GPS坐标系统与时间系统详解

本章节深入探讨了GPS软件接收机使用的两个基本坐标系统：地心惯性坐标系统（ECI）和地心地固坐标系统（ECEF），以及它们在描述GPS卫星和接收机位置观测量时的应用。 ### 2.1参考坐标系统 #### 2.1.1 地心惯性坐标系统（ECI） 地心惯性坐标系统是用于测量和确定GPS卫星轨道的坐标系统。其具有以下特点： - 原点位于地球的质心。 - 为了方便描述卫星位置/速度和接收机位置/速度函数，需要定义一个适宜的坐标系统和时间系统。 - 在ECI坐标系中，xy平面与地球赤道面重合。 - x轴相对于天球永久固定指向某一方向。 - 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。 - 为了考虑地球运动的不规则性，GPS的ECI坐标系统以UTC（USNO）时间2000年1月1日凌晨的赤道面方向作为基准，此时x轴指向春分点方向，y轴和z轴定义与之前描述一致。 尽管定义的ECI系统并非真正的惯性系统，但通过定义某一瞬间的坐标轴指向，使得该坐标系统对于GPS来说可以认为是惯性的，这便于地面站确定与预测GPS卫星的轨道。 #### 2.1.2 地心地固坐标系统（ECEF） ECEF坐标系统是GPS接收机位置计算常使用的坐标系统，它随着地球旋转而变化。该系统的特性包括： - 原点同样位于地球的质心。 - ECEF坐标系统的xy平面与地球赤道面重合。 - x轴指向0经度，y轴指向东经90度。 - 因此，x轴和y轴会随地球自转而旋转。 - z轴垂直赤道面指向地理北极点。 在计算接收机位置之前，需要将ECI坐标系中根据星历信息计算出来的卫星位置和速度通过旋转矩阵转换到ECEF中。在GPS中，通常使用世界大地84坐标系统（WGS-84）作为标准物理模型来描述地球，而计算出的接收机位置大多以ECEF坐标形式表示。需要时，可将这些坐标转换成接收机的经度、纬度和高度。 ### 知识点总结 1. **GPS卫星定位原理**：通过确定卫星和接收机的位置/速度观测量，能够进行定位计算，这需要合适的坐标系统和时间系统。 2. **地心惯性坐标系统（ECI）**： - 用于描述GPS卫星的轨道。 - 原点位于地球质心，基于牛顿运动和引力定律。 - 与天球相对位置固定，使用UTC（USNO）时间2000年1月1日凌晨的赤道面方向为基准。 - 对于GPS，ECI系统被认为是惯性的。 3. **地心地固坐标系统（ECEF）**： - GPS接收机位置计算的常用坐标系统。 - 随地球旋转，便于计算接收机的地理坐标。 - 原点同样位于地球质心，坐标平面与赤道面重合。 - 常与WGS-84坐标系统一起使用，便于坐标转换。 4. **坐标转换**： - ECEF系统中，接收机的位置以三维坐标（x, y, z）表示。 - 这些坐标可以转换为更常用的经度、纬度和高度信息。 - 转换过程需用到旋转矩阵和适当的物理模型（如WGS-84）。 通过这些知识点，可以更深入地理解GPS软件接收机如何通过不同坐标系统来确定卫星和接收机的位置信息，以及坐标转换对于GPS功能的重要性。