GNSS参考系统 坐标系和时间系统

GNSS参照系统与卫星的运动

第一节 空间坐标系统

第二节 时间系统

第三节 卫星的正常轨道

第四节 卫星的摄动轨道

第五节 卫星星历

第一节 卫星定位的空间参照系统

空间坐标系统：

 协议天球坐标系

 协议地球坐标系

 坐标系统的转换

1.协议天球坐标系

（1）天球

（2）天球坐标系

（3）岁差与章动

（4）协议天球坐标系

（1）天球的基本概念

天球的概念：

天轴，天极，天球赤道面，天球赤道，天球子午面，天球子午圈，时圈，黄道和黄极，春分点

（2）天球坐标系

两种坐标系的转换：

（3）岁差与章动的影响

岁差

由于地球的形体是一个接近于赤道隆起的椭球体，在日月引力和其他天体引力对地球隆起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不变，这使得春分点在黄道上产生缓慢的西移现象，这种现象在天文学中称为岁差．

章动

在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆轨道，其长半径约为9.2秒，周期约为18.6年.这种现象称为章动.

（4）协议天球坐标系

定义：通常选择某时刻作为标准历元,并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作z轴和x轴的指向。由此构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元t0时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系。（conventional inertial system, CIS）

 国际大地测量学协会和国际天文合会决定，从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系，其坐标轴的指向是以2000年1月15日太阳质心力学时为标准历元的赤道和春分点所定义的。

转换：

（1）将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标系（岁差旋转）

（2）将瞬时平天球坐标系转换为瞬时天球坐标系（章动旋转）

2.协议地球坐标系

（1）地球坐标系

（2）协议地球坐标系

（1）地球坐标系

两种地球坐标系的转换

极移：由于受到地球内部质量不均匀的影响，地球自转轴在地球体内部发生运动，使得地极点在地球表面上的位置随时间发生变化，这种现象称为地极移动，简称极移。

极移的变化:

(1)周期约为一年，振幅约为0.1秒；

(2)周期约为432天，振幅约为0.2秒。（张德勒周期变化）

    地极的移动将使地球坐标系坐标轴的指向发生变化。

（2）协议地球坐标系

定义：以协议地极为基准点的地球坐标系称为协议地球坐标系（conventional terrestrial system）。

协议地极：以1900-1905年的平均纬度所确定的平均地极的位置通常称为国际协议原点（conventioanal international origin，CIO），在实际工作中普遍采用CIO作为协议地极。

瞬时坐标系相对协议地球坐标系发生旋转。

3. 协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换

协议地球坐标系与协议天球坐标系的异同点：

（1）原点位置相同；

（2）Z轴指向相同；

（3）X轴指向不同，其夹角为春分点的格林尼治恒星时

国家坐标系与地方坐标系：

地球参心坐标系：

国家大地坐标系：

1.1954年北京坐标系（参心坐标系）

2.1980年西安坐标系(参心坐标系)

3.新1954年北京坐标系（参心坐标系）

高斯平面直角坐标系和UTM坐标系

WGS-84坐标系

PE-90（GLONASS）

ITRF-96（GALILEO）

CGCS2000（BD）

时间系统

1.时间的概念

2.世界时系统

3.原子时

4.力学时

5.协调世界时

6.专用时间系统 

时间的概念

 在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因而也是人类利用卫星进行定位的重要基准。

时刻（历元）：发生某一现象的瞬间。

                                             ——绝对时间测量

时间间隔：发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。            

                                             ——相对时间测量    

时间的测量基准：单位（尺度）和原点（起始历元）

任意一个周期运动现象，可用来作为时间基准的要求

世界时系统

以地球自转为基准的时间系统。

（1）恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间。（具有地方性）

（2）平太阳时：以平太阳为参考点，由平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔。（具有地方性）

（3）世界时：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。（不稳定）

原子时

   以物质内部原子运动的特征为基础的时间系统。

   原子时秒长定义：位于海平面上的CS133原子基态有两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，为一原子时秒。

原子时通过原子钟来守时和授时，原子钟震荡频率的精准度和稳定度，决定了原子时的精度。

力学时

（1）太阳系质心力学时：相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数。

（2）地球质心力学时：相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数。

地球质心力学时的基本单位是国际制秒，与原子时的尺度一致。

协调世界时(采用闰秒或跳秒的方法，尽量与世界时的时刻接近)

协调世界时是一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种折中的时间系统。

协调世界时的秒长严格等于原子时的秒长。

GPS时间系统

GPS时间系统是全球定位系统专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。

GPST属于原子时系统，其秒长与原子时相同，但与国际原子时具有不同的原点。