第五章GPS定位的坐标系统及时间系统

CPS定位的坐标系统类型
GPS 定位是以 GPS 卫星为动态已知点，根据 GPS 接收机观测的星站距离来确定接收机或测站的位置的。

可将 GPS 定位中所采用的坐标系进行如下分类：
1．空固坐标系与地固坐标系
空固坐标系与天球固连，与地球自转无关，用来确定天体位置较方便。

地固坐标系与地球固连，随地球一起转动，用来确定地面点位置较方便。

2．地心坐标系与参心坐标系
地心坐标系以地球的质量中心为原点，如 WGS -84坐标系和ITRF 参考框架均为地心坐标系。

而参心坐标系以参考椭球体的几何中心为原点，如北京54坐标系和80国家大地坐标系。

3．空间直角坐标系、球面坐标系、大地坐标系及平面直角坐标系经典大地测量采用的坐标系通常有两种：一是以大地经纬度表示点位的大地坐标系，二是将大地经纬度进行高斯投影或横轴墨卡托投影后的平面直角坐标系。

在 GPS 测量中，为进行不同大地坐标系之间的坐标转换，还会用到空间直角坐标系和球面坐标系。

4．国家统一坐标系与地方独立坐标系
我国国家统一坐标系常用的是80国家大地坐标系和北京54坐标系，采用高斯投影，分6°带和3°带，而对于诸多城市和工程建设来说，因高斯投影变形以及高程归化变形而引起实地上两点间的距离与高斯平面距离有较大差异，为便于城市建设和工程的设计、施工，
常采用地方独立坐标系，即以通过测区中央的子午线为中央子午线，以测区平均高程面代替参考椭球体面进行高斯投影而建立的坐标系。

坐标系统与时间系统坐标系统与时间系统坐标系统和时间系统是人类社会中不可或缺的重要概念，它们在我们的日常生活和科学研究中都扮演着关键角色。

坐标系统用于确定位置和距离，而时间系统用于测量和记录时间。

本文将分别探讨坐标系统和时间系统的原理、种类以及应用。

首先，让我们来了解坐标系统。

坐标系统是一种用于描述和定位点在空间中位置的数学和逻辑系统。

它由一组数值或符号组成，用于标识和表示各个点的位置。

坐标系统可以是一维、二维或三维的，分别用于描述一条直线、一个平面或一个立体。

常见的三维坐标系统是笛卡尔坐标系，它以直角坐标的形式描述点在三个互相垂直的轴上的位置坐标。

笛卡尔坐标系以坐标原点为基准，通过三个轴分别表示X、Y和Z轴。

点的位置由三个坐标值表示，分别对应X、Y和Z轴上的距离。

这种坐标系统非常常见，广泛应用于几何、物理和工程学中，用于定位和描述三维空间中的对象和位置。

除了笛卡尔坐标系，还有其他种类的坐标系统，如极坐标系、球坐标系和地理坐标系。

极坐标系使用半径和角度来描述点在平面上的位置，球坐标系使用半径、纬度和经度来描述点在球体上的位置，地理坐标系使用经度和纬度来定位地球上的地点。

不同的坐标系统适用于不同的应用领域，能够更准确地描述和定位物体和地点。

接下来，我们将关注时间系统。

时间系统是一种用于测量和记录时间的系统，用于确定事件发生的先后顺序和持续时间的长短。

时间系统可以是相对的或绝对的。

相对时间系统是以某个事件为基准，将其他事件与之进行比较和计算。

绝对时间系统则是以一个不变的基准来测量时间，如地球自转的周期。

最常见的时间系统是格林威治时间（GMT）和协调世界时（UTC）。

GMT是以伦敦格林威治天文台的时间为基准，被广泛应用于世界各地。

UTC是一种更精确的时间系统，使用原子钟来测量时间，并通过闰秒进行校正。

UTC作为国际标准时间，被广泛应用于科学、航空和通信领域。

除了GMT和UTC，还有其他种类的时间系统，如地方时、夏令时和万年历。

GPS定位的坐标系统主要介绍GPS测量中常用的坐标系统GPS定位的坐标系统第三讲GPS定位的坐标系统学习指导主要介绍GPS测量中常用的坐标系统。

由于GPS采用WGS-84坐标系，而我国各地常用的坐标系是1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系和地方坐标系，因此，无论测区范围多小，测量精度等级如何低，都会涉及到坐标系统的转换问题。

