GPS原理与应用 —时间和空间基准
重点内容：
（1）WGS-84、CGCS 2000、区域性坐标系；
（2）空间基准分类(地(空)固、全球与区域、参(地)心) （3）时间基准的分类； 难点内容：
（1）时空基准的重要性； （2）天球及其坐标系； （3）时空基准空间转换；
（4）天文学和卫星大地测量学术语； 1.时空基准的重要性
坐标系统与时间系统是描述卫星运动，处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。
了解GPS卫星定位中常用的坐标系统和时间系统，熟悉它们各自之间的转换关系，对GPS用户来说，是极为重要的。
2.天卫星测量术语
（1）天球是指以地球质心M为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。元素如天轴、天极、天球赤道面等比照地球。
（2）黄道—地球公转的轨道与天球相交的大圆，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运动的轨迹。
（3）白道—月球绕地球公转的轨道平面与天球相交的大圆。黄赤交角约为23.5°。白道与黄道交角均值约为 5°9′。 （4）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，另一个点称为秋分点。（在天文学和卫星大地测量学中，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。 ）
（5）白道与黄道相交于两点，月球沿白道从黄道以南运动到黄道以北通过的那个交点称为升交点，与此相对的另一交点称为降交点。
（6）岁差：在天文学中是指一个天体的自传轴指向因为重力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。
（7）章动：月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道约5度倾斜，这使得月球产生的转矩的大小和方向不断变化，月球围绕地球公转导致地球在公转轨道上左右摇摆现象，18.6年在轨道上一个周期，振幅为9.21秒。
3.坐标系统的分类（坐标系统的定义包括原点位置、坐标轴的指向和尺度三个要素。）
（1）地固空固坐标系
空间固定的坐标系统（空固系），这类坐标系统与地球自转无关，对于描述卫星的运行位置和状态极其方便。
与地球体相固联的坐标系统（地固系），其与地球自转一致，对于表达地面观测站的位置和处理GPS观测成果尤为方便。 （2）全球与区域坐标系
相对关系；通用横墨卡托格网系统（UTM）。
（3）参心与地心坐标系 在经典大地测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，需选取一参考椭球作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点（大地原点），利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。
*在我国的许多城市、大型工程项目中,为了实用、方便和科学的目的, 将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程面上, 并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。 这些地方独立坐标系隐含着一个与当地平均海拔高程相对应的参考椭球,我们称之 为地方是相球。地方相球与国家描球的关系：中心一致、轴向一致、扁率相等、长半径有一增量。
*仅就从地形图测绘来说,地心直角坐标系并不十分需要,因为参考椭球面已经和测区范围的大地水准面达到最佳密合,按参心坐标系测绘地形图还是方便的。但是,就整个地球空间而言,参心坐标系就表现出不足,主要是以下3点: (1)不适合建立全球统一坐标系的要求; (2)不便于研究全球重力场;
(3)水平控制网和高程控制网分高,破坏了空间点三维坐标的完整性。
4.WGS-84大地坐标系的几何定义是:原点位于地球质心,Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)方向, X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点,Y轴与Z轴，X轴构成右手坐标系。
CGCS2000 是（中国）2000国家大地坐标系的缩写，该坐标系是通过中国GPS 连续运行基准站、 空间大地控制网以及天文大地网与空间地网联合平差建立的地心大地坐标系统。2000（中国）国家大地坐标系以ITRF 97 参考框架为基准, 参考框架历元为2000.0。 4.时间基准的分类
（1）时间系统的重要性
GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。
准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。 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 2）时刻与时间间隔 时刻是指发生某一现象的瞬间。在天文学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。时刻测量相应称为绝对时间测量。
时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。时间间隔测量称为相对时间测量。
测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。 其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用选定。 （3）时刻基准
