GPS坐标系统和时间系统

GPS坐标系统和时间系统

　

GPS 卫星是绕地球运行的运动物体，卫星所在的位置与其选择的坐标系统和时间系统是分不开的。GPS系统采用的是WGS-84世界大地坐标系，GPS接收机所观 测得到的成果正是基于WGS-84世界大地坐标系，而用户的测量成果往往得属于某一国家或某一地区的大地坐标系，这就需要将WGS-84世界大地坐标转换 成国家(或地区)的大地坐标,进而转换成平面直角坐标。

2. 1 WGS-84世界大地坐标系（图2—5）

WGS-84世界大地坐标系是一种协议地球坐标系，其原点位于地球质量的中心，Z轴平行于国际时间局BIH 1984.0时元定义的协议地球极轴（GTP）方向，X轴指向国际时间局BIH 1984.0时元定义的零子午面和国际时间局BIH 1984.0时元定义的协议地球赤道的交点，Y轴指向国际时间局BIH 1984.0时元定义的协议地球东向而垂直于X轴方向，构成了地心地固正交坐标系。WGS-84坐标系所采用的椭球体，称为WGS-84椭球体。

椭球的主要参数为：

长半轴a=6378137±2m

地球引力常数（含大气层）GM=3986005×10⁸ m³/s²±0.6×10⁸ m³/s²

地球自转角速度ω=7292115×10^-11±0.1500×10^-11 rad/s

正常化二阶带谐系数

利用以上4个基本常数可计算出其他椭球参数：

第一偏心率e²=0.00669437999013

第二偏心率（e´）²=0.006739496742277

扁率α=1/298.257223563

对于地面上一点P的位置，可以用直角坐标（x，y，z）来表示，也可以用（B，L，H）来表示，B、L分别表示纬度、经度，H表示大地高——从椭球面到P点的法线方向距离，N表示该点的卯酉圈半径。WGS-84世界大地坐标系与直角坐标系之间存在如下关系：

 

式中：NP为该点的卯酉圈曲率半径；

  e为第一偏心率。

2. 2国家大地坐标系

我国目前常用两个大地坐标系是1954年北京坐标系和1980年国家大地坐标系。

1)1954年国家大地坐标系

50年代初，在当时历史条件下，我国采用克拉索夫斯基椭球元素（a=6378245m，α=1/298.3）并与前苏联1942年普尔科沃坐标系进行联测，通过计算建立自己的大地坐标系，定名1954年北京坐标系，它又不完全是前苏联的坐标系。

我国按1954年北京坐标系进行了大量测绘工作，在该坐标系上实施天文大地网局部平差，通过高斯—克吕格投影得到点的平面坐标，测制了各种比例尺的地形图，这些图将在今后相当长时期内继续使用。

2)1980年国家大地坐标系

为了进行全国天文大地网整体平差，采用新的椭球元素并进行了定位和定向，建立了1980年国家大地坐标系，它比54年北京坐标系更适合我国的具体情况，大地原点设在陕西省泾阳县永乐镇，椭球的主要参数是：

a=6378140±5m，

α=1/298.257

1980年国家大地坐标系与1954年北京坐标系属于两个不同的参心坐标系。在有些城市与矿区，基于使用和方便采用地方独立坐标系，其实际上对应一个地方参考椭球。

2.3坐标系统间的转换

在实际应用中需要将GPS观测成果点位的WGS-84坐标转换为地面网的坐标，首先要把点位的WGS-84坐标转换成国家（或地区）的大地坐标，然后再把大地坐标转换成高斯平面直角坐标。

1)WGS-84坐标转换成国家大地坐标（图2-6）：

   这是把地心坐标转换为参心坐标，其实质就是确定转换参数。通常由三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化因素组成7个转换参数，其直角坐标转换公式为（2—3）式：

式中：ΔX₀, ΔY₀,ΔZ₀为平移参数

     k为尺度变化因子

     ω_X,ω_Y,ω_Z为旋转参数,

其大地坐标转换公式简略写成（2-4）式：

在GPS卫星定位网的测量中，一般只需要进行两个坐标系之间作基线向量的转换，其转换公式为（2-5）式：

上式中不需要平移参数，只要三个旋转参数和一个尺度变化因子即可

2)大地坐标（B，L）转换为高斯平面直角坐标。

这种转换按高斯投影正算公式（2-6）式进行：

式中：X₀为过P点的平行圈所截的中央子午线距赤道弧长

     NP为P点的卯酉圈半径；

     l为过P点经度与投影带中央子午线经度之差；

     B为P点的纬度；

     t=tgB ；

     η²=(e´)² cos² B 。

3) 不同的参心大地坐标系之间转换

这种转换比较复杂，可参考有关资料，此处不作介绍。

以上几种转换在许多测量软件中均有设置。

2. 4 GPS时间系统

GPS系统是测时测距系统，GPS定位要求有高度精确的、稳定的和连续的观测时间，因此时间系统对GPS定位具有重要意义。

时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位）和原点（历元）。只有把尺度与原点结合起来，才能给出时刻的概念。

GPS时间系统采用原子时AT1秒长作时间基准，秒长定义为铯原子C_S¹³³基态的两个超精细能级间跃迁幅射振荡9192631170周所持续的时间，时间起算的原点定义在1980年1月6日世界协调时UTC0时，启动后不跳秒，保证时间的连续。以后随着时间积累，GPS时与UTC时的整秒差以及秒以下的差异通过时间服务部门定期公布。

目前，GPS卫星广播星历采用WGS-84（G873）世界大地坐标系，其起始时元为1996年9月29日，而它的坐标基准时元是1997.0。