WGS84坐標框架與我國BDS坐標框架的建設

曾安敏，明 鋒，景一帆

WGS84坐標框架與我國BDS坐標框架的建設

曾安敏1，2，3，明 鋒1，景一帆1

(1.信息工程大學 地理空間信息學院，鄭州 450052；2.地理信息工程國家重點實驗室，西安 710054； 3.西安測繪研究所，西安 710054)

針對衛星導航系統所使用坐標框架的建設問題，討論了美國GPS和我國BDS衛星導航系統所使用的坐標框架建設與更新現狀，并對我國BDS監測站坐標框架的建設提出了一些建議。首先介紹了GPS系統所使用的WGS84的定義及參考橢球常數的演化，系統討論了WGS84坐標框架的5次精化實現，然后分析了我國衛星導航系統采用的坐標系統現狀：試驗系統使用參心坐標系統——54坐標系統、區域系統規定使用CGCS2000系統，并對區域系統的監測站坐標的初次實現進行了詳細闡述，指出其實現并不嚴格屬于CGCS2000系統，最后對BDS的基準站建設、聯測、數據處理等問題探討，并提出了一些建議。

衛星導航系統；坐標框架；WGS84；CGCS2000

0 引言

坐標系統及其實現是衛星導航系統大地基準的最基本元素，對衛星導航系統至關重要，每個衛星導航系統都有其坐標系統，其定義包括原點、尺度和定向及演化，其實現由該衛星導航系統的地面監測站在參考歷元的坐標(和速度)來體現。其高精度、穩定的坐標系統及其框架為衛星星歷(包括廣播星歷，精密星歷可能采用新的框架)提供基準，是實現衛星導航系統所有基本服務和產品的基礎[1]。為此，每個衛星導航系統都非常重視其所使用的坐標框架的建設，通過不斷維持與更新，使其坐標精度更高，具有更好的現時性，如全球定位系統(global positioning system， GPS)使用的WGS84[2]已經過了5次更新、格洛納斯衛星導航系統(global navigation satellite system,GLONASS)使用的PZ-90[3]已經過了3次更新、伽利略衛星導航系統(Galileo navigation satellite system，Galileo)使用的GTRF[4]也經過了4次更新。

我國的北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system， BDS)，按照“先區域、后全球”的總體思路分步實施，采取“三步走”的發展戰略[5]。第一步，2000年建成BDS試驗系統；第二步，2012年建成BDS(區域)系統；第三步，2020年全面建成BDS。同樣，我國的BDS建設也非常重視其坐標系統的建設。由于BDS在不同時期采用了不同的技術體制，在不同階段使用了與之相適應的坐標系統，現階段采用中國國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)5]。隨著技術的發展，也可能使用(或重新定義)新的坐標框架。關于我國BDS使用的坐標系統建設，文獻[1]建議使用北斗專用坐標系統。

GPS是建設最早的全球衛星導航系統(global navigation satellite system， GNSS)，其使用的WGS84也經過了多次更新，其為我國的BDS坐標框架的建設提供了很好的借鑒。本文首先詳細分析了GPS所使用的坐標框架的建設情況，然后介紹了我國北斗衛星導航系統所使用坐標系統的現狀，接著從基準站建設、聯測、數據處理等方面對BDS坐標框架建設進行了探討。

1 GPS所使用坐標系WGS84的發展

1.1 WGS84的定義與橢球常數的演化

WGS84的定義與國際地球參考系(international terrestrial reference system，ITRS)一致[6-9],即原點為包括陸地、海洋和大氣地球質量中心；定向為初始值是由國際時間局(Bureau International de l'Heure，BIH)給出的1984.0的方向；定向的時間演化為保證相對地殼不產生殘余的全球旋轉；長度為引力相對意義下的m。

