定位技术1 定位基本原理

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Jun 20, 2023

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：

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

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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。

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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

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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