GPS定位坐标系统和时间系统分析
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时间系统概述和世界时系统
GPS时间系统概述和世界时系统6．1 GPS时间系统概述 时间包含“时刻”和“时间间隔”2个概念。
所谓时刻，即发⽣某⼀现象的瞬间。
在天⽂学和卫星定位中、与所获数据对应的时刻也称为历元。
时间间隔则是指发⽣某⼀现象所经历的过程，是这⼀过程始末的时刻之差。
所以，时间间隔测量也称为相对时间测量，⽽时刻测量相应地称为绝对时间测量。
要测量时间，必须建⽴⼀个测量基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）其中，时间的尺度是关键．⽽原点可以根据实际应⽤加以选定。
⼀般地，任何⼀个可观察的周期运动现象，只要符合以下要求．都可以⽤做确定时问的基推： （1）运动应是连续的，周期性的。
（2）运动的周期应具有充分的稳定性。
（3）运动的周期必须具有复现性、即要求在任何地⽅和时间，都可以通过观测和实验，复现这种周期性运动。
时间测量基准不同，则描述的时刻和时间间隔都不相同，从⽽得到了不同的时间系统。
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难。
在GPS卫星定位中，时间系统的重要意义主要表现为如下⼏点。
（1）GPS卫星作为⼀个⾼空观测⽬标，其位置是不断变化的。
因此，在给出卫星运⾏位置的同时．必须给出相应的瞬间时刻。
例如，当要求GPS卫星的位置误差⼩于1M时，则相应的时刻误差应⼩于2．6xl0。
（2）GPS定位是通过接收和处理GPS卫星发射的⽆线电信号来确定⽤户接收机（即观测站）⾄卫星间的距离（或距离差），进⽽确定观测站的位置的。
因此，准确地测定观测站⾄卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。
若要求其距离误差⼩于1M，则信号传播时间的测定误差应⼩于3xlo—10。
（3）由于地球的⾃转，地球上点在天球坐标系中的位置是不断交化的。
若要求⾚道上⼀点的位置误差不超过1cm，则时间的测定误差应⼩于2x10-5s。
显然，利⽤GPS进⾏精密的导航与测量，应尽可能获得⾼精度的时间信息。
第二章GPS定位的坐标系统和时间系统 第四节时间系统
国际原子时是全球统一的原子时，是由国际时间局（BIH）用100台左右精 选过的原子钟测定的。
目前，几乎所有国家发播的时号，均以UTC为准，各时号的互差一般 不便超用过户±获1得m所s，需除的了U发T1。播UTC时号外，还同时给出UTC与UT1的差值，以
GPS测量定位技术
六、力学时（DT）
这是天文力学理论及其历表所用的时间系统。力学时分两种，即相对于 太阳系质心运动的太阳系质心力学时（TDB）和以地心视位置为基础的地球 质心力学时（TDT）。力学时的基本单位为日，一日包含86400国际单位值秒， 秒 值 采 用 国 际 原 子 时 （ ATI） 秒 长 。 地 球 质 心 力 学 时 TDT 的 1 9 7 7 年 1 月 1.0003725日（即1日0h00m32.184s）对应于国际原子时ATI的1977年1月1日 0h0m0s。
GPS时与协调时的关系为：
GPST = UTC + 1S × n － 19S
（2-7）
其中n为调整参数，其值由国际地球自转服务组织（IERS）发布。
GPS测量定位技术
八、区会议决定采用一种分区统一时
刻，把全球按经度划分为24个时区，每个时区的经度差为15 °，则
在GPS卫星定位中，时间系统有着重要的意义。卫星的在轨运 动以及所发射的电磁波的运动也是和时间紧密相关的，所以测距 也是个测时的过程。天文测量中测量经纬度和方位角要用到时间， 同样在GPS导航和定位中也要用到时间。各国各地区由于民族、 文化和地理位置的关系，计时的方法和单位虽有不同，但都是以 地球绕太阳公转、月球绕地球运转和地球的自转的运转周期为基 础的，因而都用年、月、日来计时。当今，多数国家都以格里历 来作年、月、日的计时单位，即以地球自转轴运转一周的平均时 间叫做一日，而将地球绕太阳公转一周的平均时间长度365.2425 日叫做一年，这就是人们所称的公元年，这种计时的起点是公元 元年1月1日。我国正式采用格里历并采用公元纪年，是1949年 10月1日中华人民共和国成立的那天起正式开始的。计时的单位， 除了年、月、日以外，还有时、分、秒等小于一日的单位。
