《GPS测量原理及应用》全套教学课件

1GPS测量原理及应用1绪论2GPS测量中所涉及的时间系统和坐标系统3全球定位系统的组成及信号结构4GPS定位中的误差源5距离测量与定位方法6全球定位系统的应用7GNSS网及其建立8GNSS测量的技术设计9GNSS测量的外业10GNSS测量中的数据格式11GNSS基线解算12GNSS网平差全套可编辑PPT课件2第一章绪论

GNSS的发展与应用3§1.1全球定位系统的产生和发展4导航定位5导航定位空间位置与运动空间位置是物体的基本属性，运动是物体的基本特性定位确定目标的空间位置导航获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程XYZ(x,y,z)6原始导航定位方法利用天体进行定向日、月及特定的星体或星座利用自然景观高山、河流利用自然现象树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓）采用人造的器械指南针（罗盘）利用人工建筑烽火台、灯塔7近、现代导航定位方法①地面方法导航系统或仪器地基无线电导航系统（20世纪30年代）：Loran-C，雷达等惯性导航系统（20世纪30年代）：陀螺仪地面测量仪器尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪激光和红外仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪8近、现代导航定位方法②卫星导航利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航子午卫星系统全球定位系统（GPS）9子午卫星系统及其局限性10子午卫星系统的建立过程1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星–Sputnik1美国霍普金斯大学应用物理实验室（JHU/APL）的吉尔（WilliamGuier）博士和魏芬巴哈（GeorgeWeiffenbach）博士利用地面Sputnik1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨JHU/APL的麦克卢尔（FrankMcClure）博士和克什纳（RichardKershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用吉尔（右）和魏芬巴哈（左）Sputnik1麦克卢尔克什纳11子午卫星系统概况①名称正式名称为海军导航系统（NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem），由于卫星采用极轨道，故也称为Transit（子午卫星导航系统）12子午卫星系统概况②空间部分卫星星座6颗卫星6个极轨道面轨道高度1075km信号频率1：149.988MHz（4.9996MHz

30）频率2：399.968MHz（4.9996MHz

80）星历（广播星历）子午卫星系统的卫星星座OSCARNOVA子午卫星系统的卫星13子午卫星系统概况③地面控制部分跟踪站计算中心注入站控制中心海军天文台用户部分多普勒接收机多普勒接收机14子午卫星系统概况④定位及时间同步精度（单次卫星通过）定位：约400m时间同步：约50ms时间同步可以理解为对表导航系统精度15子午卫星系统的工作原理①多普勒效应波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。波源的运动速度向量与波源至观测者连线的夹角波源的运动速率波速波发送时的频率接收到的波的频率多普勒效应16接收机本振信号频率子午卫星系统的工作原理②多普勒计数对于电磁波多普勒计数令，真空中的光速为，有多普勒计数17子午卫星系统的工作原理③定位的观测值定位原理–双曲定位子午卫星系统的定位原理18子午卫星系统的局限性①一次定位时间过长原因存在一个对同一卫星的信号多普勒计数进行时间积分的过程为获得良好的几何图形，通常需要观测一次完整的卫星通过（约8~18min）引发问题无法为高动态用户服务为缩短定位所需时间，需采用低轨卫星，从而又造成卫星定轨上的难度对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航定位精度19子午卫星系统的局限性②无法进行连续定位原因卫星数少不同卫星采用相同频率的信号引发问题两次卫星通过的平均间隔长（中低纬地区约为1.5h）相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号20子午卫星系统的局限性③对测量应用存在许多不利因素观测时间偏长，作业效率偏低（需50~100次合格卫星通过，耗时约1周）定位精度偏低原因卫星和接收机钟不够稳定，增加处理难度，影响定位精度信号频率较低，对电离层延迟改正不利卫星轨道精度低，影响定位精度21全球定位系统(GPS)的产生和发展22GPS概况建立国家：美国名称：NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem–NAVSTARGPS卫星星座（设计方案）：24颗GPS卫星载波信号频率两个：L1，L2信号调制：载波信号上调制有测距码（L1上为C/A码和P码，L2上为P码）和导航电文系统基本功能：定位、测速、授时23GPS的建立①前期准备美国海军Timation计划始于1964年利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递1967年和1969年分别发射了Timation-1和Timation-2，搭载石英钟1974年发射NTS-1（NavigationTechnologySatellite1），首次搭载原子钟（2台铷钟）1977年发射NTS-2，首次搭载铯钟美国空军621B计划采用伪随机噪声（PRN–PseudoRandomNoise）码进行距离测量在1968至1971年间利用飞机进行试验Timation-124GPS的建立②项目开展1973年，美国防部成立联合工作办公室（JPO–JointProgramOffice），JPO综合TRANSIT、Timation和621B等方案的优点，提出了NAVSTAR/GPS项目方案1973年12月17日，正式批准NAVSTAR/GPS项目1978年2月22日，第一颗GPS试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（IOC–InitialOperationalCapability）1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（FOC–FullOperationalCapability）全球卫星导航系统(GlobalNavigation

Satellite

System,GNSS)具备全球导航定位能力的卫星导航定位系统，统称为GNSSGNSS在我们的日常生产与生活中发挥了重要作用美国GPS中国北斗俄罗斯GLONASS欧盟Galileo26空间部分地面监控部分用户部分GNSSGNSS的组成27空间部分

1.空间星座部分——设计依据星座设计需要考虑的问题：卫星数量、轨道面数、轨道高度、轨道倾角等性能与代价之间权衡轨道参数设计原则（满足性能前提下）卫星数量尽可能少，减少发射成本轨道面数尽可能少，减少发射成本轨道高度兼顾系统的重复性和稳定性轨道倾角人类活动密集的中低纬度地区覆盖好卫星数量与覆盖关系轨道高度与覆盖关系轨道倾角与覆盖关系

1.空间星座部分——设计依据全球平均定位精度(m)136001860023600286003360038600轨道高度(Km)136001860023600286003360038600轨道高度(Km)定位精度随卫星数量和轨道高度的增加而提高，20000Km高度+30颗卫星是较理想选择30颗卫星条件下，3个轨道面定位精度最高，而且也更加经济引文：Píriz,Ricardo,etal.,"TheGalileoConstellationDesign:ASystematicApproach"

