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WGS84坐标框架与我国BDS坐标框架的建设
《导航定位学报》杂志 2015年3期 作者：曾安敏，明 锋，景一帆
WGS84坐标框架与我国BDS坐标框架的建设
曾安敏1，2，3，明 锋1，景一帆1
(1.信息工程大学 地理空间信息学院，郑州 450052；2.地理信息工程国家重点实验室，西安 710054； 3.西安测绘研究所，西安 710054)
针对卫星导航系统所使用坐标框架的建设问题，讨论了美国GPS和我国BDS卫星导航系统所使用的坐标框架建设与更新现状，并对我国BDS监测站坐标框架的建设提出了一些建议。首先介绍了GPS系统所使用的WGS84的定义及参考椭球常数的演化，系统讨论了WGS84坐标框架的5次精化实现，然后分析了我国卫星导航系统采用的坐标系统现状：试验系统使用参心坐标系统——54坐标系统、区域系统规定使用CGCS2000系统，并对区域系统的监测站坐标的初次实现进行了详细阐述，指出其实现并不严格属于CGCS2000系统，最后对BDS的基准站建设、联测、数据处理等问题探讨，并提出了一些建议。
卫星导航系统；坐标框架；WGS84；CGCS2000
0 引言
坐标系统及其实现是卫星导航系统大地基准的最基本元素，对卫星导航系统至关重要，每个卫星导航系统都有其坐标系统，其定义包括原点、尺度和定向及演化，其实现由该卫星导航系统的地面监测站在参考历元的坐标(和速度)来体现。其高精度、稳定的坐标系统及其框架为卫星星历(包括广播星历，精密星历可能采用新的框架)提供基准，是实现卫星导航系统所有基本服务和产品的基础[1]。为此，每个卫星导航系统都非常重视其所使用的坐标框架的建设，通过不断维持与更新，使其坐标精度更高，具有更好的现时性，如全球定位系统(global positioning system， GPS)使用的WGS84[2]已经过了5次更新、格洛纳斯卫星导航系统(global navigation satellite system,GLONASS)使用的PZ-90[3]已经过了3次更新、伽利略卫星导航系统(Galileo navigation satellite system，Galileo)使用的GTRF[4]也经过了4次更新。
我国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system， BDS)，按照“先区域、后全球”的总体思路分步实施，采取“三步走”的发展战略[5]。第一步，2000年建成BDS试验系统；第二步，2012年建成BDS(区域)系统；第三步，2020年全面建成BDS。同样，我国的BDS建设也非常重视其坐标系统的建设。由于BDS在不同时期采用了不同的技术体制，在不同阶段使用了与之相适应的坐标系统，现阶段采用中国国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)5]。随着技术的发展，也可能使用(或重新定义)新的坐标框架。关于我国BDS使用的坐标系统建设，文献[1]建议使用北斗专用坐标系统。
GPS是建设最早的全球卫星导航系统(global navigation satellite system， GNSS)，其使用的WGS84也经过了多次更新，其为我国的BDS坐标框架的建设提供了很好的借鉴。本文首先详细分析了GPS所使用的坐标框架的建设情况，然后介绍了我国北斗卫星导航系统所使用坐标系统的现状，接着从基准站建设、联测、数据处理等方面对BDS坐标框架建设进行了探讨。
1 GPS所使用坐标系WGS84的发展
1.1 WGS84的定义与椭球常数的演化
WGS84的定义与国际地球参考系(international terrestrial reference system，ITRS)一致[6-9],即原点为包括陆地、海洋和大气地球质量中心；定向为初始值是由国际时间局(Bureau International de l'Heure，BIH)给出的1984.0的方向；定向的时间演化为保证相对地壳不产生残余的全球旋转；长度为引力相对意义下的m。
