各种导航系统的坐标系

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1、卫星导航的基本原理是：测量至4个卫星的距离，建立测量方程，固定系统时间和由星 历导出的卫星坐标，估算用户的三维坐标和钟差。显然，得到的用户坐标是在星历所体现的 坐标系。每个卫星导航系统都有自己的坐标系，例如GPS使用WGS84, GLONASS使用 PZ90, GALILEO使用GTRF。使用不同的导航系统，用户坐标当属不同的坐标系。坐标系属于一个导航系统的大地参考。大地参考对导航系统是至关重要的。大地参考，犹 如导航系统的生命线。没有大地参考，就没有导航系统；没有大地参考，就没有导航定位。 大地参考的性能，在很大程度上决定导航系统的性能，决定导航定位的性能。一个导航系统的大地参考，除坐标系外

2、，还有引力场模型、地球定向参数，以及导航定位 的相关常熟、模型和算法等其他元素，这些元素完整的构成了一个导航系统的大地基准。在 所有这些元素中，坐标系是最基本，也是于用户最直接、最密切的元素。GPS导航系统的坐标系统介绍1、全球定位系统（GPS）。由24颗卫星组成，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，精 度约为10米，军民两用，正在试验第二代卫星系统，GPS测量常用的坐标系统： （1）WGS-84坐标系WGS-84坐标系是目前GPS所采用的的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标 系统的。WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84 （世界大地坐标系-8

3、4），它 是一个地心地固坐标系统。WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了 当时GPS所采用的坐标系统-WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。WGS84坐标系统是GPS定位系统采用的协议地球坐标系统，是目前精度最高的全球性大地 测量坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。WGS-84坐标系的几何意义是：坐标系的原点位于地球质心，z轴指向（国际时间局） BIH1984.0定义的协议地球极（CTP）方向，x轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的 交点，y轴通过右手规则确定。采用椭球参数为：a= 6 378 137m，f= 1/298.2

4、57 223 563。（2）1954年北京坐标系1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，是一种参心坐标系统。该坐标 系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。建国前，我国没有统一的大地坐 标系统，建国初期,在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全国统一的1954 年北京坐标系。该坐标采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为:a=6 378 245 m;f=1/298.3。该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位。而是由前苏联西伯利亚地区的一等 锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平 差的结果为起算

5、值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄 海平均海水面为基准。（3）1980年西安坐标系1980年西安坐标系采用了全面描述椭球性质的四个基本参数a、GM、J2、X。四个参数的 数值采用的是1975年国际大地测量与地球物理联合会16届大会的推荐值:a=6 378 140m;GM=3 986 005*108 m3/s2;J2=1 082.63*10-6 ;X=7 292 115*10-11rad/so1980年西安坐标系的原点位于我国的中部，陕西西安市的附近。椭球的短轴平行于由地球质 心指向我国地极原点JYD1968。0的方向，起始大地子午面平行与我国起始天文子午面。

6、大 地点的高程是1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。（4）地方坐标系（任意独立坐标系）在我们测量过程中时常会遇到的如一些某城市坐标系、某城建坐标系、某港口坐标系等，或我们自己为了测量方便而临时建立的独立坐标系。GLONASS导航系统的坐标系统格洛纳斯（GLONASS），是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写。格洛纳斯卫星导航系统作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位 系统和中国的北斗卫星导航系统。该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯1993年开始独自建立本国的 全球卫星导航系统。该系统于2007年开始

7、运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服 务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及 空中目标的坐标及运动速度信息等。已经于2011年1月1日在全球正式运行。根据俄罗斯 联邦太空署信息中心提供的数据（2012年10月10日），目前有24颗卫星正常工作、3颗 维修中、3颗备用、1颗测试中。“格洛纳斯”系统标准配置为24颗卫星，而18颗卫星就能保证该系统为俄罗斯境内用户提 供全部服务。该系统卫星分为“格洛纳斯”和“格洛纳斯HM”两种类型，后者使用寿命更 长，可达7年。研制中的“格洛纳斯一K”卫星的在轨工作时间可长达10年至12年。 全球导航卫星系统（GLO

8、NASS）是由苏联（现由俄罗斯）国防部独立研制和控制的第二代 军用卫星导航系统，与美国的GPS相似，该系统也开设民用窗口。GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精 度的三维位置、三维速度和时间信息o GLONASS在定位、测速及定时精度上则优于施加选 择可用性（SA）之后的GPS，由于俄罗斯向国际民航和海事组织承诺将向全球用户提供民 用导航服务。Glonass即俄全球导航卫星系统，是原苏联从80年代初开始建设，1995年投入使用的全球 定位导航系统。也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间 局管理。Glonass系统采用中高

