全球定位系统(GPS)是现代导航和定位技术的核心,它依赖于精确的坐标系统和时间系统来确定地球上任何位置的精确地理位置。第二章主要讲解了坐标系统和时间系统的基础概念,这对于理解GPS的工作原理至关重要。
首先,坐标系统是描述点在空间中位置的一种数学工具。坐标可以是笛卡尔坐标系,其中坐标轴相互正交,或者可以是曲线坐标系,适用于更复杂的几何结构。坐标系则是定义这些坐标轴的方向、原点和尺度,是测量和定位的基准。
位置基准是测量或计算其他量的基础,例如天球、赤道面、黄道面和大地水准面在天文学和大地测量学中的应用。坐标参照系则更进一步,它不仅包括坐标系的定义,还涉及到随时间变化的协议、算法和常数,例如地球参照系(TRS)和天球参照系(CRS)。
参考框架是坐标参照系的具体实现,它是一组具有特定坐标和时间演化的点,使得抽象的坐标参照系变得实际可操作。在实际应用中,我们有多种参考框架,如空间固定的坐标系统,适合描述卫星运动,而与地球体固联的坐标系统则便于表达地面观测站的位置。
坐标转换是GPS应用中的关键环节,包括坐标系转换和基准转换。坐标系转换涉及相同坐标基准下的不同坐标系,例如从空间直角坐标到大地坐标。而基准转换则涉及不同基准或参照系之间的转换,例如WGS 84与1954年北京坐标系之间的转换。
在GPS中,通常使用大地坐标系,它基于大地基准,即一系列参数定义的地球参考椭球。这些参数包括椭球的大小、形状、指向、椭球中心位置以及本初子午线。大地坐标系包含大地纬度、大地经度和大地高/椭球高三个坐标。
除了大地坐标系,还有其他地球坐标系的表达形式,如地球参心坐标系、天文坐标系、站心坐标系和高斯平面直角坐标系,它们各自适应不同的测量需求。
最后,天球坐标系用于描述天体位置,而地球坐标系用于描述地表位置。天球坐标系基于地球为球心的假设,以角度表示星体位置,而地球坐标系则用于描述地球表面点的地理位置。两者在用途和表示上存在本质区别。
综上所述,GPS的精确定位离不开对各种坐标系统和时间系统的深入理解和灵活运用。这些概念构成了GPS技术的理论基础,对于理解和应用GPS系统至关重要。