《gps原理》PPT课件

GPS导航原理与应用（二）,2.1.坐标系统基本概念2.2.天球坐标系2.3.地球坐标系2.4.坐标系转换2.5.常用坐标系2.6.时间参考系统,第二章GPS的时空参考系统,2.1坐标系统简介,坐标系统和时间系统是GPS的基本参考系统描述卫星运动、处理观测数据、表达用户位置的物理与数学基础。,坐标定义：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。空间坐标系定义：由原点位置，3个坐标轴的指向和尺度所定义。类型：天球坐标系、地球坐标系坐标系转换通过坐标平移，旋转和尺度转换,天球坐标系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。地球坐标系与地球固联的地心坐标系，用于描述用户空间位置。,2.2天球坐标系,基本概念天球天轴与天极赤道面与天球赤道天球子午面与子午圈黄道与黄极春分点与秋分点,天球坐标系定义原点为地球质心天球极轴春分点轴垂直以上两轴并位于天球赤道面，按右手定则确定的轴天球直角坐标系天球球面坐标系,天球空间直角坐标系地球质心M为坐标系原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XMZ平面与X轴和Z轴构成右手坐标系天体S的位置由坐标（X，Y，Z）描述,2.2天球坐标系,天球球面坐标系地球质心为系统原点，春分点轴与天轴所在平面为测量基准-基准子午面，天球子午面：过天轴的所有平面赤经：天球子午面与基准子午面夹角，以春分点划分东西（0180）赤纬：天体S与原点M的连线相对于天球赤道平面的夹角，天球赤道向北向南分（090）长度r：原点M到天体S的径向长度称为天体S的距离。,岁差、章动,在外力的作用下，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。地轴的长期运动称为岁差，而其周期运动则称为章动。岁差和章动引起天极和春分点在天球上的运动。,日月岁差和章动,岁差,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50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，在空间绘出一个圆锥面，绕行一周约需26，000年。,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，北天极每年约西移50.371”，周期大约为25800年。这种由太阳和月球引起的地轴的长期运动称为日月岁差。其他行星引力造成的影响叫做行星岁差，合者称为总岁差。,章动,英国天文学家不拉德雷在1748年分析了17271747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的主要原因。白道的升交点沿黄道向西运动，约18.6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。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18.6年的运动。,三种天球坐标系,瞬时真天球坐标系不同观测历元，天球瞬时坐标，考虑岁差和章动影响瞬时平天球坐标系任一历元，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，称为协议天球坐标系（CIS）。2000年1月15日TDB（太阳系力学时）为标准历元。,2.3地球坐标系,2.3.1地球几何形状2.3.2地球坐标系2.3.3站心坐标系,2.3.1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示。,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间的分界面；数学表面则是地球表面重力的等位面，也叫（Geoids），由大地测量确定。大地水准面是一个假想的海面，这种海面无潮汐、温差、盐，密度均匀，可以渗透到陆地中，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，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。,参考椭球面,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与铅垂线方向正交，无法用一个简单的数学方程来描述。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参考椭球面。,参考椭球面的大小和形状可以用两个几何参数来描述，即长半轴a和扁率f，其具体数值由大地测量确定。目前应用中两个比较重要的参考椭球系是克拉索夫斯基椭球和WGS-84椭球,大地水准面、地面与椭球面之间的关系,椭球高度h：椭球面E上方的点P的高度，对应EP；大地水准高度N：椭球面E上方的点G的高度，对应EG；海拔高H：大地水准面G上方的点P的高度，对应GP。,地形面、参考椭球面和大地水准面,2.3.2地球坐标系,GPS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；地球直角坐标系和地球在地坐标系；地球直角坐标系定义：原点O与地球质心重合Z轴指向地球北板，X轴指向地球赤道面与格威治子午圈的交点EY轴在赤道玉米面里与XOZ构成右手系统。,地球坐标系定义：,原点与地球质心重合，短轴与地球自转轴重合，纬度：过P点的椭球与椭球赤道面的夹角经度：过P点所在的椭球子午面与格林威治子午面的夹角高度h：P点椭球法线到椭球面的距离,极移（北地极）,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；坐标轴随时间而变化，对描述地球上某一点的位置不方便。