ECEF坐标系-北斗卫星导航系统课件

卫星导航定位定时中的

坐标系统与时间尺度问题西安测绘研究所

魏子卿2010年5月北京卫星导航定位定时中的

坐标系统与时间尺度问题西安测绘研究所1内容一、坐标系统与时间尺度概述二、CGCS2000与WGS84三、BDT与GPST内容一、坐标系统与时间尺度概述2卫星导航系统卫星导航系统是构成天基PNT能力的基础设施，其基本功能是产生和提供PNT信息。卫星导航系统卫星导航系统是构成天基PNT能力的基础设施，其基3PNT

定位（Positioning）：精准确定一点参考于一标准大地坐标系（如CGCS2000或WGS84）的位置和方向的能力；导航（Navigation）：精准确定当前的和要去的位置与对达到该目的地（从地下到地面，从地面到空间）的行动路线、方向和速度进行校正的能力；定时（Timing）：及时获取一标准时间（如UTC）和保持精准时间的能力。

PNT定位（Positioning）：精准确定一点参4坐标系和系统时导航系统使用的坐标系和系统时是导航系统产生PNT能力的基础。坐标系为PNT提供大地基准，系统时为PNT提供时间尺度。用不同导航系统得到的“坐标”和“时间”各自参考于它们各自的坐标系和时间尺度。坐标系和系统时导航系统使用的坐标系和系统时是导航系统产生PN5坐标系和系统时的体现定轨计算中所用的监测站坐标、重力场模型和地球定向参数（极移、地球旋转角、岁差、章动）等决定了导航系统使用的坐标系。卫星星历是坐标系的体现。卫星信号(如伪随机码测距信号)时标和钟差改正数是系统时的体现。坐标系和系统时的体现定轨计算中所用的监测站坐标、重力场模型和6北斗使用的坐标系是2000中国大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000,CGCS2000）；GPS使用的坐标系是1984世界大地系统（WorldGeodeticSystem1984,WGS84）；北斗的系统时是北斗时（BeidouTime,BDT）；GPS的系统时是GPS时（GPSTime,GPST）。北斗/GPS使用的坐标系和时间尺度北斗使用的坐标系是2000中国大地坐标系（ChinaGeo7CGCS2000/WGS84CGCS2000和WGS84都是地心地固（ECEF）坐标系（或参考系），它们与地球固联,同地球一起旋转。其原点与地球质量中心重合。ECEF坐标系本质上是一直角坐标系。当用经纬度和高程表示位置时，要引入一个参考椭球。ECEF坐标系由一组地面点的坐标和速度来实现。这些点的坐标和速度叫做参考系的“实现”。这样实现了的参考系称为参考架。CGCS2000/WGS84CGCS2000和WGS84都8ITRF国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立和维持国际地球参考系（ITRS）或国际地球参考架（ITRF）的工作。已发表ITRF92，ITRF93，ITRF94，…。ITRF是当今国际上最精确的地球坐标系。例如，最新版本ITRF2005的坐标精度达mm级，速度精度达mm/yr。ITRF国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立和维持9CGCS2000ZXYIERS首子午面赤道面0,0,0IERS极定义：符合IERS条件椭球常数：长半轴：a=6378137.0m扁率：f=1/298.257222101地心引力常数：GM=3986004.418108m3s-2地球角速度：

=7292115.010-11rads-1CGCS2000ZXYIERS首子午面赤道面0,0,0IER10CGCS2000

CGCS2000通过国家GPS大地网的2500多点的坐标和速度（历元2000.0）实现，其实现精度：坐标cm级；速度精度：mm/yr级。CGCS2000CGCS2000通过国家GPS大地网的2511CGCS2000北斗的监测站通过GPS联测纳入CGCS2000坐标系。卫星定轨计算用监测站的坐标。用户用轨道数据进行定位和导航，得到CGCS2000坐标。监测站GPS联测监测站坐标卫星轨道用户导航定位CGCS2000北斗的监测站通过GPS联测纳入CGC12WGS84椭球常数：长半轴：a=6378137.0m扁率：f=1/298.257223563地心引力常数：GM=3986004.418108m3s-2地球角速度：

