卫星定位系统原理及应用第一讲

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,卫星定位导航系统原理及应用,第一讲,6,号教学楼,606,室,Tel:68914843-605,Email:,1,课程说明,参考书,课程要求,2,1. 课程说明,1.1 本课程共计32学时。,111周。,1.2 授课内容安排：,本课程内容主要分以下几部分:,一、绪论,二、GPS的时空参考系统,三、GPS全球定位系统,四、GPS的信号结构与工作原理,五、GPS系统偏差和误差分析,3,1.2 授课内容安排,六、GPS相对定位及GPS增强系统,七、GPS现代化及干扰/抗干扰措施,八、GLONASS和GALILEO系统,九、双静止卫星定位通信系统,十、卫星定位导航系统的应用,4,1. 课程说明,1.3 本课程所需的前期储备知识,高等数学、电子技术、计算机技术、数据处理、数据通讯等,5,2. 参 考 书,2.1,卫星导航原理与应用,，袁建平等，中国宇航出版社,2.2 差分GPS定位技术与应用，王广运等，电子工业出版社,2.3 GPS应用程序设计，李洪涛等，科学出版社,2.4 GPS导航原理与应用，王惠南等，科学出版社,2.5 GPS原理与应用,Understanding GPS Principles and Applications,邱志和译（Elliott D. Kaplan),电子工业出版社,6,3. 课程要求,3.1 笔试（80分）,考试时间2小时，考试内容为授课内容。,3.2 平时（20分）,缺课三次不能参加考试,7,一、基础知识,1.1 导航的概念、方法和要求,1.1.1 导航的概念和方法,位置:坐标、坐标系、地球椭球模型,速度,姿态：横倾、纵倾,航向：地磁北、地理北、地图北、磁偏角、收敛角,8,基础知识,定位：确定载体位置信息的技术和方法。,定向：确定载体姿态、航向信息的技术和方法。,导航：将载体从起始点引导到目的地的方法和技术(自主导航和目的地导航）。,导航也是一种广义的动态定位。,导航系统：能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、速度、姿态、航向等即时运动状态的系统称为导航系统。,9,10,11,常用的定位导航方法,* 航标方法（目视方法）,借助于信标或参照物把载体从一点引导到目的地的方法。如：海上的信标（灯塔等），机场导航灯。,* 航位推算法,通过测量载体的速度和方向数据来累积求得载体在各方向分量上行驶的距离。,12,常用的定位导航方法,*,天文导航,通过对天体的精确定时观测来确定载体的位置的方法。,*,惯性导航,通过积分安装在稳定平台上的加速度计的输出来确定载体的位置和速度的方法。,13,*,无线电导航,通过测量无线电波从发射台到载体的传输时间来确定载体位置的一种定位方法，也可通过测量无线电波的相位或相角来定位。,其原理是基于电磁波的恒定传播速率和路径的可预测性原理。,常用的无线电定位技术有三种：到达时间（TOA）、到达角度（AOA）和到达时间差（TDOA）。,常用的定位导航方法,14,TOA通过测量从多个已知位置的发射机传来的无线电信号到达接收端的时间来确定接收机的位置。,AOA通过三角测量法定位，信号由车载发射机发射，处在已知位置的天线阵列接收信号并计算信号到两个或多个天线单元的入射角，车辆位置由入射角的交叉点确定。,15,TDOA采用三边测量法定位，由多个已知位置的发射机发送时间同步信号，移动接收机接收信号并测量至少两组信号的到达时间差，由此确定接收机的位置。,目前地面无线电导航系统已经在航海和航空领域获得了广泛应用，大约有100种不同类型的系统正在世界各地运营，如著名的Loran-C,和OMEGA。,16,*,卫星定位导航,1957年10月，世界上第一颗人造卫星的发射成功使人类在空间建立导航无线电发射基准站的设想变成了现实，星基无线电导航系统也随之应运而生，这就是卫星定位系统。