GPS 定位中,坐标系统可以分为两类

时间:2015-01-30     点击:加载中   【打印此页】  【关闭

  一般说来,确定未知点的坐标需要知道至少一个已知点的坐标和该已知点与未知点的若干相互关系(如角度、距离和高差等)。GPS定位也不外乎此理,它以卫星作为已知点,测定卫星到未知点的距离,进而获得未知点坐标。在这个过程中,不可避免地需要对时空进行度量。因此,必须首先定义适当的空间参考框架和时间基准,继而再利用天体力学、球面天文学以及测绘科学的有关知识确定卫星和地面点的空间位置。坐标系统、时间系统、地图投影等理论和模型,既是GPS定位所必需的,更是地理信息数字化表达的重要依据。本章主要介绍GPS系统使用的坐标系统和时间系统。

  GPS 定位中,坐标系统可以分为两类。

  一类是惯性坐标系(Inertial System)。它与地球的自转运动无关,主要用来描述卫星或 其它天体的运动状态。根据经典牛顿力学的理论,理想的惯性系在空间中的定位和定向应保 持不变或仅作匀速直线运动。但因为宇宙中天体间的相互作用非常复杂,严格满足这个条件 是比较困难的,所以天体测量中通常是使用某些坐标系以某种方式近似实现这个条件。本章 中介绍的协议天球坐标系即属此类, 它为描述GPS 卫星的运动轨迹提供了参考框架。

  另一类是非惯性坐标系(Non-Inertial System)。GPS 中一般是指与地球固连的坐标系, 它主要用于描述地表、水下或低空待定点的空间位置。但地球并不是一个刚体,其内部构造 和自身运动的复杂性是不言而喻的,建立严格意义上的地固参考系也不是一件容易的事,因 此只能根据不同的应用范围选取近似稳定的坐标系统。地固坐标系也叫地球坐标系,它可分 为地心坐标系、参心坐标系和站心坐标系。本书主要介绍的天文坐标系、地心空间直角坐标 系和地心大地坐标系皆属地心坐标系。

  确定一个坐标系统无非是定义坐标原点、坐标轴指向和单位尺度这3 个要素,不论惯性系还是地固系都是如此。由于在历史上,不同的时期、不同的国家和地区对这3 个要素有着不同 的定义,因此国际上通过协议来统一某些全球坐标系统。于是就产生了协议惯性坐标系(CIS -Conventional Inertial System)和协议地球坐标系统(CTS-Conventional Terrestrial System)。

  和测定空间位置类似,测量时间也需要先定义时间基准(Temporal Datum),也就是定义 时间的原点和单位尺度。天文学上把观测资料所对应的时刻(观测瞬间)叫历元(Epoch), 因此时间的原点也叫起始历元(Initial Epoch)。起始历元可根据需要而有所选择,不同的时 间系统可能有不同的时间原点,但从本质上讲,真正的差异体现在度量时间的工具——时钟 上。不同的时钟有着不同的度量时间的方式,因此时间单位尺度的定义也有所区别。

  GPS 定位对时间度量的精度要求是非常严格甚至是苛刻的。这是因为:

  (1) GPS 卫星作为高空动态已知点,其位置是瞬息变化的。时间度量的精度就意味着空 间位置的精度。例如,若要定轨误差小于1cm,则时间精度至少要求2.6×10-6s。

  (2) GPS 定位是通过测定电磁波信号传播时间来确定站星距离的。因此时间测量误差与站星距离误差之间的关系是一个线性函数。例如,欲使站星距离误差小于1cm,则时间精度 至少要求3×10-11s。

  (3) 惯性系与地固系之间的坐标转换需要精确的时间尺度。地球在不断地作自转运动, 地球上的点位在惯性系中的坐标也在以相同的速度变化。例如,时间误差为0.01s,该坐标误 差就至少可达5m。

(锐峰汇智 http://www.rf-gsm.com/)

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