2.空间星座部分——设计参数参数GPSGLONASSGalileoBDS-III轨道类型MEOMEOMEOMEOIGSOGEO卫星数量2424272735轨道面数63333/轨道高度/Km201801913023222215283578635786轨道倾角/°5564.85655550在轨卫星数3124222735思考：为什么GLONASS的轨道倾角明显大于其他系统？俄罗斯地理纬度高

3.空间星座部分——北斗特色参数BDS-III轨道类型MEOIGSOGEO卫星数量2735轨道面数33/轨道高度/Km215283578635786轨道倾角/°55550在轨卫星数2735MEO：中高度圆轨道GEO：地球同步轨道IGSO：倾斜地球同步轨道中国境内2012亚太地区2015全球覆盖2021从区域到全球GEO+IGSO+MEO北斗卫星星下点轨迹情况（固定点为GEO卫星，8字型为IGSO卫星，蚯蚓型为MEO）

4.空间星座部分——载荷及功能主要载荷太阳能电池帆板原子钟信号生成部件发射天线(张角~30°)全向遥测遥控天线点火推进装置等主要功能接收存储导航电文发射导航定位信号接收执行地面指令33地面监控部分地面控制部分地面控制部分卫星导航系统的信息中心与决策中心，包括：监测站：数据采集与监测单元主控站：运行管理与控制单元注入站：数据与指令发送单元通讯与辅助系统监测站主控站注入站一旦地面控制部分发生故障，整个导航系统都将瘫痪36主控站：1个监测站：17个注入站：3个通讯与辅助系统地面控制部分——以GPS为例地面控制部分——以GPS为例主控站位于美国本土，其余地面站分布于世界各地的美军军事基地主控站注入站监测站（美国空军）备份主控站注入站（美国空军卫星控制网）监测站（美国地理空间情报局）38主控站地位地面监控系统的行政管理中心和技术中心作用管理、协调地面监控系统各部分的工作收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站卫星维护与异常情况的处理地点美国科罗拉多州联合空间工作中心39监测站地位无人值守数据自动采集中心作用对GPS卫星进行跟踪观测记录气象数据将上述观测数据传送到主控站地点全球共17个监测站，6个为美国空军的监测站，分别位于：科罗拉多泉城、卡纳维拉尔角、夏威夷、阿松森群岛、迭戈加西亚和卡瓦加兰40注入站地位地面监控系统与卫星进行通讯的设施作用向卫星输入导航电文和其他指令地点迭戈加西亚、阿松森群岛、卡瓦加兰41通讯和辅助系统作用负责地面监控系统各部分间的数据传送提供其他辅助服务组成地面通讯网络海底电缆卫星通讯网络42用户部分43组成用户接收设备接收设备GNSS信号接收机其它仪器设备

（如手机）用户部分的组成44作用接收、处理、量测GNSS卫星信号，进行定位、测速和授时等工作基本组成单元天线单元接收单元天线单元接收单元用户部分的组成——GNSS接收机45天线单元组成天线前置放大器类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线接收单元接收单元组成接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。一个通道一个时刻只能接收一个卫星的信号。类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器作用：观测值、导航电文的存储微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源GNSS系统由三部分组成空间部分(Spacesegment(satellites))地面控制部分Controlsegment(controlstations)用户设备部分Usersegment(GPSreceiver)48GNSS定位原理49GNSS的基本定位方式单点定位假如你在野外迷了路，为了确定你所处的位置，你向一个路人询问，他告诉你这里离王家村10千米。你于是打开地图，找到王家村，以它为圆心，按比例尺在地图上画一个半径相当于10千米的圆（图Ａ）。然后你又遇到了另外一个路人，他告诉你距离李家村15千米。你按同样的方法，绘制第二个圆（图Ｂ）。现在，你得到了两个交点，你必定处在其中一个点的位置。这时，你向第三个人打听到，这里距离张家村10千米。当你把这个圆在地图上画好后，你的位置也就一目了然了（图Ｃ）。三边测量术的原理如图GNSS接收机接收GNSS卫星A、B、C传来的信号，“绘制”3个巨大的球体。3个球体会交于两点，其中那个与地球表面相交的点就是这台GNSS接收机所处的位置，然后通过计算得到该接收机所处的经纬度。GNSS定位原理GNSS的定位原理与“三边测量术”原理相似。不同的是3颗卫星代替了3个村子，地图上平面的圆变成了三维的球面。52GNSS定位原理三元二次方程组几何意义53§1.2美国政府的GPS政策54SA①名称SA（SelectiveAvailability）–选择可用性制定目的降低民用定位精度实施方法技术：在广播星历中人为加入误差，降低卫星星历的精度技术：有意识地使卫星钟频产生一种快速抖动实施时间1990.3.25~2000.5.155SA②SA的影响56AS名称AS（Anti-spoofing）–反电子欺骗制定目的防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰实施方法在P码上加上严格保密的W码，产生完全保密的Y码实施时间1994.1.31~后果非特许用户无法使用Y码增加L2载波相位测量的难度57美国GPS政策的新变化终止SA2000年5月2日4时（UTC）进行GPS现代化在BlockⅢ-M及BlockⅡF卫星及随后的GPS卫星的L2载波上调制民用码。最初计划采用C/A码，现改为更为先进的L2C码。在BlockⅡF卫星及随后的GPS卫星上增加L5信号。在L1和L2上增设军用码M码，实现军用信号和民用信号分离。军用接收机具有更好的保护装置，特别是抗干扰能力，并具有快速初始化的能力。阻止、干扰敌对方使用全球定位系统。58§1.3北斗卫星导航系统59中国第一代北斗卫星导航定位系统①概况我国独立自主建立的导航卫星系统系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统2000年10月31日发射了第一颗试验卫星2000年12月21日发射了第二颗试验卫星60中国第一代北斗卫星导航定位系统②系统组成空间卫星部分2~3颗地球静止卫星（GEO）地面部分（以地面控制中心站为主）北斗用户终端61中国第一代北斗卫星导航定位系统③定位的基本思想由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户62中国第一代北斗卫星导航定位系统④定位原理（三球交会/有源定位）以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置63中国第一代北斗卫星导航定位系统⑤定位过程地面中心站对其中一颗导航卫星连续发送C波段载波，载波上的数据流含有测距信号、地址电文和时间等，它们被称为询问脉冲和询问信号。询问信号经导航卫星转发给用户设备。用户设备接收询问信号，并注入必要信息，向两颗导航卫星发射作为应答。两颗卫星收到应答信号，再将它们转发到地面中心站。地面中心站利用所接收到的应答信号，计算用户设备的坐标和交换电报信息。中心站经卫星把处理后的信息发送给用户设备。64中国第二代卫星导航定位系统①名称CNSS（CompassSatelliteNavigationSystem）BDS(BeiDou

