GPS定位的坐标系统与时间系统
《现代导航技术与方法》2 全球定位系统(GPS)
GPS系统组成
2.3.1 空间段
空间段结构
6条轨道，每条轨道至少4颗星，至少24颗星构成星座 目前在轨32颗卫星 椭圆轨道长半轴约为26560km，偏心率小于0.02 卫星运行周期为半个平恒星日，约为11小时58分 轨道倾角约为55°
卫星星座设计原则
信号全球、连续、多重覆盖 几何分布好，导航性能佳 鲁棒性和可维护性
IIR-05 44 28 00-07-16 00-08-17 B3 Rb2
IIR-06 41 14 00-11-10 00-12-10 F1 Rb1
IIR-07 54 18 01-01-30 01-02-15 E4 Rb1
IIR-08 56 16 03-01-29 03-02-18 B1-A Rb3
2.2.2 时间系统
协调世界时（UTC）
世界时：属于地球实时时间系统，反映了地球运动状态。 协调世界时：属于原子时时间系统，由于原子时与世界 时存在差异，需利用闰秒调整来减少这一差异，使得原 子时能跟踪上世界时。接收机一般显示UTC时间。
GPS时间（GPST）
属于原子时时间系统，是GPS系统工作时间，由地面主 控站的原子钟控制。GPS时间是实时连续时间，无闰秒。
空间卫星
空间卫星的功能
将导航电文通过卫星信号传送给用户 提供发射信号的时间基准 根据地面控制段提供控制指令控制卫星的姿态和轨道
在轨卫星统计
卫星类型
发射时间
BLOCK-ⅡA 1990-1997年 BLOCK-ⅡR 1997-2004年
在轨数量 5 12
BLOCK-ⅡR-M 2005-2009年 7+1（未达能力）
2020年09月
第2章 全球定位系统
现代导航技术与方法
定位坐标系和时间标准讲义
定位坐标系和时间标准讲义定位坐标系和时间标准是在地理和天文领域中广泛使用的工具，用于确定地球表面上的位置和测量时间。
本讲义将介绍三种常用的定位坐标系和一些常见的时间标准。
一、地理坐标系地理坐标系是用经度和纬度来描述地球表面上任意位置的一种坐标系统。
经度是指一个位置相对于东西方经线的角度，以0度为本初子午线。
纬度是指一个位置相对于南北方纬线的角度，以赤道为基准。
地理坐标系可以通过全球定位系统（GPS）等技术来测量和确定位置。
例如，北京的经度为116.4度东经，纬度为39.9度北纬。
二、UTM坐标系UTM（Universal Transverse Mercator）坐标系是一种基于横轴墨卡托投影的坐标系统，将地球划分为60个标准带和20个副带。
每个标准带宽度6度，以中央经线为基准。
UTM坐标系采用东北方向的坐标表示位置，适用于大规模的地图制作和测量工程。
例如，北京的UTM坐标为50KU 414547 4400879，其中50KU表示所在的标准带，414547和4400879分别表示东北方向的坐标。
三、国家格网坐标系国家格网坐标系是在UTM坐标系基础上，根据各国的需要制定的一种坐标系统。
每个国家或地区都有自己的国家格网，包括分带、投影方式和坐标体系等。
国家格网坐标系广泛用于地理信息系统（GIS）和空间数据管理。
在中国，国家格网坐标系为2000年国家大地坐标系，采用了高斯-克吕格投影，最常用的带号为3度带。
例如，北京的国家格网坐标为带号33N，X坐标为3407765，Y坐标为439512。
四、时间标准时间标准用于统一和测量时间，使世界各地的时间保持一致。
其中，国际原子时（TAI）是以原子频率标准为基础，提供高精度的时间计量。
协调世界时（UTC）是基于国际原子时，并根据地球自转的变化进行调整的时间标准，通常以格林威治时间（GMT）为参考。
全球定位系统（GPS）时间是由GPS卫星提供的一种时间标准，用于卫星导航定位。
gps定位坐标
GPS定位坐标
1. 介绍
GPS（Global Positioning System）是一种全球定位系统，利用卫星信号来确定地球上任何一个点的位置。
它通过三个或更多的卫星发射的信号，用来测量接收器的距离和位置。
GPS定位坐标是通过这些卫星信号计算得出的经度和纬度坐标。
2. GPS的工作原理
GPS系统主要由三个部分组成：卫星系统、控制系统和用户接收器。
卫星系统由一组维持在大约20200公里轨道上的卫星组成，它们不断地向地面发射信号。
控制系统负责维护卫星的轨道、状态和时间的准确性。
用户接收器则接收来自卫星的信号，并通过计算接收器与卫星之间的距离来确定接收器的位置。
GPS定位坐标是通过测量接收器与至少四颗卫星之间的距离来计算得出的。
接收器接收到卫星发射的信号后，会测量信号发送和接收之间的时间延迟。
由于光速是已知的，接收器可以使用这个延迟时间来计算信号传播的距离。
通过测量与多个卫星的距离，接收器可以使用几何定位原理来计算自己的准确位置。
3. GPS定位坐标的表示方法
GPS定位坐标使用经度和纬度来表示一个地点的位置。
经度表示东西方向上的位置，范围从-180度到180度，以0度经线（本初子午线）为基准。
东经表示正数，西经表示负数。
纬度表示南北方向上的位置，范围从-90度到90度，以赤道为基准。
北纬表示正数，南纬表示负数。
GPS定位坐标通常使用度（°）、分（’）和秒（。
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。
gps名词解释
名词解释：1.天球坐标系：天球坐标系的坐标原点为地心O,X轴指向春分点，Z轴指向北天极，Y轴垂直于XOZ平面，并构成右手坐标系。
2.地球坐标系：地球坐标系的坐标原点为地心O,X轴指向地球赤道面与格林威治子午面交线的方向，Z轴为地球自转轴，Y轴垂直XOZ轴,并构成右手坐标系。
3.瞬时天球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。
4. 瞬时地球坐标系：原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。
5.章动：在日月引力等因素的影响下，月球绕地球的运动轨道以及月球与地球之间的距离都在不断变化，将这时的北天极称为瞬时北天极。
瞬时北天极绕平北天极沿椭圆轨迹进行旋转，这种现象称为章动。