WGS84的橢球常數經過幾次優化。開始，WGS84采用的橢球基本常數為a、GM、C2,0、ω，與國際GRS80橢球基本常數[10](a、GM、J2、ω)并不一致。由于WGS84的C2,0導出的f與GRS80導出的f有輕微差異(這是WGS84定義的橢球與GRS80橢球的主要差異)，1993年GM、C2,0被精化。1994年，基于美國國家制圖局(Defense Mapping Agency，DMA)的推薦，GPS操作控制中心(operational control segment，OCS)決定采用新的GM值和ω值GM=(3 986 004.418±0.008)×108m3/s2，ω=7 292 115×10-11rad/s，用這新的GM值計算的軌道與WGS84原先使用的GM值估計的軌道在徑向方向差1.3 m，這一改變將引起用戶接收機所計算的廣播星歷變化，進而引起用戶位置的變化。由于用戶接收機眾多，涉及坐標的軟件也多，修改量非常大，可操作性不強，為了避免精度的損失，在用戶接收機和OCS的廣播星歷擬合中(包括GPS的接口控制文檔中)繼續保留GM的初始值3 986 005×108m3/s2，而在衛星精密軌道估計中采用新的GM值[2]。

表1 橢球基本常數

表2 WGS84坐標框架不同時期實現

1.2 WGS84坐標框架的實現

WGS84坐標框架是由一組分布在全球的地面監測站的坐標來實現，WGS84從建立到現在，已經經過了5次基準實現(見表2)，1984年進行了初始實現，1994年進行了第一次更新，1997年進行了第二次更新，2002年進行了第三次更新，2012年進行了第四次更新。

1.2.1 WGS84坐標框架的初始實現WGS84(orignal)

早期的GPS的監測站是由美國空軍負責的5個監測站和DMA負責的5個監測站組成。由于這10個監測站的坐標是由美國的海軍導航衛星系統(navy navigation satellite system，NNSS)和子午儀衛星導航系統(Transit navigation satellite system，TRANSIT)數據處理得到的，TRANSIT系統的星歷采用的參考系統為NSWC 9Z-2，為了使WGS84坐標框架與BIH的BTS框架(1984.0)相一致(原點、尺度和定向)，對由TRANSIT系統計算NSWC 9Z-2參考系統的10個監測站坐標進行調整，站坐標與BTS的符合度在1～2 m，這10個監測站經調整后的坐標作為WGS84的最初實現，并于1987年1月正式使用[2]。

1.2.2 WGS84坐標框架的第一次更新WGS84(G730)

1994年秋，基于DMA的推薦，GPS操作控制中心采用了IERS新的GM值，用這新的GM值計算的軌道與WGS84原先使用的GM值估計的軌道在徑向方向差1.3 m。此外，1988年-1994年間的大量科學研究表明，用多普勒數據和GPS數據計算的同一點坐標存在一定的系統偏差。為了消除這一系統偏差，建立一個與ITRF相一致的WGS84坐標框架，DMA選擇了24個國際GPS服務組織(international GPS service，IGS)站數據與GPS的10個監測站數據進行聯合處理，把其中8個IGS站的坐標約束到ITRF92框架下，利用NNR-NUVEL1板塊運動模型將測站坐標歸算到歷元1994.0，獲得了這10個監測站的地心坐標，其與ITRF92的一致性達到10 cm，精化后的WGS84坐標框架稱為WGS84(G730)，于1994-06-29正式被GPS操作控制中心使用[2]。

1.2.3 WGS84坐標框架的第二次更新WGS84(G873)

1995年，由于DMA在北京和華盛頓增加了兩個監測站、位于澳大利亞的監測站站址進行了變更、位于英國的監測站的天線進行了更換，為了維持WGS84坐標框架的精度，DMA決定重新處理這12個監測站數據，選擇了18個IGS站數據與這12個監測站數據聯合處理，把其中13個IGS站的坐標約束到ITRF94框架下，同時利用NNR-NUVEL1板塊運動模型將測站坐標歸算到歷元1997.0，獲得了這12個監測站的地心坐標，這次精化后的坐標與ITRF94的一致性達到5cm，WGS84坐標框架的精度得到了很大提高，精化后的WGS84坐標框架稱為WGS84(G873) ，于1997-01-29被GPS操作控制中心正式使用。

