卫星定位导航系统原理及应用第二讲

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1、卫星定位导航系统原理与应用信息科学技术学院：张继伟第二讲坐标系点位的确定总是和一定的坐标系联系在一起的。一般地说，要确定一个坐标系就需指明坐标原点的位置、坐标轴的指向以及确定点位时所用的参数这三个要素。为建立卫星导航的数学公式，必须选定参考坐标系，以便表示卫星和接收机的状态。在建立公式时，典型的是用在笛卡尔坐标系中测度的位置与速度矢量去描述卫星和接收机的状态。坐标系GPS卫星主要受地球引力作用而绕地心旋转，与地球自转无关，为了描述GPS卫星在其轨道上的运动规律，引用不随地球自转的地心坐标系是十分自然的。它是空间固定坐标系。同时，在GPS定位中，观测站往往固定在地球表面，其空间位置随同地

2、球自转而运动，于是为了便于表达观测站的位置，引用与地球固联的地心坐标系亦是必要的。因此，根据坐标轴指向的不同，可划分为两大类坐标系:天球坐标系和地球坐标系。坐标系严格说来，无论是天球坐标系还是地球坐标系，在不同的观测瞬间，其各自的坐标轴指向相应地也不相同。由于坐标系相对于时间的依赖性，每一类坐标系又可划分为若干种不同定义的坐标系。为了使用上的统一和方便，国际上通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向。这种共同确认的坐标系，称之为协议坐标系。天球天球极轴，春分点轴，加上与这两轴垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴(自然是稳定不变的轴),构成在宇宙空间稳定不变的参考轴系,称为地心天球坐标

3、系。简称天球坐标系。天球空间直角坐标系和天球球面坐标系岁差指由日月行星引力共同作用的结果，使地球自转轴在空间的方向发生周期性变化。周期约25800年。章动北天极除岁差运动外，在各种天体力的影响下还存在短周期的变化,它叠加在岁差运动上。如果将任一观测时刻的北天极的实际位置称为瞬时北天极（亦称真北天极）,瞬时北天极绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2〞,周期约为18.6年,这种运动称为章动。地球的进动力矩岁差春分点的漂移方向章动影响三种天球坐标系瞬时真天球坐标系（既考虑岁差又考虑章动的动坐标系）。瞬时平天球坐标系（仅考虑岁差进去而略去章动影响的动坐标系）。协议天球坐

4、标系（CIS）：由国际协议规定的标准历元所对应的平天球坐标系。标准历元t0：2000年1月15日TDB（太阳系质心力学时）。表1三种天球坐标系定义与缩写天球坐标系原点Z1X轴坐标系缩写标准历元平天球坐标系(CIS协议天球系)地心标准历元平天极平春分点I瞬时平赤道天球坐标系(MS)地心瞬时平天极瞬时平春分点M瞬时真赤道坐标系(ts)地心瞬时真天极瞬时真春点t地球固连坐标系地球固连直角坐标系原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，Y轴指向格林威治平子午面与地球赤道的交战E，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。大地坐标系地球参考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，大地纬度φ

5、为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度λ为过地面点的椭球子午面与格林威治平大地子午面之间的夹角，大地高h为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。地球直角坐标系与地球大地坐标系示意图极移由于地球内部存在着物质运动，地球并非刚体，北地极在地球表面上随着时间的变化而变化，这种现象称为地极移动，简称极移。瞬时地球坐标系与观测瞬时相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时地极。瞬时地极相应的地球坐标系，被称为瞬时地球坐标系。瞬时地球坐标系不是与地球球体固联的坐标系。坐标系国际协议原点CIO(conventionalinternationalorigin)是国际天文学联

6、合会和国际大地测量学协会规定的地极基准点。采用国际上5个纬度服务站，以1900~1905年的平均纬度所确定的平均地极位置。协议地球坐标系CTS(conventionalterrestrialsystem)以CIO为协议地极，ZCTS轴指向CIO，与之相应的地球赤道面称为协议赤道面。XCTS轴指向协议赤道面与格林尼治子午线的交点，YCTS轴在协议赤道平面里，与XCTSOZCTS轴构成右手系统。地球瞬时坐标系与协议地球坐标系协议地球坐标系(CTS)的实现CTS是从理论上定义的一个地球坐标系。在实际应用中，由国际时间局(BIH)根据许多观测站的观测结果，推算出极移跟踪数据，定期发表公报，给出

7、以角移为单位的瞬时地极坐标，这些瞬时地极坐标所相应的地极原点称为BIH系统协议地极原点。BIH系统协议地极原点是CIO的工程逼近，两者差异很小。CTS的建立是靠BIH系统协议地极原点来实现的，实际应用的协议地球系称为BIH系统的协议地球系，或称为BIH地球参考系(BTS)。BTS是理想协议地球系(CTS)工程实现。地球坐标系在卫星大地测量中经常用到的地球坐标系有两种：一种是空间直角坐标系，另一种是大地坐标系。采用空间直角坐标的优点是，它不涉及参