,与传统的定位方法相比，卫星导航不但能够在全球范围内为陆地、海洋以及近地空间的用户提供连续准确的位置、速度和时间信息，而且用户设备体积小、重量轻、功耗小、价格低、易于操作，从而给导航技术带来了革命性的变化。,常用的定位导航方法,17,1.1.2 航行体对导航系统的要求,导航的作用：为运载体的航行服务，该服务应满足特定要求，不光要解决航行的目的性，更要解决安全性、服务连续性和有效性。,导航系统的性能是由其信号特性和性能参数来描述的。,一般说来，要衡量一个导航系统的优劣，必须考虑其精度、覆盖范围、信息更新率、可用性、可靠性、完善性、多值性、系统容量和导航信息的维数等参数。,18,1、精度,导航系统为运载体所提供的位置与运载体当时的真实位置之间的重合度。,精度用导航误差的大小衡量。导航误差是一个随机变化的量，常用统计的度量单位来描述，即用定位误差不超过一个数值的概率来描述。,19,均方根差RMS（Root Mean Square Error),测绘界的人将其称为”中误差”或”标准差” (,Standard Deviation)。它的探测概率，是以置信椭圆（二维定位）和置信椭球（三维定位）来表述。,1 的概率值为68.3；,2 的概率值为95.5；,3 的概率值为99.7。,RMS,20,圆概率误差CEP（Circular Error Probability),一般是以载体真实位置为圆心的圆内，偏离圆心概率为50的二维点位离散分布度量。,R95为95的圆概率误差。,SEP(Sphere Error Probability)是针对三维位置，以球概率误差来表示，它是以天线真实位置为球心的球内，偏离球心概率为50的三维点位精度分布度量。,CEP,21,定位精度度量表,名称,符号,概率,属性,均方根差,RMS,68,1维(垂直）,圆概率误差,CEP,50,2维（水平）,均方根差,RMS,63,68,2维（水平）,圆概率误差,R95,95,2维（水平）,均方根差,RMS,61,68,3维,球概率误差,SEP,50,3维,22,（1）预测精度,指导航测量结果相对于地图上标出的位置的精度。,（2）重复精度,指用户回到从前曾用同一导航系统测定过的位置的精度。,（3）相对精度,指用户测量出的位置相对于另一个同时用同一导航系统测量出的位置的精度。,23,2、可用性与可靠性,*可用性,导航系统为运动载体提供可用的导航服务的时间的百分比,*,可靠性,在给定的条件下在规定的时间内以规定的性能完成其功能的概率,可靠性指标：发生故障的频度和平均无故障工作时间(MTBF:Mean Time Between Fault),24,*信号可用性,指从导航台发射的导航信号可以使用的时间的百分比,25,3、覆盖范围,指一个面积或立体空间。在此范围内，导航系统以规定的精度为载体提供位置。,影响因素包括：,系统几何关系,发射信号功率,接收机灵敏度,大气噪声条件,26,4、导航信息更新率,5、导航信息多值性,6、系统容量,7、系统的完善性,8、导航信息的维数,27,1.2 常用导航定位系统简介,1.2.1 陆基无线电导航系统,指以无线电技术为基础的导航台建在地球上的导航系统。,*测量方式分为,测向（角）AOA,测距 DOA,测距差 TDOA,测距测向,28,*按作用距离分类,近程：100500Km,中程：5001000Km,远程：10003000Km,超远程：10000Km,29,二战期间及战后，由于军事的迫切需求，加速了陆基无线电导航系统的发展。近年来，随着无线电导航技术特别是卫星定位导航技术的发展和完善，许多陆基无线电导航系统已停用或即将停用。,30,1、塔康（TACAN）,TACAN（Tactical Air Navigation)美国于1955年研制的近程测距测向无线电导航系统。,*组成,塔康地面设备（塔康信标）,机载设备,*功能,*原理：二次雷达原理,31,2、测距器(DME),测距器(Distance Measurement Equipment)是近程测距的二次雷达系统。,采用脉冲测距制。工作原理与塔康的测距原理相同。,从用途和精度分有航路用测距器、终端测距器和精密测距器。