6.岁差：地球在绕太阳运行时，地球自转轴的方向在天球上缓慢地移动，春分点在黄道上随之缓慢移动的现象。
7.地极移动（极移）:地球瞬时自转轴在地球上随时间变化而改变。
8.WGS84坐标系：原点位于地球质心，Z轴：指向BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，X轴：指向BIH1984.0的零子午面和CTP 赤道的交点；Y轴：与Z，X轴构成右手坐标系；9.历元：各种天球坐标系和地球坐标系无不归属于某一确定的时刻（瞬间），天文学中常称历元。
10.恒星时系统:以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统。
11.平太阳时系统:以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统。
12.世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时。
与平太阳时的尺度相同，但起算点不同。
13.原子时系统：秒长即铯原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射振荡9192631170周所持续的时间。
14协调世界时：采用原子时秒长，用跳秒（闰秒）的方法使协调时与世界时的时刻相接近，其差不超过1秒。
gps测量仪坐标系是什么系
GPS测量仪坐标系是什么系简介GPS（全球定位系统）测量仪是一种用于确定物体位置和导航的设备。
它通过接收卫星发出的无线信号，计算出物体所在的经度、纬度和海拔高度等位置信息。
然而，在使用GPS测量仪时，我们需要了解不同的坐标系。
本文将介绍GPS测量仪常用的坐标系，包括地球坐标系、大地坐标系和局部坐标系，并解释它们在测量中的作用。
地球坐标系地球坐标系是用于表示地球上某一点位置的坐标系。
它使用经度、纬度和海拔高度来描述这一点的位置。
经度表示东西方向上的位置，纬度表示南北方向上的位置，而海拔高度表示相对于海平面的高度。
在地球坐标系中，经度的范围为-180°到180°，纬度的范围为-90°到90°。
GPS测量仪通常输出的第一种坐标系就是地球坐标系。
这种坐标系非常直观，可以直接用于标示地球上的位置。
许多地图软件和导航系统都使用地球坐标系来表示目的地的位置。
大地坐标系大地坐标系是一种基于地球形状的坐标系。
由于地球的形状并不是完全规则的球体，而是稍微扁平的椭球体，因此需要使用大地坐标系来更准确地表示地球上的位置。
大地坐标系使用经度、纬度和大地高来描述地球上的某一点位置。
在大地坐标系中，经度和纬度的定义与地球坐标系相同。
但是，大地高与海拔高度不同，它表示相对于一个参考椭球体的高度。
这个参考椭球体是通过对地球的形状进行测量、推算和建模得到的，可以更准确地描述地球的形状。
大地坐标系在GPS测量中是非常重要的，因为它可以提供更精确的位置信息。
许多应用程序和测量工具使用大地坐标系来计算两个位置之间的距离和方向。
局部坐标系局部坐标系是相对于地球的某一特定点而言的坐标系。
当我们需要在特定区域内进行测量时，使用局部坐标系可以简化计算。
局部坐标系使用东北天（ENH）坐标系，其中东方向是X轴，北方向是Y轴，天向（垂直于地面）是Z轴。
局部坐标系的原点可以选择在地球上的任何一点。
例如，在建筑测量中，我们可以选择建筑物的中心作为原点。
GPS测量原理及应用：02 时间系统与坐标系统
协调世界时（Universal Time Coordinated）
建立UTC的原因：
满足高精度时间间隔测量的要求 时刻与UT基本一致
定义
秒长与AT相同 通过跳（闰）秒，与UT的差值保持在0.9秒内（通常在6
月30日24h或12月31日24h进行跳秒） 正闰秒（增加1秒）与负闰秒（减少1秒）
2
1. 有关时间系统的一些基本概念
3
时间是什么？
是事物存在或延续的过程 与长度、质量一同称为宏观物质世界的三个基本量 是四维空间中的一维 具有绝对和相对两方面的特性
时刻（历元） 时间间隔
4
时间系统-规定时间测量的标准
时间系统的要素：参考基准（起点）、尺度 时间系统：由定义和相应的规定从理论上进行阐述 时间系统框架：通过守时、授时以及时间频率测量
17
世界时（Universal Time）
定义：格林尼治零子午线（本初子午线）处的民用 时称为世界时。
UT0、UT1、UT2
问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓， 且存在短周期变化和季节性变化）
UT0：未改正的世界时 UT1：引入极移改正的世界时 UT2：引入极移改正和地球自转速度的季节改正的世界
太阳时属于地方时
14
真太阳时与平太阳时
真太阳时
参考点：太阳中心 尺度定义：太阳中心连续两次经过当地上子午圈的时间
间隔为一个真太阳日。 数值定义：太阳中心相对于本地子午圈的时角，中午为
0h，子夜为12h 特点
优点：容易测定 缺点：尺度不稳定（由于地球绕日公转时的速度不同，以及黄
赤交角的存在，导致不同时间的真太阳时时长不同）
春分点两次经过地方上子午圈（上中天）的时间间隔为 一恒星日。并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单 位。
2-1GPS定位的坐标系统(GPS)
}
Z − N (1 − e 2 ) sin B
在采用上式进行转换时， 需要采用迭代的方法， 在采用上式进行转换时 ， 需要采用迭代的方法 ， 先 求出，最后在确定H 将B求出，最后在确定H。
3、地心空间直角坐标系与站心（左手）地平直角坐标系 、地心空间直角坐标系与站心（左手） （1）地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 地心空间直角坐标系与站心赤道直角坐标系关系 O—XYZ：球心空间直角坐标系（地心） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤）
a = 6378245m f = 1 / 298.3
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
