GPS定位基本原理及其数据处理的预备知识

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1、第二章GPS定位基本原理及其数据处理的预备知识主要内容：GPS定位基本原理GPS系统的组成坐标系统时间系统GPS常用术语2.1GPS定位基本原理定位原理：以卫星为已知控制点进行距离后方交会方式：被动式关键：计算卫星坐标，校准观测时间2.2GPS系统的组成GPS由三个主要部分组成空间部分：发射星历和时间信息发射伪距和载波信号提供其它辅助信息地面控制部分：中心控制系统实现时间同步跟踪卫星进行定轨用户部分：接收并处理卫星信号记录处理数据提供导航定位信息2.3坐标系统坐标系统是由原点位置、坐标轴的指向和尺度所定义。根据坐标

2、轴指向的不同，可划分为两大类坐标系：天球坐标系（在空间上固定）地球坐标系（与地球固联）坐标转换：坐标系之间通过坐标平移、旋转和尺度转换，可以将一个坐标系变换到另一个坐标系去。2.3.1天球坐标系-基本概念天球：指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、面和圈。天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn(北天极)Ps(南天极)称为天极。天球赤道面与天球赤道：通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。天球子午

3、面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上任一点的平面为天子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。2.3.1天球坐标系-基本概念时圈：通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50。黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点n称北黄极，靠近南天极的交点s称南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。在天文学和卫

4、星大地测量学中，春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和基准面。2.3.1天球坐标系-定义图2-1直角坐标系与球面坐标系1.天球空间直角坐标系的定义地球质心O为坐标原点，Z轴指向北天极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。2．天球球面坐标系的定义地球质心O为坐标原点，春分点与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准——基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r，α，δ）。天球空间直角

5、坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示：2.3.1天球坐标系-转换3.直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间的转换对同一空间点，天球空间直角坐标系与其等效的天球球面坐标系参数间有如下转换关系：(2-1)(2-2)1.地球坐标系统的基本概念1.1地球形状与地球椭球体地球的自然表面是一个起伏很大的、一个不规则的、不能用简单的数学公式来表达的复杂曲面。我们很难在这样一个曲面上来解算测量学中产生的几何问题。为便于测绘工作的进行，一般选一个形状和大小都很接近于地球体而数学计算很方便的椭球体，称为地球椭球体。1.1.1

6、地球椭球体的基本概念由椭圆绕其短轴旋转而成的几何体。椭圆短轴，即地球的自转轴－地轴(Earth'saxis)；短轴的两个端点和是地极(Poles)，分别被称为地理北极和地理南极；长轴绕短轴旋转所成的平面是赤道平面；长轴端点q旋转而成的圆周是赤道qq'(Equator)；过短轴的任一平面是子午圈平面，它与地球椭球体表面相交的截痕是一椭圆，称为子午圈(Meridian)，其中由地理北极到地理南极的半个椭圆，叫做地理子午线、子午线或经线(Meridianline)。与赤道平面相平行的、与地轴正交的平面，称为纬度圈平面，它

7、与地球椭球表面相交的截痕是一个圆，称为纬度圆(ParallelofLatitude)。椭圆的长半轴：a椭圆的短半轴：b椭圆的扁率：(1-1)椭圆的第一偏心率：(1-2)椭圆的第二偏心率：(1-3)极曲率半径（极点处的子午线曲率半径）c第一基本纬度W第二基本纬度V1.1.2地球椭球的基本几何参数常用的椭球参数椭球参数年代长半径m扁率分母采用国家、地区克拉索夫斯基19406378245298.3苏、东欧、中、朝鲜等1975年大地坐标系19756378140298.2571975年国际第三个推荐值WGS-84198463

8、78137298.25722GPS定位系统比较著名的有30个椭球参数，其中涉及我国的有：1.1.2地球椭球参数间的相互关系1.2坐标系统分类（1）按坐标原点的不同分类地心坐标系统（地心空间直角坐标系、地心大地坐标系）参心坐标系统（参心空间直角坐标系、参心大地坐标系）站心坐标系统（垂线站心坐标系、法站心坐标系）地球坐标系参心坐标系地心坐标系站心坐标系地心大地坐