各種導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系

衛(wèi)星導(dǎo)航的基本原理是：測量至4個(gè)衛(wèi)星的距離，建立測量方程，固定系統(tǒng)時(shí)間和由星歷導(dǎo)出的衛(wèi)星坐標(biāo)，估算用戶的三維坐標(biāo)和鐘差。顯然，得到的用戶坐標(biāo)是在星歷所體現(xiàn)的坐標(biāo)系。每個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都有自己的坐標(biāo)系，例如GPS使用WGS—84,GLONASS使用PZ—90，GALILEO使用GTRF。使用不同的導(dǎo)航系統(tǒng)，用戶坐標(biāo)當(dāng)屬不同的坐標(biāo)系。坐標(biāo)系屬于一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的大地參考。大地參考對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)是至關(guān)重要的。大地參考，猶如導(dǎo)航系統(tǒng)的生命線。沒有大地參考，就沒有導(dǎo)航系統(tǒng)；沒有大地參考，就沒有導(dǎo)航定位。大地參考的性能，在很大程度上決定導(dǎo)航系統(tǒng)的性能，決定導(dǎo)航定位的性能。一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的大地參考，除坐標(biāo)系外，還有引力場模型、地球定向參數(shù)，以及導(dǎo)航定位的相關(guān)常熟、模型和算法等其他元素，這些元素完整的構(gòu)成了一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的大地基準(zhǔn)。在所有這些元素中，坐標(biāo)系是最基本，也是于用戶最直接、最密切的元素。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)介紹1、全球定位系統(tǒng)（GPS）。由24顆衛(wèi)星組成，分布在6條交點(diǎn)互隔60度的軌道面上，精度約為10米，軍民兩用，正在試驗(yàn)第二代衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS測量常用的坐標(biāo)系統(tǒng)：（1）WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐標(biāo)系-84），它是一個(gè)地心地固坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時(shí)GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)-WGS-72坐標(biāo)系統(tǒng)而成為GPS的所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)是GPS定位系統(tǒng)采用的協(xié)議地球坐標(biāo)系統(tǒng)，是目前精度最高的全球性大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84坐標(biāo)系的幾何意義是：坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，z軸指向（國際時(shí)間局）BIH1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，x軸指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，y軸通過右手規(guī)則確定。采用橢球參數(shù)為：a=6378137m，f=1/298.257223563。（2）1954年北京坐標(biāo)系1954年北京坐標(biāo)系是我國目前廣泛采用的大地測量坐標(biāo)系，是一種參心坐標(biāo)系統(tǒng)。該坐標(biāo)系源自于原蘇聯(lián)采用過的1942年普爾科夫坐標(biāo)系。建國前，我國沒有統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系統(tǒng)，建國初期,在蘇聯(lián)專家的建議下，我國根據(jù)當(dāng)時(shí)的具體情況，建立起了全國統(tǒng)一的1954年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)采用的參考橢球是克拉索夫斯基橢球，該橢球的參數(shù)為:a=6378245m;f=1/298.3。該橢球并未依據(jù)當(dāng)時(shí)我國的天文觀測資料進(jìn)行重新定位。而是由前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)的一等鎖，經(jīng)我國的東北地區(qū)傳算過來的，該坐標(biāo)的高程異常是以前蘇聯(lián)1955年大地水準(zhǔn)面重新平差的結(jié)果為起算值,按我國天文水準(zhǔn)路線推算出來的,而高程又是以1956年青島驗(yàn)潮站的黃海平均海水面為基準(zhǔn)。（3）1980年西安坐標(biāo)系1980年西安坐標(biāo)系采用了全面描述橢球性質(zhì)的四個(gè)基本參數(shù)a、GM、J2、X。四個(gè)參數(shù)的數(shù)值采用的是1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)16屆大會(huì)的推薦值:a=6378140m;GM=3986005*108m3/s2;J2=1082.63*10-6；X=7292115*10t】rad/s。1980年西安坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于我國的中部，陜西西安市的附近。