第二章 GNSS的系统

第二章GNSS的系统1.1

GNSS测量的坐标系统1.2坐标系统之间的转换1.3

GNSS测量的时间系统确定卫星和地面点位置，需要建立相应的坐标系统，以及坐标系统之间的转换。

GNSS测量的高程为大地高，我们国家使用的是正常高，涉及两者之间的转换。测量的基本任务是确定物体在空间中的位置、姿态及其运动轨迹。这些描述需建立在一个特定的空间框架和时间框架上。

卫星的运动是在受到地球引力情况下的惯性运动，与地球的自转无关，所以为了描述卫星的位置，应该引入一个不随地球自转变化的坐标（天球坐标系）。

另一方面，地球表面的测量点、空间位置随地球自转而变化，但对地球观测者其位置是固定不动的，为了描述其位置，需要一个随地球自转而变化的坐标系统（地球坐标系）。一、天球主要点、线、圈1.1GNSS测量的坐标系统天球定义：以地球质心为中心、半径为无穷大的一个圆球。为建立球面坐标系，必须确定球面上一些参考点、线面和圈。天轴和天极：地球旋转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球面的交点（北天极和南天极）天球赤道面和天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，天轴赤道面与天球相交的大圆为天球赤道。天球子午面和天球子午圈：包含天球的平面为天球子午面，天球子午面与天球面的交线为天球子午圈。天球上的主要点、线、圈黄道：地球绕太阳公转的轨道面为黄道面，其与天球相交的大圆为黄道。黄道面与赤道面的夹角为黄赤交角，约为23.5度。春分点：通过太阳从南半球向北半球运动（逆时针），天球赤道与黄道的交点为春分点。天球上的主要点、线、圈

二、天球坐标系：天球空间直角坐标系：原点位于地球质心M，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y周与Z、X轴构成右手坐标系。天球球面坐标系：原点位于地球质心M，赤经α为过天体S的天球子午面与过春分点的天球子午面之间的夹角，赤纬δ为原点M和天体S的连线与天球赤道面之间的夹角，向径长度r为原点M至天体S之间的距离。

天球空间直角坐标系和天球球面坐标系的转换：天球空间直角坐标系和天球球面坐标系的转换：天球赤道坐标系(

,,

r)

和天球直角坐标系(x,y,z)协议天球坐标系地球旋转轴受到外力作用而发生旋转的运动现象，北天极也处于运动现象。这样建立起来的天球坐标系不固定，为此人们通常选择某一时刻作为标准历元的北天极这样建立起来的坐标系称为协议天球坐标系。1.地球直角坐标系的定义原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。协议地球坐标系直角坐标系和大地坐标系2.地球大地坐标系的定义地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。GNSS作业中常用的坐标系1、WGS-84坐标系（质心）2、北京-54坐标系（参心）3、西安80坐标系（参心）4、国家2000坐标系（质心）GNSS作业中常用的坐标系5、独立坐标系基于限制变形，以及方便使用、科学的目的，在许多城市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。

选取过测区中心的经线或过某个起算点的经线作为独立中央子午线。某个特定的、方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平均高程面H为投影面。2.2坐标系统之间的转换一、坐标的旋转与平移1.坐标绕Z轴旋转Ω角度2.2坐标系统之间的转换一、坐标的旋转与平移2.坐标绕Y轴旋转Φ角度3.坐标绕X轴旋转θ角度2.2坐标系统之间的转换一、坐标的旋转与平移4.坐标的平移2.2坐标系统之间的转换二、地球坐标系与天球坐标系的转换

卫星位置用天球坐标系的坐标表示，而测站点位置用地球坐标系的坐标表示，要用卫星坐标求测站坐标，需将天球坐标系的坐标转换成地球坐标系的坐标。（二）转换的步骤是：协议天球坐标系——平天球坐标系——瞬时天球坐标系——瞬时地球坐标系——协议地球坐标系。在转换过程中，因两者的坐标原点一致，故只需多次旋转坐标轴即可。天球球面坐标系与协议天球坐标系转换公式见2.2坐标系统之间的转换三、协议地球坐标系与协议天球坐标系间的转换