=7292115.010-11rads-1定义：同IERS标准一致XYZWGS84椭球常数：定义：同IERS标准一致XYZ13WGS84Transit(1-2m)1987年1月G730（～10cm）1994年6月G870(～5cm)1997年1月G1150(～1cm)2002年1月GPS的跟踪站分布WGS84的4次实现：WGS84GPS的跟踪站分布WGS84的14CGCS2000/WGS84→ITRF

ILRSSLR观测

IGSGPS/GLONASS观测

IVSVLBI观测

IDSDORIS观测站位置/精密轨道和钟误差估值/地球自转参数值参考站坐标和速度=ITRFx监测站坐标＝CGCS2000/WGS84(Gz)监测站联测IGS站观测协议模型常数CGCS2000，WGS84(G1150)与ITRF2000/ITRF2005一致至cm水平CGCS2000/WGS84→ITRFILRS15系统时的作用与性质系统时的作用：●为卫星钟的精密预报提供稳定的时间参考；●支持时间服务。系统时应具有以下性质：●稳定度：短期（≤1日）、中期（1日～1月）、长期（～1月）的稳定度都要达到规定要求。例如，日稳5x10-14，中期稳定度3～4x10-14，月稳2x10-14。●准确度：系统时与TAI/UTC之间的同步精度应符合规定要求，例如，5x10-14。系统时的作用与性质系统时的作用：16系统时的两种定义方式●主钟方式：由主控站的主钟定义，如GLONASS系统时间以中央同步器时间为基础产生，GPS系统时间在1991年6月17日以前由在科罗拉多的GPS主控站的主钟产生。●合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。这就是合成钟（CompositeClock,CC）的概念。合成钟又称‘纸’钟，由所有监测站和卫星钟组成。

系统时的两种定义方式●主钟方式：由主控站的主钟定义，如GLO17合成钟举例自1991年6月17日，GPS时间由它的合成钟定义。右图示出1998年某段时间GPS合成钟内各钟的权分配。当时合成钟由18个卫星钟和5个监测站钟组成。合成钟举例自1991年6月17日，GPS时间由它的合成钟18系统时的

产生●数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于外场的监测站观测卫星得到站至卫星的伪距（参见上图），并发送至控制中心。精密守时站钟组各钟间进行比对，比对数据也传至控制中心。这些数据供控制中心产生系统时间用。●系统时计算：计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；确定每一单个钟在钟组中的权；用Kalman滤波计算钟组的平均时间；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。

导航卫星

控制中心守时站钟组监测站钟监测站钟UTC实验室主钟静止卫星系统时的

产生●数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于19GPS系统时的产生GPS系统时的产生20系统时与TAI/UTC的同步●UTC实验室与精密守时站之间为什么要时间同步？―利用TAI/UTC的长期稳定性保证系统时间的长稳（～1月），监测系统时与UTC的偏差，提供系统时间对UTC的改正数。―监测每个卫星钟对UTC的改正数；便于与其它系统兼容。●时间传递技术―双向卫星时间传递（TWSTT）：准确度0.2ns;精确度～1.0ns―载波相位时间传递（CPTT）:好于1.0ns。系统时与TAI/UTC的同步●UTC实验室与精密守时站之间为21北斗的系统时北斗的系统时（BDT），由位于中心站的主钟定义。BDT用卫星双向时间传递技术传递给每一监测站钟。站钟对BDT的偏差小于1us.BDT用无线电双向时间比对技术传递给每一卫星钟。星钟对BDT的偏差小于1ms。钟差改正数以a0、a1、a2的形式在电文中给出。中心站主钟I类监测站钟MEOGEOTWSTT北斗的系统时北斗的系统时（BDT），由位于中心站的主钟定义。22北斗的系统时BDT与中国军用时频中心（CMTC）的时间进行比对。BDT对UTC(CMTC)的偏差小于20ns。UTC（CMTC）对UTC（BIPM）的偏差小于100ns。BDT的历元是2006年1月1日0hUTC；BDT为一连续时间尺度，与TAI有33s的偏差，即

