GPS研究---GPS 坐标系统和时间系统

1、坐标系统

在 GPS 测量与应用中，通常采用的坐标系统有两大类。一类是地球坐标系，该类坐标系是固结在地球上的，随地球一起转动，又称为地固坐标系(CTS)。第二类是天球坐标系，该类坐标系与地球自转无关，称为空固坐标系，也称地心惯性系(CIS )；它对于描述卫星的运行状态、确定卫星轨道是极其方便的。
在 GPS 系统中，用于计算卫星位置的轨道数据通常是在一个地固坐标系下给出的，用户将利用这些轨道数据计算卫星在观测时刻的位置，并将这些位置作为已知点，用于确定用户的位置。由于 GPS 是全球性的定位导航系统，其坐标系统也必须是全球性的。为了使用方便，它是通过国际协议确定的，通常称为协议地球坐标系 (Conventional Terrestrial System-CTS) (CTS)。目前，GPS 测量中所使用的协议地球坐标系统称为 WGS-84 世界大地坐标系(World Geodetic System)，是一种地固坐标系。
WGS-84 世界大地坐标系的几何定义是：原点是地球质心，Z 轴指 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。上述 CTP 是协议地球极(Conventional Terrestrial Pole)的简称；由于极移现象的存在，地极的位置在地极平面坐标系中是一个连续的变量，其瞬时坐标由国际时间局(Bureau International de l’Heure 简称 BIH)定期向用户公布。WGS-84 世界大地坐标系就是以国际时间局 1984 年第一次公布的瞬时地极(BIH1984.0)作为基准。建立的地球瞬时坐标系，严格来讲属于准协议地球坐标系。除上述几何定义外，WGS-84 还有它严格的物理定义，它拥有自己的重力场模型和重力计算公式，可以算出相对于 WGS-84 椭球的大地水准面差距。在实际测量定位工作中，虽然 GPS 卫星的信号依据于 WGS-84 坐标系，但求解结果则是测站之间的基线向量或三维坐标差。

2、时间系统

在 GPS 技术中，要描述卫星，接收机的运动规律和位置，不仅需要空间参考系统，也需要时间参考系统。对观测者而言，卫星的位置和速度都在不断的迅速变化。在 GPS 定位测量中，GPS 接收机接收并处理 GPS 卫星发射的信号，测定接收机至卫星之间的信号传播时间，再乘以光速换算成距离，进而确定测站的位置。因此，要准确的测定观测站至卫星的距离，必须精确的测定信号的传播时间。如果要求距离误差小于 1cm，则信号传播时间的测定误差应小于 0.03ns。所以，任何一个观测量都必须给定取得该观测量的记录时刻。为了保证观测量的精度，对观测时刻要有一定的精度要求。在 GPS 定位中，常用到的时间系统有国际原子时、世界时、恒星时、协调时 UTC、GPS 时间系统、地球动力学时、质心动力学时。
时间标示法是指标示时间的方法，有别于定义时间尺度的系统，是建立在时间系统之上的表达时间方式。在 GPS 应用和数据处理中，经常用到不同的时间标示法。GPS 系统内部所采用的时间系统是 GPS 时，其时间零点定义为处于 1980年 1 月 5 日与 1980 年 1 月 6 日晨之间的子夜。GPS 时系统在标示时间是采用的最大时间单位为周，其标示时间的方法是从 1980 年 1 月 6 日晨 0 时开始起算的周数(WN-Week Number)加上周内时间(TOM-Time of Week)的从每周周六/周日子夜开
始起算的秒数。
在GPS应用中，还会用到一种被称为年积日(DOY-Day Of Year)的时间标示法。它是指从每年的 1 月 1 日起开始累计的天数，计数从 1 开始(即每年的 1 月 1 日的年积日为 1)。例如，2004 年 5 月 1 日的年积日为 122。在 GPS 中，年积日标示法通常用来区分观测时段，通常用于 GPS 观测文件的命名。例如下一节将讲到的RINEX 格式文件。