WGS84的椭球常数经过几次优化。开始，WGS84采用的椭球基本常数为a、GM、C2,0、ω，与国际GRS80椭球基本常数[10](a、GM、J2、ω)并不一致。由于WGS84的C2,0导出的f与GRS80导出的f有轻微差异(这是WGS84定义的椭球与GRS80椭球的主要差异)，1993年GM、C2,0被精化。1994年，基于美国国家制图局(Defense Mapping Agency，DMA)的推荐，GPS操作控制中心(operational control segment，OCS)决定采用新的GM值和ω值GM=(3 986 004.418±0.008)×108m3/s2，ω=7 292 115×10-11rad/s，用这新的GM值计算的轨道与WGS84原先使用的GM值估计的轨道在径向方向差1.3 m，这一改变将引起用户接收机所计算的广播星历变化，进而引起用户位置的变化。由于用户接收机众多，涉及坐标的软件也多，修改量非常大，可操作性不强，为了避免精度的损失，在用户接收机和OCS的广播星历拟合中(包括GPS的接口控制文档中)继续保留GM的初始值3 986 005×108m3/s2，而在卫星精密轨道估计中采用新的GM值[2]。
表1 椭球基本常数
表2 WGS84坐标框架不同时期实现
1.2 WGS84坐标框架的实现
WGS84坐标框架是由一组分布在全球的地面监测站的坐标来实现，WGS84从建立到现在，已经经过了5次基准实现(见表2)，1984年进行了初始实现，1994年进行了第一次更新，1997年进行了第二次更新，2002年进行了第三次更新，2012年进行了第四次更新。
1.2.1 WGS84坐标框架的初始实现WGS84(orignal)
早期的GPS的监测站是由美国空军负责的5个监测站和DMA负责的5个监测站组成。由于这10个监测站的坐标是由美国的海军导航卫星系统(navy navigation satellite system，NNSS)和子午仪卫星导航系统(Transit navigation satellite system，TRANSIT)数据处理得到的，TRANSIT系统的星历采用的参考系统为NSWC 9Z-2，为了使WGS84坐标框架与BIH的BTS框架(1984.0)相一致(原点、尺度和定向)，对由TRANSIT系统计算NSWC 9Z-2参考系统的10个监测站坐标进行调整，站坐标与BTS的符合度在1～2 m，这10个监测站经调整后的坐标作为WGS84的最初实现，并于1987年1月正式使用[2]。
1.2.2 WGS84坐标框架的第一次更新WGS84(G730)
1994年秋，基于DMA的推荐，GPS操作控制中心采用了IERS新的GM值，用这新的GM值计算的轨道与WGS84原先使用的GM值估计的轨道在径向方向差1.3 m。此外，1988年-1994年间的大量科学研究表明，用多普勒数据和GPS数据计算的同一点坐标存在一定的系统偏差。为了消除这一系统偏差，建立一个与ITRF相一致的WGS84坐标框架，DMA选择了24个国际GPS服务组织(international GPS service，IGS)站数据与GPS的10个监测站数据进行联合处理，把其中8个IGS站的坐标约束到ITRF92框架下，利用NNR-NUVEL1板块运动模型将测站坐标归算到历元1994.0，获得了这10个监测站的地心坐标，其与ITRF92的一致性达到10 cm，精化后的WGS84坐标框架称为WGS84(G730)，于1994-06-29正式被GPS操作控制中心使用[2]。
1.2.3 WGS84坐标框架的第二次更新WGS84(G873)
1995年，由于DMA在北京和华盛顿增加了两个监测站、位于澳大利亚的监测站站址进行了变更、位于英国的监测站的天线进行了更换，为了维持WGS84坐标框架的精度，DMA决定重新处理这12个监测站数据，选择了18个IGS站数据与这12个监测站数据联合处理，把其中13个IGS站的坐标约束到ITRF94框架下，同时利用NNR-NUVEL1板块运动模型将测站坐标归算到历元1997.0，获得了这12个监测站的地心坐标，这次精化后的坐标与ITRF94的一致性达到5cm，WGS84坐标框架的精度得到了很大提高，精化后的WGS84坐标框架称为WGS84(G873) ，于1997-01-29被GPS操作控制中心正式使用。
1.2.4 WGS84坐标框架的第三次更新WGS84(G1150)
