坐标系統和時間系統是描述衛星運動、處理觀測資料和表達觀測站位置的數學與實體基礎。
如何描述衛星位置？
天球坐标系：天球坐标系是一種慣性坐标系，其坐标原點和各坐标軸的指向在空間中保持不動，可較友善地描述衛星的運作位置和狀态。
地球坐标系：地球坐标系可用來描述衛星和地面測站的相對位置。
天球的基本概念：
天球：以地心為球心，以任意長為半徑的球面。
天軸：地球旋轉軸。
天極：天軸與天球面的交點。
天球赤道面：過球心且與天軸垂直的平面。
黃道面：地球公轉軌道所在平面，與赤道面夾角為23.5°。
春分點：太陽從南半球像北半球運作時，黃道與赤道的交點。
黃極：垂直于黃道面的直線與天球表面的交點。
天球坐标系的定義及轉換
1）天球空間直角坐标系
原點：地球品質的中心。
Z軸：指向北天極Pn。
X軸：指向春分點。
Y軸：與X、Z軸構成右手坐标系。
2）天球球面坐标系
原點：地球品質中心。
赤經α：天體子午面與春分點子午面的夾角。
赤緯δ：天體與地心連線和天球赤道面的夾角。
向經r：天體到地心的距離。
3）空間直角坐标系與球面直角坐标系的轉換
歲差與章動
産生原因：地球形狀接近于一個兩極扁平赤道隆起的橢球體，是以在日月及其他天體的作用力下，地球在繞太陽運作時，其自轉軸方向并不保持恒定，而是繞着北黃極緩慢地旋轉。
表象：地球自轉軸的這種旋轉運動，使地球繞太陽的狀态，像一隻巨大的陀螺。
結果：天機指向發生了變化。
天文學中把天極的運動分解為：
歲差——長周期
章動——短周期
真天極：天機的瞬時位置
平北天極：扣除章動影響後的天機稱為平天極。
歲差：平北天極以北黃極為中心，以黃赤交角為半徑的一種順時針圓周運動。
章動：指真北天極繞平北天極所作的順時針橢圓運動。
地球坐标系的概念
地球坐标系常用的由空間直角坐标系和大地坐标系兩種。
空間直角坐标系：
原點：一般取地球質心
Z軸：指向地球北極。
X軸：指向格林威治子午線與地球赤道的交點。
Y軸：構成右手坐标系。
大地坐标系：
大地經度L；
大地次元B；
大地高H。
空間直角坐标系與大地坐标系的轉換
衛星測量中常用坐标系
瞬時天球坐标系和地球坐标系
瞬時極天球坐标系：Z軸指向瞬時北天極，X軸指向瞬時春分點，原點位于地球質心。
瞬時極地球坐标系：Z軸指向瞬時地球自轉軸方向，X指向瞬時赤道面和包含瞬時地球自轉軸與平均天文台赤道參考點的子午面之交點，Y軸構成右手坐标系。
WGS—84坐标系和我國的大地坐标系
WGS—84世界大地坐标系
GPS定位測量中所采用的協定地球坐标系稱
為WGS-84世界大地坐标系（WorldGeodetic
System）。
該坐标系由美國國防部研制，自1987年1月
10日開始起用。
WGS—84坐标系的原點為地球質心M；
Z軸指向BIH1984.0定義的協定地極(CTP—ConventionalTerrestrialPole)；
X軸指向BIH1984.0定義的零子午面與CTP相
應的赤道的交點；
Y軸垂直于XMZ平面，且與Z、X軸構成右手系。
四個基本常數：
目前我國常用的兩個國家坐标系——1954年北京坐标系和1980年西安坐标系，均是參心坐标系。
2000國家大地坐标系
原點：地心。
Z軸：指向國際地球旋轉局（IERS）參考極（IPR）方向
X軸：指向IERS的參考子午面（IRM）與垂直于Z軸的赤道面的交線
Y軸于Z軸和X軸構成右手正交坐标系。
基本常數：
三維坐标轉換模型
如果有兩三維空間直角坐标系有下圖所示關系：
1.其坐标系原點不一緻，存在三個偏移量ΔX0、ΔY0、ΔZ0；
2.并且通常各坐标軸之間互相不平行，對應的坐标軸之間存在三個微小的旋轉角εx、εy、εz；
3.兩個坐标軸的尺度也不一緻，設一個坐标系的尺度是1，則另一個的尺度是1+m；
坐标轉換模型應用最廣的是7參數模型，主要有布爾莎模型和莫洛金斯基模型。
布爾莎模型
任意點P在兩坐标系中的坐标有如下關系：
莫洛金斯基模型
在兩個坐标系中，如果認為，受尺度和旋轉影響的知識任意點Pi與某一參考點Pk的坐标差，則有如下關系：
三維坐标差轉換模型
GPS相對定位的基線常量通常是以三維坐标差的形式表示，按照上述布爾莎模型列出兩個點的坐标轉換方程，将兩式相減，就得到兩點間的三維坐标差的轉換模型為:
由于坐标差與平移參數無關，是以，三維坐标差中僅包含三個旋轉參數和一個尺度參數，且由以上任何一個7參數轉換模型得到的坐标轉換模型完全相同。
聯合平差确定轉換參數
無論利用哪種坐标轉換模型，均必須已知相應的轉換參數。如果不知道兩個坐标系之間的轉換參數，則需要根據兩坐标系在共同點的坐标（X，Y，Z）iS和（X，Y，Z）iT（i=1，2，3.。。。），代入轉換模型反求兩個坐标系間的轉換參數，然後利用所求得的轉換參數再代回到模型中對另一部分點進行坐标轉換。一般用聯合平差方法求轉換參數。
可以将布爾莎轉換模型寫成如下形式：
要确定7個參數，至少需要同時知道三個公共點在兩個坐标系的坐标值，利用最小而成對參數T進行求解。
時間系統
時間系統的基本概念：
時刻：是指發生某一現象的瞬間。在天文學和衛星定位中，所擷取的資料對應的時刻也稱曆元。
時間間隔：指發生某一現象所經曆的過程，是這一過程始末的時間之差。時間間隔測量稱為相對時間測量。
時間系統的分類:
以地球自轉為基礎：
平太陽時,恒星時，世界時；以觀測者的子午線為基準的時間，用天球上某些真實的或假象的參考點的時角來計量。
與觀測者的子午線有關，具有地方性，不科學，因為地球自轉越來越慢；
以物質内部原子運動的特征為基礎的原子系統：
原子時ATI、協調世界時、GPS時間系統
恒星時ST：以春分點為參考點，由春分點的周日視運動所确定的時間為恒星時。
平太陽時MT：假設一個參考點的視運動速度等于真太陽周年運動的平均速度，且在天球赤道上作周年視運動，這個假設的參考點在天文學中稱為平太陽。平太陽連續兩次經過本地子午圈的時間間隔為一平太陽時，包含24個平太陽時。平太陽時也具有地方性，常稱為地方平太陽時或地方平時。
世界時UT：以平子夜為零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時。在GPS測量中，主要用于天球坐标系和地球坐标系之間的計算。
原子時AT：
協調世界時UTC：
GPS時間系統GPST
為精密導航和測量需要，全球定位系統建立了專用的時間系統，由GPS主要站的原子鐘控制。GPS時屬于原子時系統，秒長與原子時相同，但與國際原子時的原點不同，，0即GPST與IAT在任一瞬間均有一常量偏差。IAT-GPST=19s。