根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义可知:（一）两坐标系的原点均位于地球的质心,故其原点位置相同。（二）瞬时天球坐标系的z轴与瞬时地球坐标系的Z轴指向相同。（三）两瞬时坐标系x轴与X轴的指向不同,其间夹角为春分点的格林威治恒星时。如果春分点的格林威治恒星时，以GAST(GreenwichApparentSiderealTime)表示，则瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系之间的转换关系可简单地表示为2.3

GNSS测量的时间系统

GNSS测量是通过接受和处理GNSS卫星发射的无线电信号，来确定用户接收机（观测站）至卫星的距离，进而确定卫星站的位置。因此，若要准确的测定观测站至卫星的距离，必须精密的测定信号的传播时间。世界时（UT）原子时系统（AT）协调世界时（UTC）力学时（DT）GPS时间系统（GPST）2.3

GNSS测量的时间系统

世界时(UT-UniversalTime)以地球自转周期为基准,1960年以前一直作为时间测量的基准,由于地球的自转,太阳会周期性地经过某个地点上空。太阳连续两次经过某条子午线的平均时间间隔称为一个平太阳日,以此为基准的时间称为平太阳时。英国格林威治从午夜起算的平太阳时称为世界时(UT),一个平太阳日的1/86400规定为一个世界时秒。地球除了绕轴自转之外,还有绕太阳的公转运动，所以，一个平太阳日并不等于地球自转一周的时间。一、世界时2.3

GNSS测量的时间系统一、世界时（一）恒星时以春分点连续两次经过本地子午线的时间间隔为一恒星日，含24恒星小时。分真春分点地方时、真春分点格林威治时、平春分点地方时、平春分点格林威治时四种。（二）真太阳时与平太阳时（GAMT）真太阳连续两次通过测站上中天所经历的时间段为一个真太阳日。以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24平太阳小时。（三）世界时以子夜为零时起算的格林威治平太阳时，用UT0表示。与平太阳时相差12小时，即UT0=GAMT+12h2.3

GNSS测量的时间系统二、历书时历书时(ET-EphemerisTime)以地球绕太阳公转周期为基准，理论上讲它是均匀的,不受地球极移和转速变化的影响,因而比世界时更精确。回归年(即地球绕太阳公转一周的时间)长度的1/31556925.9747为一历书时秒,86400历书时秒为一历书时日。但是,由于观测太阳比较困难，只能通过观测月亮和恒星换算，其实际精度比理论分析的低得多,所以历书时只正式使用了7年。2.3

GNSS测量的时间系统二、原子时原子时(AT-AtomicTimes)以位于海平面的铯原子133基态两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准,从1958年1月1日世界的零时开始启用。铯束频标的9192631770个周期持续的时间为一个原子时秒,86400个原子时秒定义为一个原子时日。由于原子内部能级跃迁所发射或吸收的电磁波频率极为稳定，比以地球转动为基础的计时系统更为均匀,因而得到了广泛应用。2.3

GNSS测量的时间系统二、协调时协调时(UTC-UniversalTimeCoordinated)并不是一种独立的时间，而是时间服务工作中把原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间。它既可以满足人们对均匀时间间隔的要求,又可以满足人们对以地球自转为基础的准确世界时时刻的要求。协调时的定义是它的秒长严格地等于原子时秒长,采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s之内。2.3

GNSS测量的时间系统二、GPS时GPS时(GPST-GPSTime)是由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成的一种原子时系统，与国际原子时保持有19s的常数差，并在GPS标准历元1980年1月6日零时与UTC保持一致.GPS时间在0~604800s之间变化,0s是每星期六午夜且每到此时GPS时间重新设定为0s,GPS周数加1。2.3

GNSS测量的时间系统二、GPS时GPS时间的一个重要作用是作为GPS轨道确定的精密参考。过去,GPS时间被保持在主控制站,轨道确定过程中相对于GPS主钟跟踪所有卫星钟,因而每个GPS卫星轨道的确定都密切地与主钟联系起来。在轨道确定中，测量的每个卫星伪距与主钟比较并打上主钟的时间