橢球的短軸平行于由地球質(zhì)心指向我國地極原點(diǎn)JYD1968。0的方向，起始大地子午面平行與我國起始天文子午面。大地點(diǎn)的高程是1956年青島驗(yàn)潮站的黃海平均海水面為基準(zhǔn)。（4）地方坐標(biāo)系（任意獨(dú)立坐標(biāo)系）在我們測量過程中時(shí)常會(huì)遇到的如一些某城市坐標(biāo)系、某城建坐標(biāo)系、某港口坐標(biāo)系等，或我們自己為了測量方便而臨時(shí)建立的獨(dú)立坐標(biāo)系。GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)格洛納斯（GLONASS），是俄語“全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM”的縮寫。格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作用類似于美國的GPS、歐洲的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)最早開發(fā)于蘇聯(lián)時(shí)期，后由俄羅斯繼續(xù)該計(jì)劃。俄羅斯1993年開始獨(dú)自建立本國的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)于2007年開始運(yùn)營，當(dāng)時(shí)只開放俄羅斯境內(nèi)衛(wèi)星定位及導(dǎo)航服務(wù)。到2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球。該系統(tǒng)主要服務(wù)內(nèi)容包括確定陸地、海上及空中目標(biāo)的坐標(biāo)及運(yùn)動(dòng)速度信息等。已經(jīng)于2011年1月1日在全球正式運(yùn)行。根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦太空署信息中心提供的數(shù)據(jù)（2012年10月10日），目前有24顆衛(wèi)星正常工作、3顆維修中、3顆備用、1顆測試中?！案衤寮{斯”系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)配置為24顆衛(wèi)星，而18顆衛(wèi)星就能保證該系統(tǒng)為俄羅斯境內(nèi)用戶提供全部服務(wù)。該系統(tǒng)衛(wèi)星分為“格洛納斯”和“格洛納斯HM”兩種類型，后者使用壽命更長，可達(dá)7年。研制中的“格洛納斯一K”衛(wèi)星的在軌工作時(shí)間可長達(dá)10年至12年。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）是由蘇聯(lián)（現(xiàn)由俄羅斯）國防部獨(dú)立研制和控制的第二代軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，與美國的GPS相似，該系統(tǒng)也開設(shè)民用窗口。GLONASS技術(shù)，可為全球海陸空以及近地空間的各種軍、民用戶全天候、連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。GLONASS在定位、測速及定時(shí)精度上則優(yōu)于施加選擇可用性（SA）之后的GPS，由于俄羅斯向國際民航和海事組織承諾將向全球用戶提供民用導(dǎo)航服務(wù)。Glonass即俄全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是原蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)，1995年投入使用的全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設(shè)備三部分組成。現(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。Glonass系統(tǒng)采用中高軌道的24顆衛(wèi)星星座，有21顆工作星和3顆備份星，均勻分布在3個(gè)圓形軌道平面上，每軌道面有8顆，軌道高度H=19000km，運(yùn)行周期T=11h15min，傾角i=64.8°。與美國GPS不同，Glonass采用FDMA區(qū)分不同衛(wèi)星（GPS為CDMA），每顆GLONASS衛(wèi)星發(fā)播頻率L1=（2828+N）*0.5625MHz，L2=（2828+N）*4375MHz，其中N=1?24，同一顆衛(wèi)星滿足L1/L2=9/7（GPS固定為L1=1575.42MHz，L2=1227.6MHz，L1/L2=77/76），其上調(diào)制有兩種速率的PN碼：粗捕獲碼（稱C/A碼），其碼率為0.511MHz（GPS為1.023MHz）。此外，俄對(duì)Glonass系統(tǒng)采用了軍民合用、不加密的開放政策。GLONASS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機(jī)噪聲碼：S碼和P碼。GLONASS系統(tǒng)單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6m，垂直方向?yàn)?5m。1982年10月，第一代Glonass衛(wèi)星首次由質(zhì)子號(hào)運(yùn)載一箭三星發(fā)射入軌，衛(wèi)星采用三軸穩(wěn)定體制，整量質(zhì)量1400kg，軌道壽命5年。為滿足定位需求，衛(wèi)星攜帶有精密艷子鐘（GPS為銣原子鐘）、計(jì)算機(jī)。到目前為止，共發(fā)射了80余顆GLONASS衛(wèi)星，最近一次是2000年10月13日發(fā)射了三顆衛(wèi)星。截止2001年1月10日為止尚有10顆GLONASS衛(wèi)星正在運(yùn)行為進(jìn)一步提高Glonass系統(tǒng)的定位能力，開拓廣大的民用市場，俄政府計(jì)劃用4年時(shí)間將其更新為Glonass-M系統(tǒng)。