GPS原理及应用课件

1、 GPSGPS原理及应用原理及应用The Principle and Application of GPSThe Principle and Application of GPS第二章坐标系统与时间系统第二章坐标系统与时间系统WGS84WGS84坐标系统是坐标系统是GPSGPS定位系统采用定位系统采用的协议地球坐的协议地球坐标系统，是目前精度最高的全球性大地测量坐标系标系统，是目前精度最高的全球性大地测量坐标系统，统， GPS GPS 所发布的所发布的星历参数星历参数就是基于此坐标系统的就是基于此坐标系统的。WGS84WGS84属于地心坐标系统，原点为地球质心属于地心坐标系统，原点为地球质心,

2、 Z , Z 轴轴指向指向BIH1984.0 BIH1984.0 定义的协议地球极方向，定义的协议地球极方向，X X 轴指向轴指向BIH1984.0 BIH1984.0 的启始子午面和赤道的交点，的启始子午面和赤道的交点，Y Y 轴与轴与X X 轴和轴和Z Z 轴构成右手系。轴构成右手系。WGSWGS是是world geodetic systemworld geodetic system的缩写。的缩写。 WGS84WGS84坐标系统坐标系统GPS系统是测时测距系统，系统是测时测距系统，GPS定位要求有高度精定位要求有高度精确的、稳定的和连续的观测时间，因此时间系统对确的、稳定的和连续的观测时间

3、，因此时间系统对GPS定位具有重要意义。定位具有重要意义。 在在GPSGPS定位系统中，时间系统重要意义主要有以定位系统中，时间系统重要意义主要有以下几点下几点u GPSGPS定位是通过测定观测站到卫星的距离来定位是通过测定观测站到卫星的距离来确定观测点三维坐标的，而确定观测点三维坐标的，而测距的基本原理就测距的基本原理就是测定信号传播时间，是测定信号传播时间，若要距离误差小于若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s；由于地球的自转。在由于地球的自转。在天球坐标系统中，地球上天球坐标系统中，地球上点的坐标也是时间的函数。点的坐标也是时

4、间的函数。作为动态的已知点，作为动态的已知点，GPSGPS卫星的在轨位置本身是卫星的在轨位置本身是时间的函数，时间的函数，例如当要求例如当要求GPS卫星的位置误差小卫星的位置误差小于于1cm，则相应的时刻误差应小于，则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。理论上讲，任何一个可观察到的周期性运动现理论上讲，任何一个可观察到的周期性运动现象，都可以作为定义象，都可以作为定义时间的基准时间的基准，而这种周期，而这种周期性的运动应具有性的运动应具有连续性连续性、稳定性稳定性和和可复现性可复现性的的特征特征时间含有时间含有“时刻时刻”和和“时间间隔时间间隔”两个概念，两个概念，前者是一瞬间概念，对其的

5、测量称为绝对时间前者是一瞬间概念，对其的测量称为绝对时间测量，而后者指一个过程对其的测量称为相对测量，而后者指一个过程对其的测量称为相对时间测量。时间测量。时间系统与坐标系统一样，应有其时间系统与坐标系统一样，应有其尺度尺度（时间时间单位单位）和）和原点原点（历元历元）。只有把尺度与原点结）。只有把尺度与原点结合起来，才能给出时刻的概念。合起来，才能给出时刻的概念。时间的概念时间的概念 给出某一瞬刻在时光流程中的位置，如给出某一瞬刻在时光流程中的位置，如“现现在是公元在是公元20082008年年3 3月月1717日下午日下午3 3时时1515分分3030秒秒”，这，这是是时刻时刻的概念；的概念

6、； 量度两个瞬刻之间的时间长度，如量度两个瞬刻之间的时间长度，如“这堂课这堂课共讲了共讲了1 1小时小时3030分钟分钟”，这是，这是时间间隔时间间隔的概念。的概念。 这两层含意也不是完全可以割裂开来的，它这两层含意也不是完全可以割裂开来的，它们之间显然有着密切的联系。们之间显然有着密切的联系。生活在地球上的人直观上感觉不到地球在自转，生活在地球上的人直观上感觉不到地球在自转，地球自转反映为所看到的太阳和星星的东升西落现地球自转反映为所看到的太阳和星星的东升西落现象象。由于地球自转造成的太阳在天空中的运动称为由于地球自转造成的太阳在天空中的运动称为太阳的太阳的周日视运动。周日视运动。视运动的含