对于天球坐标系和地球坐标系，应掌握基本概念。

而对于大地测量基准，包括WGS-84坐标系、1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系、地方坐标系以及高程基准及其转换，由于与相对定位的设计和数据处理以及差分定位的外业操作密切相关，不仅要牢固掌握基本概念，还应能够熟练地进行基准转换。

本单元教学重点和难点1、参心坐标系的建立方法及其参数；2、地心坐标系的建立方法及其参数；3、天球坐标系的建立方法及其参数。

教学目标1、了解参心坐标系的概念；2、熟悉我国所采用过的大地坐标系统；3、了解与参心坐标系建立相关的概念；4、了解地心坐标系建立的意义和方法；5、了解地心坐标系的参数；6、熟悉WGS－84大地坐标系统；7、了解天球坐标系建立的意义和方法；8、掌握天球球面坐标系的计算方法。

GPS测量技术是通过安置于地球表面的GPS接收机，接收GPS卫星信号来测定地面点位置。

观测站固定在地球表面，其空间位置随地球自转而变动，而GPS卫星围绕地球质心旋转且与地球自转无关。

因此，在卫星定位中，需建立两类坐标系统和统一的时间系统，即天球坐标系与地球坐标系。

天球坐标系是一种惯性坐标系，其坐标原点及各坐标轴指向在空间保持不变，用于描述卫星运行位置和状态。

地球坐标系则是与地球相关联的坐标系，用于描述地面点的位置。

并寻求卫星运动的坐标系与地面点所在的坐标系之间的关系，从而实现坐标系之间的转换。

主要介绍几种天球坐标系和地球坐标系，以及坐标系之间的转换模型；GPS时间系统。

100主要介绍GPS测量中常用的坐标系统1 概述由GPS定位的原理可知，GPS定位是以GPS卫星为动态已知点，根据GPS接收机观测的星站距离来确定接收机或测站的位置。