內(nèi)容有：改進(jìn)一些地面測控站設(shè)施；延長衛(wèi)星的在軌壽命到8年；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高的定位精度：距離精度為（10?15）m，定時(shí)精度為（20?30）ns，速度精度達(dá)到0.01m/s，并于1994年10月首發(fā)。俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)。由24顆衛(wèi)星組成，精度在10米左右，軍民兩用，設(shè)計(jì)2009年底服務(wù)范圍拓展到全球；GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90），這個(gè)坐標(biāo)基準(zhǔn)由前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)SGS-85，即1985SovietGeodeticSystem，后經(jīng)過進(jìn)一步，改名為PZ-90,即ParametryZemli1990，最后由俄羅斯又更名為PE-90O坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向IERS推薦的協(xié)議地極原點(diǎn)(ConventionalTerrestrialPole),即1900-1905年的平均北極，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線的交點(diǎn)，Y軸滿足右手坐標(biāo)系。由該定義知，PZ-90與國際地球參考框架ITIF是一致的。GPS與GLONASS坐標(biāo)系參數(shù)：參數(shù)P--90WGS--84橢圓體長半軸a(m)63781366378137橢圓體扁率f1/298.2571/298.257223563地球引力常數(shù)GM(m3/S-2)498600.44*10-6398600.5*10-6地球自轉(zhuǎn)(rad/m)72.92115*10-672.92115*10-6地球二階帶球諧系數(shù)J21082.63*10-61082.63*10-6伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileosatellitenavigationsystem)，是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該計(jì)劃于1999年2月由歐洲委員會(huì)公布，歐洲委員會(huì)和歐空局共同負(fù)責(zé)。系統(tǒng)由軌道高度為23616km的30顆衛(wèi)星組成，其中27顆工作星，3顆備份星。衛(wèi)星軌道高度約2.4萬公里，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)°2014年8月，伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第二批一顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的6顆正式的伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能全面部署后的“伽利略”系統(tǒng)由3O顆衛(wèi)星組成，其中27顆為工作星，3顆為在軌熱備份星。按設(shè)計(jì)，衛(wèi)星將分布在地球上空23222km的圓形中地軌道(MEO)面上，各軌道面相對(duì)于赤道面的傾角為56oo衛(wèi)星全部部署到位后，“伽利略”的導(dǎo)航信號(hào)即便對(duì)緯度高達(dá)75o(與北角對(duì)應(yīng))乃至更高的地區(qū)也能提供良好的覆蓋。由于衛(wèi)星數(shù)量多，星座經(jīng)過優(yōu)化，加上有3顆熱備份星可用，系統(tǒng)可保證在有一顆衛(wèi)星失效的情況下也不會(huì)對(duì)用戶產(chǎn)生明顯影響。該系統(tǒng)將在歐洲設(shè)立兩座伽利略控制中心(GCC)，以對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，并對(duì)導(dǎo)航任務(wù)進(jìn)行管理。由2O座伽利略傳感器站(GSS)構(gòu)成的一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)所提供的數(shù)據(jù)將通過一冗余通信網(wǎng)傳送給伽利略控制中心?？刂浦行膶⒗脗鞲衅髡镜臄?shù)據(jù)來計(jì)算完好性信息，并對(duì)所有衛(wèi)星和地面站時(shí)鐘的時(shí)間信號(hào)進(jìn)行同步?？刂浦行呐c衛(wèi)星問的數(shù)據(jù)交換將通過所謂的上行站來完成，為此將在全球各地建設(shè)5座S波段和10座C波段上行站。“伽利略”系統(tǒng)另一個(gè)特點(diǎn)，就是具有全球搜索與救援(SAR)功能。這項(xiàng)功能利用了現(xiàn)有的“科斯帕斯?薩爾薩特”搜救衛(wèi)星系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)這一功能，每顆衛(wèi)星要配備一臺(tái)能把遇險(xiǎn)信號(hào)從用戶發(fā)射機(jī)發(fā)給救援協(xié)調(diào)中心以啟動(dòng)救援行動(dòng)的轉(zhuǎn)發(fā)器。同時(shí)，該系統(tǒng)還能向用戶發(fā)送信號(hào)，告知其所處險(xiǎn)境已被探測到及救援工作已經(jīng)展開。這項(xiàng)功能屬于新發(fā)明(中國COMPASS系統(tǒng)的短信功能與此類似)，被認(rèn)為是對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的一項(xiàng)重大改進(jìn)?，F(xiàn)有系統(tǒng)不能向用戶提供反饋信息。