3.5　GPS大地测量和时标

3.5.1　大地测量

3.5.1.1　GPS ECEF坐标系：WGS 84

如2.2.7节所述，卫星导航系统运营商可以运行自己的跟踪网络，建立自己的ECEF坐标系。GPS就属于这种情况。GPS广播轨道和时钟时，所用的ECEF坐标系是美国国防部的1984年世界大地测量系统（WGS 84）[80]。

下面介绍WGS 84的6个版本。最初的WGS 84从1987年1月23日开始用于广播GPS轨道。1994年6月29日开始使用WGS 84（G730），其中G730代表GPS周。WGS 84（G873）于1997年1月29日开始使用，WGS 84（G1150）于2002年1月20日开始使用，WGS 84（G1674）于2012年2月8日开始使用。目前使用的WGS 84（G1762）于2013年10月16日推出。这些坐标系使得WGS 84与2.2.7节介绍的国际地球坐标系（ITRF）非常接近。WGS 84（G1762）和ITRF2008坐标系之间的RMS精度为1cm[80]。

WGS 84的6个版本使得人们混淆了WGS 84与其他坐标系之间的关系，在解释旧参考文献时尤其要注意。例如，最初的WGS 84与1983年的北美基准（NAD83）是一致的[81]，使得人们认为WGS 84和NAD83坐标系是相同的。然而，如上所述，WGS 84（G1762）与ITRF2008是一致的。由于NAD 83偏移ITRF2008约2.2m，因此人们认为NAD 83坐标系和目前的WGS 84版本不同。美国国家大地测量局正在建立一个新坐标系来取代NAD 83。预计这个新坐标系将在2022年使用，且与最新的ITRF一致。

WGS 84还定义了自己的椭球。表3.11中给出了适用于表2.1的坐标转换参数。

应该指出，这个椭球与2.2.7节中描述的GRS 80椭球非常接近，但不完全相同。这些GRS 80和WGS 84椭球的半短轴b只差0.1mm。

GPS CNAV的32型电文传送2.2.2.2节所述的地球方位分量[29]，它支持ECI和ECEF坐标系之间的转换。对大多数地面应用而言，可以求解2.2.2节所述的ECEF中的GPS导航问题。

3.5.2　时间系统

3.5.2.1　GPS系统时

每个SATNAV系统都维护有自己的内部参考时标。对于GPS，这称为GPS系统时（见2.1节）。GPS系统时是基于GPS卫星中的原子钟和各种GPS地面控制段组件的统计处理读数的“纸”时间刻度。GPS系统时是一个连续的时标，不对闰秒进行调整。

3.5.2.2　UTC（USNO）

如2.7.2节所述，每个卫星导航系统都传播UTC的一个具体实现。美国海军天文台（USNO）通过提供基准的UTC定时参考来支持GPS。UTC的这种形式表示为UTC（USNO）。GPS系统时和UTC（USNO）在1980年1月6日0时是一致的。在撰写本文时，GPS系统时要比UTC（USNO）快18s。GPS控制段需要将GPS系统时控制在UTC（USNO）40ns（95%）（模1s）内，但过去15年的实际性能优于2ns（模1s）（自2010年11月以来都小于750ps[82]）。GPS系统时的一个时元以周六/周日午夜及GPS周数经历的秒数来区分，GPS周依序编号，第0周从1980年1月6日0时开始[29]。

接收机上UTC（USNO）的计算如下。

1. 静态用户

由式(2.44)可以看出，如果用户的位置(xu, yu, zu)和卫星星历表(x1, y1, z1)是已知的，那么静态接收机可以通过单个伪距测量值φ1来求解tu。求出tu后，就可将其从接收机时钟时间trcv中减去，得到GPS系统时tE（注意，在2.5节介绍的用户位置解中，GPS系统时被记为Tu，它表示卫星信号到达用户接收机时的瞬时系统时。然而，我们需要表示任何特定时刻的GPS系统时，因此使用参数tE）。

在任何特定的时间，接收机时钟时间可以表示为

trcv=tE+tu

所以

tE=trcv-tu

根据IS-GPS-200[29]和UTC（USNO），tUTC计算如下：

式中，∆tUTC表示整数闰秒数量∆tLS及GPS系统时和UTC（USNO）模1s之差δtA的分数估计[控制段在导航数据电文中提供多项式系数（a0、a1和a2），计算GPS系统时和UTC（USNO）的分数差[29]]。

因此，UTC（USNO）或tUTC可由接收机计算如下：

tUTC=tE-∆tUTC=trcv-tu-∆tUTC=trcv-tu-∆tLS-δtA

2. 移动用户

除了解式(2.44)到式(2.47)求出接收机时钟偏移tu，移动用户也可使用上述方法计算UTC（USNO）。