GPS定位原理和简单公式全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统。

是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。

和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。

21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。

卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。

监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。

监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。

主控站设在范登堡空军基地。

它对地面监控部实行全面控制。

主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。

上行注入站也设在范登堡空军基地。

它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。

这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。

随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

坐标系统和时间系统概述坐标系统和时间系统是数学和物理学中重要的概念，用于描述和定位事件和物体在空间和时间上的位置。

这两个系统是相互独立的，同时也是相互关联的。

坐标系统是一种用于描述物体在空间中位置的工具。

它由一组数值构成，其中每个数值对应于一个维度。

最常见的坐标系统是笛卡尔坐标系，它由三个坐标轴x、y和z组成，分别代表空间中的长度、宽度和高度。

通过在这些轴上取特定的数值，可以确定一个点在空间中的位置。

其他常见的坐标系统包括极坐标系和球坐标系，它们在描述某些特定情况下更为方便。

时间系统是一种用于测量和描述时间的方法。

最常见的时间系统是格林威治标准时间（GMT）或协调世界时（UTC），它是以地球自转为基准的。

人们通过定义一天的长度、将一天分为不同的小时、分钟和秒来测量时间。

除了GMT/UTC，不同的国家和地区还可能使用自己的标准时间，例如中国使用的北京时间（CST）。

坐标系统和时间系统相互关联。

在物理学中，时间通常被视为第四个维度，与三维空间坐标相结合形成一种称为时空的四维坐标系统。

这种坐标系统被广泛应用于相对论和宇宙学等领域，以描述物体在空间和时间上的位置和运动。

此外，坐标系统和时间系统还被广泛应用于导航、地图制作、地理信息系统、航空航天等领域。

人们通过在地图上标记特定的坐标和使用时间系统来确定位置和计算行驶时间。

总之，坐标系统和时间系统是描述和定位事件和物体在空间和时间上位置的重要工具。

它们通过数值的组合来刻画和测量空间和时间的特征，对科学研究和实际应用起着关键的作用。

坐标系统和时间系统在现代科学和技术中发挥着巨大的作用。

它们不仅仅是用于描述和定位空间和时间的工具，还是解决各种实际问题的基础。

在地理学和地理信息系统中，坐标系统被用于描述和定位地球上的特定位置。

最常见的地理坐标系统是经纬度坐标系统，其中经度用于测量位置的东西方向，纬度用于测量位置的南北方向。

地理坐标系统能够准确地描述地球上的位置，是导航和地图制作的基础。

GPS测量的坐标系统与时间系统全球定位系统（GPS）是一种由美国政府运营的卫星导航系统，可提供全球定位、导航和时间服务。

它是许多现代技术和应用的基础，例如车辆导航、飞行导航、航海、地图绘制等。

GPS测量提供了一种在地球上确定位置的精确方法，但是它的坐标系统和时间系统需要特定的标准和约定来确保精度。

本文将介绍GPS测量中使用的坐标系统和时间系统，并讨论它们与其他GPS应用和技术的关系。

坐标系统GPS测量使用经纬度和高度来确定位置，这是因为它可以提供全球范围内的定位。

经度是一个位置相对于本初子午线的度数，可以从0度到360度，东经为正，西经为负。

纬度是一个位置相对于赤道的度数，可以从-90度到90度，北纬为正，南纬为负。

高度是一个位置相对于海平面的高度。

GPS测量使用的坐标系统是WGS 84（World Geodetic System 1984），这是一种由美国国防部和国家海洋和大气管理局发展的全球定位系统坐标系统。

WGS 84使用地球模型作为椭球体，将地球视为一个近似椭球体。

这个椭球体的参数被称为参考椭球体，在WGS 84中，参考椭球体的参数为a=6378137.0 m，f=1/298.257223563。

WGS 84是GPS定位用的最通用的地理坐标系，在大多数现代地图上都采用了WGS 84坐标。

此外，许多其他地理信息系统（GIS）和工程应用也使用WGS 84坐标系来表示地球上的位置。

时间系统在GPS测量中，时间系统也是至关重要的。

GPS测量使用一个基于原子钟的时间系统来测量信号的传播时间，并计算出接收器的位置。

原子钟比基于机械振荡器的钟表更为精确，可以维持极高的准确性。

GPS测量使用的时间系统是GPS时间，它是由GPS卫星提供的21个原子钟的平均值。

GPS时间以UTC（协调世界时）为基础，但它使用了其他一些修正来保持与UTC同步。

UTC是一个国际标准时间系统，它基于原子钟的时间，但考虑了地球自转的变化。

在GPS测量中通常采用两类坐标系统，一类是在空间固定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，也称固定坐标系统。

如：WGS-84世界大地坐标系和1980年西安大地坐标系。

在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。

这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在GPS测量中得到了广泛的应用。

1 坐标系统的介绍1.1 WGS—84坐标系统WGS—84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，是由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统(WGS—72坐标系统)而成为GPS目前所使用的坐标系统。

WGS—84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIHl984.0定义的协议地球极方向，X轴指向 BIHl984.0的起始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。

WGS—84系所采用椭球参数为：a=6378138m；f=1／298.257223563。

1.2 1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。

该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。

建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954年北京坐标系。

该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为：a=6378245m；f=1／298.3。

该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位。

而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

1.3 1980年西安坐标系1980年西安坐标系采用了全面描述椭球性质的四个基本参数a 、GM、J2、ω。

四个参数的数值采用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会16届大会的推荐值：a=6378140m；GM=3986005x108m3/s2；J2=1082.63x10-6；ω=7292115X10-11rad/s.1980年西安坐标系的原点位于我国的中部，陕西西安市的附近。