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。
第二章GPS坐标系统和时间系统
5
2015-6-6
§2.1 天球与地球坐标系
二、坐标系统的分类
1、参心坐标系
在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算坐标，通常选取一参考椭 球面作为参考，选一参考点作为起算点（大地原点），利用大地原点的观 测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。 参心坐标系中的“参心” 指参考椭球的中心，由于参考椭球中心与地 球质心不重合，故又称为非地心坐标系。参心坐标系有大地坐标系和空间 直角坐标系两种。 参心坐标系的应用十分广泛，是经典大地测量的一种通用坐标系。根 据地图投影，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标 系，为地形测量和工程测量提供控制基础。
6
2015-6-6
§2.1 天球与地球坐标系
二、坐标系统的分类
参心空间大地直角 坐标系是用三维坐标x、 y、z表示点位的，它可 按一定的数学公式与参 心大地坐标系相互换算。 通常在由GPS定位结果 （地心空间大地直角坐 标系）计算参心大地坐 标系时，作为一种过渡 换算的坐标系。
地球表面与各种椭球之间的关系பைடு நூலகம்
（1）不适合建立全球统一坐标系的要求； （2）不便于研究全球重力场； （3）水平控制网和高程控制网分离，破坏了空间点三维坐标的完整性。
9
2015-6-6
§2.1 天球与地球坐标系
二、坐标系统的分类
在上述这3方面，地心坐标系就表现出明显的优势。因
人造地球卫星围绕地球运转，其轨道平面随时通过地球质
心，所以通过对卫星的跟踪观测来处理与观察站位臵有关 的问题时，就需要建立以地心为坐标原点、与地球体相固 连的三维空间直角坐标系统。因此，建立并不断精化地心 直角坐标系统，对于发展空间技术和解决卫星大地测量等 问题具有特殊意义。
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
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）
- 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)。
GPS定位坐标系统和时间系统分析
岁差（Precession）
•岁差：地球形状接近于一个两极扁平赤道隆起的椭球体，在 日月引力和其它天体引力的作用下，使得春分点在黄道上产生 缓慢西移现象，称为岁差
球坐标系，这种共同确定的坐标系就称为协议坐标系。 –协议惯性坐标系 –协议地球坐标系
GPS定位坐标系统和时间系统分析
2 GPS使用的时间系统
• 天体和卫星都是高速运行的运动体，时间系统是精确描述 天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用 卫星进行导航定位的重要基准
• 测量时间也需要先定义时间基准，即定义时间的原点和单 位尺度
（1）GPS卫星作为高空已知点，其位置是瞬息万变的。时间度 量的精度就意味着空间位置精度。 例如，若定轨误差要小于1cm，则要求时间精度至少达到 2.6*10-6s
（2）GPS定位中站星距离是通过测定电磁波信号传播时间来确 定的。时间误差与站星距离误差之间的关系是一个线性函数
（3）惯性系与地固系之间的坐标转换需要精确的时间尺度。地 球在不断地作自转运动，地球上的点位在惯性坐标系中的坐 标也以相同的速度变化。 时间误差在0.01s，该坐标误差可以达到5m
•天 球 空 间 直 角 坐 标 系 定 义 ： 原 点O位于天球中心；Z轴指向北天 极 （ NCP ） ； X 轴 指 向 春 分 点 ； Y 轴 垂 直 于 XOZ 平 面 ， 与 X 和 Z 轴 构 成右手坐标系 •任意空间点的坐标可表达为 （x,y,z）
GPS定位坐标系统和时间系统分析
天球球面坐标系的定义
•天轴（Celestial Axis）—地球 自转轴所在的直线 •天极（Celestial Poles）—天 轴与天球的两个交点。
•北天极（NCP） •南天极（SCP）
