WGS84坐標(biāo)框架與我國BDS坐標(biāo)框架的建設(shè)

曾安敏，明 鋒，景一帆

WGS84坐標(biāo)框架與我國BDS坐標(biāo)框架的建設(shè)

曾安敏1，2，3，明 鋒1，景一帆1

(1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所使用坐標(biāo)框架的建設(shè)問題，討論了美國GPS和我國BDS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的坐標(biāo)框架建設(shè)與更新現(xiàn)狀，并對我國BDS監(jiān)測站坐標(biāo)框架的建設(shè)提出了一些建議。首先介紹了GPS系統(tǒng)所使用的WGS84的定義及參考橢球常數(shù)的演化，系統(tǒng)討論了WGS84坐標(biāo)框架的5次精化實現(xiàn)，然后分析了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用的坐標(biāo)系統(tǒng)現(xiàn)狀：試驗系統(tǒng)使用參心坐標(biāo)系統(tǒng)——54坐標(biāo)系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)規(guī)定使用CGCS2000系統(tǒng)，并對區(qū)域系統(tǒng)的監(jiān)測站坐標(biāo)的初次實現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，指出其實現(xiàn)并不嚴(yán)格屬于CGCS2000系統(tǒng)，最后對BDS的基準(zhǔn)站建設(shè)、聯(lián)測、數(shù)據(jù)處理等問題探討，并提出了一些建議。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；坐標(biāo)框架；WGS84；CGCS2000

0 引言

坐標(biāo)系統(tǒng)及其實現(xiàn)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)大地基準(zhǔn)的最基本元素，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要，每個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都有其坐標(biāo)系統(tǒng)，其定義包括原點、尺度和定向及演化，其實現(xiàn)由該衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的地面監(jiān)測站在參考?xì)v元的坐標(biāo)(和速度)來體現(xiàn)。其高精度、穩(wěn)定的坐標(biāo)系統(tǒng)及其框架為衛(wèi)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(zhǔn)，是實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有基本服務(wù)和產(chǎn)品的基礎(chǔ)[1]。為此，每個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都非常重視其所使用的坐標(biāo)框架的建設(shè)，通過不斷維持與更新，使其坐標(biāo)精度更高，具有更好的現(xiàn)時性，如全球定位系統(tǒng)(global positioning system， GPS)使用的WGS84[2]已經(jīng)過了5次更新、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GLONASS)使用的PZ-90[3]已經(jīng)過了3次更新、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo navigation satellite system，Galileo)使用的GTRF[4]也經(jīng)過了4次更新。

我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system， BDS)，按照“先區(qū)域、后全球”的總體思路分步實施，采取“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略[5]。第一步，2000年建成BDS試驗系統(tǒng)；第二步，2012年建成BDS(區(qū)域)系統(tǒng)；第三步，2020年全面建成BDS。同樣，我國的BDS建設(shè)也非常重視其坐標(biāo)系統(tǒng)的建設(shè)。由于BDS在不同時期采用了不同的技術(shù)體制，在不同階段使用了與之相適應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，現(xiàn)階段采用中國國家大地坐標(biāo)系(China geodetic coordinate system 2000，CGCS2000)5]。隨著技術(shù)的發(fā)展，也可能使用(或重新定義)新的坐標(biāo)框架。關(guān)于我國BDS使用的坐標(biāo)系統(tǒng)建設(shè)，文獻(xiàn)[1]建議使用北斗專用坐標(biāo)系統(tǒng)。

GPS是建設(shè)最早的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system， GNSS)，其使用的WGS84也經(jīng)過了多次更新，其為我國的BDS坐標(biāo)框架的建設(shè)提供了很好的借鑒。本文首先詳細(xì)分析了GPS所使用的坐標(biāo)框架的建設(shè)情況，然后介紹了我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所使用坐標(biāo)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，接著從基準(zhǔn)站建設(shè)、聯(lián)測、數(shù)據(jù)處理等方面對BDS坐標(biāo)框架建設(shè)進(jìn)行了探討。

1 GPS所使用坐標(biāo)系WGS84的發(fā)展

1.1 WGS84的定義與橢球常數(shù)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(zhì)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(chǎn)生殘余的全球旋轉(zhuǎn)；長度為引力相對意義下的m。