2001年，美国国家影像与制图局(National Imagery and Mapping Agency，NIMA)用它管辖的11个GPS永久性追踪站，美国空军(Air Force，AF)的5个GPS永久性追踪站，IGS的2个站(美国Maspalomas和中国北京房山)，以及美军空军基地的8个站，共计26个站进行了联合处理。为了维持WGS84坐标框架的现时性，把IGS的49个站作为控制点，坐标约束到ITRF2000框架，历元2001.0。计算时，上述49个IGS站中6个站精度略差(其中5个的先验误差取为±10 cm，1个取为±1 cm)，其他43个站的坐标先验误差取为±0.1 cm，采用NIMA精密星历进行计算，18个GPS站平差后点位精度优于±1 cm，精化后的WGS84称为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，新的国际地球坐标框架ITRF2008发布，由于采用了新的绝对天线相位中心，一些监测站站址进行了变更，为了维持WGS84坐标框架现时性，NGA采用 软件GRAPE V4.3重新平差计算了WGS84所有基准站的坐标。为了与ITRF2008更加靠拢，除了巴林(Bahrain)和韩国的两个站外，其它NGA站都采用ITRF2008框架[13]的坐标值(坐标约束到ITRF2008(2005．0))，余下的站施加1.5 m的先验约束，所有监测站的速度都采用这些站点(或周围站)的ITRF2008速度，平差后点位精度优于±1 cm，精化后的WGS84称为WGS84(G1674)[14]，2012年2月8日正式被GPS操作控制中心使用。此外，考虑到地壳板块运动的影响，在GPS广播星历生成中，每年6月利用站速度更新监测站的坐标，以消除板块运动的影响。同时要求，在有地震等特殊情况下，应实时更新监测站坐标。
2 我国卫星导航系统坐标系统的现状
2000年，我国初步建成了BDS试验系统，2012年建成了BDS(区域)系统。这两个阶段采用了不同技术体制，受当时技术条件限制，其在不同阶段采用了与之相适应的坐标系统及其框架。
2.1 BDS试验系统所使用的坐标系统
基于其特殊的技术体制，BDS试验系统宣称使用1954年北京坐标系。地面运控系统确定的卫星轨道参数的坐标系统是由其监测站坐标所体现的坐标系决定的。由于试验系统的监测站坐标属于DX-2系统，则由此坐标确定的轨道参数坐标系统也应该属于DX-2系统，进而所确定用户接收机的位置也应该属于DX-2系统。关于DX-2系统的已有系统研究，其本质仅为一套坐标转换参数。另一方面，由于BDS试验系统使用卫星无线电定位系统(radio determination satellite service，RDSS)定位模式,空间段仅两颗地球同步轨道卫星，要计算用户的位置，必须要知道用户处的高程信息，而用户高程信息由地面高程模型提供，高程模型使用的高程系统为1985高程系统，地面高程模型是与地面坐标相联系的，而地面坐标使用的是1954年北京坐标系。如此，接收机用户所获得的位置信息的坐标系统是DX-2系统的星历数据与1954年北京坐标系统和1985高程系统的地面高程模型所确定的综合结果。准确地说，BDS试验系统所使用坐标系很难说是哪一个具体的坐标系统[15]。由于基于RDSS模式的BDS试验系统的导航定位精度并不是非常高，这种坐标系统状态对精度要求不高的导航用户的影响并不大。
2.2 BDS(区域)系统所使用的坐标系统
根据接口控制文件(interface control document, ICD)[6],BDS(区域)系统使用的坐标系统为中国国家大地坐标系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)，其定义与国际地球参考系一致(ITRS)一致，其参考椭球常数定义为：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(与f=1∶198.257 222 101所给定的有效位是一致的)，其a、f、ω与GRS80椭球一致，其GM与WGS84椭球一致[7-9]。
BDS(区域)系统的地面监测站为：北京、成都、喀什、乌鲁木齐、哈尔滨、汕头和三亚(计划增加拉萨站)。在2007年至2009年期间完成了第一次GPS观测，采用单台接收机逐站观测方式进行观测，每站观测若干时段，每个时段观测约11 h。通过与周围的4-6个基准站(IGS站或CMONOC站)的同步观测联合处理获得基线成果，固定IGS站/CMONOC站在ITRF2000框架下的坐标获得地面监测站的坐标。计算分析表明，监测站的坐标每一分量的精度优于10 cm[1]。
表3 BDS监测站的观测与坐标
注：该表见文献[1]。
