Transcript 卫星导航系统的坐标系统与时间系统

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
内 容
一、坐标系统与时间尺度概述
二、CGCS2000与WGS84
三、BDT与GPST
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。
P N T
• 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。
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。
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（China Geodetic Coordinate
System 2000, CGCS 2000）；GPS使用
的坐标系是1984世界大地系统（World
Geodetic System 1984, WGS84）；
• 北斗的系统时是北斗时（Beidou Time,
BDT）；GPS的系统时是 GPS时（GPS
Time, GPST）。
CGCS2000/ WGS84
• CGCS2000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。
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。
CGCS2000
定义：符合IERS条件
Z
IERS极
IE
RS
首
子
午
面
X
0,0,0
赤道面
椭球常数：
长半轴：
a = 6378137.0 m
扁 率：
f = 1/298.257222101
地心引力常数：
Y
GM = 3986004.418108m3s-2
地球角速度：
 = 7292115.010-11rad s-1
CGCS2000
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。
CGCS2000
监测站
GPS联测
• 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
坐 标
用户导航
卫星
轨道
定
绥阳
乌鲁木齐
喀什
北京
成都
厦门
一类监测站
三亚
位
WGS84
定义：同IERS标准一致
Z
X
椭球常数：
长半轴：
a = 6378137.0 m
扁 率：
f = 1/298.257223563
地心引力常数：
GM = 3986004.418108m3s-2
Y 地球角速度：
 = 7292115.010-11rad s-1
WGS84
WGS84的
4 次实现：
Transit(1-2m)
G730（～10cm）
G870(～5cm)
G1150(～1cm)
1987年1月
1994年6月
1997年1月
2002年1月
GPS的跟踪站分布
CGCS2000/WGS84 →ITRF
ILRS
SLR 观测
IGS
GPS/GLONASS 观测
IVS
VLBI 观测
IDS
DORIS 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
监测站联测
监测站坐标 ＝
协议模型常数
CGCS2000/WGS84(G
IGS站观测
z)
CGCS2000，WGS84(G1150)与ITRF2000/ITRF2005一致至cm水平
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（Composite Clock, CC）的概念。
合成钟又称‘纸’钟，由所有监测站和卫星钟组
成。
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。
静止卫星
导航卫星
系统时的
产 生
UTC实验
室主钟
监测站
钟
监测站
钟
控
中
制
心
守时站
钟 组
●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。
GPS系统时的产生
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。
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。
MEO
GEO
TWST
T
中心站主钟
I类监测站钟
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
0h UTC； BDT为一连续时间
尺度，与TAI有33s的偏差，
即
BDT+33s = TAI
时间比对
中心站主钟
CMTC
GPS的系统时
• 从1990年6月17日0h0m00sUT至今，GPS时间由它的合成
钟 (Composite Clock)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 0h UTC 。 GPS 时间
不调整，所以它对UTC偏离一个整秒数。GPST与TAI之
间有19 s 的偏差，即 GPST + 19 s = TAI。
谢谢！