,32,3、伏尔(VOR),伏尔（Very-High-Frequency Omnidirectional Ranging),甚高频全向测距。,*组成：地面台和机载接收机。,*原理：地面台的天线方向图为一个旋转着的心脏形方向图。飞机在不同方位，飞机上伏尔接收机收到的信号幅度调制包络具有不同的相位。利用地面台辐射场调制包络的相位与飞机方位角之间的一一对应关系可为飞机提供相对于地面台磁北的方位坐标,*特点：作用距离受视距限制,作用距离为370公里,方位角优于2.0度,*应用：常与测距器配合使用。伏尔/测距器是陆地上无线电近程导航和非精密进场的国际标准设备。,33,4、 罗兰C,*罗兰C（Loran-long range navigation),*陆基、低频脉冲相位导航系统,*中远程精密无线电导航系统,*主要包括地面设施和用户设备两大部分。,地面设施：发射台组和监测站,34,*工作原理：双曲线无线电导航系统。,用户设备接收到两个发射台的信号到达的时间差TDOA，乘以电波传播速度，可换算为距两个台的距离差值-为一双曲线，再接收另外两个台的信息，便可得另一双曲线，两条双曲线的交点，就可计算出用户位置。,35,36,5、Omega,6、多普勒导航系统,37,1.2.2卫星定位导航系统（GNSS）,GNSS：Global Navigation Satellite System.,以导航定位卫星发射的信号来确定载体位置而进行导航的系统。,38,常用GNSS：,GPS： Global Positioning System,美国,GLONASS：Global Navigation Satellite System,俄罗斯,BDSTAR： 北斗双星，中国,GALILEO： 欧州,39,其他典型的导航定位系统1、 航位推算法,航位推算（DR-Dead Reckoning),一般由里程计和惯性测量单元（IMU）或电子罗盘组成，里程计用于测量车辆的行驶距离信息，IMU或电子罗盘用于测量车辆的速度或者方向信息。,航位推算系统是一种自主式（独立）导航系统，它完全依靠车载的设备自主地完成导航任务，因此很少受到周围环境的干扰和影响。,40,(x,0,y,0,),(x,1,y,1,),(x,n,y,n,),d,0,d,1,d,n-1,其中（x,0,y,0,)为0时刻车辆的初始位置，di是行驶距离，,41,由于航位推算是累积推算位置的，方向和距离传感器的存在长时间运行的漂移问题。,DR目前多与GPS等卫星定位系统组合进行组合导航。一方面GPS系统可以弥补航位推算系统的累积误差随时间增加的不足，在长时间导航的过程中不断计算和纠正航位推算系统的仪器参数。而航位推算系统也可以在GPS信号暂时失效的情况下发挥补充作用。,42,2、 惯性导航系统（INS）,加速度,速度,位移,积分,积分,INS-Inertial Navigation System，简称惯导,43,包括：IMU（Inertial Measure Unit)、导航计算机。,基本原理：以牛顿力学定律为基础,由安装于载体内部的加速度计和陀螺仪测量载体相对于惯性空间的比力（从中可以提取载体运动的加速度）和角速度、三维位置、速度和姿态信息。,44,分类：,平台式INS,捷联式INS（SINS：Strapdown Inertial Navigation System),45,平台式惯导：经陀螺为基础形成一个不随载体姿态和载体在地球上的位置而变动的稳定平台。,特点：导航计算小，精度较高，但结构复杂，尺寸大，成本高。,SINS：将陀螺和加速度计直接固连在运载体上。,特点：平均无故障时间长，体积小，价格低。,46,特点：自主式导航系统,抗干扰能力强，隐蔽性好（多用于军品）,缺点：陀螺漂移和加速度表的误差带来INS误差随时间累积加大。,47,解决方法：,（1）提高惯性系统的精度,（2）采用组合导航,48,3、组合导航系统,组合导航是指使用两种或两种以上的不同导航系统对同一种信息进行测量，利用其互补性，提高系统性能。,如：GPS和INS组合系统、GPS和DR等组合导航系统。