可以看出，
(1)地面监测站的观测是按单站进行观测的，监测站间并没有进行直接联测，即监测站间没有同步观测，这样地面监测站间的联系减少了；在数据处理方面是按单站处理的，监测站间的联系仅通过基准站和星历联系，如此，由于没有进行整体平差，基准站间站坐标的不自洽性可能没有很好消除。实际上，虽然监测站间没有直接观测，他们所使用的参考站本身是同步观测，可以进行联合平差以加强监测站间的联系。
(2)BDS监测站的坐标属于ITRF2000，而CGCS2000的框架是ITRF1997(2000.0)，它们二者是有一定差异的，虽然IERS给出了ITRF1997与ITRF2000间的坐标转换参数，但CGCS2000框架并不等同于ITRF1997框架，不能简单用其坐标转换参数把地面监测站的ITRF2000框架下的坐标转换到CGCS2000框架。此外，BDS监测站的坐标属于不同历元，由于受地壳运动和形变的影响，且各地的地壳运动(地表变化)也是不一致的，需要进行历元的统一。由此可见，BDS地面监测站坐标与CGCS2000之间不仅存在框架差异，而且还存在历元差异。
(3)事实上，地面监测站周边有CGCS2000框架点(也有CMONOC连续观测站)，即是说与CGCS2000某些框架点能构成同步观测，在数据处理时可以以这些点的CGCS2000框架下的坐标为约束，直接把监测站坐标约束到CGCS2000框架下。此外，表3中列出的地面监测站周边的基准点本身就是CGCS2000建立时的基准点，可以把其在ITRF1997(2000.0)坐标作为约束。
(4)综上所述，BDS(区域)系统使用坐标系统并不是完全意义下的CGCS2000，这与BDS的接口控制文件中的规定是略有差别的。实际上，在处理获得BDS地面监测站坐标的解算中完全可以按ICD规定进行，也必须按ICD规定进行，以维护其权威性。当然，也完全可以向ITRF相关框架靠拢，这点在技术上是完全没有问题的。
3 我国卫星导航系统所使用坐标框架的思考
从前面的叙述可看出，BDS的坐标框架建设已取得了很大进步。未来BDS将建全球系统，其使用的坐标系统仍将需要不断精化，尚有不小空间。下面从北斗地面监测站的建设、联测方案、数据处理等方面对我国卫星导航系统坐标系统实现问题进行讨论。
3.1 监测站的分布
监测站的规模和分布应与卫星导航系统的空间星座相配套，以保证在确定卫星星历时有足够好的几何图形结构。当前的BDS是亚太区域系统，监测站在我国境内布站是合理的，在亚太地区周边布站也是必要的。未来，我国卫星导航系统将建成全球系统，应该采用全球均匀布站，如何布站应充分论证，监测站布局应该极大限度地改善导航卫星定轨的几何图形结构。美国的GPS全球系统是全球布站，其监测站是18个，Galileo卫星导航系统也是全球布站，其监测站是13个。
地面监测站属于卫星导航系统的重要基础设施，站点应选在地质条件好的地区，尽可能使之固定在基岩上，而不应该建在楼顶。监测站建设在楼顶，对BDS试验系统是可行的，因为BDS试验系统的导航定位精度并不高，但对现在的BDS(区域)系统和将来的全球系统，由于其采用RNSS体制，能够进行高精度的导航定位，监测站建在楼顶其稳定性较差，满足不了高精度应用需要。此外，地面监测站应建设在连续运行参考站(continuously operating reference stations, CORS)站/IGS站附近，以便与国际国内的框架网进行联测，以获得与其它框架的联系。GPS和Galileo的监测站就是如此。
3.2 坐标系统实现的监测站联测
监测站应该具有多卫星导航系统的接收能力，可同时接收不同卫星导航系统的观测信号(现在已经有较成熟的四系统接收机)，一方面，可以利用监测站的坐标为确定卫星星历坐标基准；另一方面，可以确定监测站在不同卫星导航系统下的坐标，以互相比较和检验。特别是对正在建设的BDS，可以用较成熟的GPS检验我国卫星导航系统的系统偏差，并确定不同卫星导航系统间的转换关系。
现阶段区域系统的监测站的联测，为保证精度，对监测站进行观测时，监测站间应该进行同步观测，每次观测会战时间应足够长。Galileo系统的观测是3周，GPS系统的监测站观测时间超过2周，并且监测站间都是同步观测的。建议未来地面监测站的观测不应少于2周，且应保持同步观测。由于目前地面监测站装备的接收机仅为BDS，无法利用GPS测量直接观测到监测站装备的接收机位置，要确定接收机位置需要归心测量，通过归心改正是很难精确归算到接收机的相位中心的。如果联测接收机是多模接收机，能非常方便地利用BDS观测量确定地面监测站的相位中心位置(当然要有高精度稳定可靠的处理软件)。
