[科普中国]-地面基准导航数据

定义

地面基准导航数据是以地球或指定的局部地面为基准的坐标系所表示的导航数据。1

大地坐标系统大地坐标系统和高程系统是一个国家最基木、最重要的两个大地测量基准，对于经济建设、国防建设和经济社会发展具有重要意义。大地坐标系统是地理坐标之参考基准，高程系统是海拔高之参考基准。大地坐标系统由坐标轴系和一参考椭球定义，由一批地面点的高精度坐标和速度体现;高程系统则由高程零面和一批高程控制点的高程体现。

大地坐标系是一种与地球固连的地球参考系，分为全球坐标系和局部坐标系。全球坐标系的原点与地球质心(简称地心)重合，又称地心坐标系;而局部坐标系的原点偏离地心可达数十米甚至数百米。以往受到测量技术限制，人们不得不采用局部坐标系。进入空间时代以来，地心坐标系兴起并迅速发展，己被许多国家或地区所采用。

新中国成立初期，中国采用了1954年北京坐标系，20世纪90年代又启用了1980西安坐标系。这2个坐标系都是采用常规测量技术建立的局部坐标系，现己不能适应经济社会发展的需要，正逐渐退出历史舞台。经国务院批准，从2008年7月起，中国启用了新一代国家大地坐标系—2000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000, CGCS 2000)。它是一个地心坐标系，其定义和采用的参考椭球符合国际标准，其实现具体表现为大约2500个GNSS大地点(其中包括25个连续运行站)再参考历元2000.0的坐标和速度，坐标精度为厘米级，速度精度一般好于3mm/年。

由一批地面点坐标和速度实现了的坐标系称为参考架。参考架不仅用来维持坐标系，也使坐标系便于使用。为维持坐标系，并使其保持必要的位置服务能力，CGCS 2000的参考架，从长远来看，应由数以万计的高精度空间测量站组成;从近期来看，应至少包括2500个GNSS连续运行站(大约平均每县1个)和部分定期复测站，这些站还应进行水准和重力联测。值得一提的是，一些省市目前己建不少GNSS连续运行站.若部分站给以改造利用，将有助于加强CGCS 2000的参考架。2

其他坐标系（1）机体坐标系(简称b系，xyz轴)一一机体坐标系与载体固连，原点在载体的重心，气轴指向载体的纵轴方向，Z轴指向载体的竖轴方向，X轴指向载体的右侧。机体坐标系相对地理坐标系的方位为载体的姿态角。

（2）计算坐标系(简称c系，xyz轴)一一惯导系统利用自身计算的载体位置来描述导航坐标系时，坐标系因惯导系统有位置误差而产生误差，这种坐标系称为计算坐标系。它是计算机认为的当地地理坐标系，和真实的当地地理坐标系有小角度的误差，一般在描述惯导误差和推导惯导误差方程时有用。

（3）平台坐标系(简称p系，xyz轴)一一原点在载体的重心，它是根据测量和计算需要，用惯性系统模拟的一种基准坐标系。在平台式指北惯导系统中，它指的是平台指向的坐标系，与平台固连，模拟的是地理坐标系。在捷联式惯导系统中，它指的是“数学平台”，通过存储在计算机中的姿态矩阵实现。平台坐标系是用来模拟导航坐标系的，如果平台无误差，指向正确，则这样的平台坐标系称为理想平台坐标系。

（4）导航坐标系(简称n系，xyz轴)一一导航坐标系是惯导系统在求解导航参数时所采用的坐标系。通常，它与系统所在的位置有关。对平台式惯导系统而言理想的平台坐标系就是导航坐标系。例如，指北系统的平台理想指向为地理坐标系，此时，地理坐标系也是指北系统的导航坐标系。对捷联惯导系统来说，导航参数并不在载体坐标系中求解，它必须将加速度计信号分解到某个求解导航参数较为方便的坐标系(对于指北系统来说就是地理坐标系)内，再进行导航计算，此坐标系就是导航坐标系。

一种局部参考坐标系无源时差定位具有精度高、可实时定位、适用性强等优点，有着广泛的应用。

对空间目标，无源时差定位一般需要四个基准站，通过求解时差方程所构成的非线性方程组可以获得目标辐射源的坐标。对位于地球表面的目标，由于可引入地球模型方程，则只需要3个基准站就可以完成定位。一般的求解方法是在地心坐标系下，利用WGS-84地球模型，联立时差方程求解。这是一个非线性方程组，常采用牛顿迭代算法，通过线性化迭代进行定位解的数值计算;迭代初始点则通过简化地球模型为球体，联立时差方程，并求解一次四次方程得到。

但根据牛顿迭代算法的收敛定理，迭代初始点应位于真实点附近，否则容易造成迭代结果发散。但经典算法中求解初始点需要解一个四次方程，而四次方程的求解通常较为繁琐，在实际应用中，当存在时差测量误差时，增加了求解及判断的计算量，有时无法判断或者无解。

曾芳玲等提出一种基于局部参考坐标系下的定位算法，该方法通过坐标变换、近似处理和迭代运算，降低了目标点在三维直角坐标系下未知坐标的维数，从而可按照一般三个基准站计算二维坐标的定位算法完成对目标点的定位，求解与判断较为容易，易于去除增根，从而保证计算结果。仿真结果显示，经迭代运算后，该方法近似处理的影响较小，定位精度可满足应用需求。3