Navigation

Satellite

System)也被称为北斗二号卫星导航系统65中国第二代卫星导航定位系统②建立区域性的卫星导航定位系统，能为包括中国领土领海及部分周边地区在内（亚太）的用户提供服务。由12颗卫星组成（GEO地球同步轨道卫星+MEO中地球轨道卫星+IGSO倾斜地球同步轨道卫星）在2012年完成66中国第三代卫星导航定位系统③北斗三号卫星导航系统第一步建立全球卫星导航定位系统，预计由27颗MEO+5颗GEO+3颗IGSO组成，在2021年左右可以投入使用（已完成组网，共35颗）。第二步2035年前还将建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的综合时空体系。67第三代BDS和GPS的比较①一、组成卫星参数GPSGLONASSGalileoBDS-III轨道类型MEOMEOMEOMEOIGSOGEO卫星数量2424272735轨道面数63333/轨道高度/Km201801913023222215283578635786轨道倾角/°5564.85655550在轨卫星数312422273568第三代BDS和GPS的比较②二、定位精度BDS与GPS定位精度相当69第三代BDS和GPS的比较③三、主要功能BDS与GPS都能快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务。BDS具有短报文通信功能，一次可传送多达120个汉字的信息。70第三代BDS和GPS的比较④四、优缺点BDS：

1.自己的导航定位系统，放心、安全、舒心。2.三频信号。北斗使用的是三频信号，GPS使用的是双频信号，这是北斗的后发优势。虽然GPS从2010年5月28发射了第一颗三频卫星，但等到GPS卫星全部老化报废更换为三频卫星还好几年。3.有源定位及无源定位。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信，无源定位不需要。有源定位技术只要2颗卫星就可以完成定位，但需要信息中心DEM（数字高程模型）数据库支持并参与解算。GPS：技术成熟，定位准确，全球覆盖，用户容量无限，缺点是规模太大、造价太高，GPS只能用作导航却无法实现通信功能。71§1.4其他卫星导航系统的概况72GLONASS①GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备73GLONASS②GLONASS与GPS的比较74GLONASS③运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，所以至2000年底卫星数已经减少至6颗，系统已无法正常工作。随着经济情况的好转，制定了“拯救GLONASS的补星计划”，对系统进行现代化改正。75GLONASS④GLONASS系统现代化在2003年前发射GLONASS-M1卫星，寿命预计5年在2003年后发射GLONASS-M2卫星，寿命预计7年2009年开始研制第三代GLONASS-K卫星，寿命预计10年，并增加第三个频率。2010年后重建成由24颗GLONASS-M卫星和GLONASS-K卫星组成的卫星星座至2009年12月29日，共有22颗卫星。2015年发射新型的GLONASS-KM卫星，改进地面控制系统及坐标系统，使其与ITRF框架保持一致，提高卫星钟稳定度。76Galileo①伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日，欧盟决定研制组建卫星星座将：30颗卫星（27+3）3个轨道面轨道高度23616km轨道倾角为56°信号频率E5a，E5b，Eb，E2-L1-E177Galileo②伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统服务内容公开服务（公开）安全服务（公开）商业服务（特许）政府服务（特许）78Galileo③伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统运行状况GIOVE-AGIOVE-BGalileo④80印度导航卫星系统(IRNSS)2009年8月9日，印度空间研究组织宣布印度正在研制、组建覆盖印度全境及周边约2000km范围的导航卫星系统（IRNSS）卫星星座将由7颗卫星组成，其中3颗为地球静止卫星，地位精度约为10m，预计在3年内建成。81§1.5全球定位系统的应用82GNSS在测量领域的应用83大地测量与地球动力学中的应用建立和维持国际地球参考框架、测定地球自转参数，建立和维持区域性的动态参考框架；GNSS技术已广泛应用于大地测量、资源勘探、地壳运动观测、地籍测量等领域。

本次测量除采用1975年时的传统测量方法外，还采取GPS测量系统。

2005年10月9日上午10时，国家测绘局局长陈邦柱宣布珠穆朗玛峰高度最新测量结果：珠穆朗玛峰高度最新测量结果为8844.43米。

2020年12月8日国家主席习近平同尼泊尔总统班达里共同宣布珠穆朗玛峰高程，此次珠穆朗玛峰高程测量综合运用了全球导航卫星系统(GNSS)卫星测量、积雪深度雷达测量、重力测量、天文测量、卫星遥感等技术。85工程测量中的应用布设各种类型的工程测量控制网变形监测一般的工程测量大坝外观变形GNSS自动化监测系统精密工程测量及变形监测中的应用GNSS地壳形变观测GNSS地壳形变观测太阳能电池测量精度可以达到厘米级的程度。应用于大地测量、资源勘探、地壳运动观测、地籍测量等领域。89航测和遥感中的应用布设测区内的大地控制点GNSS辅助空中三角测量遥感卫星定轨90GNSS在军事中的应用95军事需求是推动科学技术发展的一种原动力。卫星导航系统最初就是为了满足军事用途而研制的，GNSS几乎可以被所有军事部门所使用。1999.4.14日，以美国为首的北约悍然使用5枚导弹袭击了中国驻南斯拉夫大使馆，那5枚导弹均匀地分布在我们的大使馆楼顶的扇面上，其中4枚当场爆炸，另有1枚未爆炸，使馆被夷为焦土，3位新闻工作者邵云环、许杏虎、朱颖当场牺牲。97GNSS在交通运输业中的应用98GNSS在航空领域中的应用GNSS在车辆导航和管理方面的应用GNSS在水上运输中的应用GNSS在交通运输中的作用车载型GPS机航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水GPS汽车导航

