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Jun 20, 2023
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学习
定位技术
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定位基本原理把距离测量换算成时间测量。定位需要的时间系统和坐标系是什么?
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学习思考
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如下内容是对老师ppt概括
一、如何定位?定位的问题及解决办法⭐GPS准确定位授时条件⭐二、坐标系三、时间系统1.太阳时和世界时UT2.国际原子时TAI和协调世界时UTC1️⃣TAI国际原子时 2️⃣UTC协调世界时3.GPS时
一、如何定位?
把距离测量转换为时间测量
通过测出待测点到几个参考点的距离,列方程来解出坐标(数值计算方法),其中到参考点距离用光速乘以时间计算,从而把距离测量转换为时间测量。
定位的问题及解决办法⭐
存在问题 | 解决办法 |
区分不同参考点信号 | 让信号带有唯一标识ID |
参考点时间同步 | 1.用高昂代价制作高精度原子钟(铷原子钟、铯原子钟) 2.监控站来监控与调整时间 |
接收机时间解算 | 1.加快参考点发射信号频率,忽略误差,认为总是在同一时刻收到参考点信号 2.接受时间不准,再添加一个参考点,增加未知数钟差,解出钟差,再解出精确坐标。(实现了精确授时功能) 所以GPS最少需要四个参考点定位。 |
GPS准确定位授时条件⭐
- 若干已知坐标参考点
- 参考点发射具有唯一标识(ID),调制精确发射时间的信号
- 参考连续发射信号可被接收机接收
- 参考点信号严格同步
- 用户可判断其来自哪个参考点,也能解调其发射时间
- 用户时钟精度无需很高
二、坐标系
考点
简介坐标,原点、X轴、Y轴、默认长度,计量单位
坐标系 | 坐标系描述 | 备注 |
地心惯性坐标系(ECI) | 原点:地心;坐标平面:赤道;X轴指向春分点(黄赤交点);Z轴为自转轴。 | 惯性坐标系(是静止的或匀速运动的) |
地心地固坐标系(ECEF) | X轴指向本初子午面与赤道面交点。 | 不是惯性系,X轴指向在变。两种协定坐标系。GPS中WGS-84.北斗中CGCS2000。二者无需转换 |
测地坐标系(Geodetic Frame) | 经度,纬度,高度坐标系(LLH) | 极坐标系。纬度(-90-90),经度(-180-180),高度(径长减去地球半径) |
卫星轨道平面坐标系 | XY坐标平面:卫星轨道平面。X指向近地点。Z轴为椭圆法向 | 不同GPS卫星轨道可能不同。卫星轨道平面坐标系跟ECEF可以相互旋转得到。 |
东_北_上坐标系(ENU) | 以用户为坐标原点P,过P做地球表面切面,正东X轴,正北Y轴,Z轴向天空 | 站心坐标系。用于判断一颗卫星是否在观测者可见区域。仰角大于30° |
卫星轨道坐标->ECEF->测地坐标
总结一下,GPS定位中涉及到的几种坐标系: GPS卫星的位置通常先是在卫星轨道平面坐标系中计算,并转换到ECEF坐标中,而两者的转换过程中会用到ECI坐标系。观测者的位置通常以LLH坐标给出; 判断一颗GPS卫星是否在观测者的可见区域,又要把GPS卫星的坐标转换到以观测者为原点的ENU坐标系中进行。
三、时间系统
考点
太阳时,世界时,哪些是原子时,协调世界时,GPS时本质上是什么时
时间系统通过尺度和历元结合才能给出时刻概念。尺度:时间单位 历元:参考时刻点。
1.太阳时和世界时UT
- 太阳时:以平均太阳日为基准的时间系统。
- 世界时:以格林尼治子午线为基准得到的平均太阳时
注:平均太阳日:地球直立在正圆轨道上绕太阳匀速运动的一个自转周期。
格林尼治子午线为基准得到的平均太阳时:太阳中心两次经过子午线的间隔
三种世界时:
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- 地球自转变慢
- 极点位置移动
- 四节更替
2.国际原子时TAI和协调世界时UTC
原子时:以原子能级间跃迁特征为基础的时间系统。 频率准确并且稳定。
铷原子钟一年累计钟差约为31us,而铯原子钟的一年累计钟差仅约为
3.1us。
秒的定义:海平面上铯原子基态两个超精细能级间,在零磁场中跃迁辐射振荡9,192,631,770周所持续的时间。
1️⃣TAI国际原子时
通过对世界各地多台原子钟的数据进行处理后得到的统一时间系统。
起点:00:00 1958/1/1
TAI=UT2-0.0039s
原子时虽然稳定,但缺乏与天文测量关联,并且由于地球自转变慢,原子时与世界时差别变大,故有了下面的协调世界时。
2️⃣UTC协调世界时
计时尺度还是原子时的秒,但引入了跳秒的概念。跳秒可正可负,UTC与UT1之间差距在0.9s内,跳秒通常在每年12月31日或6月30日最后一秒。
UTC时间以零时区为基准,UTC是原子时不是世界时
3.GPS时
GPS时是GPS系统运作的时间基础。GPST的时间基准来自于一系列原子钟的频率测量,因此它本质上是原子时。GPS时起始点定于1980年1月6日0:00:00.
计时单位:秒
时间周期:一星期
即以7x24x3600=604800s为一周期。GPST的秒计数器在每周的周六午夜/周日凌晨清零,同时周计数加1。因此使用GPST时,要给出当前GPST的周计数及秒计数。但是,GPS导航电文里只用10bit来记录星期数,因此每210=1024个星期后,星期计数就会清零
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- 作者:taohu
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