1.2.4 WGS84坐標框架的第三次更新WGS84(G1150)

2001年，美國國家影像與制圖局(National Imagery and Mapping Agency，NIMA)用它管轄的11個GPS永久性追蹤站，美國空軍(Air Force，AF)的5個GPS永久性追蹤站，IGS的2個站(美國Maspalomas和中國北京房山)，以及美軍空軍基地的8個站，共計26個站進行了聯合處理。為了維持WGS84坐標框架的現時性，把IGS的49個站作為控制點，坐標約束到ITRF2000框架，歷元2001.0。計算時，上述49個IGS站中6個站精度略差(其中5個的先驗誤差取為±10 cm，1個取為±1 cm)，其他43個站的坐標先驗誤差取為±0.1 cm，采用NIMA精密星歷進行計算，18個GPS站平差后點位精度優于±1 cm，精化后的WGS84稱為WGS84(G1150)[11]，2002年1月20日被GPS的操作控制中心正式使用[12]。

1.2.5 WGS84第四次更新WGS84 (G1674)

2010年5月，新的國際地球坐標框架ITRF2008發布，由于采用了新的絕對天線相位中心，一些監測站站址進行了變更，為了維持WGS84坐標框架現時性，NGA采用 軟件GRAPE V4.3重新平差計算了WGS84所有基準站的坐標。為了與ITRF2008更加靠攏，除了巴林(Bahrain)和韓國的兩個站外，其它NGA站都采用ITRF2008框架[13]的坐標值(坐標約束到ITRF2008(2005．0))，余下的站施加1.5 m的先驗約束，所有監測站的速度都采用這些站點(或周圍站)的ITRF2008速度，平差后點位精度優于±1 cm，精化后的WGS84稱為WGS84(G1674)[14]，2012年2月8日正式被GPS操作控制中心使用。此外，考慮到地殼板塊運動的影響，在GPS廣播星歷生成中，每年6月利用站速度更新監測站的坐標，以消除板塊運動的影響。同時要求，在有地震等特殊情況下，應實時更新監測站坐標。

2 我國衛星導航系統坐標系統的現狀

2000年，我國初步建成了BDS試驗系統，2012年建成了BDS(區域)系統。這兩個階段采用了不同技術體制，受當時技術條件限制，其在不同階段采用了與之相適應的坐標系統及其框架。

2.1 BDS試驗系統所使用的坐標系統

基于其特殊的技術體制，BDS試驗系統宣稱使用1954年北京坐標系。地面運控系統確定的衛星軌道參數的坐標系統是由其監測站坐標所體現的坐標系決定的。由于試驗系統的監測站坐標屬于DX-2系統，則由此坐標確定的軌道參數坐標系統也應該屬于DX-2系統，進而所確定用戶接收機的位置也應該屬于DX-2系統。關于DX-2系統的已有系統研究，其本質僅為一套坐標轉換參數。另一方面，由于BDS試驗系統使用衛星無線電定位系統(radio determination satellite service，RDSS)定位模式,空間段僅兩顆地球同步軌道衛星，要計算用戶的位置，必須要知道用戶處的高程信息，而用戶高程信息由地面高程模型提供，高程模型使用的高程系統為1985高程系統，地面高程模型是與地面坐標相聯系的，而地面坐標使用的是1954年北京坐標系。如此，接收機用戶所獲得的位置信息的坐標系統是DX-2系統的星歷數據與1954年北京坐標系統和1985高程系統的地面高程模型所確定的綜合結果。準確地說，BDS試驗系統所使用坐標系很難說是哪一個具體的坐標系統[15]。由于基于RDSS模式的BDS試驗系統的導航定位精度并不是非常高，這種坐標系統狀態對精度要求不高的導航用戶的影響并不大。