102GNSS在大气科学中的应用GNSS气象学

1、利用GNSS的空间定位能力测量高空风的分布，并发展为GNSS探空设备。

2、利用地基GNSS接收机测量整层大气的水汽含量以及降水量。

3、利用低轨卫星上的GNSS接受机探测大气折射率廓线，并进一步计算温度或湿度的垂直分布。1031044、测定电离层延迟，建立电离层延迟模型。GNSS气象学105GNSS在紧急救援中应用在旅游及野外考察中的应用利用全球定位系统对消防人员、救护人员、交通警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对地震、火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的反应效率；装有GNSS设备的特种车辆、渔船可在遇到突发事件时进行报警、定位；对失踪人员实施有效搜寻、救援。110GNSS在农林业中的应用（1）精细农业利用GNSS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益的目的。利用GNSS定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析，可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。（2）林业管理GNSS技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。GNSS技术用于森林防火，在飞机上安装热红外系统和GNSS接收机，使用这些机载设备来确定火灾位置，并迅速向地面站报告。第二章GNSS中涉及的时间系统和坐标系统§2.1有关时间系统的一些基本概念§2.2恒星时与太阳时§2.3原子时、协调世界时与GNSS时§2.4建立在相对论框架下的时间系统§2.5GNSS所涉及的一些长时间计时方法§2.6天球坐标系§2.7地球坐标系§2.8ITRS与GCRS之间的坐标转换114时间的两个基本概念：时刻是指发生在某一现象的瞬间。在GNSS测量学中，与所获数据对应的时刻也称为历元。时间间隔是指事物运动处于两个（瞬间）状态之间所经历的时间过程，是指某一事件发生的始末时刻之差。时间间隔测量也称为相对时间测量，时刻测量则被称为绝对时间测量。

第２章>有关时间系统的一些基本概念>时间间隔和时刻115GNSS测量中时间的重要性：GNSS卫星以3.9km/s左右的速度围绕地球高速运动，在给出卫星运行位置的同时，必须给出相应的瞬间时刻。当要求观测瞬间的卫星位置误差≤1cm时，相应观测时刻的误差应≤2.6×10-6秒；GNSS测量是通过观测卫星信号的传播时间来确定卫星至接收机间的距离，进而确定观测站的位置。若要求该距离的误差≤1cm，则信号传播时间的测量误差应≤3×10-11秒。由于地球的自转现象，在天球坐标系中，地球上点的位置是不断变化的。若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则时刻的测定误差须小于2×10-5秒。（地球自转速度约3km/s）第２章>有关时间系统的一些基本概念116失之毫厘差之千里！！！时间系统和时间系统框架：时间系统规定了时间测量的标准，包括时刻的参考基准（起点）和时间间隔测量的尺度基准（“长度”）。它是由定义和相应的规定从理论上进行阐述。时间系统框架通过守时、授时以及时间频率测量和比对技术在某一区域或全球范围内来实现和维持统一的时间系统的。第２章>有关时间系统的一些基本概念>时间系统和时间系统框架117时间基准：时间测量的公共标准尺度，称为时间基准或时间频率基准。条件运动是连续的、周期性的；运动周期必须稳定；运动周期必须具有复现性，即要求在任何时间和地点都可以通过观测和试验来复现这种周期运动。常用的时间基准早期的燃香和沙漏；地球自转周期，是建立世界时的时间基准，其稳定度为1×10-8；行星绕太阳的公转周期以及月球绕地球的公转周期，是建立历书时的时间基准，其稳定度为1×10-10；电子、原子的谐波振荡，是建立原子时的时间基准，其稳定度为1×10-14。脉冲星的自转周期，其稳定度为1×10-19。第２章>有关时间系统的一些基本概念>时间基准118守时系统（时钟）：守时系统被用来建立和维持时间频率基准，确定任一时刻的时间。时钟是一种重要的守时工具，可以连续的告诉用户任意时刻对应的时间。由频率标准(频标)，计数器，显示和输出装置等部件所组成。第２章>有关时间系统的一些基本概念>守时系统（时钟）119时钟的主要技术指标——频率准确度定义：指振荡器所产生的实际振荡频率与其理论值（标准值）之间的相对偏差，反映时钟钟速的一个技术指标。计算公式：

第２章>有关时间系统的一些基本概念>时钟的主要技术指标120时钟的主要技术指标——频率漂移率定义：频率准确度在单位时间内的变化量，简称频漂，反映了钟速的变化率，也称老化率。计算公式：第２章>有关时间系统的一些基本概念>时钟的主要技术指标121时钟的主要技术指标——频率稳定度定义：频标在一定的时间间隔内所输出的平均频率的随机变化程度，由频标内部的各种噪声产生的。频率稳定度是反映时钟质量的最主要的技术指标，反映了钟的随机误差，我们只能从数理统计的角度来估计其大小，而无法进行改正。计算公式（阿伦方差平方根）：第２章>有关时间系统的一些基本概念>时钟的主要技术指标122授时：通过电话，电视，计算机网络，无线电，专用长波和短波电台和卫星等设施向用户传递准确的时间信息和频率信息。时间比对：用户通过授时系统实现高精度的时间比对，授时实际上是用户与标准时间的时间比对。第２章>有关时间系统的一些基本概念>授时和时间比对

