第一讲GNSS系统概念、组成及应用 第二讲GNSS相关坐标框架及转换 | GNSS(RTK)课程学习笔记day1

2023-12-18 20:43:35

说明：以下笔记来自计算机视觉life吴桐老师课程：从零掌握GNSS、RTK定位[链接]，从零掌握RTKLIB[链接]。非原创！且笔记仅供自身与大家学习使用，无利益目的。

第一讲 GNSS系统概念、组成及应用

GNSS系统概念

  • 全球卫星导航系统Global Navigation Satellite System, GNSS，是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度、以及时间信息的空间无线电导航定位系统
  • GNSS是所有卫星导航定位系统的总称，凡是能通过捕获其卫星信号实现定位的系统，均可纳入GNSS系统的范围
  • GNSS信号是广播式，即只要能收到信号，就可以实现定位，不需要用户和卫星进行交互，GNSS的用户容量是无限的

GNSS系统组成

  1. 空间星座部分
  2. 地面监控部分
  3. 用户设备部分
  4. 不同国家GNSS系统

空间星座部分

在轨运行的GNSS卫星，主要包括太阳能电池板、原子钟、信号生成装置、发射装置
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  • 作用
    • 接收、存储导航电文
    • 生成和发送用于导航定位的信号，测距码、载波等
    • 接收地面指令，进行相应操作

地面监控部分

  1. 监测站：

    • 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站

  2. 主控站：

    • 管理、协调地面监控系统各部分的工作
    • 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星
    • 监控卫星状态，向卫星发送控制指令
    • 卫星维护与异常情况处理

  3. 注入站

    • 将导航电文注入GNSS卫星

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用户部分

  1. 天线

    • 扼流圈天线
    • 蘑菇头天线
    • 螺旋天线
    • 贴片天线
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  2. 接收机

    • 测地型接收机(普通接收机)
    • 测量测绘设备(全站仪等，精度更高)
    • 模块(精度较低)

不同国家GNSS系统

  1. 美国GPS
    • 时间最早
    • 用户最广泛
    • MEO(中地球轨道卫星)
  2. BDS(中国北斗)
    • 三步走：区域服务、全球服务、全球领先服务
    • GEO(地球同步轨道)+IGSO(倾斜地球同步轨道)+MEO(中地球轨道卫星)
    • 北斗短报文
  3. GAL(伽利略导航卫星系统)
    • 轨钟精度高
    • 多次出现星历无效情况，接收设备无法获取或解析有效的星历数据。星历是描述卫星在空间中轨道位置的信息，是进行导航和定位所必需的重要数据。如果接收设备无法获取有效的星历数据，可能导致无法准确计算用户位置的问题
    • MEO(中地球轨道卫星)
  4. GLO(俄罗斯GLONASS)
    • 频分多址，较复杂
    • 精度低
    • MEO(中地球轨道卫星)

卫星高度

  1. LEO低轨卫星
    • 轨道高度400-2000km
    • 速度快
  2. MEO中轨卫星
    • 轨道高度2000km-36000km
    • 速度中等
  3. IGSO倾斜地球同步轨道
    • 轨道高度36000km
    • 速度缓慢
  4. GEO地球静止轨道
    • 轨道高度36000km
    • 静止
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GNSS应用

  1. 导航定位功能
  2. 授时功能
  3. 测量测绘
  4. 灾情预警
  5. 大气监测
  6. 坐标框架

第二讲 GNSS相关坐标框架及转换

坐标系概览及相关关系

  1. 地极：地球自转轴与地球表面的两个交点称为南极和北极，两者统称地极
  2. 赤道面：通过地球质心(地心)O与地球自转轴垂直的平面
  3. 子午面：赤道面与地球表面相交的大圆称为赤道，包含地球自转轴的任何一个平面为子午面
  4. 子午圈：子午面与地球表面相交的大圆称为子午圈，而时圈是以南极和北极为端点的半个子午圈
  5. 黄道：地球既有自转也有公转，地球绕太阳公转的轨道平面与地球表面相交的大圆，在地球上观测，黄道是太阳相对于地球做的运动轨道在地球表面上的投影
  6. 黄极：黄道面与赤道面之间约23.5°的夹角称为黄赤夹角，而通过地心且与黄面垂直的直线与地球表面的两个交点分别称为南黄极和北黄极
  7. 春分点：黄道与赤道也有两个交点，其中当太阳的投影沿着黄道从地球的南半球向北半球运动时与赤道的那个交点称为春分点。因为从地心到春分点的方向并不随地球的自转或公转而发生变化，所以春分点成为在天文学和大地测量学中的一个重要空间基准点

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天球坐标系(惯性坐标系)

在空间保持静止或匀速直线运动(无加速度)称为惯性坐标系，一个常用的坐标系如上图所示，其中坐标中心建立在地球质心点O，为地心直角惯性坐标系(X1, Y1, Z1)，简称地心惯性坐标系(Earth Centered Inertial, ECI)，该坐标系以指向北极的地球自转轴为Z轴，X轴指向春分点，然后X、Y、Z三轴构成右手直角坐标系