,49,惯性组合导航系统的结构框图,GPS接收机,里程计信息,IMU信息,航位推算,数据融合,GPS/IMU信息,导航信息,50,GPS/INS组合模式,根据不同的应用要求,GPS/INS,的组合模式可以有不同水平的组合模式。从,GPS,和,INS,耦合性角度,可以分为松耦合和紧耦合两种基本组合模式。,51,松耦合,52,紧耦合,53,54,55,4. 地形辅助导航系统,地形辅助导航(TAN-Terrain Aided Navigation)是利用地形、地物和地貌特征进行导航的总概念。,其基本工作原理是：,在系统中存储有飞行器所要飞越地区的三维数字地图；,在飞行过程中，系统利用地形特征传感器得出飞行器正下方的地形剖面图或其他特征；,系统将所存储的数字地图与测得的地形剖面图相比较，当达到匹配时，便求出了飞行器所在点的位置。,56,4. 地形辅助导航系统,一个实用的地形辅助导航系统通常四部分组成：,地形特征传感设备,雷达高度表、气压高度表和大气数据计算机等,推算导航设备,INS、多普勒导航雷达等,数字地图存储装置,数据处理装置,57,地形辅助导航系统把地形（图）数据库、地形（图）匹配技术和航位推算导航技术相结合，是一种精确的自主式全天候导航系统，很难被发现和干扰，可在电子对抗环境下很好地工作；,特别适于低空突防和超低空飞行；,要与其他导航系统组合使用，与卫星导航具有很好的互补性,58,地形匹配导航的原理框图,59,5. 卫星定位系统的基础知识,定位时间,定位精度,数据更新率,接口方式,物理特性,环境适应性,坐标系,时间体系,60,5.1 定位时间,接收机确定用户位置所需要的时间。,冷启动时间：50S,温启动时间：40S,热启动时间：30S,重捕时间：0.5S,61,5.2 定位精度,接收机可为用户提供的位置精度，一般分为水平定位精度和垂直定位精度。,在这是指接收机所测定的地面点位与其实际点位之差。如：水平1.8m (CEP)。,62,均方根差RMS（Root Mean Square Error),测绘界的人将其称为”中误差”或”标准差” (,Standard Deviation)。它的探测概率，是以置信椭圆（二维定位）和置信椭球（三维定位）来表述。,1 的概率值为68.3；,2 的概率值为95.5；,3 的概率值为99.7。,RMS,63,圆概率误差CEP（Circular Error Probable),一般是以天线真实位置为圆心的圆内，偏离圆心概率为50的二维点位离散分布度量。,R95为95的圆概率误差。,SEP(Sphere Error Probable)是针对三维位置，以球概率误差来表示，它是以天线真实位置为球心的球内，偏离球心概率为50的三维点位精度分布度量。,CEP,64,定位精度度量表,名称,符号,概率,属性,均方根差,RMS,68,1维(垂直）,圆概率误差,CEP,50,2维（水平）,均方根差,RMS,63,68,2维（水平）,圆概率误差,R95,95,2维（水平）,均方根差,RMS,61,68,3维,球概率误差,SEP,50,3维,65,5.3 数据更新率,每秒钟数据输出的次数，单位：Hz,如：20Hz，10Hz，1Hz等,66,5.4 接口方式,一般采用串行接口，具有COM1 1 个或COM1/COM2 2个串行口,电平类型：RS232或RS422，多采用RS232,信号类型：RS232：RXD，TXD，GND,RS422：RXD+，RXD-，TXD+，TXD-,波特率：每秒发送数据的位数（bits),如：9600bps (bits per second),数据位，停止位和校验位,67,接收机与CPU（2个COM口）连接方法（RS232）,COM1,接,收,机,COM2,COM1,中心,处理器,CPU,COM2,TXD RXD,RXD TXD,GND GND,TXD RXD,RXD TXD,GND GND,68,接收机与CPU（1个COM口）连接方法（RS232）,COM1,接,收,机,COM2,中心,处理器,CPU,COM,RS232,TTL,(Max202),接口,切换,(模拟,开关),(Max308),TTL,RS232,(Max202),69,5.5 物理特性,尺寸（外形尺寸和安装尺寸等）,如：85,12512 mmmmmm,重量，如：85g,70,5.6 环境适应性,工作温度：-40,C+85 C,贮存温度： -45,C+95 C,湿度：95%,+ 20,C,电源：+4.5V+18V DC,功耗：2.2W（典型值）,冲击：30g，持续时间11ms,振动：加速度4g，振动频率：52005Hz，振动时间为30min,71,5.7 坐标系,点位的确定总是和一定的坐标系联系在一起的。