,协议地球坐标系,地极基准点，国际协议原点CIO，Z轴指向CIO点；X轴指向协议赤道面与格林尼治子午线的交点；Y轴与XOZ构成右手系统；简称CTS，与地球固联的坐标系，理想的地固系；工程中，由国际时间局（BIH），BIH地球参考系BTS。,2.3.3站心坐标系,站心坐标系TopocentricCoordinateSystem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。,站心坐标系,站心直角坐标系原点位于P0；U轴与过P0点的参考椭球面的法线重合，指向上方；N轴垂直于U轴，指向参考椭球的短半轴；E轴垂直于U轴和N轴，形成左手系；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影长度。,地球坐标参照系常用坐标系站心坐标系,站心坐标系,站心极坐标系NP0E平面为基准面；极点位于P0；极轴为N轴；点在站心极坐标系下的坐标用极距（R由极点到该点的距离），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到在基准面上投影的角度），高度角（EL极点与该点连线与基准面间的夹角）表示。,地球坐标参照系常用坐标系站心坐标系,2.4.坐标系转换,地球坐标参照系基准转换,2.4.1基本转换的数学表达2.4.2布尔沙模型2.4.3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2.4.5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（CTS，T）与协议天球坐标系（I）的转换2.4.7站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换,2.4.1基本转换的数学表达,平移变换,地球坐标参照系基准转换基本转换的数学表达,基本转换的数学表达,缩放变换,地球坐标参照系基准转换基本转换的数学表达,基本转换的数学表达,旋转变换,地球坐标参照系基准转换基本转换的数学表达,2.4.2布尔沙模型七参数法,概述布尔沙-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型在该模型中共采用了7个参数，分别是3个平移参数、3个旋转参数（也被称为3个欧拉角）和1个尺度参数。又被称为七参数转换（7-ParameterTransformation）或七参数赫尔墨特变换（7-parameterHelmerttransformation）,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,布尔沙模型七参数法,转换过程,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,布尔沙模型七参数法,转换模型,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,该转换方法又被称为七参数法,布尔沙模型七参数法,转换模型,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,布尔沙模型七参数法,转换模型,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,布尔沙模型七参数法,转换参数的确定原理通过公共点具有两个不同坐标系坐标的点至少需要3个公共点将公共点的坐标差作为伪观测值，确定转换参数数学模型,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,布尔沙模型七参数法,转换参数的确定（续）数学模型（续）,地球坐标参照系基准转换布尔沙模型七参数法,2.4.3莫洛金斯基模型,概述莫洛金斯基（Molodensky）模型在该模型中也是采用了7个参数，分别是3个平移参数、3个旋转参数（也被称为3个欧拉角）和1个尺度参数，不过定义与布尔沙模型有所不同。,地球坐标参照系基准转换莫洛金斯基模型,莫洛金斯基模型,转换过程,地球坐标参照系基准转换莫洛金斯基模型,莫洛金斯基模型,转换模型,地球坐标参照系基准转换莫洛金斯基模型,莫洛金斯基模型,转换模型,地球坐标参照系基准转换莫洛金斯基模型,2.4.4天球直角坐标系与球面坐标系的相互转换,2.4.5地球大地坐标系转换成地球直角坐标系,式中：n为椭球的卯酉曲率半径；e为椭球的第一偏心率,地球直角坐标转换成大地坐标系,瞬时地球直角坐标与协议地球坐标系统转换,2.4.6协议地球坐标系（CTS，T）与协议天球坐标系（I）的转换,原点重合瞬时地球坐标系（z(t)）与瞬时天球坐标系（Z(t)）重合瞬时地球坐标系(x(t)与瞬时天球坐标系（X(t)）相差一个角度GAST（格林威治恒星时）,瞬时地球坐标系与瞬时天球坐标系的转换,瞬时天球坐标系与协议地球坐标系转换,2.4.7站心直角坐标与站心极坐标间的相互转换,地球坐标参照系常用坐标系站心坐标系,2.4.7空间直角坐标与站心坐标的转换,站点坐标（X0,Y0,Z0）或（B0，L0，H0）空间一点（X，Y，Z）与站点之差（X，Y，Z）空间点的站心坐标表示：,2.5.