但是，上述惯性坐标系并没有满足能成为惯性坐标系的条件：

  1. 地球及其质心都在围绕太阳做非匀速直线运动
  2. 地球自转周在空间的方向并不是固定不变的，而是存在一种非常复杂的运动

那么为什么要将地心坐标系看作惯性坐标系：因为GNSS卫星轨道在惯性系中服从牛顿运动定律和万有引力定律，所以在地心惯性系中描述卫星运行轨道相当方便

岁差与章动

地球自转轴的方向在空间的运动通常可以大致被描述为两种运动的叠加
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  1. 地球自转轴绕北黄极做缓慢的旋转
    • 从北黄极上方观察，地球北极在空间的运动轨迹是一个近似于以北黄极为中心、顺时针方向旋转的圆周，圆周半径等于黄赤交角乘以地球半径旋转周期大约为258000年，伴随地球自转轴的这种旋转运动一起发生的是天文学的岁差现象，即春分点沿着黄道缓慢地向西移动
  2. 在绕北黄极做圆周旋转的同时，地球自转轴还存在一种称为章动的局部小幅旋转
    • 在岁差现象的任一片段，北极在章动的影响下沿顺时针方向做周期约为18.6年的转动，转动的轨迹接近于小椭圆，椭圆长半径约为9.2*地球半径

这样以上万年的周期来看，地球北极绕北黄极做大圆周运动，而从几年的短期来看，北极又在某一点做局部的小幅椭圆运动。

地球自转轴这种复杂运动主要由密度不均匀且赤道降起的地球在日、月引力共同作用下引起的结果，其中以月球的引力影响最大，如果地球是一个均质的正圆球体，那么地球自转轴就不存在以上的岁差和章动现象

由于在岁差和章动的影响下，瞬时天球坐标系的坐标轴的指向在不断的变化。在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律来研究卫星的运动规律。为了建立一个惯性坐标系想接近的坐标系，通常选择某一时刻为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴(指向北极)和地心至瞬时春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分别作为z轴和x轴的指向。由此所构成的空间固定坐标系，称为协议天球坐标系(其实感觉就是地心惯性坐标系)

地球坐标系

我们在惯性系中描述卫星运动，但惯性系随着地球自转而变化，这对于我们描述地面上的物体带来极大的不便。与惯性坐标系不同，地球坐标系固定在地球上随地球一起在空间做公转和自转运动，所以它又称地固坐标系，一般我们将坐标原点选择为地心，所以又称为地心地固坐标系(Earth Centered Earth Fixed, ECEF)
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地心地固直角坐标系

地心地固坐标系通常以地心O作为坐标原点，其Z轴指向地球北极，X轴指向英国伦敦处的格林尼治子午面与地球赤道的交点，而X、Y和Z轴一起构成右手直角坐标系

极移与协议地极

地心地固坐标系的Z轴与地球自转轴重合并指向北极，然而地球自转轴相对于地球并不是固定的，事实上地球南北极点在地球表面以每年几米的速度大致沿一个半径约十几米的小圆移动，这种现象称为极移

我们日常接触到的GNSS系统都是采用的协议地球坐标系，而不是无数个不同瞬间的非协议坐标系，所以我们以后只考虑协议地球坐标系并且在不引起混淆的情况下，我们通常省略“协议”二字

卫星导航空间直角坐标系
  • WGS-84直角坐标系GPS
    • 坐标原点O位于地球质心
    • Z轴指向国际时间局(BIH)所定义的、编号为1984.0的协议地球北极
    • X轴指向WGS-84参考子午面与平均天文赤道面的交点，其中WGS-84参考子午面并行与BIH所定义的零子午面
    • Y轴的建立使此XYZ坐标系满足右手坐标系
  • CGCS2000(2000国家大地坐标系)
    • 坐标系原点O位于地球质心
    • Z轴指向IERS参考极方向
    • X轴为IERS参考子午面与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线
    • Y轴的建立使得此XYZ直角坐标系满足右手坐标系
    • 2000国家大地坐标系以ITRF97参考框架为基准，参考框架历元。ITRF是国际地球自转及参考系统服务IERS负责建立、维持的一个地心直角坐标系，它是国际公认的全球参考框架。由于ITRF的基准站考虑地球板块和潮汐等这些所时间变化的影响因素，因而ITRF会不断更新

大地坐标系

  • 地心地固直角坐标系及其相应的大地坐标系均为地球坐标系

  • 大地坐标系可以说是一个最为广泛应用的地球坐标系，它通过给出一点的大地纬度、大地经度和大地高度而更加直观地告诉我们在地球中的位置，故其又称纬经高(LLA)坐标系

  • 以后的经度、纬度、高度一般都称在大地坐标系下

  • 为了给出高度值，大地坐标系首先需要定义一个与地球几何最吻合的椭球体来代替表面凹凸不平的地球，这个椭球体被称为基准椭球体

  • 如下图所示，基准球体的长半径长a，短半径长b，并呈以短轴为中心的旋转对称
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  • 建立了基准椭球体，我们就可以定义大地坐标系的各个坐标分量。如上图中，假设点P在大地坐标系中的坐标记为(φ，λ, h)

    • 大地纬度φ是过P点的基准球面法线与道面(地心地固直角坐标系X-Y平面)之间的夹角，值在-90°到90°之间，赤道面以北为正，以南为负，例如φ=-30°为南纬30°
    • 大地经度λ是通过P点的子午面与格林尼治参考子面之间的夹角，经度值在-180°到180°之间(或者0到360°之间)，格林尼治子午面以东为正，以西为负，例如λ=-90°和东经270°都表示同一个经度位置
    • 大地高度h是从P点到基准球面的法线距离，基准球面以外为正，以内为负

站心坐标系/当地水平坐标系

站心坐标系以某用户接收机在某时所处的位置点P为坐标原点，三个坐标轴分别是相互垂直的东向、北向和天向，因而站心坐标系又称东北天ENU坐标系。(也有使用北东地NED作为当地水平坐标系)
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文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_66706867/article/details/135069293
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