一般地说，要确定一个坐标系就需指明坐标原点的位置、坐标轴的指向以及确定点位时所用的参数这三个要素。,为建立卫星导航的数学公式，必须选定参考坐标系，以便表示卫星和接收机的状态。在建立公式时，典型的是用在笛卡尔坐标系中测度的位置与速度矢量去描述卫星和接收机的状态。,72,5.7 坐标系,GPS卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，与地球自转无关，为了描述GPS卫星在其轨道上的运动规律，引用不随地球自转的地心坐标系是十分自然的。它是空间固定坐标系。,同时,在 GPS定位中,观测站往往固定在地球表面，其空间位置随同地球自转而运动，于是为了便于表达观测站的位置，引用与地球固联的地心坐标系亦是必要的。,因此，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系:天球坐标系和地球坐标系。,73,5.7 坐标系,严格说来，无论是天球坐标系还是地球坐标系，在不同的观测瞬间，其各自的坐标轴指向相应地也不相同。由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。,为了使用上的统一和方便，国际上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，称之为协议 坐标系。,74,天球,天球极轴,，,春分点轴,，加,上与这两轴垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴,(自然是稳定不变的轴),构成在宇宙空间稳定不变的参考轴系,称为地心天球坐标系。简称天球坐标系。,75,天球空间直角坐标系和天球球面坐标系,76,5.7 坐标系,岁差,指由日月行星引力共同作用的结果,，,使地球自转 轴在空间的方向发生周期性变化,。周期约25800年。,章动,北天极除岁差运动外，在各种天体力的影响下还存在,短周期的变化,它叠加在岁差运动上。如果将任一观测时刻的北天极的实际位置称为瞬时北天极,（,亦称真北天极,）,瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转,，,大致成椭圆形轨迹,，,其长半径约为,9,.2,周期约为,18,.6,年,这种运动称为章动。,77,地球的进动力矩,78,岁差,79,春分点的漂移方向,章动影响,80,三种天球坐标系,瞬时真天球坐标系（既考虑岁差又考虑章动的动坐标系）。,瞬时平天球坐标系（仅考虑岁差进去而略去章动影响的动坐标系）。,协议天球坐标系（CIS）：由国际协议规定的标准历元所对应的平天球坐标系。,标准历元t,0,：2000年1月15日TDB（太阳系质心力学时）。,81,表,1,三种天球坐标系定义与缩写,天球坐标系,原点,Z1,X,轴,坐标系缩写,标准历元平天球坐标系,(CIS,协议天球系,),地心,标准历元平天极,平春分点,I,瞬时平赤道天球坐标系,(MS),地心,瞬时平天极,瞬时平春分点,M,瞬时真赤道坐标系,(ts),地心,瞬时真天极,瞬时真春点,t,82,地球直角坐标系与地球大地坐标系示意图,83,5.7 坐标系,极移,由于地球内部存在着物质运动，地球并非刚体，北地极在地球表面上随着时间的变化而变化，这种现象称为地极移动，简称极移。,瞬时地球坐标系,与观测瞬时相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时地极。