一、引述

衛(wèi)星導(dǎo)航空間位置坐標(biāo)系統(tǒng)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，精確統(tǒng)一的空間基準(zhǔn)是準(zhǔn)確描述導(dǎo)航衛(wèi)星和用戶接收機(jī)位置的基礎(chǔ)，也是應(yīng)用衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理、構(gòu)建衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)前提。

1、參考系

物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)無處不在，如銀河系中恒星的運(yùn)動(dòng)、太陽系中行星和衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)及其軌道運(yùn)動(dòng)、地球的自轉(zhuǎn)和極移、航天器在地球附近或太陽系中的運(yùn)動(dòng)以及地球的板塊運(yùn)動(dòng)等。這些天體或地球上的點(diǎn)在空間的位置和運(yùn)動(dòng)，必須相對(duì)于某個(gè)參照物來描述，這樣的參照物就是參考系。參考系通常包括：一套理論和數(shù)據(jù)處理方法；一組模型和常數(shù)；一個(gè)對(duì)應(yīng)的參考架。描述不同物體的運(yùn)動(dòng)一般都選擇不同的參考系。

目前，國際地球自轉(zhuǎn)和參考服務(wù)（IERS， International Earth Rotation and Reference System Service）組織定義的通用國際地球參考系（ITRS，International Terrestrial Reference System）包括：ITRS 的地球參考架即國際地球參考架（ITRF International Terrestrial Reference Frame）；確定該參考架所采用的一組模型常數(shù)，即IERS 規(guī)范；確定該參考架參考點(diǎn)坐標(biāo)值的一套理論和數(shù)據(jù)處理方法。

2、坐標(biāo)系

坐標(biāo)系是與參考系對(duì)應(yīng)的，是用于描述物體位置、運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)的一種數(shù)學(xué)工具。坐標(biāo)系的定義包括三個(gè)要素：坐標(biāo)原點(diǎn)的位置、坐標(biāo)軸的指向、坐標(biāo)尺度。坐標(biāo)系是理論定義的，因而沒有誤差可言。盡管參考系與坐標(biāo)系在概念上有所區(qū)別，但在不引起誤解的情況下，一般混用參考系與坐標(biāo)系。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建立、維護(hù)和應(yīng)用中涉及多種坐標(biāo)系統(tǒng)，通常包括地心參考系統(tǒng)（也稱地球參考系統(tǒng)）、參心坐標(biāo)系統(tǒng)和相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)。地心參考系統(tǒng)即上述提到的IERS的通用國際地球參考系（ITRS），ITRS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite Systems）的關(guān)鍵坐標(biāo)系統(tǒng)，用以GNSS建立、維護(hù)、用戶定位導(dǎo)航計(jì)算。ITRS應(yīng)符合下表1-2-1所述的8項(xiàng)要求。

表 1-2-1：國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）的基本規(guī)定

根據(jù)上表對(duì)地心坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行定義及要求后，通過建立大地坐標(biāo)參考框架（ITRF）實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系統(tǒng)。一般采用常規(guī)大地測(cè)量、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、甚長基線干涉（VLBI）、人造衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）、激光測(cè)月（LLR）、星上多普勒定軌和無線電定位系統(tǒng)（DORIS）、重力測(cè)量或者其它技術(shù)手段獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理建立大地坐標(biāo)參考框架（ITRF）。目前，國際上的主要全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）所用的地心坐標(biāo)系統(tǒng)情況匯總于下表1-2-2中。其中包括我國自行建立的、由北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)所使用的大地坐標(biāo)系統(tǒng)2000（CGCS2000）、美國GPS系統(tǒng)使用的WGS84（Gwwww）坐標(biāo)系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)使用的PZ90坐標(biāo)系等。

表1-2-2：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）主要的地心坐標(biāo)系統(tǒng)

二、中國大地坐標(biāo)系統(tǒng)2000（CGCS2000）介紹

1、定義

我國于2008年7月1日起正式啟用的地心參考系統(tǒng)，命名為2000中國大地坐標(biāo)系統(tǒng)，簡稱CGCS2000，英文名稱：China Geodetic Coordinate System 2000。在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 22021-2008《國家大地測(cè)量基本技術(shù)規(guī)定》、GB/T 30288-2013《衛(wèi)星導(dǎo)航定位坐標(biāo)系統(tǒng)》和GB/T 39787-2021《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)》中對(duì)“2000中國大地坐標(biāo)系統(tǒng)”都給出了具體的定義，請(qǐng)?jiān)斠娤卤?/span>2-1中，雖然各自具體表述不近相同，但可有助其的理解。

表 2-1：“2000中國大地坐標(biāo)系統(tǒng)”的定義

在理解其定義時(shí)，應(yīng)結(jié)合國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）的基本規(guī)定（見表 1-2-1）。關(guān)鍵時(shí)軸長、定向、尺度、定向時(shí)間演變等概念。