全面投入使用的“伽利略”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將有3O顆衛(wèi)星，部署在傾角56。的三個(gè)中地軌道面上，每個(gè)軌道面布設(shè)1O顆衛(wèi)星。衛(wèi)星繞地球運(yùn)行的軌道周期為14h。每個(gè)軌道面上設(shè)1顆熱備份星，以防有工作星失效。歐空局規(guī)劃和工程技術(shù)人員是在經(jīng)過充分考慮后才選擇這樣一個(gè)星座構(gòu)造的。把3O顆衛(wèi)星部署到這樣的高度上，地球上任何地方的任何人總能“看”到至少4顆衛(wèi)星并利用其播發(fā)的測距信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的概率是很高的(超過90)。所選的軌道傾角能保證對(duì)美GPS系統(tǒng)無法有效覆蓋的高緯度極區(qū)有良好的覆64蓋。在大多數(shù)地方，用戶總能看到648顆衛(wèi)星，從而能實(shí)現(xiàn)非常精確的定位，精度可達(dá)數(shù)厘米。在有高大建筑的城市里，路上的用戶有很大的把握能有足夠的過頂衛(wèi)星可用，尤其是“伽利略”系統(tǒng)還與擁有24顆衛(wèi)星的GPS兼容。歐洲“伽利略”系統(tǒng)。由30顆衛(wèi)星組成，定位誤差不超過1米，主要為民用。2005年首顆試驗(yàn)衛(wèi)星已成功發(fā)射。預(yù)計(jì)2008年前開通定位服務(wù)；GALILEO系統(tǒng)所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)是基于GALILEO地球參考框架（GTRF）的ITRF—96大地坐標(biāo)系，其幾何定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心，Z軸指向IERS（InternationalEarthRotationService）推薦的協(xié)議地球原點(diǎn)（CTP）方向，X軸指向地球赤道與BIH定義的零子午線交點(diǎn)，Y軸滿足右手坐標(biāo)系。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的現(xiàn)狀北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展史可以追溯到上世紀(jì)80年代中期提出的雙星定位系統(tǒng)，該定位系統(tǒng)如今被稱之為北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，于2000年已正式運(yùn)行。它的空間段包括兩個(gè)地球靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站和監(jiān)測站。采用RDSS（衛(wèi)星無線電定位服務(wù)）工作原理，地面主控通過衛(wèi)星向用戶發(fā)出詢問信號(hào)，用戶通過衛(wèi)星應(yīng)答定位申請(qǐng)信號(hào)，并完成用戶一衛(wèi)星一主控站的距離測量。利用兩路測量及所配備的數(shù)字高程模型，主控站完成用戶三維坐標(biāo)計(jì)算，位置坐標(biāo)又通過衛(wèi)星發(fā)送至用戶。該系統(tǒng)是一個(gè)具有定位、授時(shí)和報(bào)文通信功能的區(qū)域性系統(tǒng)，覆蓋我國及周邊地區(qū)，使用1954年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系是一個(gè)以傳統(tǒng)測量技術(shù)為基礎(chǔ)建立起來的局部坐標(biāo)系，自建國初期以來一直是法定的國家大地坐標(biāo)系。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)后提出的一個(gè)新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采取線區(qū)域系統(tǒng)、后全球系統(tǒng)的分步發(fā)展戰(zhàn)略。2012年底已建成覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域系統(tǒng)，計(jì)劃2020年建成全球系統(tǒng)。根據(jù)接口控制文件，北斗系統(tǒng)的坐標(biāo)系為2000中國大地坐標(biāo)系（CGCS2000）。該坐標(biāo)系是一個(gè)三維地心坐標(biāo)系，由大約2500個(gè)GPS大地點(diǎn)在歷元2000.0的坐標(biāo)和速度實(shí)現(xiàn)。經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，該系統(tǒng)自2007年7月起，已在全國全面實(shí)施，正式成為我國新一代國家大地坐標(biāo)系。關(guān)于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的再定義前面已經(jīng)提到，我們不主張北斗導(dǎo)航系統(tǒng)使用國家大地坐標(biāo)系，而使用自己的專用坐標(biāo)系，這里我們權(quán)且把它叫做“北斗坐標(biāo)系”。關(guān)于北斗坐標(biāo)系，建議采用ITRS的定義，即：原點(diǎn):其原點(diǎn)是包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心。尺度:長度單位是米（SI）。尺度同地心局部框架的TCG時(shí)間坐標(biāo)一致。定向：初始定向由1984.0的BIH定向給定。定向的時(shí)間演變：由整個(gè)地球上水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無凈旋轉(zhuǎn)的條件保證。北斗坐標(biāo)系是一右手地固正交坐標(biāo)系。關(guān)于北斗坐標(biāo)系參考橢球，建