该坐标系的高程异常是以前苏联1955年 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， 大地水准面重新平差的结果为起算值， 该椭球并未依据当时我国的天文观测资 料进行重新定位， 料进行重新定位，而是由前苏联西伯利 亚地区的一等锁， 亚地区的一等锁，经我国的东北地区传 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 算过来的，1954年北京坐标系存在着很 多缺点 。
第二章 GPS 定位的坐标系统 §2-1 GPS坐标系统
四、1980年西安坐标系 1980年西安坐标系
1980年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 1980 年西安大地坐标系统的地球椭球参数的 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推 a = 6378140m 荐值， 荐值，
（2）站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系关系 ） P1— X Y Z：站心赤道直角坐标系（站赤） 站心赤道直角坐标系（ 站心赤道直角坐标系 站赤） P1— xyz : 站心地平直角坐标系（地平） 站心地平直角坐标系（地平）
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在天球上，这种顺时针规律运动的北天极称为 瞬时平北天极（简称平北天极），相应的天球 赤道和春分点称为瞬时天球平赤道和瞬时平春 分点。
在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运行 轨道以及月地之间的距离在不断变化，北天极 绕北黄极顺时针旋转的轨迹十分复杂。如果观 测时的北天极称为瞬时北天极（或真北天极） ，相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道 和瞬时春分点（或真天球赤道和真春分点）。 则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，轨迹大致为椭圆。 这种现象称为章动。
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§2.3 协议地球坐标系 1.地球坐标系 由于天球坐标系与地球自转无关，导致地球上
一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自 转而变化，应用不方便。 为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地 球体相固联的坐标系—地球坐标系（有时 称地固坐标系）。 地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标 系和大地坐标系。
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时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地
球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在 天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄 赤交角，约23.50。 黄极；通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的 交点。靠近北天极的交点n称北黄极，靠近南天极 的交点s称南黄极。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行 时，黄道与天球赤道的交点。 在天文学和卫星大地测量学中，春分点和天球赤道面 是建立参考系的重要基准点和基准面。
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天球的概念
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2.天球坐标系 在天球坐标系中，任一天体的位置可用天球空间直角
坐标系和天球球面坐标系来描述。 天球空间直角坐标系的定义：原点位于地球的质心，
z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x 、z轴构成右手坐标系。 天球球面坐标系的定义：原点位于地球的质心，赤经 为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天 球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线 与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离 。
）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时 岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构
成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球
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坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性 坐标系（Conventional Inertial System—CIS ）
为了将协议天球坐标系的卫星坐标，转换为 观测历元t的瞬时天球坐标系，通常分两步 进行。 首先将协议天球坐标系中的坐标，换算到观 测瞬间的平天球坐标系统，再将瞬时平天球 坐标系的坐标，转换到瞬时天球坐标系统
GPS定位的坐标系统与 时间系统