WGS84的橢球常數(shù)經(jīng)過幾次優(yōu)化。開始，WGS84采用的橢球基本常數(shù)為a、GM、C2,0、ω，與國際GRS80橢球基本常數(shù)[10](a、GM、J2、ω)并不一致。由于WGS84的C2,0導(dǎo)出的f與GRS80導(dǎo)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(jìn)而引起用戶位置的變化。由于用戶接收機眾多，涉及坐標(biāo)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(xù)保留GM的初始值3 986 005×108m3/s2，而在衛(wèi)星精密軌道估計中采用新的GM值[2]。

表1 橢球基本常數(shù)

表2 WGS84坐標(biāo)框架不同時期實現(xiàn)

1.2 WGS84坐標(biāo)框架的實現(xiàn)

WGS84坐標(biāo)框架是由一組分布在全球的地面監(jiān)測站的坐標(biāo)來實現(xiàn)，WGS84從建立到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)過了5次基準(zhǔn)實現(xiàn)(見表2)，1984年進(jìn)行了初始實現(xiàn)，1994年進(jìn)行了第一次更新，1997年進(jìn)行了第二次更新，2002年進(jìn)行了第三次更新，2012年進(jìn)行了第四次更新。

1.2.1 WGS84坐標(biāo)框架的初始實現(xiàn)WGS84(orignal)

早期的GPS的監(jiān)測站是由美國空軍負(fù)責(zé)的5個監(jiān)測站和DMA負(fù)責(zé)的5個監(jiān)測站組成。由于這10個監(jiān)測站的坐標(biāo)是由美國的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(navy navigation satellite system，NNSS)和子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Transit navigation satellite system，TRANSIT)數(shù)據(jù)處理得到的，TRANSIT系統(tǒng)的星歷采用的參考系統(tǒng)為NSWC 9Z-2，為了使WGS84坐標(biāo)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(tǒng)計算NSWC 9Z-2參考系統(tǒng)的10個監(jiān)測站坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，站坐標(biāo)與BTS的符合度在1～2 m，這10個監(jiān)測站經(jīng)調(diào)整后的坐標(biāo)作為WGS84的最初實現(xiàn)，并于1987年1月正式使用[2]。

1.2.2 WGS84坐標(biāo)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(xué)研究表明，用多普勒數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)計算的同一點坐標(biāo)存在一定的系統(tǒng)偏差。為了消除這一系統(tǒng)偏差，建立一個與ITRF相一致的WGS84坐標(biāo)框架，DMA選擇了24個國際GPS服務(wù)組織(international GPS service，IGS)站數(shù)據(jù)與GPS的10個監(jiān)測站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，把其中8個IGS站的坐標(biāo)約束到ITRF92框架下，利用NNR-NUVEL1板塊運動模型將測站坐標(biāo)歸算到歷元1994.0，獲得了這10個監(jiān)測站的地心坐標(biāo)，其與ITRF92的一致性達(dá)到10 cm，精化后的WGS84坐標(biāo)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(biāo)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(jiān)測站、位于澳大利亞的監(jiān)測站站址進(jìn)行了變更、位于英國的監(jiān)測站的天線進(jìn)行了更換，為了維持WGS84坐標(biāo)框架的精度，DMA決定重新處理這12個監(jiān)測站數(shù)據(jù)，選擇了18個IGS站數(shù)據(jù)與這12個監(jiān)測站數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，把其中13個IGS站的坐標(biāo)約束到ITRF94框架下，同時利用NNR-NUVEL1板塊運動模型將測站坐標(biāo)歸算到歷元1997.0，獲得了這12個監(jiān)測站的地心坐標(biāo)，這次精化后的坐標(biāo)與ITRF94的一致性達(dá)到5cm，WGS84坐標(biāo)框架的精度得到了很大提高，精化后的WGS84坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)行了聯(lián)合處理。為了維持WGS84坐標(biāo)框架的現(xiàn)時性，把IGS的49個站作為控制點，坐標(biāo)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(biāo)先驗誤差取為±0.1 cm，采用NIMA精密星歷進(jìn)行計算，18個GPS站平差后點位精度優(yōu)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(biāo)框架ITRF2008發(fā)布，由于采用了新的絕對天線相位中心，一些監(jiān)測站站址進(jìn)行了變更，為了維持WGS84坐標(biāo)框架現(xiàn)時性，NGA采用 軟件GRAPE V4.3重新平差計算了WGS84所有基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。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(biāo)值(坐標(biāo)約束到ITRF2008(2005．0))，余下的站施加1.5 m的先驗約束，所有監(jiān)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(yōu)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(jiān)測站的坐標(biāo)，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(yīng)實時更新監(jiān)測站坐標(biāo)。