常用地球系,地球坐标参照系常用地球参照系和参考框架,2.5.1WGS-842.5.2我国坐标系,1984年世界大地系统名称WordGeodeticSystem1984WGS84建立美国国防制图局（DMA，于1996年并入了美国国家影像制图局（NIMA）20世纪80年代中期建立，1987年取代WGS-72组成一个全球地心参考框架由美国军方（原来的DMA，现在的NIMA）的一个全球分布的跟踪站网所组成一组相应的模型地球重力场模型（EGMEarthGravitationalModel）WGS84大地水准面（WGS84Geoid）用途GPS系统内部处理与位置有关信息,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,2.5.1WGS-84,1984年世界大地系统定义Z轴与IERS参考极（IRPIERSReferencePole）指向相同，该指向与历元1984.0的BIH协议地极（CTPConventionsTerrestrialPole）一致；X轴指向IERS参考子午线（IRM-IERSReferenceMeridian）与通过原点并垂直于Z轴的平面的交点，IRM与在历元1984时的BIH零子午线（BIHZeroMeridian）一致；Y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参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1984年世界大地系统发展历史第一代：由基于TRANSIT最初建立于1987年，为一组由（TRANSIT）所测定的点的坐标以及将1980年代初所存在的DoD参考框架（也被称为NSWC9Z-2），与BIH地球系统（BTSBIHTerrestrialSystem）一致。1987年1月，该WGS84框架开始用于生成DMA的TRANSIT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DoD的永久GPS跟踪站时，又采用了这些TRANSIT精密星历。一直到1994年，DoD的各个部门都在使用这些由TRANSIT所确定出的WGS84坐标（DMA一直使用到1994年1月2日，而GPS的控制部分一直使用到1994年6月29日）。存在问题：GPS测量结果与由TRANSIT所测定的坐标存在系统性差异。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,发展历史WGS84总共进行了三次修订，第一次在1994年，第二次在1996年，第三次在2001年，分别表示为“WGS84(G730)”、“WGS84(G873)”和“WGS84(G1150)”，其中，“G”表示这些坐标是完全采用GPS方法所确定出来的，没有包含多普勒数据；而跟在后面的数字所表示的是，在NIMA精密星历估计过程中，开始使用这些坐标时的GPS周数，如，数字“873”是历元1996年9月29日0hUTC时的GPS周数，而数字“1150”是历元2002年1月20日0h，从这些天起，用户可以通过NIMA的GPS星历来分别使用WGS84(873)和WGS84(1150)。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,2.5.2我国常用局部参照系,1954年北京坐标系1980西安大地坐标系2000国家大地坐标系（CGCS2000ChinaGeodeticCoordinateSystem2000）,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1954年北京坐标系基本情况源于前苏联的1942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。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，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。基于1954年北京坐标系的我国天文大地网未进行整体平差。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1954年北京坐标系椭球参数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水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达67米。参考框架未进行全国统一平差。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1980西安大地坐标系基本情况1978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。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1980西安大地坐标系椭球参数及定位、定向地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG1975年的推荐值椭球的短轴由地球质心指向1968.0JYD，起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同似大地水准面在我国境内符合最好，高程系统采用1956年黄海平均海水面为高程起算基准。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,1980西安大地坐标系特点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。椭球面与我国大地水准面吻合得较好。椭球短半轴指向明确。经过了整体平差，点位精度高。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,2000国家大地坐标系（CGCS2000）,定义:原点：包括海洋和大气在内的整个地球的质心。