2、參考框架

CGCS2000 是通過我國GNSS 連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站、空間大地控制網(wǎng)以及天文大地網(wǎng)與空間大地網(wǎng)聯(lián)合平差建立的地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)，是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS） 所采用的大地坐標(biāo)系。CGCS2000 以ITRF 97 參考框架為基準(zhǔn)，參考框架歷元為J 2000.0。下圖2-2為2000中國大地坐標(biāo)系的結(jié)構(gòu)圖。

圖 2-2：2000中國大地坐標(biāo)系的橢球結(jié)構(gòu)圖

CGCS2000 由框架網(wǎng)和加密網(wǎng)組成。CGCS2000 框架網(wǎng)由約2 600 個(gè)2 000 國家GPS 大地控制網(wǎng)三維大地控制點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)構(gòu)成，其點(diǎn)位精度約為±3 cm。CGCS2000 加密網(wǎng)由約5 萬個(gè)控制點(diǎn)構(gòu)成，三維點(diǎn)位誤差約為±0.3 m。CGCS2000 的維持主要依靠連續(xù)運(yùn)行GNSS 基準(zhǔn)站，坐標(biāo)精度為毫米級(jí)，速度精度為±1 mm/a。

3、大地測(cè)量常數(shù)

CGCS2000大地測(cè)量常數(shù)包括大地測(cè)量地球橢球基本常數(shù)和地球橢球主要幾何及物理常數(shù)，具體數(shù)值詳見下表2-3。注意：大地測(cè)量基本地球橢球基本常數(shù)采用無潮汐系統(tǒng)。

表 2-3：GCS2000大地測(cè)量常數(shù)

提示：在表1-2-2中的其它地心坐標(biāo)系統(tǒng)，及參心坐標(biāo)系統(tǒng)和相對(duì)獨(dú)立的平面坐標(biāo)系統(tǒng)，的基本概念及相關(guān)要求，在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30288《衛(wèi)星導(dǎo)航定位坐標(biāo)系統(tǒng)》中均由介紹。若要詳細(xì)了解的請(qǐng)查閱該標(biāo)準(zhǔn)，即見下附件2。

附件 2：GB/T 30288-2013《衛(wèi)星導(dǎo)航定位坐標(biāo)系統(tǒng)》

三、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)坐標(biāo)系

1、概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系稱為北斗坐標(biāo)系（BDCS，BeiDou Coordinate System），在 GB/T 39787-2021《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)》中指出：BDCS的定義符合國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS）規(guī)范，與CGCS2000的定義一致，也即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）采用的是大地坐標(biāo)系。鑒于此，下述簡要介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)坐標(biāo)系的內(nèi)容，若要詳細(xì)了解該標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容的請(qǐng)查閱下附件3。

附件 3：GB/T 39787-2021《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航坐標(biāo)系統(tǒng)》

2、橢球參數(shù)

BDCS 參考橢球與CGCS2000 參考橢球一致，其幾何中心與BDCS 的原點(diǎn)重合，旋轉(zhuǎn)軸與BDCS 的Z 軸一致。BDCS 參考橢球也是表面為正常重力場(chǎng)的等位面的正常橢球，由四個(gè)常數(shù)（長半軸α、包含大氣的地球引力常數(shù)μ（也可用GM表示）、扁率f、地球自轉(zhuǎn)角速度ω）定義（其數(shù)值見表2-3），其中，幾何常數(shù)和物理常數(shù)導(dǎo)出公式及數(shù)值應(yīng)符合GB/T 39787標(biāo)準(zhǔn)附錄A 和附錄B的要求。另外，在GB/T 39787標(biāo)準(zhǔn)中除了給出四個(gè)定義常數(shù)外，還給出了3個(gè)特殊應(yīng)用常數(shù)和4個(gè)其它常數(shù)。上述這些常數(shù)的數(shù)值請(qǐng)?jiān)斠姌?biāo)準(zhǔn)原文，即見本文附件3。

3、相關(guān)主要模型及參數(shù)

BDCS宜采用IERS推薦的相關(guān)模型及參數(shù)，其模型種類與名稱詳見下表3-3。

表 3-3：IERS推薦的相關(guān)模型

4、BDCS實(shí)現(xiàn)要求

北斗坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)采用專用的軟件、算法和模型通過處理分布在全球的北斗參考站觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲得北斗參考站高精度的坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)過程應(yīng)符合北斗參考站、觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理等要求。GB/T 39787標(biāo)準(zhǔn)中給出了北斗參考站、觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的具體要求。

5、北斗參考框架的維持與更新要求

北斗參考框架維持是指對(duì)構(gòu)建的全球網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析北斗參考站坐標(biāo)時(shí)間序列，研究坐標(biāo)變化規(guī)律，獲得精確的北斗參考站速度，并對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行修正。北斗參考框架更新是指通過對(duì)歷年北斗參考站數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得對(duì)準(zhǔn)于最新的ITRF 框架的北斗參考站坐標(biāo)及其速度。GB/T 39787標(biāo)準(zhǔn)中給出了北斗參考框架的維持與更新的具體要求。

另外，在GB/T 39787標(biāo)準(zhǔn)中，同時(shí)給出了BDCS與表 1-2-2中所列的其它地心坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換規(guī)定，如GPS使用的WGS84、GLONASS使用的PZ90等。

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