不同坐标系坐标的点具有两个不同坐标系坐标的点至少需要至少需要3个公共点个公共点将公共点的坐标差作为伪观测值，确定转换参数将公共点的坐标差作为伪观测值，确定转换参数数学模型数学模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法转换参数的确定（续）转换参数的确定（续）数学模型（续）数学模型（续）地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 布尔沙模型布尔沙模型 七参数法七参数法GPS导航原理与应用导航原理与应用

25、2.4.3 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型概述概述莫洛金斯基（莫洛金斯基（Molodensky）模型）模型 在该模型中也是采用了在该模型中也是采用了7个参数，分别个参数，分别是是3个平移参数、个平移参数、3个旋转参数（也被个旋转参数（也被称为称为3个欧拉角）和个欧拉角）和1个尺度参数，不个尺度参数，不过定义与布尔沙模型有所不同。过定义与布尔沙模型有所不同。地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型GPS导航原理与应用导航原理与应用莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型转换过程转换过程地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型GPS导航原理

26、与应用导航原理与应用莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型转换模型转换模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型GPS导航原理与应用导航原理与应用莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型转换模型转换模型地球坐标参照系地球坐标参照系 基准转换基准转换 莫洛金斯基模型莫洛金斯基模型GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.4 天球直角坐标系与球面坐标系的相互转换天球直角坐标系与球面坐标系的相互转换GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.5 地球大地坐标系转换成地球直角坐标系地球大地坐标系转换成地球直角坐标系式中：式中：n为椭球的卯酉曲率半径；为椭球的卯酉曲率半径；e为椭球的第为椭

27、球的第一偏心率一偏心率GPS导航原理与应用导航原理与应用地球直角坐标转换成大地坐标系地球直角坐标转换成大地坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用瞬时地球直角坐标与协议地球坐标系统转换瞬时地球直角坐标与协议地球坐标系统转换GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.6 协议地球坐标系（协议地球坐标系（CTS，T）与协议天球）与协议天球坐标系（坐标系（I）的转换）的转换原点重合原点重合瞬时地球坐标系（瞬时地球坐标系（z(t)）与瞬时天球坐标系）与瞬时天球坐标系（Z(t)）重合）重合瞬时地球坐标系瞬时地球坐标系(x(t)与瞬时天球坐标系（与瞬时天球坐标系（X(t)）相）相差一个角度差一个角度GAST

28、（格林威治恒星时）（格林威治恒星时）GPS导航原理与应用导航原理与应用瞬时地球坐标系与瞬时天球坐标系的转换瞬时地球坐标系与瞬时天球坐标系的转换GPS导航原理与应用导航原理与应用瞬时天球坐标系与协议地球坐标系转换瞬时天球坐标系与协议地球坐标系转换GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.7站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换地球坐标参照系地球坐标参照系 常用坐标系常用坐标系 站心坐标系站心坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用2.4.7 空间直角坐标与站心坐标的转换空间直角坐标与站心坐标的转换站点坐标（站点坐标（X0,Y0,Z0）或（或（B0，L0，H0）空

29、间一点（空间一点（X，Y，Z）与站点之差（与站点之差（X，Y，Z）空间点的站心坐标表示：空间点的站心坐标表示：GPS导航原理与应用导航原理与应用2.5.常用地球系常用地球系地球坐标参照系地球坐标参照系 常用地球参照系和参考框架常用地球参照系和参考框架2.5.1 WGS-842.5.2 我国坐标系我国坐标系GPS导航原理与应用导航原理与应用1984年世界大地系统年世界大地系统 名称名称Word Geodetic System 1984 WGS 84建立建立美国国防制图局（美国国防制图局（DMA，于，于1996年并入了美国国家影像制图局（年并入了美国国家影像制图局（NIMA）20世纪世纪80年代中