符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准： *运动是连续的、周期性的。
*运动的周期应具有充分的稳定性。
*运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。
（4）时间系统
恒星时(ST)
以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。 春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，含24个恒星时。恒星时具有地方性，有时也称之为地方恒星时。 世界时（UT）
以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时。 世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算点不同。
从1956年开始，便在世界时中引入了极移改正和地球自转速度的季节性改正。由此得到世界时UT1和UT2，而未经改正的世界时，一般表示为UT0。
虽然经过改正，世界时仍包含地球自转速度的变化的影响，所以世界时UT2仍不是一个严格均匀的时间系统。世界时在数值上表征了地球自转相对恒星的角位置。
在GPS测量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算 协调世界时(UTC): 由于地球自转速度有长期变慢的趋势，近20年，世界时每年比原子时慢约1秒，且两者之差逐年积累。
为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1972年起采用了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衷时间系统，称为世界协调时或协调时。 年积日(DOY )
从每年的1月1日起开始累计的天数,计数从1开始(即每年1月1日的年积日为1),如2004年5月1日的年积日为122。
GPS原理与应用—GPS系统及其信号 重点与难点
GPS系统组成（卫星识别、功能与作用以及？间关系） GPS信号、导航电文、星历
GPS卫星运动及其轨道（无摄,有摄） GPS卫星位置的计算（轨道、地心） GPS系统： 空间部分 地面部分 用户部分
GLONASS:卫星星座、地面监测控制站和用户设备 BDS：空间段地面控制段用户段
1.GPS系统的组成 一. 空间部分: GPS卫星星座(设计)：21+3， 21颗工作卫星+3颗备用卫星 空间分布：6个轨道面，每个轨道4颗，轨道倾角55 ?，各轨道升交点60°，相邻升交距角30°，轨道高度20200km，周期11h58min。
结果:保证在24小时，MASK=15?，能够至少观测到4颗卫星。顾及地球自转，地球-卫星的几何关系，每天提前4min重复
GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号
接收地面注入站信息,适时地发送给广大用户
接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令 如何识别卫星（编号方式）
（1）顺序编号 （2）PRN编号 （3）IRON编号 （4）NASA编号 （5）国际识别号 卫星设有导航分系统包括：存储器 、频标、伪噪声码发生器和S波段与L波段双频发射机
GPS卫星基本功能
--接收和存储由地面监控站发来的导航信息,执行监控站的控制指令； --卫星上设有微处理机,进行部分必要的数据处理工作；
--通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准； --向用户发送导航定位信号,包括：
?两种载波（L1 和L2）
?调制在L1上的伪噪声码C/A码 ?调制在L1和L2上的伪噪声P码
--在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。 --还有星载激光反射镜（Satellite Laser Ranging-SLR）和传感器（核）。
二．地面部分
组成：主控站（1个）、跟踪站（5个）和注入站（3个）
作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间等。
三．用户部分
用户部分：一般是GPS信号接收机及相关设备等；
功能：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，多数采用石英钟
类型：测量型、导航型、守（授）时型；单频，双频；C/A码，P码……
2.GPS卫星运动及其轨道
卫星轨道误差对定位精度的影响 绝对定位
卫星轨道上的任何误差会直接影响到用户定位的精度。 相对定位
卫星轨道误差影响减弱，但当基线较长且精度要求较高时，误差影响不可忽视 影响卫星轨道的因素，作用于卫星的力分为两类： 一类是中心引力(Central Gravitational Force) 一类是摄动力(Perturbative Force) （非中心力） 无摄卫星轨道的描述－卫星轨道参数
开普勒轨道参数或开普勒轨道根数 (６)(取决于卫星的发射条件) －为轨道椭圆长半轴 －为轨道椭圆偏心率 －为轨道面倾角 －为升交点赤经（升春）
－为近地点角距（近升） －卫星的真近点角（卫星-近） 注意：只有真近点角是时间的函数，其余均为常数。
卫星的受摄运动力：地球的非中心引力（地球非球形及质量分布不均匀而引起的作用力）、太阳引力、月亮引力、太阳的直接与间接辐射压力、大气的阻力、地球潮汐力、磁力等。
