GPS定位的坐标系统与时间系统
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。
坐标与时间系统
坐标与时间系统坐标与时间系统是维持现代社会运转的重要基础。
它们帮助我们在地球上找到特定的位置和确切的时间，为我们的日常生活提供了许多便利。
在这篇文章中，我们将讨论坐标与时间系统的重要性以及如何使用它们。
坐标系统是一种用来确定地球上特定位置的方法。
全球定位系统（GPS）是最常用的坐标系统之一，通过卫星和接收器，它可以确定我们所处的位置。
我们可以用经度和纬度来表示任何一个地点的坐标。
经度是一个地点相对于本初子午线的度量，范围从0°至180°。
纬度是一个地点相对于地球赤道的度量，范围从0°至90°。
通过这两个坐标，我们可以在地球上的任何地方找到一个特定的位置。
时间系统是一种用来测量时间的方法。
世界协调时间（UTC）是国际上通用的时间标准，它使用原子钟的精确度来确定时间。
我们使用小时、分钟和秒来表示时间。
此外，时区也是时间系统的重要组成部分。
地球上被划分为24个时区，每个时区覆盖约15°经度。
每个时区都对应着一个标准时间，并根据地理位置决定当地时间。
通过使用时区，我们可以在世界范围内同步并协调时间。
坐标和时间系统在现代社会中有着广泛的应用。
它们不仅仅用在导航领域，如汽车导航、航空导航等，还被广泛用于科学研究、地图制作、天文观测和数据收集等领域。
它们还在航运、铁路和物流等行业中起到关键作用，确保货物能够准时送达。
此外，坐标和时间系统也对我们日常生活产生了深远的影响。
我们可以使用手机或手表上的时间来安排日程，预约会议或计划旅行。
当我们在城市中迷路时，我们可以使用地图应用或GPS系统来找到正确的路线。
不仅如此，通过坐标和时间系统，我们能够准确地知道不同地区的时间，这对于国际商务和跨国合作非常重要。
综上所述，坐标和时间系统是现代社会不可或缺的一部分。
它们帮助我们准确地定位和测量地球上的位置和时间，为我们的日常生活提供了巨大的便利。
无论是科学研究、导航领域还是日常生活中，我们都离不开这些系统的帮助。
GPS测量原理及应用各章知识点总结
GPS测量原理及应用各章知识点总结桂林理工大学测绘08-1 JL（纯手打）第一章绪论1、GPS系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。
能为各个用户提供三维坐标和时间。
2、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系3、GPS经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。
整个系统包括卫星星座、地面监控部分、用户接收机部分。
4、GPS基本参数为：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分，在地球表面任何时刻，在高度较为15度以上，平均可同时观测到6颗有效卫星，最多可以达到9颗。
5、应用双定位系统的优越性：能同时接收到GPS和GLONASS卫星信号的接收机，简称为双系统卫星接收机。
（1）增加接收卫星数。
这样有利于在山区和城市有障碍物遮挡的地区作业（2）提高效率。
观测卫星数增加，所以求解整周模糊度的时间缩短，从而减少野外作业时间，提高了生产效率。
（3）提高定位的可靠性和精度。
因观测的卫星数增加，用于定位计算的卫星数增加，卫星几何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。
6、在GPS信号导航的定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗（以上）卫星，称为定位星座。
7、PRN----------卫星所采用的伪随机噪声码8、在导航定位测量中，一般采用PRN编号。
9、用于捕获信号和粗略定位的为随机码叫做C/A码（又叫S码），用于精密定位的精密测距码叫P码10、GPS系统中各组成部分的作用：卫星星座1、向广大用户发送导航定位信息。
2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。
3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。
地面监控系统地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。
1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。
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。
datum／GPS定位的坐标系统与时间系统 - 第二章GPS定位的坐标系统与
绘 ，则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s
学
院
• 由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上
点的位置是不断变化的，若要求赤道上一点
大 的位置误差不超过1cm，则时间测定误差要小
地
于2 10-5s。 显然，利用GPS进行精密导航和定位，尽可
测 能获得高精度的时间信息是至关重要的。
量
时间包含了“时刻”和“时间间隔”两个概 念。时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文
第二节 GPS定位的坐标系统与时间系统
坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处 理观测数据和表达观测站位置的数学与物 理基础。
GSI Japan - 21st of June 1999
大 §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
地 无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。 测 另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表 量 达地面观测站的位置和处理GPS观测数据尤为方
信
地球坐标系有两种表达方式，即空间直角坐标
大
系和大地坐标系。
测
绘
学
院
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
大 面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手 地 坐标系。
地心大地坐标系的定义：地球椭球的中心与地球
测 质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬 量 度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角
符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可 用作确定时间的基准：
• 运动是连续的、周期性的。
• 运动的周期应具有充分的稳定性。
• 运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都 可通过观察和实验，复现这种周期性运动。
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
四 坐标系统之间的转换
不同空间直角坐标系统之间的转换
z5 4 / 8 0 ωz z8 4 y 54/80
) Δ z20 y2 + +Δ 0 2 Δ x0
O
ω y
sqr
(
ω x M x5 4 / 8 0 x 84 y 84
图 5-9 空 间 直 角 坐 标 系 的 转 换
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
不同空间直角坐标系统转换公式
X 2 X 1 ∆X 0 Y = (1 + m) R (ε ) R (ε ) R (ε ) Y + ∆Y 1 x 2 y 3 z 1 0 2 Z 2 Z1 ∆Z 0 X 1 ∆X 0 = (1 + m) R0 Y1 + ∆Y0 Z1 ∆Z 0
GPS时间系统 时间系统GPST （6） GPS时间系统GPST
GPST属于原子时系统，它的 秒长即为原子时秒长，GPST的 原点与国际原子时IAT相差19s。 有关系式： IAT-GPST=19（s） （2-18） GPS时间系统与各种时间系统 的关系见图2-6所示：
第五章 GPS定位的坐标系统及时间系统
协议地球坐标系： 协议地球坐标系：取平地极为坐标原点，z轴指向CIO，x轴指向协定赤 道面与格林尼治子午线的交点，y轴在协定赤道面里，与 xoz构成右手系 统而成的坐标系统称为协议地球坐标系。 协议地球坐标系与瞬时地球坐标系的转换公式： ：
x x y = R (− x′′ ) R ( y′′ ) y y p x p z em z et
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。
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。
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。
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。
4. 协议天球坐标系的定义和转换
由于岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的
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 ）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 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。
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。
第二节 GPS定位的坐标系统与时间系统
坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处 理观测数据和表达观测站位置的数学与物 理基础。
§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。
x cos cos
y
rcos
sin
z sin
r x2 y2 z2
arctg arctg
y x
z x2 y2
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
1
W (1 e2 sin2 B) 2
e2
a2 b2 a2
arctg(X2
Z Y2)1/2
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。
§ 2.2协议天球坐标系
1.天球的基本概念
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。
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。
天球的概念
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 。
天球空间直角坐标系与天球球面坐标系
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。
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
§ 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。
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。
X (NH)cosBcosL
Y (NH)cosBsinL
Z N(1e2)H sinB
B
arctg
tg
1Leabharlann ae2 Zsin B W
L arctg y X
H R cos N
cos B
N a /W