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GPS软件接收机基础.pdf

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第2章坐标系统和时间系统

GPS卫星环绕地球运行,卫星的观测量是卫星位置/速度和接收机位置/速度函

,为了能够描述观测量,有必要定义适宜的坐标系统和时间系统。

2.1参考坐标系统

2.1.1地心惯性坐标系统E(CI

为了测量和确定GPS卫星的轨道,使用地心惯性坐标系统是很方便的[6]o在

ECI系统中,原点位于地球的质心,GPS卫星遵循牛顿的运动和引力定律。在一个典

型的ECI坐标系中,xy平面选为与地球的赤道面重合,x轴相对于天球永久固定地

指向某一方向,z轴垂直于xy平面指向北极点,y轴的选择使得坐标系构成一右手

坐标系。地面站确定与顼测GPS卫星的轨道就是在ECI坐标系中进行的.

地球的形状是一个扁状的椭球,由于日月对于地球赤道的突出部分的引力作用,

使得地球的赤道面相对于天球运动。因为x轴的定义是相对于天球的,而z轴的定

义是相对于赤道面的,这样地球运动的不规则性将使得如上定义的ECI系统并非真

正的惯性系统。此问题的解决办法为:定义某一瞬间的坐标轴指向。GPS的ECI坐

标系统以UTCU(SNO时间2000年1月1日凌晨的赤道面方向作为其基准,x轴选

为由地球质心指向春分点方向,y轴和z轴的定义和上面一样。由于坐标轴的指向

是固定的,因此以此种方式定义的ECI坐标系统对于GPS来说可以认为是惯性的。

2.1.2地心地固坐标系统E(CEF

GPS接收机的位置计算常在一个随地球旋转的坐标系统中进行,此种坐标系统

称为地心地固坐标系统。在这样的坐标系统中,可方便地计算接收机的纬度,经度和

高度。如同ECI坐标系统一样,GPS使用的ECEF坐标系统的xy平面也与地球的

赤道面重合。不同的是,在ECEF坐标系统中,x轴指向0经度,y轴指向东经90

度。因而,x轴和y轴将随地球自转而旋转。在ECEF系

统中,z轴垂直赤道面指向地理北极点。

在计算GPS接收机位置之前,有必要把根据星历信息计算出来的ECI坐标系

中的卫星位置和速度转换到ECEF中,这种转换可以通过旋转矩阵来实现,具体细节

请参考2.1.4小节。一般情况下,计算出来的接收机位置都是用ECEF坐标表示,对

于某些应用需要把这种坐标转换成接收机的经度、纬度和高度。为实现这种转换.

需要定义一个描述地球的标准物理模型,在GPS中途用的是世界大地84坐标系统

(WGS-84。下面给出的是该标准下的地球物理模型的参:

地球长半轴长:6378.137

akm

地球扁率:1/298.257223563

f=

各类参间变换关系为:

II

I

b

fbaf

a

e

其中,e为地球的偏心率,,e为地球的二阶偏心率。

2.1.3站心坐标系

站心坐标系又称地方坐标系(LocalCoordinateSystem,属于左手笛卡尔坐标系

统c如图2-1所示.(

I11

9,

XyZ表示站心坐标系,它的原点位于地方点

(

llll

,,

Pxyz,z轴垂直于该点地球椭球的切平面指向上方,’x轴在该切平面内

指向正北,y轴在该切平面内指向东。对于该坐标系中的任意一点

2

P,A表示

方位角,Z是天顶距,是仰角,d是

2

P点在站心坐标系中的向径d的长度。其中,A从正北方向按顺时针方向开始

计起的;Z是,z轴和向径d的夹角;E的取

值为:当

2

P点在切平面以上时为正值,在切平面以下时为值。

在GPS数据处理中,常常需要把一个向量的坐标在不同坐标系统间进行转

换.下面首先介绍坐标变换的基础.然后给出几种常见的坐标变换公式C

2

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