7、意是指视运动的含意是指这种运动并不是太阳在宇宙这种运动并不是太阳在宇宙空间中的实际运动，只是一种表观上的运动空间中的实际运动，只是一种表观上的运动。 地球不停自转，同一时刻不同地方看到的太阳位地球不停自转，同一时刻不同地方看到的太阳位置是不一样的。如在上海看到太阳上中天时，对与上置是不一样的。如在上海看到太阳上中天时，对与上海经度相差海经度相差180180度的地方来说，这时太阳恰好位于下度的地方来说，这时太阳恰好位于下中天。可见，对不同经度的地方来说，一天中的起算中天。可见，对不同经度的地方来说，一天中的起算时刻（时刻（0 0时）是不同的。地球转时）是不同的。地球转1 1圈是圈是1 1天，转过

8、天，转过360360度，因此观测地点的经度每相差度，因此观测地点的经度每相差1515度，同一时刻的时度，同一时刻的时间就相差间就相差1 1小时。由于地球自东向西自转，如上海是小时。由于地球自东向西自转，如上海是上午上午1010时，那么上海以东经度差时，那么上海以东经度差1515度地方的时间是上度地方的时间是上午午1111时，上海以西经度差时，上海以西经度差1515度地方的时间是上午度地方的时间是上午9 9时。时。 同一时刻不同经度地方的时间不同，这就产生了同一时刻不同经度地方的时间不同，这就产生了地方时地方时的概念。所谓地方时，就是指的概念。所谓地方时，就是指以观测地点实际以观测地点实际看到的

9、太阳位置所确定的时间系统看到的太阳位置所确定的时间系统。 地方时系统取决于观测地点的经度，与纬度无关。地方时系统取决于观测地点的经度，与纬度无关。说得具体一点，如果两个地方的经度相同，但纬度不说得具体一点，如果两个地方的经度相同，但纬度不同，那么同一时刻它们的地方时是一样的。同，那么同一时刻它们的地方时是一样的。 如不同地方都采用当地的地方时，必然会带来不如不同地方都采用当地的地方时，必然会带来不少麻烦和混乱。因此，最好是确立一个统一的少麻烦和混乱。因此，最好是确立一个统一的“标准标准”地方时，其他地方时都与它进行比较和换算。这个作地方时，其他地方时都与它进行比较和换算。这个作为为“标准标准”

10、的地方是位于英国格林尼治天文台旧址所的地方是位于英国格林尼治天文台旧址所在地，而相应于该处的地方时便称为世界时在地，而相应于该处的地方时便称为世界时。所以，。所以，世界时也就是格林尼治地方时，或格林尼治时。世界时也就是格林尼治地方时，或格林尼治时。人类最早发现的连续而较稳定的周期运动就是人类最早发现的连续而较稳定的周期运动就是地球自转而产生的日出与日落现象地球自转而产生的日出与日落现象，并据此建立了，并据此建立了以地球自转运动为基础的世界时系统。观测地球自以地球自转运动为基础的世界时系统。观测地球自转运动，必须选定空间的一个静止参考点，根据转运动，必须选定空间的一个静止参考点，根据参参考点不同

11、考点不同，世界时系统又有不同的划分。，世界时系统又有不同的划分。1 1、恒星时（、恒星时（siderdal time,ST)siderdal time,ST) 以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为为一恒星日一恒星日，含，含2424恒星小时恒星小时。分真春分点地方时、。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。格林威治时四种。2 2、平太阳时、平太阳时(mean solar time,MT)(mean solar time,MT)由于太阳视运动速度不均匀，所以假设一个参考

12、点，由于太阳视运动速度不均匀，所以假设一个参考点，它在天球上的视运动速度是太阳视运动的平均速度，它在天球上的视运动速度是太阳视运动的平均速度，这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午线的时间间隔为一平太阳日，含午线的时间间隔为一平太阳日，含2424平太阳小时。平太阳小时。3 3、世界时、世界时(universal time,UT)(universal time,UT) 由于地球上不同经圈上的平太阳时各不相同，由于地球上不同经圈上的平太阳时各不相同，因而平太阳时具有地方性。以因而平太阳时具有地方性。以0 0度子午圈对应的度子午圈对应的平太阳时

13、，并且子夜为零时起算的格林威治平太平太阳时，并且子夜为零时起算的格林威治平太阳时，称为阳时，称为世界时世界时，用，用UT0UT0表示。表示。 平太阳日是从平正午开始计时的，即平正午平太阳日是从平正午开始计时的，即平正午为为0 0时，因而同一观测点世界时与平太阳时相差时，因而同一观测点世界时与平太阳时相差1212小时，若以小时，若以GAMTGAMT表示表示0 0度子午圈对应的平太阳度子午圈对应的平太阳时，则有：时，则有：UT0=GAMT+12hUT0=GAMT+12h GMT(Greenwich Mean Time)是格林尼治平时是格林尼治平时 由于物质内部原子跃迁所辐射和吸收的电磁由于物质内部