2 我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

2000年，我國初步建成了BDS試驗系統(tǒng)，2012年建成了BDS(區(qū)域)系統(tǒng)。這兩個階段采用了不同技術(shù)體制，受當(dāng)時技術(shù)條件限制，其在不同階段采用了與之相適應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)及其框架。

2.1 BDS試驗系統(tǒng)所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)

基于其特殊的技術(shù)體制，BDS試驗系統(tǒng)宣稱使用1954年北京坐標(biāo)系。地面運控系統(tǒng)確定的衛(wèi)星軌道參數(shù)的坐標(biāo)系統(tǒng)是由其監(jiān)測站坐標(biāo)所體現(xiàn)的坐標(biāo)系決定的。由于試驗系統(tǒng)的監(jiān)測站坐標(biāo)屬于DX-2系統(tǒng)，則由此坐標(biāo)確定的軌道參數(shù)坐標(biāo)系統(tǒng)也應(yīng)該屬于DX-2系統(tǒng)，進(jìn)而所確定用戶接收機的位置也應(yīng)該屬于DX-2系統(tǒng)。關(guān)于DX-2系統(tǒng)的已有系統(tǒng)研究，其本質(zhì)僅為一套坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。另一方面，由于BDS試驗系統(tǒng)使用衛(wèi)星無線電定位系統(tǒng)(radio determination satellite service，RDSS)定位模式,空間段僅兩顆地球同步軌道衛(wèi)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(tǒng)為1985高程系統(tǒng)，地面高程模型是與地面坐標(biāo)相聯(lián)系的，而地面坐標(biāo)使用的是1954年北京坐標(biāo)系。如此，接收機用戶所獲得的位置信息的坐標(biāo)系統(tǒng)是DX-2系統(tǒng)的星歷數(shù)據(jù)與1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)和1985高程系統(tǒng)的地面高程模型所確定的綜合結(jié)果。準(zhǔn)確地說，BDS試驗系統(tǒng)所使用坐標(biāo)系很難說是哪一個具體的坐標(biāo)系統(tǒng)[15]。由于基于RDSS模式的BDS試驗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度并不是非常高，這種坐標(biāo)系統(tǒng)狀態(tài)對精度要求不高的導(dǎo)航用戶的影響并不大。

2.2 BDS(區(qū)域)系統(tǒng)所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)接口控制文件(interface control document, ICD)[6],BDS(區(qū)域)系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為中國國家大地坐標(biāo)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(shù)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(qū)域)系統(tǒng)的地面監(jiān)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(jìn)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(zhǔn)站(IGS站或CMONOC站)的同步觀測聯(lián)合處理獲得基線成果，固定IGS站/CMONOC站在ITRF2000框架下的坐標(biāo)獲得地面監(jiān)測站的坐標(biāo)。計算分析表明，監(jiān)測站的坐標(biāo)每一分量的精度優(yōu)于10 cm[1]。

表3 BDS監(jiān)測站的觀測與坐標(biāo)

注：該表見文獻(xiàn)[1]。

可以看出，

(1)地面監(jiān)測站的觀測是按單站進(jìn)行觀測的，監(jiān)測站間并沒有進(jìn)行直接聯(lián)測，即監(jiān)測站間沒有同步觀測，這樣地面監(jiān)測站間的聯(lián)系減少了；在數(shù)據(jù)處理方面是按單站處理的，監(jiān)測站間的聯(lián)系僅通過基準(zhǔn)站和星歷聯(lián)系，如此，由于沒有進(jìn)行整體平差，基準(zhǔn)站間站坐標(biāo)的不自洽性可能沒有很好消除。實際上，雖然監(jiān)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(jìn)行聯(lián)合平差以加強監(jiān)測站間的聯(lián)系。