时间服务：国际上有许多单位和机构在测定和维持各种时间系统，并通过各种方式将有关的时间和频率信息播发给用户，如：国际计量局（BIPM）/美国海军天文台（提供GPS时）/中国国家授时中心(NTSC)123§2.2恒星时和太阳时124124125第２章>天球坐标系几个基本概念天球：地球质心为原点，半径无穷大天轴：地球自转轴的延伸直线北／南天极：天轴与天球的交点天球赤道：地球赤道面与天球相交的大圆天球子午面：包含天轴并通过地球上任一点的平面天球黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄赤交角：天球赤道和天球黄道的交角，约为23.44º春/秋分点：天球赤道和天球黄道的交点太阳直射点由赤道以南向北穿越的交点（春分点）第２章>天球坐标系126恒星时（SiderealTime）：以地球自转作为时间基准，以春分点作为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间系统。春分点连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一恒星日。恒星时在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，由于恒星时是以春分点通过本地上子午圈为起点的，所以它是一种地方时。由于岁差和章动的影响，地球自转轴在空间的方向是不断变化的，春分点在天球上的位置并不固定，故有真春分点和平春分点之分。相应的恒星时也有真恒星时和平恒星时之分。格林尼治真恒星时GAST：真春分点与经度零点（格林尼治子午线与赤道的交点）间时角格林尼治平恒星时GMST：平春分点与经度零点（格林尼治子午线与赤道的交点）间时角第２章>恒星时和太阳时>恒星时127真太阳时定义：以地球自转作为时间基准，以太阳中心作为参考点所确定的时间系统。太阳连续两次通过某地子午圈的时间间隔称为一个真太阳日。数值上等于太阳中心相对于本地子午圈的时角＋12小时（为什么？），也是一种地方时。由于地球的公转轨道为一椭圆，据开普勒行星运动三定律知，其运动角速度是不相同的，在近日点处运动角速度最大，远日点处运动角速度最小。再加上地球公转是位于黄道平面、而时角是在赤道平面量度等因素造成真太阳时不具备作为一个时间系统的基本要求。

第２章>恒星时和太阳时>太阳时128平太阳时（MeanSolarTime）平太阳和真太阳有两点不同：第一，其周年视运动轨迹位于赤道平面而不是黄道平面；第二，它在赤道上的运动角速度是恒定的，等于真太阳的平均角速度。平太阳时：以地球自转为基础，以平太阳中心作为参考点而建立起来的时间系统。平太阳连续两次通过某地子午圈的时间间隔叫做一个平太阳日。数值上就等于平太阳中心相对于本地子午圈的时角＋12小时，地方时。第２章>恒星时和太阳时>太阳时129区时和时区同一瞬间不同经线上的太阳时不同。为了统一时间，1884年在华盛顿召开的国际子午线会议决定，将全球分为24个标准时区。从格林尼治零子午线起，向东西各7.5°为0时区，然后向东每隔15°为一个时区，分别记为1、2、3、······23时区。在同一时区统一采用该时区中央子午线的平太阳时，称为区时。中国从西向东横跨5个时区，都采用东八区的区时，称为北京时。采用区时后在一个局部区域内所使用的时间是相对统一的，不同时区间可以方便的进行换算。

第２章>恒星时和太阳时>世界时和区时130世界时（UniversalTime,UT）以地球自转为基础，格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时。世界时也不是一个完全均匀的时间系统－地球自转轴在地球内部的位置是在变化的，即存在极移现象；－地球自转的速度也是不均匀的。它不仅包含长期减缓的趋势，而且还会有一些短周期的变化和季节性的变化，情况比较复杂。为了弥补上述缺陷，从1956年开始，1）在世界时UT0中引入了极移改正,得到世界时UT1（含有地球自转速度变化的影响）；2）在UT1中加入地球自转速度的季节性改正得到世界时UT2。第２章>恒星时和太阳时>世界时和区时131§2.3原子时、协调世界时和GNSS时132132原子时（AtomicTime——AT）定义：以原子跃迁的稳定频率为时间基准确定的时间系统。GNSS测量学中，被作为高精度的时间基准，用于精密测定卫星信号的传播时间。秒长（尺度基准）位于海平面上的铯133(Cs133)原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为原子时的1秒。起点1958年1月1日0时起，其值与世界时UT相同，原子时与世界时对齐。但事后发现该瞬间这两者间实际相差0.0039秒。第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>原子时133国际原子时(InternationalAtomicTime-ATI）由于原子钟硬件和环境等因素，同一瞬间各原子钟给出的时间不完全相同定义：为了得到更可靠、更精确的统一时间系统，由国际时间局1971年建立，现改为由国际计量局(BIPM)依据全球约60个时间实验室大约240台原子钟所给出的数据，经统一处理后给出的时间系统。

第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>原子时134协调世界时

(CoordinateUniversalTime-UTC)

定义：在许多应用部门，如大地天文测量、导航和空间飞行器的跟踪定位等部门，当前仍需要以地球自转为基础的世界时。由于原子时是一种均匀的时间系统，而地球自转则存在不断变慢的长期趋势，这就意味着世界时的秒长将变得越来越长，所以原子时和世界时之间的差异逐年积累。为了避免发播的原子时与世界时之间产生过大的偏差，建立了协调世界时。第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>原子时协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长，采取闰秒（跳秒）的方式使协调世界时与世界时间的时刻差规定需要保持在0.9秒以内，增加一秒称为正闰秒，减少一秒称为负闰秒。闰秒一般发生在6月30日及12月31日。135协调世界时(CoordinateUniversalTime-UTC)

由时间实验室利用本实验室内的多台原子钟单独建立和维持一个局部性的UTC系统，共本国或本地区使用，后面需要加上一个括号，注明机构名称。例如由美国海军天文台USNO所建立的和维持的UTC记为UTC(USNO)。而由BIPM建立和维持的全球统一的UTC则无需括号说明。许多国家都已采用UTC作为自己的时间系统。为了使采用世界时的用户得到精度较高的UT1时刻，国际地球自转服务组织IERS给出UT1与UTC的差值。第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>原子时136GPS时（GPST）定义：由GPS地面运控系统和GPS卫星中的原子钟建立和维持的原子时时间系统。秒长：与原子时相同。起点：1980年1月6日0h00m00sUTC时刻，连续时间系统，无跳秒。