14、原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率具有极高的稳定性和可复现性波频率具有极高的稳定性和可复现性，因此在此，因此在此基础上建立的原子钟是世界上精度最高的时间系基础上建立的原子钟是世界上精度最高的时间系统统, , 原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达原子钟精度极高，目前使用的氢钟精度可达1010-16-16。原子钟单位根据与现有的时间单位尽可能一原子钟单位根据与现有的时间单位尽可能一致的原则，规定振荡致的原则，规定振荡91926317709192631770周所需时间为周所需时间为1 1秒。秒。 在上一世纪在上一世纪6060年代，由于发现了地球自转的不均年代，由于发现了地球自转的不均匀性，改用地球的

15、绕日运动定义了匀性，改用地球的绕日运动定义了 历书时历书时(ET)(ET)。那时的理论框架还是牛顿力学，只有一个统一的时那时的理论框架还是牛顿力学，只有一个统一的时间，就是历书时。间，就是历书时。上世纪上世纪7070年代之后，时间观测的精度使得牛顿力学年代之后，时间观测的精度使得牛顿力学不再符合观测，要用广义相对论。不再符合观测，要用广义相对论。 在在19761976年国际年国际天文学联合会天文学联合会(IAU)(IAU)定义了两个时间：太阳系质心定义了两个时间：太阳系质心力学时力学时(BDT)(BDT)和地球质心力学时和地球质心力学时(TDT)(TDT)。这两个。这两个 时时间尺度可以看作是

16、行星绕日运动方程和卫星绕地运间尺度可以看作是行星绕日运动方程和卫星绕地运动方程的自变量（亦即时间）。动方程的自变量（亦即时间）。 这里的这里的D D即即dynamicaldynamical，有力学的意思。，有力学的意思。TDTTDT和和TDBTDB可以看作是可以看作是ETET分别在两个坐标系中的继承。分别在两个坐标系中的继承。 世界时每年比原子时世界时每年比原子时慢慢1 1秒秒左右，为了使原左右，为了使原子时系统与地球自转运动相吻合，子时系统与地球自转运动相吻合，19721972年起，建年起，建立了协调世界时。协调世界时属于原子时体系，立了协调世界时。协调世界时属于原子时体系，它通过润秒（跳秒

17、）的方法与世界时在时刻上接它通过润秒（跳秒）的方法与世界时在时刻上接近。近。 GPSGPS时间系统采用原子时时间系统采用原子时AT1AT1秒长作时间基准秒长作时间基准秒长定义为铯原子秒长定义为铯原子CS133CS133基态的两个超精细能级间基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡跃迁幅射振荡91926311709192631170周所持续的时间周所持续的时间时间起算的原点定义在时间起算的原点定义在19801980年年1 1月月6 6日世界协调时日世界协调时UTC0UTC0时时启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累，累，GPSGPS时与时与UTCUT

18、C时的整秒差以及秒以下的差异通过时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布时间服务部门定期公布几种常用的时间频率标准源（简称钟）：几种常用的时间频率标准源（简称钟）： 晶体钟晶体钟 铷原子钟铷原子钟 氢原子钟氢原子钟 铯原子钟铯原子钟定时：是指根据参考时间标准定时：是指根据参考时间标准对本地钟进行校准对本地钟进行校准的的过程）；过程）；授时（指采用适当的手段授时（指采用适当的手段发播标准时间发播标准时间的过程）的过程）时间同步：是指在时间同步：是指在母钟与子钟之间时间一致母钟与子钟之间时间一致的过程，的过程，又称时间统一或简称时统）又称时间统一或简称时统）守时：是指守时：是指将本地钟已

19、校准的标准时间保持下去将本地钟已校准的标准时间保持下去的的过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟过程，国内外守时中心一般都采用由多台铯原子钟和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时，守时钟组钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟（钟长期运行性能表现最好的一台被定主钟（MCMC）。）。为了得到精密的为了得到精密的GPSGPS时间，使它的准确度达到时间，使它的准确度达到100ns100ns（相对于（相对于UTCUTC）：）： 每个每个GPSGPS卫星上都装有铯子钟作星载钟；卫星上都装有铯子钟作星载钟； GPS GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭合环的自全