长度单位：米（SI），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；定向：初始定向由1984.0时的BIH（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球旋转；CGCS2000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（IERS）参考极（IRP）方向，轴为IERS的参考子午面（IRM）与垂直于轴的赤道面的交线，轴与轴和轴构成右手正交坐标系。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,椭球参数长半轴：地球（包括大气）引力常数：地球动力形状因子：地球自转速度：,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,CGCS2000的实现三个层次第一层次：连续运行参考站。由它们构成CGCS2000的基本骨架，其坐标精度为mm级，速度精度为1mm/a。第二层次：大地控制网。包括中国全部领土和领海内的高精度GPS网点，其三维地心坐标精度为cm级，速度精度为23mm/a。第三层次：天文大地网。包括经空间网与地面网联合平差的约5万个天文大地点，其大地经纬度误差不超过0.3m，大地高误差不超过0.5m。,地球坐标参照系地球参照系和参考框架常用协议地球参照系和参考框架,2.6.时间参考系统,2.6.1概述2.6.2宇宙时间系统2.6.3原子时间系统2.6.4协调世界时间系统2.6.5GPS时间系统,2.6.1概述,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。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。时间系统包含有“时刻”和“间隔”两个概念。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），只有把这两者结合起来才能够描述一个时间系统并给出准确时刻的概念。,时间与运动的关系,所谓时间基准，就是人们认为最精确的时间尺度。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。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：（1）运动是连续的；（2）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，即要求在任何时间、任何地点都可以通过观测和实验复现这种周期运动。,时间基准的发展和变迁,观测地球自转水漏年法国科、钟摆等公元前二世纪，发明了地平日晷，一天差15分钟；一千多年前希腊和北宋，水钟精确到每日10分钟；六百多年前，机械钟问世，并将昼夜分为24小时；十七世纪，单摆用于机械钟，精度提高近一百倍；20世纪的30年代，石英晶体震荡器出现，对于精密的石英钟，三百年只差一秒十七世纪，平太阳日,1820学院正式提出：平太阳日的1/86400为一个平太阳秒，为世界时秒长。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，迫使发掘更精确的时间基准。,1953年是时频科学的一个新的里程碑。世界上第一台原子钟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中国人，叫王天眷）。1963年13届国际计量大会决定：铯原子Cs133基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为1秒。德联邦的“联邦技术物理研究院”的PTB-CsI、美国国家标准局的NBS-6及加拿大国家研究院的NRC-CsV的准确度均已达到10-14量级。我国计量院的CsII、CsIII也达到10-13量级。,对于实验室大铯钟这样的一级时间标准，世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有，而且，有的还不能长期可靠地工作。没有大铯钟的实验室用多台商品型铯钟（目前5071A型小铯钟的准确度为110-12）构成平均时间尺度。小铯钟越多，时间尺度的稳定性就越好。我们国家授时中心有六台小铯钟，组成我们的地方原子时尺度，其稳定度为10-14量级。,时间系统分类：,1、宇宙时间系统宇宙时间系统是以宇宙内天体的运动为基准的时间系统。恒星时（siderealtime,ST）平太阳时(meansolar,MT)世界时(universaltime,UT)2、原子时（atomictime,AT）3、协调世界时（coordinateuniversal,UTC）4、GPS时间系统（GPST）,2.6.1宇宙时间系统,宇宙时间系统是以宇宙内天体的运动为基准的时间系统。由于它比较均匀，易于观测，所以它是人类最先建立的时间系统。实际中由于所观测的天体运动和空间参考点不同，又可以分为几种形式：恒星时（ST）平太阳时（MT）世界时（UT）,恒星时（siderealtime,ST）,恒星时的原点定义:春分点通过本地子午圈的瞬时。尺度定义:春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一个恒星日，含24个恒星小时，24*60*60制。恒星时定义:在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角。具有地方值的特点。由于岁差、章动的影响，同一瞬间有瞬时真春分点和平春分点之分，因此，相应的恒星时也分为真恒星时和平恒星时。它们的关系如下图所示：,由于平春分点受岁差影响而向西移动，每年约西移50”，所以以平恒星日的长度并不真正等于地球自转周期，约短0.008秒。,由于真太阳时的视运动速度是不均匀的，不能作为建立时间系统的参考点。因此，假设一个平太阳作为参考点，该平太阳的运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年视运动。平太阳两次