30、期建立，年代中期建立，1987年取代年取代WGS-72组成组成一个全球地心参考框架一个全球地心参考框架由美国军方（原来的由美国军方（原来的DMA，现在的，现在的NIMA）的一个全球分布的跟踪站）的一个全球分布的跟踪站网所组成网所组成 一组相应的模型一组相应的模型地球重力场模型（地球重力场模型（EGM Earth Gravitational Model）WGS 84大地水准面（大地水准面（WGS 84 Geoid）用途用途GPS系统内部处理与位置有关信息系统内部处理与位置有关信息地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系

31、和参考框架2.5.1 WGS-84GPS导航原理与应用导航原理与应用1984年世界大地系统年世界大地系统定义定义Z轴与轴与IERS参考极（参考极（IRP IERS Reference Pole）指向相同，该）指向相同，该指向与历元指向与历元1984.0的的BIH协议地极（协议地极（CTP Conventions Terrestrial Pole）一致；）一致；X轴指向轴指向IERS参考子午线（参考子午线（IRM-IERS Reference Meridian）与）与通过原点并垂直于通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，轴的平面的交点，IRM与在历元与在历元1984时的时的BIH零子午线（零子午线（

32、BIH Zero Meridian）一致；）一致；Y轴最终完成右手地心地固正交坐标系。轴最终完成右手地心地固正交坐标系。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1984年世界大地系统年世界大地系统发展历史发展历史第一代：由基于第一代：由基于TRANSIT最初建立于最初建立于1987年年，为一组由，为一组由（TRANSIT）所测定的点的）所测定的点的坐标以及将坐标以及将1980年代初所存在的年代初所存在的DoD参考框架（也被称为参考框架（也被称为NSWC 9Z-2），与），与

33、BIH地球系统（地球系统（BTS BIH Terrestrial System）一致。）一致。1987年年1月，该月，该WGS 84框架开始用于生成框架开始用于生成DMA的的TRANSIT精密星历。随后，在利用多普勒跟踪数据，通过精密星历。随后，在利用多普勒跟踪数据，通过绝对定位的方法，确定绝对定位的方法，确定DoD的永久的永久GPS跟踪站时，又采用了跟踪站时，又采用了这些这些TRANSIT精密星历。一直到精密星历。一直到1994年，年，DoD的各个部门的各个部门都在使用这些由都在使用这些由TRANSIT所确定出的所确定出的WGS 84坐标（坐标（DMA一直使用到一直使用到1994年年1月月2

34、日，日，而而GPS的控制部分一直使用到的控制部分一直使用到1994年年6月月29日）。日）。存在问题：存在问题：GPSGPS测量结果与由测量结果与由TRANSITTRANSIT所测定的坐标存在系所测定的坐标存在系统性差异。统性差异。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用发展历史发展历史WGS 84总共进行了三次修订，第一次在总共进行了三次修订，第一次在1994年，第年，第二次在二次在1996年，第三次在年，第三次在2001年，分别表示为年，分别表示为“WGS 84(G73

35、0)”、“WGS 84(G873)”和和“WGS 84(G1150)”，其中，其中，“G”表示这些坐标是完全采用表示这些坐标是完全采用GPS方法所确方法所确定出来的，没有包含多普勒数据；而跟在后面的数字定出来的，没有包含多普勒数据；而跟在后面的数字所表示的是，在所表示的是，在NIMA精密星历估计过程中，开始使精密星历估计过程中，开始使用这些坐标时的用这些坐标时的GPS周数，如，数字周数，如，数字“873”是历元是历元1996年年9月月29日日0hUTC时的时的GPS周数，而数字周数，而数字“1150”是历元是历元2002年年1月月20日日0h，从这些天起，用户可以通，从这些天起，用户可以通过过

36、NIMA的的GPS星历来分别使用星历来分别使用WGS 84(873)和和WGS 84(1150)。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用2.5.2 我国常用局部参照系我国常用局部参照系1954年北京坐标系年北京坐标系1980西安大地坐标系西安大地坐标系2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000 China Geodetic Coordinate System 2000）地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照