20、部卫星与地面测控站构成一个闭合环的自动修正系统；动修正系统； 采用采用UTCUTC为参考基准。为参考基准。GPSGPS时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进时间，它是一种全球性的时间信号源，用以进行精确的时间比对；行精确的时间比对；每颗每颗GPSGPS卫星的时钟；卫星的时钟；用户的接收机时钟。用户的接收机时钟。GPSGPS定时的实质是测定用户时钟相对于定时的实质是测定用户时钟相对于GPSGPS时间的偏时间的偏差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界差，并根据卫星电文给出的有关参数，计算出世界协调时（协调时（UTCUTC）。）。接收机接收机的内部时标一般的内部时标一般采用石英钟采用石英钟，

21、其日频，其日频率稳定度约为。在观测开始时，率稳定度约为。在观测开始时，接收机都设置为与时间同步，但由于石英钟接收机都设置为与时间同步，但由于石英钟的精度局限，此同步并不严格，并且随着测量的进的精度局限，此同步并不严格，并且随着测量的进行，行，接收机的钟差会逐渐发生漂移接收机的钟差会逐渐发生漂移。大部分接收机都通过大部分接收机都通过周期性的插入时钟跳跃来调整周期性的插入时钟跳跃来调整时钟时钟，从而尽量使其内部的时钟与时间同步，从而尽量使其内部的时钟与时间同步，并保证其同步精度在并保证其同步精度在之内。之内。一般来讲，各种接收机的钟跳分为两种：一般来讲，各种接收机的钟跳分为两种：一种是毫秒跳跃，接

22、收机周期性地对其时钟加入一种是毫秒跳跃，接收机周期性地对其时钟加入的改正，例如型接收的改正，例如型接收机和机和型接收机；型接收机；另一种为频繁跳跃，当接收机钟差达到某个阈值的另一种为频繁跳跃，当接收机钟差达到某个阈值的时候（例如时候（例如），它便对钟差进行调整，其时），它便对钟差进行调整，其时钟调整的频率比较高，例如钟调整的频率比较高，例如 型接收机。型接收机。时间系统时间系统恒星时、平太阳时、世界时、原子时、力学时、恒星时、平太阳时、世界时、原子时、力学时、 协调世界时、协调世界时、GPS时。时。时间与时间与GPS卫星导航定位的关系卫星导航定位的关系计算卫星位置、速度。计算卫星位置、速度。计

23、算卫星到接收机天线之间的距离。计算卫星到接收机天线之间的距离。历法（日历表示法）历法（日历表示法）表示方法：年、月、日、时、分、秒。表示方法：年、月、日、时、分、秒。基础：建立在地球绕日公转、月球绕地公转等基础：建立在地球绕日公转、月球绕地公转等特点：反映季节变化，与日常生活密切相关；特点：反映季节变化，与日常生活密切相关；非连续，不利于数学表达。非连续，不利于数学表达。一、一、1582年年10月月4日后的一天是日后的一天是10月月15日，而不是日，而不是10月月5日，但星期日，但星期序号仍然连续计算，序号仍然连续计算，10月月4日是星期四，第二天日是星期四，第二天10月月15日是星期五。日是

24、星期五。这样，就把从公元这样，就把从公元325年以来积累的老账一笔勾销了。年以来积累的老账一笔勾销了。二、为避免以后再发生春分飘离的现象，改闰年方法为：二、为避免以后再发生春分飘离的现象，改闰年方法为： 凡凡公元公元年年数能被数能被4整除的是闰年，但当公元年数后边是带两个整除的是闰年，但当公元年数后边是带两个“0”的的“世纪年世纪年”时，必须能被时，必须能被400整除的年才是闰年。整除的年才是闰年。格里高利历的历年平均长度为格里高利历的历年平均长度为365日日5时时49分分12秒，比回归年长秒，比回归年长26秒。虽然照此计算，过秒。虽然照此计算，过3000年左右仍存在年左右仍存在1天的误差，但

25、这样的精天的误差，但这样的精确度已经相当了不起了。确度已经相当了不起了。由于格里高利历的内容比较简洁，便于记忆，而且精度较高，与由于格里高利历的内容比较简洁，便于记忆，而且精度较高，与天时符合较好，因此它逐步为各国政府所采用。我国是在辛亥革命后天时符合较好，因此它逐步为各国政府所采用。我国是在辛亥革命后根据临时政府通电，从根据临时政府通电，从1912年年1月月1日正式使用格里高利历的。日正式使用格里高利历的。人们将这一历法称为人们将这一历法称为“格里高利历格里高利历”，也就是今天世界上所通用，也就是今天世界上所通用的历法，简称格里历或公历。的历法，简称格里历或公历。 儒略日（儒略日（Julian Date） 定义：是指从定义：是指从-4712年年1月月1日（即公元前日（即公元前4713年年1月月1日）正午开始的天数。日）