2.2 BDS(區域)系統所使用的坐標系統

根據接口控制文件(interface control document, ICD)[6],BDS(區域)系統使用的坐標系統為中國國家大地坐標系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)，其定義與國際地球參考系一致(ITRS)一致，其參考橢球常數定義為：a=6 378 137 m、GM=3.986 004 418×1014m3·s-2、ω=7.292 115 0×10-5rad·s-1、J2=1.082 629 832 258×10-3(與f=1∶198.257 222 101所給定的有效位是一致的)，其a、f、ω與GRS80橢球一致，其GM與WGS84橢球一致[7-9]。

BDS(區域)系統的地面監測站為：北京、成都、喀什、烏魯木齊、哈爾濱、汕頭和三亞(計劃增加拉薩站)。在2007年至2009年期間完成了第一次GPS觀測，采用單臺接收機逐站觀測方式進行觀測，每站觀測若干時段，每個時段觀測約11 h。通過與周圍的4-6個基準站(IGS站或CMONOC站)的同步觀測聯合處理獲得基線成果，固定IGS站/CMONOC站在ITRF2000框架下的坐標獲得地面監測站的坐標。計算分析表明，監測站的坐標每一分量的精度優于10 cm[1]。

表3 BDS監測站的觀測與坐標

注：該表見文獻[1]。

可以看出，

(1)地面監測站的觀測是按單站進行觀測的，監測站間并沒有進行直接聯測，即監測站間沒有同步觀測，這樣地面監測站間的聯系減少了；在數據處理方面是按單站處理的，監測站間的聯系僅通過基準站和星歷聯系，如此，由于沒有進行整體平差，基準站間站坐標的不自洽性可能沒有很好消除。實際上，雖然監測站間沒有直接觀測，他們所使用的參考站本身是同步觀測，可以進行聯合平差以加強監測站間的聯系。

(2)BDS監測站的坐標屬于ITRF2000，而CGCS2000的框架是ITRF1997(2000.0)，它們二者是有一定差異的，雖然IERS給出了ITRF1997與ITRF2000間的坐標轉換參數，但CGCS2000框架并不等同于ITRF1997框架，不能簡單用其坐標轉換參數把地面監測站的ITRF2000框架下的坐標轉換到CGCS2000框架。此外，BDS監測站的坐標屬于不同歷元，由于受地殼運動和形變的影響，且各地的地殼運動(地表變化)也是不一致的，需要進行歷元的統一。由此可見，BDS地面監測站坐標與CGCS2000之間不僅存在框架差異，而且還存在歷元差異。

(3)事實上，地面監測站周邊有CGCS2000框架點(也有CMONOC連續觀測站)，即是說與CGCS2000某些框架點能構成同步觀測，在數據處理時可以以這些點的CGCS2000框架下的坐標為約束，直接把監測站坐標約束到CGCS2000框架下。此外，表3中列出的地面監測站周邊的基準點本身就是CGCS2000建立時的基準點，可以把其在ITRF1997(2000.0)坐標作為約束。

(4)綜上所述，BDS(區域)系統使用坐標系統并不是完全意義下的CGCS2000，這與BDS的接口控制文件中的規定是略有差別的。實際上，在處理獲得BDS地面監測站坐標的解算中完全可以按ICD規定進行，也必須按ICD規定進行，以維護其權威性。當然，也完全可以向ITRF相關框架靠攏，這點在技術上是完全沒有問題的。

3 我國衛星導航系統所使用坐標框架的思考

從前面的敘述可看出，BDS的坐標框架建設已取得了很大進步。未來BDS將建全球系統，其使用的坐標系統仍將需要不斷精化，尚有不小空間。下面從北斗地面監測站的建設、聯測方案、數據處理等方面對我國衛星導航系統坐標系統實現問題進行討論。