(2)BDS監(jiān)測站的坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，但CGCS2000框架并不等同于ITRF1997框架，不能簡單用其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)把地面監(jiān)測站的ITRF2000框架下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到CGCS2000框架。此外，BDS監(jiān)測站的坐標(biāo)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(jìn)行歷元的統(tǒng)一。由此可見，BDS地面監(jiān)測站坐標(biāo)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(jiān)測站周邊有CGCS2000框架點(也有CMONOC連續(xù)觀測站)，即是說與CGCS2000某些框架點能構(gòu)成同步觀測，在數(shù)據(jù)處理時可以以這些點的CGCS2000框架下的坐標(biāo)為約束，直接把監(jiān)測站坐標(biāo)約束到CGCS2000框架下。此外，表3中列出的地面監(jiān)測站周邊的基準(zhǔn)點本身就是CGCS2000建立時的基準(zhǔn)點，可以把其在ITRF1997(2000.0)坐標(biāo)作為約束。

(4)綜上所述，BDS(區(qū)域)系統(tǒng)使用坐標(biāo)系統(tǒng)并不是完全意義下的CGCS2000，這與BDS的接口控制文件中的規(guī)定是略有差別的。實際上，在處理獲得BDS地面監(jiān)測站坐標(biāo)的解算中完全可以按ICD規(guī)定進(jìn)行，也必須按ICD規(guī)定進(jìn)行，以維護(hù)其權(quán)威性。當(dāng)然，也完全可以向ITRF相關(guān)框架靠攏，這點在技術(shù)上是完全沒有問題的。

3 我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所使用坐標(biāo)框架的思考

從前面的敘述可看出，BDS的坐標(biāo)框架建設(shè)已取得了很大進(jìn)步。未來BDS將建全球系統(tǒng)，其使用的坐標(biāo)系統(tǒng)仍將需要不斷精化，尚有不小空間。下面從北斗地面監(jiān)測站的建設(shè)、聯(lián)測方案、數(shù)據(jù)處理等方面對我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)問題進(jìn)行討論。

3.1 監(jiān)測站的分布

監(jiān)測站的規(guī)模和分布應(yīng)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間星座相配套，以保證在確定衛(wèi)星星歷時有足夠好的幾何圖形結(jié)構(gòu)。當(dāng)前的BDS是亞太區(qū)域系統(tǒng)，監(jiān)測站在我國境內(nèi)布站是合理的，在亞太地區(qū)周邊布站也是必要的。未來，我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將建成全球系統(tǒng)，應(yīng)該采用全球均勻布站，如何布站應(yīng)充分論證，監(jiān)測站布局應(yīng)該極大限度地改善導(dǎo)航衛(wèi)星定軌的幾何圖形結(jié)構(gòu)。美國的GPS全球系統(tǒng)是全球布站，其監(jiān)測站是18個，Galileo衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是全球布站，其監(jiān)測站是13個。

地面監(jiān)測站屬于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，站點應(yīng)選在地質(zhì)條件好的地區(qū)，盡可能使之固定在基巖上，而不應(yīng)該建在樓頂。監(jiān)測站建設(shè)在樓頂，對BDS試驗系統(tǒng)是可行的，因為BDS試驗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位精度并不高，但對現(xiàn)在的BDS(區(qū)域)系統(tǒng)和將來的全球系統(tǒng)，由于其采用RNSS體制，能夠進(jìn)行高精度的導(dǎo)航定位，監(jiān)測站建在樓頂其穩(wěn)定性較差，滿足不了高精度應(yīng)用需要。此外，地面監(jiān)測站應(yīng)建設(shè)在連續(xù)運行參考站(continuously operating reference stations, CORS)站/IGS站附近，以便與國際國內(nèi)的框架網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)測，以獲得與其它框架的聯(lián)系。GPS和Galileo的監(jiān)測站就是如此。

3.2 坐標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)的監(jiān)測站聯(lián)測

監(jiān)測站應(yīng)該具有多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收能力，可同時接收不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測信號(現(xiàn)在已經(jīng)有較成熟的四系統(tǒng)接收機)，一方面，可以利用監(jiān)測站的坐標(biāo)為確定衛(wèi)星星歷坐標(biāo)基準(zhǔn)；另一方面，可以確定監(jiān)測站在不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)下的坐標(biāo)，以互相比較和檢驗。特別是對正在建設(shè)的BDS，可以用較成熟的GPS檢驗我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差，并確定不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