BDT+33s=TAI中心站主钟CMTC时间比对北斗的系统时BDT与中国军用时频中心（CMTC）的时间进行比23GPS的系统时从1990年6月17日0h0m00sUT至今，GPS时间由它的合成钟(CompositeClock)给出,合成钟由所有运行的监测站和卫星频率标准组成。系统时间又参考于海军天文台（NSNO）的主钟（MC），并被驾驭于UTC（NSNO），系统时间对它的偏差不超过50ns。其准确差值包含在导航星历中，以两个常数a0和a1的形式给出系统时间对UTC(USNO,MC)的时间差和变率。GPS时间历元是1980年1月6日0hUTC。GPS时间不调整，所以它对UTC偏离一个整秒数。GPST与TAI之间有19s的偏差，即GPST+19s=TAI。GPS的系统时从1990年6月17日0h0m00sUT至今，24谢谢！谢谢！25卫星导航定位定时中的

坐标系统与时间尺度问题西安测绘研究所

魏子卿2010年5月北京卫星导航定位定时中的

坐标系统与时间尺度问题西安测绘研究所26内容一、坐标系统与时间尺度概述二、CGCS2000与WGS84三、BDT与GPST内容一、坐标系统与时间尺度概述27卫星导航系统卫星导航系统是构成天基PNT能力的基础设施，其基本功能是产生和提供PNT信息。卫星导航系统卫星导航系统是构成天基PNT能力的基础设施，其基28PNT

定位（Positioning）：精准确定一点参考于一标准大地坐标系（如CGCS2000或WGS84）的位置和方向的能力；导航（Navigation）：精准确定当前的和要去的位置与对达到该目的地（从地下到地面，从地面到空间）的行动路线、方向和速度进行校正的能力；定时（Timing）：及时获取一标准时间（如UTC）和保持精准时间的能力。

PNT定位（Positioning）：精准确定一点参29坐标系和系统时导航系统使用的坐标系和系统时是导航系统产生PNT能力的基础。坐标系为PNT提供大地基准，系统时为PNT提供时间尺度。用不同导航系统得到的“坐标”和“时间”各自参考于它们各自的坐标系和时间尺度。坐标系和系统时导航系统使用的坐标系和系统时是导航系统产生PN30坐标系和系统时的体现定轨计算中所用的监测站坐标、重力场模型和地球定向参数（极移、地球旋转角、岁差、章动）等决定了导航系统使用的坐标系。卫星星历是坐标系的体现。卫星信号(如伪随机码测距信号)时标和钟差改正数是系统时的体现。坐标系和系统时的体现定轨计算中所用的监测站坐标、重力场模型和31北斗使用的坐标系是2000中国大地坐标系（ChinaGeodeticCoordinateSystem2000,CGCS2000）；GPS使用的坐标系是1984世界大地系统（WorldGeodeticSystem1984,WGS84）；北斗的系统时是北斗时（BeidouTime,BDT）；GPS的系统时是GPS时（GPSTime,GPST）。北斗/GPS使用的坐标系和时间尺度北斗使用的坐标系是2000中国大地坐标系（ChinaGeo32CGCS2000/WGS84CGCS2000和WGS84都是地心地固（ECEF）坐标系（或参考系），它们与地球固联,同地球一起旋转。其原点与地球质量中心重合。ECEF坐标系本质上是一直角坐标系。当用经纬度和高程表示位置时，要引入一个参考椭球。ECEF坐标系由一组地面点的坐标和速度来实现。这些点的坐标和速度叫做参考系的“实现”。这样实现了的参考系称为参考架。CGCS2000/WGS84CGCS2000和WGS84都33ITRF国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立和维持国际地球参考系（ITRS）或国际地球参考架（ITRF）的工作。已发表ITRF92，ITRF93，ITRF94，…。ITRF是当今国际上最精确的地球坐标系。例如，最新版本ITRF2005的坐标精度达mm级，速度精度达mm/yr。ITRF国际科学界近二十余年来一直致力于用空间技术建立和维持34CGCS2000ZXYIERS首子午面赤道面0,0,0IERS极定义：符合IERS条件椭球常数：长半轴：a=6378137.0m扁率：f=1/298.257222101地心引力常数：GM=3986004.418108m3s-2地球角速度：