9、轨道的24颗卫星星座，有21颗工作星和3颗备份星，均 匀分布在3个圆形轨道平面上，每轨道面有 8颗，轨道高度H=19000km，运行周期 T=11h15min,倾角i=64.8。 与美国GPS不同，Glonass采用FDMA区分不同卫星（GPS 为 CDMA），每颗 GLONASS 卫星发播频率 L1= （2828+N） *0.5625MHz, L2= （2828+N） *4375MHz，其中 N=1 24，同一颗卫星满足 L1/L2=9/7 （GPS 固定为 L1=1575.42MHz， L2=1227.6MHz，L1/L2=77/76），其上调制有两种速率的PN码：粗捕获码（称C/A码），

10、 其码率为0.511MHz （GPS为1.023MHz）。此外，俄对Glonass系统采用了军民合用、不加 密的开放政策。 GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。 GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。1982年10月，第一代Glonass卫星首次由质子号运载一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量 1400kg，轨道寿命5年。为满足定位需求，卫星携带有精密铯子钟（GPS为铷原子钟）、 计算机。到目前为止，共发射了 80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GL

11、ONASS卫星正在运行 为进 一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新 为Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现 系统高的定位精度：距离精度为（1015）m,定时精度为（2030） ns,速度精度达到0.01m /s,并于1994年10月首发。俄罗斯“格洛纳斯”系统。由24颗卫星组成，精度在10米左右，军民两用，设计2009年 底服务范围拓展到全球；GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90），这个坐标基准由前苏联地心坐标SGS-85，即 1985 Soviet Geodetic System，后

12、经过进一步，改名为PZ-90,即Parametry Zemli 1990，最后 由俄罗斯又更名为PE-90。坐标原点位于地球质心，Z轴指向IERS推荐的协议地极原点(Conventional TerrestrialPole), 即1900-1905年的平均北极，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线的交点，Y轴满足右 手坐标系。由该定义知，PZ-90与国际地球参考框架ITIF是一致的。GPS与GLONASS坐标系参数：参数 P-90WGS-84椭圆体长半轴a (m) 6378136 6378137椭圆体扁率 f 1/298.2571/298.257223563地球引力常数 GM(m3/S-2)

13、 498600.44*10-6398600.5*10-6地球自转(rad/m)72.92115*10-672.92115*10-6地球二阶带球谐系数 J21082.63*10-6 1082.63*10-6伽利略导航系统的坐标系统伽利略卫星导航系统(Galileo satellite navigation system)，是由欧盟研制和建立的全球 卫星导航定位系统，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负 责。系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨 道高度约2. 4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。2014年8月，伽利

14、略全球卫 星导航系统第二批一颗卫星成功发射升空，太空中已有的6颗正式的伽利略系统卫星，可以 组成网络，初步发挥地面精确定位的功能全面部署后的“伽利略”系统由3O颗卫星组 成，其中27颗为工作星，3颗为在轨热 备份星。按 设计，卫星将分布在地球上空23222 km的圆形中 地轨道(MEO)面上，各轨道 面相对于赤道面的倾角为56。卫星全部部署到位后，“伽利略”的导航信号即便对纬度 高达75。(与北角对应)乃至更高的地区也能提供良好的覆盖。由于卫星数量多，星座经过优 化，加上有3颗热备份星可用，系统可保证在有一颗卫星失效的情况下也不会对用户产生 明显影响。该系统将在欧洲设立两座伽利略控制中心(GC

15、C)，以对卫星进行控制，并对导 航任务进行管理。由2O座伽利略传感器站(GSS)构成的一个全球网络所提供的数据将通过 一冗余通信网传送给伽利略控制中心。控制中心将利用传感器站的数据来计算完好性信息， 并对所有卫星和地面站时钟的时间信号进行同步。控制中心与卫星问的数据交换将通过所谓 的上行站来完成，为此将在全球各地建设5座S波段和10座C波段上行站。“伽利略”系 统另一个特点，就是具有全球搜索与救援(SAR)功能。这项功能利用了现有的“科斯帕斯 萨尔萨特”搜救卫星系统。为实现这一功能，每颗卫星要配备一台能把遇险信号从用户发射 机发给救援协调中心以启动救援行动的转发器。同时，该系统还能向用户发送信

16、号，告知其 所处险境已被探测到及救援工作已经展开。这项功能属于新发明(中国COMPASS系统的短 信功能与此类似)，被认为是对现有系统的一项重大改进。现有系统不能向用户提供反馈信 息。全面投入使用的“伽利略”全球卫星导航系统将有3O颗卫星，部署在倾角56。的三个中 地轨道面上，每个轨道面布设1O颗卫星。卫星绕地球运行的轨道周期为14 h。每个轨道面 上设1颗热备份星，以防有工作星失效。欧空局规划和工程技术人员是在经过充分考虑后才 选择这样一个星座构造的。把3O颗卫星部署到这样的高度上，地球上任何地方的任何人总 能“看”到至少4颗卫星并利用其播发的测距信号实现定位的概率是很 高的(超过90 )。

