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GPS定位基準(zhǔn)的選擇原則是什么？
GPS定位基準(zhǔn)的選擇原則是什么？坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)是GPS定位的重要基準(zhǔn)。
利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)確定物體的空間位置，需要一個(gè)統(tǒng)一的位置和時(shí)間參考基準(zhǔn)。
GPS定位系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)是指GPS的坐標(biāo)基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)，由相應(yīng)的GPS天線坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)及其相應(yīng)的參考框架來實(shí)現(xiàn).GPS衛(wèi)星圍繞地球質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，常在天球坐標(biāo)系中描述其運(yùn)行位置和狀態(tài)，而觀測(cè)站則固定在地球表面，其空間位置隨地球自轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)，通常用與地球體相固聯(lián)的地球坐標(biāo)系表示。這樣，要建立衛(wèi)星和觀測(cè)站的空間位置關(guān)系，還需研究天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
坐標(biāo)系統(tǒng)在GPS定位中，常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)的天球坐標(biāo)系，另一類是與地球體相固聯(lián)的地球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系是在空間固定的坐標(biāo)系，主要用于描述衛(wèi)星的運(yùn)行位置與狀態(tài)；地球坐標(biāo)系對(duì)于表達(dá)地面觀測(cè)站的位置和處理GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)尤為方便，在經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)中，具有多種表達(dá)形式和極為廣泛的應(yīng)用。
坐標(biāo)系統(tǒng)由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸的指向和尺度所定義。在GPS定位中，坐標(biāo)系的原點(diǎn)一般取地球的質(zhì)心，坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性，但為了使用方便，通常以協(xié)議來確定某些全球性坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸指向。這種共同確認(rèn)的坐標(biāo)系，通常稱為協(xié)議坐標(biāo)系。
協(xié)議天球坐標(biāo)系1.基本概念在天文學(xué)中，通常把天體投影到天球的球面上，用球面坐標(biāo)來表達(dá)天體的位置及其關(guān)系。所謂天球，是指球心位于地球質(zhì)心、半徑為無窮大的理想球體，如圖2-1所示。為了建立球面坐標(biāo)系，需要確定球面上的一些參考點(diǎn)、線、圈，下面介紹定義天球坐標(biāo)系所涉及的一些基本概念。
天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸無限延伸的直線定義為天軸，天軸交天球于南北兩點(diǎn)P、和Ps，其中P、稱為北天極，Ps稱為南天極。
天球赤道面與天球赤道：通過地球質(zhì)心M與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面。天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相交的大圓，稱為天球赤道。
天球子午面與子午圈：包含天軸并通過地球上任一點(diǎn)的平面，稱為天球子午面。天球子午面與天球相交的大圓，稱為天球子午圈。
時(shí)圈：通過天軸的平面與天球相交的半個(gè)大圓，稱為時(shí)圈。
黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測(cè)者所見到的太陽在天球上運(yùn)動(dòng)的軌跡，稱為黃道。黃道面與赤道面的夾角e，稱為黃赤交角，約為23.5°。
黃極：通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)，稱為黃極。其中，靠近北天極的交點(diǎn)Ⅱ、稱為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)IⅡ、稱為南黃極。
春分點(diǎn)：當(dāng)太陽在黃道上從天球南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)y，稱為春分點(diǎn)。
在天文學(xué)和衛(wèi)星大地測(cè)量學(xué)中，春分點(diǎn)和天球赤道面是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。
2.天球坐標(biāo)系的定義在天球坐標(biāo)系中，任一天體s的位置可用天球空間直角坐標(biāo)系和天球球面坐標(biāo)系兩種形式來描述，如圖2-2所示。
在天球空間直角坐標(biāo)系中，天體s的坐標(biāo)為（x,y,z），該坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M；z軸指向天球北極Px；x軸指向春分點(diǎn)y；y軸垂直于xMz平面，與x軸和z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。
在天球球面坐標(biāo)系中，天體s的坐標(biāo)為（a，6，r），該坐標(biāo)系的定義為：原點(diǎn)位于地球質(zhì)心M；赤經(jīng)a為包含天軸和春分點(diǎn)的天球子午面與過天體s的天球子午面之間的夾角；赤緯8為原點(diǎn)M至天體s的連線與天球赤道面之間的夾角；向徑長(zhǎng)度r為原點(diǎn)M至天體s的距離。
由于天球坐標(biāo)系與地球的自轉(zhuǎn)無關(guān)，所以天球坐標(biāo)系的兩種表達(dá)形式對(duì)于描述天體或人造地球衛(wèi)星的位置和狀態(tài)都尤為方便。在實(shí)踐中，應(yīng)用都很普遍。