瞬时地极相应的地球坐标系，被称为瞬时地球坐标系。瞬时地球坐标系不是与地球球体固联的坐标系。,84,5.7 坐标系,国际协议原点CIO（conventional international origin),是国际天文学联合会和国际大地测量学协会规定的地极基准点。采用国际上5个纬度服务站，以19001905年的平均纬度所确定的平均地极位置。,协议地球坐标系CTS（conventional terrestrial system),以CIO为协议地极，Z,CTS,轴指向CIO，与之相应的地球赤道面称为协议赤道面。X,CTS,轴指向协议赤道面与格林尼治子午线的交点，Y,CTS,轴在协议赤道平面里，与X,CTS,OZ,CTS,轴构成右手系统。,85,地球瞬时坐标系与协议地球坐标系,86,协议地球坐标系(CTS)的实现,CTS是从理论上定义的一个地球坐标系。在实际应用中，由国际时间局(BIH)根据许多观测站的观测结果，推算出极移跟踪数据，定期发表公报，给出以角移为单位的瞬时地极坐标，这些瞬时地极坐标所相应的地极原点称为BIH系统协议地极原点。,BIH系统协议地极原点是CIO的工程逼近，两者差异很小。CTS的建立是靠BIH系统协议地极原点来实现的，实际应用的协议地球系称为BIH系统的协议地球系，或称为BIH地球参考系(BTS)。BTS是理想协议地球系(CTS)工程实现。,87,5.7.1 地球坐标系,在卫星大地测量中经常用到的地球坐标系有两种：一种是空间直角坐标系，另一种是大地坐标系。,采用空间直角坐标的优点是，它不涉及参考椭球体的概念，而且在求两点之间的距离和方向时，计算公式十分简单。但其表示点位不够直观，不容易在地图上直接标出。,88,5.7.2 地图投影及投影变形,将某点的纬度B和经度L换算为地图坐标X和Y，称为地图投影。,x=F,1,(B,L),y=F,2,(B,L),由于椭球面是一个曲面，我们不可能把它铺展成一个平面而不产生某种褶皱和破裂，也就是不可能把整个椭球面或其一部分曲面毫无变形地表在一个平面上，因此无论对投影函数F,1,和F,2,选得如何妥切，总是不可避免地产生变形。,89,地图投影过程：,设想在一个透明的地球仪内部确定一个点光源，在地球仪表面放上不透明的地球特征，然后在围绕地球仪的二维表面上投影特征轮廓线。利用围绕地球仪的圆柱、圆锥或平面模式产生不同的投影方式。,90,5.7.3 地图投影的分类,按其变形性质分：,等角投影：投影后，地图上任意两相交短线之间的夹角保持不变。,等面积投影：投影后，地图上面积大小保持正确的比例关系。,等距投影：投影后，地图上从某一中心点到其它点的距离保持不变。,方位投影：投影后，地图上表示的任一点到某一中心点的方位角保持不变。,91,按投影面分：,平面：平面与椭球面在某一点相切；,圆锥面：圆锥体面与椭球在某一纬圈相切，或两纬圈相割；,圆柱面：圆柱面/椭圆柱面与椭球在赤道上或某一子午圈上相切。,92,93,按中心轴线分：,正轴投影：轴与椭球的短轴相合；,横轴投影：赤道面上，与椭球短轴正交；,斜轴投影：轴位于上述两种位置之间。,94,5.7.4 高斯投影,为高斯于1820-1830年提出的一种投影方法，在1912年，克吕格对其进行整理和扩充，并求出实用公式。因此又称高斯-克吕格投影。,目前，中国、德国以及俄罗斯等国家均采用此投影。,为横轴、椭圆柱面、等角（正形）投影。,95,设想有一个椭圆柱面横套在地球椭球外面，并与某一子午线相切（此子午线称为中央子午线或轴子午线），椭圆柱的中心轴CC通过椭球中心而与地轴垂直。,96,高斯投影的分带,根据上图可知，只是轴子午线上没有长度变形，其他都有长度变形。并且其大小，将与点的横坐标y的平方成比例，距离轴子午线越远，变形就越大。,为此产生分带处理的方法。,6,带：自0 子午线起，向东每隔6 依次编出每带的带号。,3带：自东经1.5 子午线起，向东每隔3 依次编出每带的带号。,97,98,每带建立一个平面直角坐标系，,东向为Y轴，北向为X轴，轴子,午线与赤道的交点作为坐标系的原点。