GPS定位坐标系统和时间系统分析
•天球赤道面：通过地球质心与天轴垂直的平面，与地球赤道 面重合 天球赤道：天球赤道面与天球相交的大圆 时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆
•黄道：地球公转轨道面与天球相交的大 圆，即太阳在天球上的周年视运动轨迹 •黄道面与赤道面的夹角ε，称为黄赤交 角，约为23.5º •黄极(EP-Ecliptic Poles)：通过天球 中心，且垂直于黄道面的直线与天球的 两个交点；靠近北天极的叫北黄极 （NEP），靠近南天极的叫南黄极(SEP)
GPS定位坐标系统和时间系统分析
• 历元：天文学上把观测资料所对应的时刻叫历元 • 起始历元：时间的原点。它可根据需要进行选择，不同时
间系统可有不同的时间原点。 • 时间单位尺度是由时钟来确定的，不同时钟有不同的度量
时间方式 • 从本质上讲，时间系统间的差异体现在时钟上。
GPS定位坐标系统和时间系统分析
时间度量的精度对GPS定位非常重要
天球面上的点、线、面和圈（3）
•春分点：在太阳沿着黄道 作周年视运动周期中，自 南半球向北半球运行时， 黄道与天球赤道的交点称 为春分点。从北向南运行， 黄道与天球赤道的交点叫 秋分点
天球面上的点、线、面和圈
GPS定位坐标系统和时间系统分析
2 天球坐标系
•以天球为参照而建立天球坐标系统，称为天球坐标系 •两种形式：天球球面坐标系和天球空间直角坐标系
• 因此，利用GPS技术进行导航定位，需要高精度的时间信息 GPS定位坐标系统和时间系统分析
2.2 GPS使用的坐标系统
2.2.1 协议天球坐标系 2.2.2 协议地球坐标系（CTS） 2.2.3 坐标转换 2.2.4 地图投影与高斯-克吕格平面直角坐标系
GPS定位坐标系统和时间系统分析
2．2．1 协议天球坐标系
• 地固坐标系可分为 –地心坐标系、参心坐标系和站心坐标系 –天文坐标系、地心空间直角坐标系和地心大地坐标系皆 属地心坐标系
GPS定位坐标系统和时间系统分析
坐标系统的三要素及协议坐标系
• 确定一个坐标系需要定义三要素： –（1）坐标原点位置 –（2）坐标轴指向 –（3）单位尺度
• 不同时期、不同国家和地区对坐标系统三要素的定义不同 • 协议坐标系：为使用方便，国际上通过协议来统一某些全
– 在空间固定的坐标系，坐标原点和坐标轴指向在空间保 持不动，用来描述卫星或其他天体的位置和运动状态
• 如协议天球坐标系 • 非惯性坐标系（Non-Inertial System）
–指与地球体相固联的坐标系统，又叫地固坐标系或地球 坐标系。主要用于描述地表、水下或低空测点的空间位 置和处理GPS观测数据
•在天球球面坐标系中，任意空间点的坐标为（ r ,α,δ）
GPS定位坐标系统和时间系统分析
３ 岁差与章动
•理想惯性坐标系的参考点、线和圈应该保持其惯性 •天球坐标系中的点、线和圈的定义依赖于地球的自转和公 转运动。 •在日、月及行星引力联合作用下，地球公转轨道面与地球 自转轴之间的相互位置要发生改变，即引起岁差和章动。
•在天球球面坐标系中
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•原点O与直角坐标系原点重合，位 于天球中心 •赤经α：过天体S的时圈与经过春
分点的时圈所夹的二面角，逆时针
方向计算，取值0~24hour或度分秒
•赤纬δ：天体s到原点O的连线与
天球赤道面的夹角，取值±90°，
赤道以北为正
（ 6hr45min,-16°43′）
•向径r：原点O至天体S之间的距离
第二章 GPS使用的坐标系统和时间系统
2.1 概述 2.2 GPS使用的坐标系统 2.3 GPS使用的时间系统
GPS定位坐标系统和时间系统分析
2．1 概述
1 GPS使用的坐标系统 2 GPS使用的时间系统
GPS定位坐标系统和时间系统分析
1 GPS使用的坐标系统
• GPS定位中，通常采用两种坐标系统： • 惯性坐标系（Inertial System）
•主要内容 1.天球的基本概念 2.天球坐标系 3.岁差与章动 4.协议天球坐标系
GPS定位坐标系统和时间系统分析
1.天球及其基本概念
• 天球（Celestial Sphere）：是一个半径巨大的假想的虚球， 是天文学上用来描述天体位置的参照物 有日心天球、地心天球和站心天球
•天球球面上的点、线、面和圈