3.1 監測站的分布

監測站的規模和分布應與衛星導航系統的空間星座相配套，以保證在確定衛星星歷時有足夠好的幾何圖形結構。當前的BDS是亞太區域系統，監測站在我國境內布站是合理的，在亞太地區周邊布站也是必要的。未來，我國衛星導航系統將建成全球系統，應該采用全球均勻布站，如何布站應充分論證，監測站布局應該極大限度地改善導航衛星定軌的幾何圖形結構。美國的GPS全球系統是全球布站，其監測站是18個，Galileo衛星導航系統也是全球布站，其監測站是13個。

地面監測站屬于衛星導航系統的重要基礎設施，站點應選在地質條件好的地區，盡可能使之固定在基巖上，而不應該建在樓頂。監測站建設在樓頂，對BDS試驗系統是可行的，因為BDS試驗系統的導航定位精度并不高，但對現在的BDS(區域)系統和將來的全球系統，由于其采用RNSS體制，能夠進行高精度的導航定位，監測站建在樓頂其穩定性較差，滿足不了高精度應用需要。此外，地面監測站應建設在連續運行參考站(continuously operating reference stations, CORS)站/IGS站附近，以便與國際國內的框架網進行聯測，以獲得與其它框架的聯系。GPS和Galileo的監測站就是如此。

3.2 坐標系統實現的監測站聯測

監測站應該具有多衛星導航系統的接收能力，可同時接收不同衛星導航系統的觀測信號(現在已經有較成熟的四系統接收機)，一方面，可以利用監測站的坐標為確定衛星星歷坐標基準；另一方面，可以確定監測站在不同衛星導航系統下的坐標，以互相比較和檢驗。特別是對正在建設的BDS，可以用較成熟的GPS檢驗我國衛星導航系統的系統偏差，并確定不同衛星導航系統間的轉換關系。

現階段區域系統的監測站的聯測，為保證精度，對監測站進行觀測時，監測站間應該進行同步觀測，每次觀測會戰時間應足夠長。Galileo系統的觀測是3周，GPS系統的監測站觀測時間超過2周，并且監測站間都是同步觀測的。建議未來地面監測站的觀測不應少于2周，且應保持同步觀測。由于目前地面監測站裝備的接收機僅為BDS，無法利用GPS測量直接觀測到監測站裝備的接收機位置，要確定接收機位置需要歸心測量，通過歸心改正是很難精確歸算到接收機的相位中心的。如果聯測接收機是多模接收機，能非常方便地利用BDS觀測量確定地面監測站的相位中心位置(當然要有高精度穩定可靠的處理軟件)。

3.3 坐標系統實現的數據處理

GNSS數據處理本身是復雜的，不同方案、不同模型、不同計算者會獲得不同的處理結果，為保證監測站坐標的可靠性，建議至少由兩家單位進行數據處理。Galileo所采用的坐標框架GTRF的數據處理由法國國家地理研究所(Institut Géographique National,IGN)負責，分別由三個數據處理中心：伯爾尼大學天文研究所(Astronomisches Institut der Universit?t Bern， AIBU)、歐洲空間操作中心(European Space Operations Centre， ESOC)、德國地球科學研究中心(GeoForschungsZentrum,GFZ)進行初始實現和更新。監測站的數據處理應采用相對定位確定基線進行監測站數據的聯合處理，以增加監測站間的聯系，保證所獲得坐標的自洽性。數據處理時盡量利用周邊GNSS站觀測數據,以增加與其它觀測網的聯系。GPS、GALILEO的監測站數據處理時都與周邊的IGS站進行聯合解算，WGS84(1150)實現時聯解了48個IGS站，GTRF09VO1實現時聯解了131個IGS站。

監測站數據處理所獲得的坐標框架應盡可能與ITRF精密對準。ITRF是國際上目前最精確的地球坐標框架，是采用多種技術手段獲得的，成為了大地坐標框架的標準。從坐標系統的定義看，無論WGS84、GTRF，還是CGCS200，它們都遵循《IERS convention》標準，可以說他們的定義是一致的。為保持BDS所使用坐標系統的一致性，避免用戶使用的混亂，其定義和參考橢球常數以不變為好。定義變了，廣大用戶接收機里的常數也會變，其維護工作量是非常巨大的。WGS84參考橢球常數雖經歷了演化，但為了用戶方便其廣播星歷仍然使用原來的橢球常數。從坐標系統的實現看，GPS、Galileo使用的坐標框架站點數是不同的，但其數據處理時都對使用一些站的ITRF坐標(或投影)施加以強約束，即向ITRF精密對準，并求出其與ITRF的轉換參數。