GPST与协调世界时UTC关系：UTC存在跳秒，两者相差N个整秒，N是UTC的累积跳秒数，且随着时间而变GPST与国际原子时ATI关系：

总有19s的差异，ATI是由BIPM在全球约240台原子钟来共同维持的，而GPST是由GPS系统数十台原子钟来维持的一种局部性原子时，这两种时间系统之间除了相差若干整秒之外，还会有微小的差异C0。第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>GPS时137GLONASS时（GLONASST）定义：由GLONASS地面运控系统和GLONASS卫星中的原子钟建立和维持的原子时时间系统。GLONASS系统时，采用的是莫斯科时(第三时区区时)，与UTC间有3小时的时差。存在跳秒，且与UTC保持一致。由于GLONASS时是由GLONASS系统自己建立的原子时，故它与由国际计量局BIPM建立和维持的UTC之间(除时差外)还会存在细微的差别C1。

第２章>原子时、世界协调时与GNSS时>GLONASS时138§2.4建立在相对论框架下的时间系统139139历书时ET历书时是以行星绕日/月球绕地球的公转周期为时间标准建立的时间系统，建立在经典牛顿力学基础上的，用于计算天体位置、编制天文历表和卫星星历等。经典牛顿力学：认为时间与天体在空间的位置以及所受到的引力位无关，既可以用于卫星绕地球运动，也可以用于行星绕日运动。经典牛顿力学与观测结果凸现矛盾，引入了相对论时间尺度，产生了地球动力学时TDT和太阳系质心动力学时TDB第２章>建立在相对论框架下的时间系统>ET140地球动力学时TDT/地球时TTTDT/TT是用于解算围绕地球质心运动天体(如GPS卫星)的运动方程，编算其星历时所用的一种时间系统，可以看作是在大地水准面上实现的理想化的原子时。秒长：与国际原子时的秒长相等起点：1977年1月1日0时与历书时相同与TAI关系与GPST关系第２章>建立在相对论框架下的时间系统>TDT141太阳系质心动力学时TDBTDB是用以解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程(如行星运动方程)并编制其星表时所用的时间系统。TDB/TT与TDT关系：只存在微小周期项变化由于坐标系运动速度和受到的引力位的不同，在相对论影响下，TDB与TT存在尺度比，为了只允许两者仅存在周期性变化项和保持光速的恒定，使地心坐标系中的长度单位与太阳质心坐标系的长度单位含有一个尺度比，即太阳质心坐标系的1m比地心坐标系的1m长：第２章>建立在相对论框架下的时间系统>TDB142地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB引入原因自从引入TDT和TDB以后，就不断有人提出异议：对动力学(Dynamical)一词应如何解释；规定TDB与TDT(TT)间只存在微小的周期性变化。但当考虑的时间段较短时，周期项和长期项之间难以严格区分，周期项相当于长期项；为了去掉TDB与TDT间的长期项，就需要人为地在地心系与太阳质心坐标系之间引入一个尺度比。第２章>建立在相对论框架下的时间系统>TCG和TCB143地心坐标时TCG和太阳系质心坐标时TCB定义TCG：原点位于地心的天球坐标系中所使用的第四维坐标—时间坐标，是把TT从大地水准面上通过相对论转换到地心时的类时变量。TT采用的是国际原子时TAI的秒长，即把位于大地水准面上的铯133原子基态两个超精细能级在零磁场中跃迁时所产生的电磁波振荡9192631770周所维持的时间定义为1秒。TCB：太阳系质心天球坐标系中的第四维坐标，是用于计算行星绕日运动方程中的时间变量，也是编制行星星表时的独立变量。第２章>建立在相对论框架下的时间系统>TCG和TCB144§2.5GNSS中的一些长时间计时方法145145历法定义：规定年、月、日的长度以及它们之间的关系，制定时间序列的一套法则。基础：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；非连续，不利于数学表达。表示方法：年、月、日、时、分、秒。分类：阳历、阴历、阴阳历第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>历法146阳历/公历定义：是以太阳的周年视运动为依据，太阳中心连续两次通过春分点所经历的时间间隔为一个回归年，其长度为：2009年1月1日所对应的回归年长度为365.24218913(日)第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>阳历147阳历/公历儒略历：古罗马皇帝儒略·恺撒在公元前46年制定，规定一年分为12个月。其中1、3、5、7、8、10、12月为大月，每月31日；4、6、9、11月为小月，每月30日；2月在平年为28日，闰年为29日。凡年份能被4整除的定为闰年，不能被4整除的年份为平年，平年长度为365日，闰年为366日，其平均长为365.25日。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>阳历148阳历/公历格里历：现行的公历，1582年罗马教皇格里高利对儒略历中设置闰年的规定做了修改，规定对世纪年而言只能被400整除的世纪年才算闰年，每400年就要比儒略历中的400年少3天。即儒略历中400年有365.25×400=146100日，而公历的400年中则只有146097日。平均每年的长度为365.2425日，与回归年的长度比儒略历十分接近。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>阳历149阴历定义：根据月相的变化周期(朔望月：长度约29.53059)制定的一种历法，多在伊斯兰国家使用。规定单月为30日，双月为29日，每月平均为29.5日。以新月始见为月首，12个月为一年，共354日。而12个朔望月的长度约为354.36708日，比阴历年多出0.36708日，30年要多出11.0124日。故阴历每30年要设置11个闰年，规定第2、5、7、10、13、16、18、21、24、29年的12月底各加上一天，共355日。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>阴历150阴阳历定义：年以回归年为依据，月以按朔望月为依据，大月为30日，小月为29日，平均每月为29.5日。为了使阴阳历中年的平均长度接近回归年的长度，规定每19年中有7个为闰年，闰年中增加一个月，称为闰月。我国长期使用阴阳历，1912年后又采用阳历，但阴阳历也未被废止，同时在民间被使用，称为农历。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>阴阳历151儒略日JD/简化儒略日MJD儒略日JD：从公元前4713年1月1日12h开始的天数。简化儒略日MJD：儒略日中减去2400000.5天得到，给出的是从1858年11月17日平子夜开始的天数。特点：连续的，利于数学表达，不直观。2010年11月22日0时0分0秒的儒略日为2455522.5，简化儒略日为55522。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>儒略日152年积日（DayOfYear）定义：当年1月1日开始的天数，用于一年中使用的连续计时法。每年的1月1日计为第一日，2月1日为第32日依此类推，平年的12月31日为第365日，闰年的12月31日为第366日。第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>儒略日153GPS周GPS周：以1980年1月6日平子夜开始的周数。周内天数：星期天为0，星期一为1，依次类推，星期六为6周内秒：星期天0时0分0秒开始的秒数，星期一0时0分0秒为86400s，依次类推，星期六0时0分0秒为518400shttp://www.asgeupos.pl/webpg/graph/dwnld/gpscalendar_en.html第２章>GNSS中涉及的一些长时间计时方法>儒略日154§2.6天球坐标系155155基本概念坐标系：由一系列的原则从理论上来加以定义，基本元素包括：原点位置、3个坐标轴的指向和尺度。坐标/参考框架：坐标系的具体实现。坐标：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。GNSS测量中坐标系的重要性：描述物体在空间的位置、运动速度和运动轨迹等。GNSS卫星运动通常在天球坐标系中表达，GNSS用户通常在地球坐标系中表达。第２章>天球坐标系156基本概念天球：地球质心为原点，半径无穷大天轴：地球自转轴的延伸直线北／南天极：天轴与天球的交点天球赤道：地球赤道面与天球相交的大圆天球子午面：包含天轴并通过地球上任一点的平面天球黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄赤交角：天球赤道和天球黄道的交角，约为23.44º春/秋分点：天球赤道和天球黄道的交点太阳直射点由赤道以南向北穿越的交点（春分点）第２章>天球坐标系157岁差定义：由天球赤道和天球黄道的长期运动导致的春分点的进动。赤道岁差：春分点每年在黄道上向西移动约50.39"的现象。黄道岁差：春分点在天球赤道上每年约东移0.1"的现象。总岁差：赤道岁差和黄道岁差在黄道面上的分量之和岁差改正模型：IAU1976/2000/2006（IERS公报）第２章>天球坐标系>岁差158章动定义：由于月球、太阳和各大行星相对于地球的位置存在周期性的变化，因此作用在地球赤道隆起部分的力矩也在发生变化，地月系质心绕日公转的轨道面也存在周期性摄动，产生各种大小和周期各不相同的周期性变化。第２章>天球坐标系>章动159坐标系主要类型天球坐标系