这样，轴子午线以东的点y为正，以西的点y为负，所以y值协议加500公里。,分带方式可以限制投影变形的程度，但也带来了投影不连续的缺点。,99,5.7.5 UTM投影,为通用横轴墨卡托投影(Universal Transverse Mercator Projection)，是1938年美国军事测绘局提出的，1954年开始采用。其归属于高斯投影族，其基本条件为：,（1）正形投影。,（2）经度的起点为零子午线，纬度的起点为赤道。,100,（3）带宽为6,，西经180西经174为第1带，一直到东经180为60带。,（4）中央子午线东移500KM，投影长度比等于0.9996，而不等于1.,UTM投影在整个投影带内的长度变形较均匀，比高斯投影的长度变形小，其计算可通过高斯坐标获得：X,U,=0.9996x, Y,U,=0.9996y 。,101,102,大地坐标系(1) WGS84,GPS卫星导航定位的测量成果，于1987年1月10日开始采用WGS-84世界大地坐标系（World Geodetic System)，之前采用WGS-72。WGS84系是由美国国防制图局(defence mapping agency，DMA)建立的一种协议地球坐标系。是目前最高精度水平的全球大地测量参考系统。,103,其坐标原点位于地球的质心，Z轴平行于协议地球极轴，X轴指向零子午面与赤道的交点（北向），Y轴指向东向，而垂直于X轴的方向，以构成地心地固ECEF（Earth Centered Earth Fixed)的正交坐标系。,104,(2) 北京54系（P-54）,采用原苏联的克拉索夫斯基的椭球，其椭球参数通过与苏联1942年坐标系联测建立，实际上是苏联1942年坐标系的延伸，其大地原点为普尔科沃天文台圆柱大厅中心。,105,(2) 北京54系（P-54）,BJ-54系存在的主要问题是：,1、椭球参数只有两个几何参数、且长半轴与现代参数相比误差较大。,2、坐标轴指向与当前国际、国内采用的方向不一致。,106,1980国家大地坐标系（NGS-80）,1980年开始改用了1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会推荐的椭球参数。,大地原点（参考椭球面与大地水准面的公共切点沿铅垂线的相应地面点）设在陕西省泾阳县永乐镇。,107,(3) 北京新54系,采用克拉索夫斯基椭球参数。,大地原点为1980的大地原点。,高程基准是以1956年青岛验潮站求得的黄海平均海水面。,108,三种椭球参数比较,109,不同国家采用不同大地坐标系的原因：,1、各国根据自己的大地系统绘制了大量的地形图，多年沿用已经形成习惯。,2、在同一的地区采用不同的椭球近似程度不一样，希望选一个近似程度好的。,3、出于军事上保密的目的。,110,5.7.7 坐标变换,大地坐标（经度和纬度）与平面坐标（北向和东向）的转换，其中包括正运算和反运算。,不同坐标系之间的转换,需要7参数。,111,112,5.8 全球定位系统的时间参考系统,时间参考系统的物理实现必须具有可观测的周期运动，这种周期运动应具备连续性、稳定性和复现性。三者缺一不可,113,5.8 全球定位系统的时间参考系统,恒星时,恒星时是以春分点为参考点，以地球周期性自转为基础，具用地方性的时间系统。,恒星时的原点定义为春分点通过本地子午圈的瞬时，恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔称为一个恒星日。,114,5.8 全球定位系统的时间参考系统,平太阳时,是根据太阳在天球上周而复始的东升西降的视运动定义的时间系统。,由于真太阳的视运动速度不均匀，因此假设一个参考点，其在天球上的视运动速度，等于真太阳在天球上的视运动的平均速度，这个假设的参考点被称为平太阳。,平太阳的周日视运动所确定的时间称为平太阳时。,平太阳的原点定义为平太阳通过观察者所在子午圈的瞬时，平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个平太阳日。