3.4 坐標系統實現的不斷精化

由于地球是運動的，使得坐標系統的原點與尺度和定向隨時間不斷變化。另外，由于地質條件等原因，監測站本身在運動，因此，僅一次實現所獲得的監測站坐標隨時間的積累會導致其坐標具有較大的誤差。此外，隨著觀測資料的積累和技術的發展，各種改正模型也在不斷優化，如相位中心改正已經改為絕對相位中心改正，這對坐標系統實現的實現也是有影響的。GPS所使用的WGS84從建立到現在已經歷了5次實現，Galileo所采用的GTRF也經過了4次更新[16]，GLONASS所使用的PZ90也經過了3次更新[17]。我們的區域系統在2007年-2009年進行了初步實現，2014年進行了新的數據處理研究(但還沒有使用)，今后也會有第三次實現，甚至第四次，未來的實現也可能采用多種空間技術。

關于坐標系統實現的命名，不同的衛星導航系統有不同的命名方法，GPS系統采用附加GPS周的方法以區別不同實現，如WGS84(G730)、WGS84(G873)、WGS84(G1150)、WGS84(G1674)；Galileo采用年加版本的方法[16，18]，如GTRF07VO1、GTRF08VO1、GTRF09VO1；GLONASS采用年的方法[17]，如PZ-90.2、PZ-90.11。未來我國衛星導航系統所使用的坐標框架也可以借鑒國外衛星導航系統的方法，在命名上區別不同的實現：(一)表明衛星導航系統使用的坐標系統的定義和參考橢球與當前使用的定義有無變化；(二)保持與我國衛星導航系統接口控制文件一致性，維護ICD的權威性；(三)明確該框架為BDS所用；(四)表明該框架的建立時間。

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Inspiration of Establishing DBS Terrestrial Reference Frame From Implement of WGS84

ZENGAn-min1，2，3，MINGFeng1，JINGYi-fan1

(1.Institute of Geospatial Information，Information Engineering University，Zhengzhou 450052，China； 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering，Xi’an 710054，China； 3. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping，Xi’an 710054，China)

The terrestrial reference system and its realization play a key role for navigation satellite system.World Geodetic System 1984 (WGS84) and China Geodetic coordinate system 2000 (CGCS2000) are used as the terrestrial reference system for GPS and BDS，respectively.In this paper，the evolution of the definition and corresponding reference ellipsoid of WGS84 is introduced，and the 5-times refinement realizations of WGS84 frame are discussed，too.Then，the situation of coordinate system used by BDS in different period are analyzed，namely 1954 coordinate system used by experimental system，CGCS2000 system by regional system.The initial implementation for the monitoring stations of the regional system is described in detail，and points out that this implementation is not strictly belong to CGCS2000 system.Finally，some suggestions are put forward for the monitoring station construction，joint measurement，and data processing，and so on.

Navigation Satellite System，Terrestrial Reference frame，WGS84，CGCS2000

2015-05-18

國家863計劃(2013AA122501)，國家自然科學基金(41020144004、41474015，41374019、41374003、41274040)。

曾安敏(1972—)，男，四川樂山人，博士生，副研究員，主要從事動態大地測量數據處理與坐標參考框架研究。

曾安敏，明鋒，景一帆.WGS84坐標框架與我國BDS坐標框架的建設[J].導航定位學報,2015,3(3):43-48+68.(ZENG An-min，MING Feng，JING Yi-fan.Inspiration of Establishing DBS Terrestrial Reference Frame From Implement of WGS84[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):43-48+68.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20150309.

P228

A

2095-4999(2015)-03-0043-06