不随地球自转的坐标系（会公转吗？），用于描述自然天体和人造天体（卫星）在空间中的位置或方向。按照选用的原点可分为站心天球坐标系、地心天球坐标系、太阳系质心天球坐标系。地球坐标系 与地球固联的坐标系，随地球一起自转，用于描述用户在地球上的或者在近地空间的位置。按照选用的原点可分为参心坐标系和地心坐标系。第２章>天球坐标系160地心天球空间直角坐标系第２章>天球坐标系地球质心为原点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161地心天球球面坐标系第２章>天球坐标系地球质心为原点春分点轴与天轴所在平面为测量基准----基准子午面赤经α：天球子午面与基准子午面夹角，以春分点划分东西（0~180º）赤纬δ：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（0~90º）长度r：原点M到天体S的径向长度称为天体S的距离162分类准则：春分点和北天极平北天极和平春分点：顾及岁差而不顾及章动时的北天极和春分点。真北天极和真春分点：同时顾及岁差和章动，反映真实位置的北天极和春分点。真/瞬时地心天球赤道坐标系、平地心天球赤道坐标系、协议地心天球赤道坐标系第２章>天球坐标系三种地心天球坐标系163定义：坐标原点位于地心，Z轴指向真北天极，X轴指向真春分点，Y轴垂直于X和Z轴的右手坐标系。特点：三个坐标轴的指向不断变化，不同时间对空间某一固定天体进行观测后所得到的结果是不相同的。第２章>天球坐标系真/瞬时地心天球赤道坐标系164定义：坐标原点位于地心，Z轴指向平北天极，X轴指向平春分点，Y轴垂直于X和Z轴的右手坐标系。特点：三个坐标轴的指向仍在不断变化，但其规律比较明显，也不宜采用该坐标系编制星表。星表就是记载天体各种参数（如位置、运动、星等、光谱型等）的表册。第２章>天球坐标系平地心天球赤道坐标系165三个坐标轴定向：X轴指向J2000.0时平春分点，Z轴指向J2000.0时（2000年1月1日12h）的平北天极，Y轴垂直于X和Z轴的右手坐标系。地心天球赤道坐标系GCRS：坐标原点在地心，用于计算卫星轨道，编制卫星星历。太阳系质心天球赤道坐标系BCRS：坐标原点在太阳系质心，用于计算行星的运行轨道，编制星表。特点：三个坐标轴的指向固定，其中GCRS坐标原点绕日公转，但仍为准惯性系，可用于解算卫星轨道。（惯性系里不受力或受力平衡的物体处于平衡状态）第２章>天球坐标系协议天球赤道坐标系166§2.7地球坐标系167167地球坐标系定义：与地球固联在一起，随地球一起自转，主要用以描述地面点在地球上的位置，也称大地坐标系原点：地球质心Z轴：指向地球自转轴X轴：指向起始子午面与赤道面的交点Y轴：X轴和Z轴构成右手坐标系第２章>地球坐标系168基本概念地极：地球自转轴与地球的交点。极移：由于地球表面上的物质运动（如海潮、洋流等）以及地球内部的物质运动（如地幔对流等。国际协议原点CIO：国际天文联合会IAU和国际大地测量与地球物理联合会IUGG建议以1900-1905年确定的地极的平均位置。第２章>地球坐标系>极移169两种地球坐标系瞬时地球坐标系：瞬时地极对应的地球坐标系。由于存在极移，坐标轴在地球本体内指向在不断变化，不宜用来表示地面点的位置。协议地球坐标系：与地球本体完全固连在一起的坐标系，以使地面点坐标保持固定不变。主要有ITRS/WGS等坐标系。