3.歲差與章動(dòng)由于地球形狀接近于一個(gè)兩極略扁、赤道隆起的橢球體，在日、月等星體引力作用下，地球繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，而在空間以順時(shí)針方向（從北天極上方觀察，以下同）繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)，因而使北天極也以同樣的方式在天球上繞北黃極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，其空間軌跡在天球上為一個(gè)圓，半徑大小等于黃赤交角，周期大約為25800年。這種現(xiàn)象，在天文學(xué)中稱為歲差（圖2-3）。
在天球上，這種規(guī)律運(yùn)動(dòng)的北天極通常稱為瞬時(shí)平北天極（簡(jiǎn)稱平北天極），與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球平赤道和瞬時(shí)平春分點(diǎn)。由于日月引力的不斷變化，北天極在天球上繞北黃極旋轉(zhuǎn)的軌跡實(shí)際上要復(fù)雜得多。如果把觀測(cè)時(shí)的北天極稱為瞬時(shí)北天極（或稱真北天極），而地與之相應(yīng)的天球赤道和春分點(diǎn)稱為瞬時(shí)天球赤道和瞬時(shí)春分點(diǎn)（或稱真天球赤道和真春分點(diǎn)），那么，在日月引力等因素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞平北天極產(chǎn)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其軌跡成橢圓形，振幅約為9?！?，周期約為18.6年，這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)（圖2-3）。
為了描述北天極在天球上的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)中把北天極的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)分解為兩種規(guī)律運(yùn)動(dòng)，首先是平北天極繞北黃極的稱為歲差的長(zhǎng)周期運(yùn)動(dòng)，其次是瞬時(shí)北天極繞平北天極的稱為章動(dòng)的短周期運(yùn)動(dòng)。在歲差和章動(dòng)的共同影響下，瞬時(shí)北天極繞北黃極旋轉(zhuǎn)的軌跡如圖2-3所示。
4.協(xié)議天球坐標(biāo)系的定義與轉(zhuǎn)換由于瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸受歲差和章動(dòng)的影響，其指向不斷變化，在這種非慣性坐標(biāo)系中，不能直接根據(jù)牛頓力學(xué)定律來研究衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了建立一個(gè)與慣性坐標(biāo)系接近的坐標(biāo)系，通常選擇某一時(shí)刻t。作為標(biāo)準(zhǔn)歷元，并將此刻地球的瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸（指向北極）和地心至瞬時(shí)春分點(diǎn)的方向，經(jīng)該瞬時(shí)的歲差和章動(dòng)改正后，分別作為z軸和x軸的指向。由此所構(gòu)成的空固坐標(biāo)系，稱為所取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻t的平天球坐標(biāo)系或協(xié)議天球坐標(biāo)系，也稱為協(xié)議慣性坐標(biāo)系（CIS），天體的星歷通常都在該系統(tǒng)中表示。國際大地測(cè)量學(xué)協(xié)會(huì)（lAG）和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（lAU）決定，從1984年1月1日后啟用的協(xié)議天球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)軸的指向是以2000年1月15日太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)歷元（標(biāo)以J2000.0）的赤道和春分點(diǎn)所定義。協(xié)議天球坐標(biāo)系和瞬時(shí)天球坐標(biāo)系可以通過相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷元的歲差和章動(dòng)改正進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程得到的衛(wèi)星位置是在協(xié)議天球坐標(biāo)系中表示的。為了將協(xié)議天球坐標(biāo)系的衛(wèi)星坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到觀測(cè)歷元t的瞬時(shí)天球坐標(biāo)系，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，通常分為兩步，首先將協(xié)議天球坐標(biāo)系中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到觀測(cè)瞬時(shí)的平天球坐標(biāo)系，然后再將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系。
1）將協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系由于協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的差別僅在于由歲差引起的坐標(biāo)軸指向不同，因此進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，只需將協(xié)議天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸加以旋轉(zhuǎn)即可。如果以（x,y,z）cts和（x,y,z）分別表示協(xié)議天球坐標(biāo)系和瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系，則其關(guān)系為
式中，z、、分別為與歲差有關(guān)的三個(gè)旋轉(zhuǎn)角。
1）將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)天球坐標(biāo)系由于地球自轉(zhuǎn)軸的章動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸指向不同，因此，為了實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)換，還需將瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。如果以（x,y,z），表示瞬時(shí)天球坐標(biāo)，則其與瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
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