17、所选的轨道倾角能保证对美GPS系统无法有效覆盖的高纬度极区有良好的 覆64盖。在大多数地方，用户总能看到648颗卫星，从而能实现非常精确的定位，精度可 达数厘米。在有高大建筑的城市里，路上的用户有很大的把握能有足够的过顶卫星可用，尤 其是“伽利略”系统还与拥有24颗卫星的GPS兼容。欧洲“伽利略”系统。由30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。2005年 首颗试验卫星已成功发射。预计2008年前开通定位服务；GALILEO系统所采用的坐标系统是基于GALILEO地球参考框架（GTRF）的ITRF96 大地坐标系，其几何定义为：原点位于地球质心，Z轴指向IERS （Internation

18、al Earth Rotation Service）推荐的协议地球原点（CTP）方向，X轴指向地球赤道与BIH定义的零子午线交点， Y轴满足右手坐标系。北斗导航系统坐标系的现状北斗卫星导航系统的发展史可以追溯到上世纪80年代中期提出的双星定位系统，该定位 系统如今被称之为北斗导航试验系统，于2000年已正式运行。它的空间段包括两个地球静 止轨道卫星，地面段包括主控站和监测站。采用RDSS （卫星无线电定位服务）工作原理， 地面主控通过卫星向用户发出询问信号，用户通过卫星应答定位申请信号，并完成用户一卫 星一主控站的距离测量。利用两路测量及所配备的数字高程模型，主控站完成用户三维坐标 计算，位置

19、坐标又通过卫星发送至用户。该系统是一个具有定位、授时和报文通信功能的区 域性系统，覆盖我国及周边地区，使用1954年北京坐标系。该坐标系是一个以传统测量技 术为基础建立起来的局部坐标系，自建国初期以来一直是法定的国家大地坐标系。北斗卫星导航系统，是继北斗导航试验系统后提出的一个新型卫星导航系统，采取线区域 系统、后全球系统的分步发展战略。2012年底已建成覆盖亚太地区的区域系统，计划2020 年建成全球系统。根据接口控制文件，北斗系统的坐标系为2000中国大地坐标系（CGCS2000）。该坐标系 是一个三维地心坐标系，由大约2500个GPS大地点在历元2000.0的坐标和速度实现。经 国务院批

20、准，该系统自2007年7月起，已在全国全面实施，正式成为我国新一代国家大地 坐标系。关于北斗导航系统坐标系的再定义前面已经提到，我们不主张北斗导航系统使用国家大地坐标系，而使用自己的专用坐标系， 这里我们权且把它叫做“北斗坐标系”。关于北斗坐标系，建议采用ITRS的定义，即：原点:其原点是包括海洋和大气的整个地球的质量中心。尺度:长度单位是米（SI）。尺度同地心局部框架的TCG时间坐标一致。定向：初始定向由1984.0的BIH定向给定。定向的时间演变：由整个地球上水平构造运动无净旋转的条件保证。北斗坐标系是一右手地固正交坐标系。关于北斗坐标系参考椭球，建议采用CGCS2000参考椭球的定义参数

21、，即：长半轴:a=6378137.0m扁率:f=1:298.257222101地球引力常数（包含大气）：GM=3986004.418*10A8mA3值得说明，北斗坐标系如此定义 北斗的卫星星座构成稍微复杂点。首先有27颗星是类似于GPS的24颗星的，轨道稍有差 别，目的是提供全球覆盖；此外还有8颗地球同步卫星，其中5颗同步静止在赤道上空，3 颗斜同步卫星（斜同步即卫星维持在同一经度上空但并不一直固定在赤道上空）。它们并不 是均匀分布在全球，而是都在中国及附近的区域。这8颗卫星对于导航定位来说我看来大 概有以下几个好处：1增加中国及附近区域的卫星数目，使卫星网密度大。2. 便于监测，由国境内的监

22、测站即可测量他们的位置，因此卫星位置精度更高。3. 便于搜索卫星。在导航接收机初始定位的时候，并不知道天上哪颗卫星是可见的，因此 需要漫天搜星，以致延长初次定位所需时间。而北斗由于有同步卫星，则可以先搜索他们, 实现更快的定位。另外，从2012年公布的导航电文来看，同步卫星播发的数据码率更快， 因此可以进一步减少初次定位时间。中国“北斗”系统。由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。“北斗一号”精确 度在10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。计戈2008年左右覆盖中国及周 边地区，然后逐步扩展为全球卫星导航系统。北斗导航系统采用的是CGCS2000是2000国家大地坐标系，属于地心大地坐标系统，该系 统以ITRF 97参考框架为基准，参考框架历元为2000.0。