第２章>地球坐标系>极移170GNSS中常用的协议地球参考系和参考框架参考系ITRS(参考框架ITRF)ITRS-InternationalTerrestrialReferenceSystemITRF-InternationalTerrestrialReferenceFrame国际大地测量和地球动力学界采用IGS精密星历基于此系统WGS-84（WorldGeodeticSystem1984）既是ITRS、又是ITRF1984年世界大地系统GPS导航定位界采用广播星历基于此系统第２章>地球坐标系171ITRS与ITRF参考系ITRS建立由IERS(国际自转服务)组织参考系ITRS遵循的准则原点位于包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度国际单位制的米，尺度为广义相对论下的局域地球框架坐标轴定向为最初由国际时间局（BIH）所给出1984.0定向。坐标轴定向的时变通过一个关于全球的水平构造运动的非净旋转条件（“地壳无整体旋转”）来保证。参考系ITRS的实现ITRS采用VLBI、SLR、GPS、DORIS等空间大地测量方法建立和维持，其具体实现称为参考框架。ITRF由一组IERS测站的站坐标和站坐标的年变化率以及相应的地球定向参数EOP实现。参考系ITRS用途公认的精度最高的地球参考框架，IGS精密星历第２章>地球坐标系1721984年世界大地系统名称WorldGeodeticSystem1984–WGS84，全球地心坐标系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））遵循的准则原点位于包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度国际单位制的米，尺度为广义相对论下的局域地球框架坐标轴定向为最初由国际时间局（BIH）所给出1984.0定向。坐标轴定向的时变通过一个关于全球的水平构造运动的非净旋转条件（“地壳无整体旋转”）来保证。实现由全球定位系统和美国空军的全球分布的GPS卫星跟踪站和部分IGS站联合计算用途GPS广播星历第２章>地球坐标系1732000国家大地坐标系名称中国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，英文缩写为CGCS2000。精度CGCS2000的实现精度是：在参考历元2000.0，水平坐标与高程坐标的精度分别好于1cm和3cm，水平速度的精度约3mm/a。实现原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转；X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系；采用广义相对论意义下的尺度。第２章>地球坐标系174不同版本的ITRF之间转换概述布尔沙-沃尔夫（Bursa-Wolf）模型

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。第２章>地球坐标系175第２章>地球坐标系平移变换176第２章>地球坐标系缩放变换177第２章>地球坐标系旋转变换178§2.8ITRS与GCRS之间的坐标转换179179问题的提出卫星导航定位的应用，用户固定在地球表面上，地球坐标系，ITRS卫星轨道遵循牛顿力学定律，准惯性坐标系，GCRS第２章>ITRS和GCRS之间的坐标转换180181ITRS与GCRS之间的转换公式ITRS与GCRS转换关系第２章>ITRS和GCRS之间的坐标转换转换流程ITRS：国际地心地球坐标系GCRS：协议地心天球赤道坐标系，准惯性系第２章>ITRS和GCRS之间的坐标转换182作业2用Matlab或C语言写年积日转换程序并演示为什么发生岁差和章动时，地球质心位置不发生变化？183第三章 全球定位系统的组成及信号结构§3.1全球定位系统的组成§3.2载波与测距码

§3.3导航电文§3.4卫星信号调制§3.5GPS卫星位置的计算§3.1全球定位系统的组成GNSS系统由三部分组成空间部分(Spacesegment(satellites))地面控制部分Controlsegment(controlstations)用户设备部分Usersegment(GNSSreceiver)全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成GNSS的用户部分组成用户接收设备接收设备GNSS信号接收机其它仪器设备

（如手机）全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分188GNSS接收机：能接收、处理、量测GNSS卫星信号以进行导航、定位、定轨、授时等工作的仪器设备GNSS接收机按用途的不同，可分为导航型、测量性、授时型接收机189Trimble'sResolution™TGNSSTimingReceiverGNSS接收机按卫星信号频率数，可分为单频接收机和双频接收机190GNSS的用户部分②GNSS信号接收机组成天线单元接收天线（将电磁波信号能量转换成电流）带前置放大器（将电流放大）接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源天线单元接收单元全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分天线单元接收单元GNSS的用户部分③天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线GNSS天线全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分GNSS的用户部分④天线单元（续）特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、天线高度低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线–

单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线–

双频、增益特性好、天线高度高、非方位对称背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分GNSS的用户部分⑤接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器作用：观测值、导航电文的存储微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分序贯通道、多路复用通道及多路通道序贯通道或者多路复用通道能在软件控制下依次对多个卫星信号进行观测。优点：一个通道即可观测多个卫星，接收机的结构较为简单、轻便、廉价；缺点：信噪比较差，接收机钟差难以完全消除。在多路通道接收机中，每个通道都连续跟踪一个卫星信号。优点：信噪比好，通过在卫星间求差，即可消除接收机钟差；缺点：接收机需配备许多通道。195全球定位系统的组成及信号结构>GNSS的组成>GNSS的用户部分第三章 全球定位系统的组成及信号结构§3.2载波和测距码（GPS为例）概述常用的GPS观测值类型伪距观测值C/A（粗码），P1和P2（精码），Y（P加密），L5码（L5上），L2C码，军用M码载波相位观测值L1，L2，L5全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>概述概述GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2L5测距码（RangingCode）C/A码P(Y)码L2C码L5码军用M码卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>概述GPS卫星基准频率f0由卫星原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>GPS卫星的基准频率

载波定义：可运载调制信号的高频振荡波作用搭载并发送测距码和导航电文等信息测距（测距精度高C/A码2-3个数量级）类型目前L1–

频率：154f0=1575.43MHz，波长：19.03cmL2–

频率：120f0=1227.60MHz，波长：24.42cm现代化后增加L5–

频率：115f0=1176.45MHz，波长：25.48cm全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波载波特点（L波段）选择多个频率可以较好地消除信号的电离层延迟（电离层折射延迟与信号频率平方成反比）所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响、以及受水汽和氧气吸收的谐振现象

基于此，GPS最初的设计中选择了两个、高频率载波全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>载波测距码定义：测定从卫星至接收机之间距离的二进制码作用测距性质性质上属于伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）由若干个多级反馈寄存器产生的m序列经过平移、截断、求模二和等一系列复杂处理后形成各卫星所用的测距码互不相同且互相正交对齐的同一组码间的相关系数为1全球定位系统的组成及信号结构>GPS卫星信号结构>测距码测距码基本知识①随机噪声码／随机码：随机排列完全无规律的二进制码序列（每一位数是0或者1完全随机），随机产生，难以复制。伪随机噪声码／伪随机码：按一定规律排列，可