平太阳时也具有地方性，称作地方平太阳时，简称地方平时。,115,5.8 全球定位系统的时间参考系统,世界时,地球上零子午圈所对应的平太阳时且以平子夜为零时起算的时间系统，称为世界时（UT）。,UT=GMST+12 (h),GMST代表平太阳相对格林尼治子午圈的时角。,由于,地球自转的速度并不均匀,，,且自转轴的方向在地球内部也不固定,(,极移现象,) ，所以自1956年以来，在世界时中引入了极移改正项, 和季节性改正项TS。,UT1 = UT0 + ,UT2 = UT1 + TS,116,5.8 全球定位系统的时间参考系统,原子时,现代物理学发现,，,物质内部原子的跃迁,所辐射或吸收的电磁波频率,具有极高的稳定性和复现性。所以根据这一物理想像所建立的原子时,便成为当代最理想的时间系统。,1967,年定义了原子时的秒长:,位于海平面上的铯,133,原子基态两个超精细能级,在零磁场中跃迁辐射振荡,9192631770,周所持续的时间,为一原子时秒。原子时的原点由下式确定,:,AT=UT2 -0.0039(s),国际时间局对世界上精选出的,100,座原子钟进行相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子时,（international atomic time,IAT）,。,全球定位系统中，采用原子时作为高精度的时间基准。,117,5.8 全球定位系统的时间参考系统,协调世界时,(coordinate universal time，UTC),原子钟发布的原子时,尺度更加均匀稳定,但它并不能完全取代世界时,原因是在地球科学的种种研究中,都涉及地球的瞬时位置,这些都离不开以地球自转为基础的世界时。,原子时的秒长比世界时的秒长略短,这就使原子时比世界时每年约快,1s,（,多出,15),。两者之差逐年积累。为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差,同时,又要使两种时间系统同时并存,就有必要建立一种兼有两种时间系统各自优点的新的时间。这就是从,1972,年起所采用的协调世界时,(UTC,简称协调时,),。,UTC,的秒长,严格等于原子时的秒长,采用闰秒,(,或称跳秒,),的办法使协调时与世界时的时刻相接近,当协调时与世界时的时刻差超过,0.9s,时,便在协调时中引人一闰秒,(,或正或负,),闰秒一般在,12,月,31,日或,6,月,30,日的最后一秒加人。具体日期由国际时间局安排并通告,。,118,5.8 全球定位系统的时间参考系统,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。即,IAT GPST = 19,（,s,）,GPST,与协调时UTC之间的关系式为,GPST = UTC + 1 n - 19(s),规定于,1980,年,1,月,6,日零时时刻调整参数为,:n=19,；,此时,GPST,和,UITC,时刻一致。其后,随着时间的积累,两者之间的差别将表现为秒的整数倍,至,1987,年,调整参数,n=23,两时间系统之差为,4s,；,至,1992,年,调整参数,n=26,两时间系统之差已达,7s,。,119,5.8 全球定位系统的时间参考系统,地球动力学时,（terrestial dynamic time，TDT),在人造地球卫星动力学和运动学方程中所要求的一 种严格均匀的时间尺度和独立变量称为地球动力学时,(TDT),。,TD,T,是相对于地球质心的力学方程所采用的时间参数,。,T,DT,的时间尺度是国际制秒,(1s),它与原子时的尺度完全一致。国际天文协会规定,:1977,年,1,月,1,日原子时,(IAT),的零时刻与地球动力学时,(IUT),的严格关系,定义如下,:,TD,T=IAT+32.184(s),120,5.8 全球定位系统的时间参考系统,时间系统及其之间的关系,121,小结,1. 卫星定位导航系统概述,概念及常用方法和原理,2. 卫星定位导航系统基础知识,定位时间、精度和坐标系、时间系统,122,