3.3 坐标系统实现的数据处理
GNSS数据处理本身是复杂的，不同方案、不同模型、不同计算者会获得不同的处理结果，为保证监测站坐标的可靠性，建议至少由两家单位进行数据处理。Galileo所采用的坐标框架GTRF的数据处理由法国国家地理研究所(Institut Géographique National,IGN)负责，分别由三个数据处理中心：伯尔尼大学天文研究所(Astronomisches Institut der Universität Bern， AIBU)、欧洲空间操作中心(European Space Operations Centre， ESOC)、德国地球科学研究中心(GeoForschungsZentrum,GFZ)进行初始实现和更新。监测站的数据处理应采用相对定位确定基线进行监测站数据的联合处理，以增加监测站间的联系，保证所获得坐标的自洽性。数据处理时尽量利用周边GNSS站观测数据,以增加与其它观测网的联系。GPS、GALILEO的监测站数据处理时都与周边的IGS站进行联合解算，WGS84(1150)实现时联解了48个IGS站，GTRF09VO1实现时联解了131个IGS站。
监测站数据处理所获得的坐标框架应尽可能与ITRF精密对准。ITRF是国际上目前最精确的地球坐标框架，是采用多种技术手段获得的，成为了大地坐标框架的标准。从坐标系统的定义看，无论WGS84、GTRF，还是CGCS200，它们都遵循《IERS convention》标准，可以说他们的定义是一致的。为保持BDS所使用坐标系统的一致性，避免用户使用的混乱，其定义和参考椭球常数以不变为好。定义变了，广大用户接收机里的常数也会变，其维护工作量是非常巨大的。WGS84参考椭球常数虽经历了演化，但为了用户方便其广播星历仍然使用原来的椭球常数。从坐标系统的实现看，GPS、Galileo使用的坐标框架站点数是不同的，但其数据处理时都对使用一些站的ITRF坐标(或投影)施加以强约束，即向ITRF精密对准，并求出其与ITRF的转换参数。
3.4 坐标系统实现的不断精化
由于地球是运动的，使得坐标系统的原点与尺度和定向随时间不断变化。另外，由于地质条件等原因，监测站本身在运动，因此，仅一次实现所获得的监测站坐标随时间的积累会导致其坐标具有较大的误差。此外，随着观测资料的积累和技术的发展，各种改正模型也在不断优化，如相位中心改正已经改为绝对相位中心改正，这对坐标系统实现的实现也是有影响的。GPS所使用的WGS84从建立到现在已经历了5次实现，Galileo所采用的GTRF也经过了4次更新[16]，GLONASS所使用的PZ90也经过了3次更新[17]。我们的区域系统在2007年-2009年进行了初步实现，2014年进行了新的数据处理研究(但还没有使用)，今后也会有第三次实现，甚至第四次，未来的实现也可能采用多种空间技术。
关于坐标系统实现的命名，不同的卫星导航系统有不同的命名方法，GPS系统采用附加GPS周的方法以区别不同实现，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。未来我国卫星导航系统所使用的坐标框架也可以借鉴国外卫星导航系统的方法，在命名上区别不同的实现：(一)表明卫星导航系统使用的坐标系统的定义和参考椭球与当前使用的定义有无变化；(二)保持与我国卫星导航系统接口控制文件一致性，维护ICD的权威性；(三)明确该框架为BDS所用；(四)表明该框架的建立时间。
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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
国家863计划(2013AA122501)，国家自然科学基金(41020144004、41474015，41374019、41374003、41274040)。
曾安敏(1972—)，男，四川乐山人，博士生，副研究员，主要从事动态大地测量数据处理与坐标参考框架研究。
曾安敏，明锋，景一帆.WGS84坐标框架与我国BDS坐标框架的建设[J].导航定位学报,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