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2020年4月10日星期五
§2.1坐标系统的类型
在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：
一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转 无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。
另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表 达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方 便。
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换算关系如下，其中N为椭球卯酉圈的曲率半径，e 为椭球的第一偏心率，a、b为椭球的长短半径。
2.地极移动与协议地球坐标系
地球自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。地极点作为 地球坐标系的重要基准点，极移将使地球坐标系的Z轴方 向发生变化，造成实际工作困难。
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地心空间直角坐标系的定义；原点与地球质心重 合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午 面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手 坐标系。 地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球 质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬 度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角 ，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼 治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点 沿椭球法线至椭球面的距离。任一地面点在地球 坐标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H） ，两者可进行互换。
天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个 假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一 些参考点、线、面和圈。 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天 球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平 面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。 天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一 点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球 子午圈。
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4. 协议天球坐标系的定义和转换
由于岁差和章动的影响，ห้องสมุดไป่ตู้时天球坐标系的
坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系
统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星
的运动规律。为建立一个与惯性坐标系相接
近的坐标系，通常选择某一时刻t0作为标准历 元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极
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天球空间直角坐标系与天球球面坐标系
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天球空间直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一 天体的位置时是等价的，二者可相互转换。
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3. 岁差与章动 上述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，春分点在天球上 的位置保持不变。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，地球自转轴 在空间绕北黄极顺时针旋转，因而使北天极 以同样方式绕北黄极顺时针旋转
坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所 定义的。在GPS定位中，坐标系原点一般取地球 质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了 使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全 球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐 标系称为协议坐标系。
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§2.2协议天球坐标系 1.天球的基本概念