37、系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1954年北京坐标系年北京坐标系基本情况基本情况源于源于前前苏联的苏联的1942年普尔科夫坐标系。年普尔科夫坐标系。没根据我国情况，进行托球定位，由前苏联西伯利亚没根据我国情况，进行托球定位，由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区的呼玛、吉拉林、地区的一等锁，经我国的东北地区的呼玛、吉拉林、东林三个基准网传算。东林三个基准网传算。高程异常是以前苏联高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结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，而高果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程

38、又是以程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。基于基于1954年北京坐标系的我国天文大地网未进行整体年北京坐标系的我国天文大地网未进行整体平差。平差。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1954年北京坐标系年北京坐标系椭球参数椭球参数存在问题存在问题椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不包含椭球参数与现代精确的椭球参数的差异较大，不包含表示地球物理特性的参数表示地球物理特性的参数椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地

39、水准面椭球定向不十分明确。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达6767米。米。参考框架未进行全国统一平差。参考框架未进行全国统一平差。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1980西安大地坐标系西安大地坐标系基本情况基本情况1978年决定对我国天文大地网进行整体平差。年决定对我国天文大地网进行整体平差。重新选定椭球，并进行定位、定向。重新选定椭球，并进行定位、定向。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球

40、参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1980西安大地坐标系西安大地坐标系椭球参数及定位、定向椭球参数及定位、定向地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975IAG 1975年的推荐值年的推荐值椭球的短轴由地球质心指向椭球的短轴由地球质心指向1968.0 JYD1968.0 JYD，起始子午面，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统采用准面在我国境内符合最好，高程

41、系统采用19561956年黄海年黄海平均海水面为高程起算基准。平均海水面为高程起算基准。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用1980西安大地坐标系西安大地坐标系特点特点采用多点定位原理建立，理论严密，定义明确。采用多点定位原理建立，理论严密，定义明确。椭球参数为现代精确的总体球椭球参数。椭球参数为现代精确的总体球椭球参数。椭球面与我国大地水准面吻合得较好。椭球面与我国大地水准面吻合得较好。椭球短半轴指向明确。椭球短半轴指向明确。经过了整体平差，点位精度高。经过了整体平差

42、，点位精度高。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用2000国家大地坐标系（国家大地坐标系（CGCS 2000）定义定义:原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。长度单位：米（长度单位：米（SI），与局部地心框架下的地心坐标时的时间），与局部地心框架下的地心坐标时的时间坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；坐标一致，通过建立适当的相对论模型获得；定向：初始定向由定向：初始定向由1984.0时的时的BIH（国际时间局）定向给定；

43、（国际时间局）定向给定；定向的时间演化：定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全定向的时间演化：定向的时间演化不产生相对于地壳的残余全球旋转；球旋转；CGCS 2000大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心；大地坐标系是右手地固直角坐标系。原点在地心；轴为国际地球自转局（轴为国际地球自转局（IERS）参考极（）参考极（IRP）方向，）方向，轴为轴为IERS的参考子午面（的参考子午面（IRM）与垂直于）与垂直于 轴的赤道面的交线，轴的赤道面的交线，轴与轴与 轴轴和和 轴构成右手正交坐标系。轴构成右手正交坐标系。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球

44、参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用椭球参数椭球参数长半轴：长半轴：地球（包括大气）引力常数：地球（包括大气）引力常数：地球动力形状因子：地球动力形状因子：地球自转速度：地球自转速度：地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架GPS导航原理与应用导航原理与应用CGCS2000的实现的实现三个层次三个层次第一层次：第一层次：连续运行参考站连续运行参考站。由它们构成。由它们构成CGCS 2000的的基本骨架，其坐标精度为基本骨架，其坐标精度为mm级，速度精度为级，速度精度

45、为1mm/a。第二层次：第二层次：大地控制网大地控制网。包括中国全部领土和领海内的。包括中国全部领土和领海内的高精度高精度GPS网点，其三维地心坐标精度为网点，其三维地心坐标精度为cm级，速度精级，速度精度为度为23mm/a。第三层次：第三层次：天文大地网天文大地网。包括经空间网与地面网联合平。包括经空间网与地面网联合平差的约差的约5万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3 m，大地高误差不超过，大地高误差不超过0.5 m。地球坐标参照系地球坐标参照系 地球参照系和参考框架地球参照系和参考框架 常用协议地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架G