=7292115.010-11rads-1CGCS2000ZXYIERS首子午面赤道面0,0,0IER35CGCS2000

CGCS2000通过国家GPS大地网的2500多点的坐标和速度（历元2000.0）实现，其实现精度：坐标cm级；速度精度：mm/yr级。CGCS2000CGCS2000通过国家GPS大地网的2536CGCS2000北斗的监测站通过GPS联测纳入CGCS2000坐标系。卫星定轨计算用监测站的坐标。用户用轨道数据进行定位和导航，得到CGCS2000坐标。监测站GPS联测监测站坐标卫星轨道用户导航定位CGCS2000北斗的监测站通过GPS联测纳入CGC37WGS84椭球常数：长半轴：a=6378137.0m扁率：f=1/298.257223563地心引力常数：GM=3986004.418108m3s-2地球角速度：

=7292115.010-11rads-1定义：同IERS标准一致XYZWGS84椭球常数：定义：同IERS标准一致XYZ38WGS84Transit(1-2m)1987年1月G730（～10cm）1994年6月G870(～5cm)1997年1月G1150(～1cm)2002年1月GPS的跟踪站分布WGS84的4次实现：WGS84GPS的跟踪站分布WGS84的39CGCS2000/WGS84→ITRF

ILRSSLR观测

IGSGPS/GLONASS观测

IVSVLBI观测

IDSDORIS观测站位置/精密轨道和钟误差估值/地球自转参数值参考站坐标和速度=ITRFx监测站坐标＝CGCS2000/WGS84(Gz)监测站联测IGS站观测协议模型常数CGCS2000，WGS84(G1150)与ITRF2000/ITRF2005一致至cm水平CGCS2000/WGS84→ITRFILRS40系统时的作用与性质系统时的作用：●为卫星钟的精密预报提供稳定的时间参考；●支持时间服务。系统时应具有以下性质：●稳定度：短期（≤1日）、中期（1日～1月）、长期（～1月）的稳定度都要达到规定要求。例如，日稳5x10-14，中期稳定度3～4x10-14，月稳2x10-14。●准确度：系统时与TAI/UTC之间的同步精度应符合规定要求，例如，5x10-14。系统时的作用与性质系统时的作用：41系统时的两种定义方式●主钟方式：由主控站的主钟定义，如GLONASS系统时间以中央同步器时间为基础产生，GPS系统时间在1991年6月17日以前由在科罗拉多的GPS主控站的主钟产生。●合成钟方式：由所有地面钟和卫星钟组成的钟组定义，系统时间尺度由各个钟的加权平均得到。这就是合成钟（CompositeClock,CC）的概念。合成钟又称‘纸’钟，由所有监测站和卫星钟组成。

系统时的两种定义方式●主钟方式：由主控站的主钟定义，如GLO42合成钟举例自1991年6月17日，GPS时间由它的合成钟定义。右图示出1998年某段时间GPS合成钟内各钟的权分配。当时合成钟由18个卫星钟和5个监测站钟组成。合成钟举例自1991年6月17日，GPS时间由它的合成钟43系统时的

产生●数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于外场的监测站观测卫星得到站至卫星的伪距（参见上图），并发送至控制中心。精密守时站钟组各钟间进行比对，比对数据也传至控制中心。这些数据供控制中心产生系统时间用。●系统时计算：计算卫星钟和位置状态与地面钟改正数；确定每一单个钟在钟组中的权；用Kalman滤波计算钟组的平均时间；预测卫星钟改正数与卫星星历改正数。

导航卫星

控制中心守时站钟组监测站钟监测站钟UTC实验室主钟静止卫星系统时的

产生●数据采集：位于控制中心的精密守时站和分布于44GPS系统时的产生GPS系统时的产生45系统时与TAI/UTC的同步●UTC实验室与精密守时站之间为什么要时间同步？―利用TAI/UTC的长期稳定性保证系统时间的长稳（～1月），监测系统时与UTC的偏差，提供系统时间对UTC的改正数。―监测每个卫星钟对UTC的改正数；便于与其它系统兼