現(xiàn)階段區(qū)域系統(tǒng)的監(jiān)測站的聯(lián)測，為保證精度，對監(jiān)測站進(jìn)行觀測時，監(jiān)測站間應(yīng)該進(jìn)行同步觀測，每次觀測會戰(zhàn)時間應(yīng)足夠長。Galileo系統(tǒng)的觀測是3周，GPS系統(tǒng)的監(jiān)測站觀測時間超過2周，并且監(jiān)測站間都是同步觀測的。建議未來地面監(jiān)測站的觀測不應(yīng)少于2周，且應(yīng)保持同步觀測。由于目前地面監(jiān)測站裝備的接收機僅為BDS，無法利用GPS測量直接觀測到監(jiān)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(lián)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(jiān)測站的相位中心位置(當(dāng)然要有高精度穩(wěn)定可靠的處理軟件)。

3.3 坐標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理

GNSS數(shù)據(jù)處理本身是復(fù)雜的，不同方案、不同模型、不同計算者會獲得不同的處理結(jié)果，為保證監(jiān)測站坐標(biāo)的可靠性，建議至少由兩家單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。Galileo所采用的坐標(biāo)框架GTRF的數(shù)據(jù)處理由法國國家地理研究所(Institut Géographique National,IGN)負(fù)責(zé)，分別由三個數(shù)據(jù)處理中心：伯爾尼大學(xué)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(xué)研究中心(GeoForschungsZentrum,GFZ)進(jìn)行初始實現(xiàn)和更新。監(jiān)測站的數(shù)據(jù)處理應(yīng)采用相對定位確定基線進(jìn)行監(jiān)測站數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理，以增加監(jiān)測站間的聯(lián)系，保證所獲得坐標(biāo)的自洽性。數(shù)據(jù)處理時盡量利用周邊GNSS站觀測數(shù)據(jù),以增加與其它觀測網(wǎng)的聯(lián)系。GPS、GALILEO的監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理時都與周邊的IGS站進(jìn)行聯(lián)合解算，WGS84(1150)實現(xiàn)時聯(lián)解了48個IGS站，GTRF09VO1實現(xiàn)時聯(lián)解了131個IGS站。

監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理所獲得的坐標(biāo)框架應(yīng)盡可能與ITRF精密對準(zhǔn)。ITRF是國際上目前最精確的地球坐標(biāo)框架，是采用多種技術(shù)手段獲得的，成為了大地坐標(biāo)框架的標(biāo)準(zhǔn)。從坐標(biāo)系統(tǒng)的定義看，無論WGS84、GTRF，還是CGCS200，它們都遵循《IERS convention》標(biāo)準(zhǔn)，可以說他們的定義是一致的。為保持BDS所使用坐標(biāo)系統(tǒng)的一致性，避免用戶使用的混亂，其定義和參考橢球常數(shù)以不變?yōu)楹?。定義變了，廣大用戶接收機里的常數(shù)也會變，其維護(hù)工作量是非常巨大的。WGS84參考橢球常數(shù)雖經(jīng)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(shù)。從坐標(biāo)系統(tǒng)的實現(xiàn)看，GPS、Galileo使用的坐標(biāo)框架站點數(shù)是不同的，但其數(shù)據(jù)處理時都對使用一些站的ITRF坐標(biāo)(或投影)施加以強約束，即向ITRF精密對準(zhǔn)，并求出其與ITRF的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3.4 坐標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)的不斷精化

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

關(guān)于坐標(biāo)系統(tǒng)實現(xiàn)的命名，不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有不同的命名方法，GPS系統(tǒng)采用附加GPS周的方法以區(qū)別不同實現(xiàn)，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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所使用的坐標(biāo)框架也可以借鑒國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的方法，在命名上區(qū)別不同的實現(xiàn)：(一)表明衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的坐標(biāo)系統(tǒng)的定義和參考橢球與當(dāng)前使用的定義有無變化；(二)保持與我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接口控制文件一致性，維護(hù)ICD的權(quán)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(xué)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(tài)大地測量數(shù)據(jù)處理與坐標(biāo)參考框架研究。

曾安敏，明鋒，景一帆.WGS84坐標(biāo)框架與我國BDS坐標(biāo)框架的建設(shè)[J].導(dǎo)航定位學(xué)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