46、PS导航原理与应用导航原理与应用2.6.时间参考系统时间参考系统2.6.1 概述概述2.6.2 宇宙时间系统宇宙时间系统2.6.3 原子时间系统原子时间系统2.6.4 协调世界时间系统协调世界时间系统2.6.5 GPS时间系统时间系统GPS导航原理与应用导航原理与应用2.6.1 概述概述时间基准是自然科学基础理论及应用科学等时间基准是自然科学基础理论及应用科学等领域中最基本的测量基准。领域中最基本的测量基准。天文、大地测量、无线电通信、导航、深空探天文、大地测量、无线电通信、导航、深空探测和现代军事技术等。测和现代军事技术等。时间系统包含有时间系统包含有“时刻时刻”和和“间隔间隔”两个概念。两

47、个概念。时间系统与空间系统一样，应有其原点（起始时间系统与空间系统一样，应有其原点（起始历元）和尺度（时间单位），只有把这两者结历元）和尺度（时间单位），只有把这两者结合起来才能够描述一个时间系统并给出准确时合起来才能够描述一个时间系统并给出准确时刻的概念。刻的概念。GPS导航原理与应用导航原理与应用时间与运动的关系时间与运动的关系所谓时间基准，就是人们认为所谓时间基准，就是人们认为最精确的时间尺度最精确的时间尺度。时间尺度就是用来衡量变化（或者叫做运动）的稳时间尺度就是用来衡量变化（或者叫做运动）的稳定性定性因此衡量这种变化的基准最好是有规律的运动或变化。因此衡量这种变化的基准最好是有规律的

48、运动或变化。一般说来，任何一个运动只要具备三个基本条件就一般说来，任何一个运动只要具备三个基本条件就可以作为时间系统的基准：可以作为时间系统的基准：（1）运动是连续的；）运动是连续的；（2）运动的周期要有充分的稳定性；）运动的周期要有充分的稳定性；（3）运动的周期性必须是可复现的，即要求在任何时）运动的周期性必须是可复现的，即要求在任何时间、任何地点都可以通过观测和实验复现这种周期运动。间、任何地点都可以通过观测和实验复现这种周期运动。GPS导航原理与应用导航原理与应用时间基准的发展和变迁时间基准的发展和变迁观测地球自转观测地球自转水漏年法国科、钟摆等水漏年法国科、钟摆等公元前二世纪，发明了地

49、平日晷，一天差公元前二世纪，发明了地平日晷，一天差15分钟；分钟；一千多年前希腊和北宋，水钟精确到每日一千多年前希腊和北宋，水钟精确到每日10分钟；分钟；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；小时；十七世纪，单摆用于机械钟，精度提高近一百倍；十七世纪，单摆用于机械钟，精度提高近一百倍；20世纪的世纪的30年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英钟，三百年只差一秒钟，三百年只差一秒十七世纪，平太阳日十七世纪，平太阳日,1820学院正式提出：平太阳日的学院正式提出：平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，为世界时秒

50、长。为一个平太阳秒，为世界时秒长。社会的进步和科学技术（特别是航天、空间物理、军事等）社会的进步和科学技术（特别是航天、空间物理、军事等）的飞速发展，对时间尺度的精度需求越来越高，迫使发掘的飞速发展，对时间尺度的精度需求越来越高，迫使发掘更精确的时间基准。更精确的时间基准。GPS导航原理与应用导航原理与应用1953年是时频科学的一个新的里程碑。年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台世界上第一台原子钟原子钟在美国哥伦比亚大学由三在美国哥伦比亚大学由三位科学家研制成功（其中有一位科学家是我们位科学家研制成功（其中有一位科学家是我们中国人，叫王天眷）。中国人，叫王天眷）。1963年年13届届国际