一、引述

衛星導航空間位置坐標系統是衛星導航系統的重要基礎，精確統一的空間基準是準確描述導航衛星和用戶接收機位置的基礎，也是應用衛星導航定位原理、構建衛星導航數學模型的基礎前提。

1、參考系

物質的運動無處不在，如銀河系中恒星的運動、太陽系中行星和衛星的自轉及其軌道運動、地球的自轉和極移、航天器在地球附近或太陽系中的運動以及地球的板塊運動等。這些天體或地球上的點在空間的位置和運動，必須相對于某個參照物來描述，這樣的參照物就是參考系。參考系通常包括：一套理論和數據處理方法；一組模型和常數；一個對應的參考架。描述不同物體的運動一般都選擇不同的參考系。

目前，國際地球自轉和參考服務（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，即IERS 規范；確定該參考架參考點坐標值的一套理論和數據處理方法。

2、坐標系

坐標系是與參考系對應的，是用于描述物體位置、運動和姿態的一種數學工具。坐標系的定義包括三個要素：坐標原點的位置、坐標軸的指向、坐標尺度。坐標系是理論定義的，因而沒有誤差可言。盡管參考系與坐標系在概念上有所區別，但在不引起誤解的情況下，一般混用參考系與坐標系。

衛星導航定位系統的建立、維護和應用中涉及多種坐標系統，通常包括地心參考系統（也稱地球參考系統）、參心坐標系統和相對獨立的平面坐標系統。地心參考系統即上述提到的IERS的通用國際地球參考系（ITRS），ITRS是全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite Systems）的關鍵坐標系統，用以GNSS建立、維護、用戶定位導航計算。ITRS應符合下表1-2-1所述的8項要求。

表 1-2-1：國際地球參考系統（ITRS）的基本規定

根據上表對地心坐標系統進行定義及要求后，通過建立大地坐標參考框架（ITRF）實現坐標系統。一般采用常規大地測量、全球導航衛星系統（GNSS）、甚長基線干涉（VLBI）、人造衛星激光測距（SLR）、激光測月（LLR）、星上多普勒定軌和無線電定位系統（DORIS）、重力測量或者其它技術手段獲取觀測數據，經過數據處理建立大地坐標參考框架（ITRF）。目前，國際上的主要全球導航衛星系統（GNSS）所用的地心坐標系統情況匯總于下表1-2-2中。其中包括我國自行建立的、由北斗導航定位系統所使用的大地坐標系統2000（CGCS2000）、美國GPS系統使用的WGS84（Gwwww）坐標系統、俄羅斯GLONASS系統使用的PZ90坐標系等。

表1-2-2：全球導航衛星系統（GNSS）主要的地心坐標系統

二、中國大地坐標系統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，命名為2000中國大地坐標系統，簡稱CGCS2000，英文名稱：China Geodetic Coordinate System 2000。在我國國家標準GB 22021-2008《國家大地測量基本技術規定》、GB/T 30288-2013《衛星導航定位坐標系統》和GB/T 39787-2021《北斗衛星導航坐標系統》中對“2000中國大地坐標系統”都給出了具體的定義，請詳見下表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中國大地坐標系統”的定義

在理解其定義時，應結合國際地球參考系統（ITRS）的基本規定（見表 1-2-1）。關鍵時軸長、定向、尺度、定向時間演變等概念。

2、參考框架

CGCS2000 是通過我國GNSS 連續運行基準站、空間大地控制網以及天文大地網與空間大地網聯合平差建立的地心大地坐標系統，是北斗衛星導航系統（BDS） 所采用的大地坐標系。CGCS2000 以ITRF 97 參考框架為基準，參考框架歷元為J 2000.0。下圖2-2為2000中國大地坐標系的結構圖。

圖 2-2：2000中國大地坐標系的橢球結構圖

CGCS2000 由框架網和加密網組成。CGCS2000 框架網由約2 600 個2 000 國家GPS 大地控制網三維大地控制點的點位坐標構成，其點位精度約為±3 cm。CGCS2000 加密網由約5 萬個控制點構成，三維點位誤差約為±0.3 m。CGCS2000 的維持主要依靠連續運行GNSS 基準站，坐標精度為毫米級，速度精度為±1 mm/a。

3、大地測量常數

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

表 2-3：GCS2000大地測量常數

提示：在表1-2-2中的其它地心坐標系統，及參心坐標系統和相對獨立的平面坐標系統，的基本概念及相關要求，在我國國家標準GB/T 30288《衛星導航定位坐標系統》中均由介紹。若要詳細了解的請查閱該標準，即見下附件2。

附件 2：GB/T 30288-2013《衛星導航定位坐標系統》

三、北斗衛星導航定位系統坐標系

1、概述

北斗衛星導航定位系統的坐標系稱為北斗坐標系（BDCS，BeiDou Coordinate System），在 GB/T 39787-2021《北斗衛星導航坐標系統》中指出：BDCS的定義符合國際地球自轉服務（IERS）規范，與CGCS2000的定義一致，也即北斗衛星導航系統（BDS）采用的是大地坐標系。鑒于此，下述簡要介紹北斗衛星導航定位系統坐標系的內容，若要詳細了解該標準具體內容的請查閱下附件3。

附件 3：GB/T 39787-2021《北斗衛星導航坐標系統》

2、橢球參數

BDCS 參考橢球與CGCS2000 參考橢球一致，其幾何中心與BDCS 的原點重合，旋轉軸與BDCS 的Z 軸一致。BDCS 參考橢球也是表面為正常重力場的等位面的正常橢球，由四個常數（長半軸α、包含大氣的地球引力常數μ（也可用GM表示）、扁率f、地球自轉角速度ω）定義（其數值見表2-3），其中，幾何常數和物理常數導出公式及數值應符合GB/T 39787標準附錄A 和附錄B的要求。另外，在GB/T 39787標準中除了給出四個定義常數外，還給出了3個特殊應用常數和4個其它常數。上述這些常數的數值請詳見標準原文，即見本文附件3。

3、相關主要模型及參數

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

表 3-3：IERS推薦的相關模型

4、BDCS實現要求

北斗坐標系的實現，應采用專用的軟件、算法和模型通過處理分布在全球的北斗參考站觀測數據，獲得北斗參考站高精度的坐標，實現過程應符合北斗參考站、觀測數據和數據處理等要求。GB/T 39787標準中給出了北斗參考站、觀測數據和數據處理的具體要求。

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構建的全球網數據進行處理，分析北斗參考站坐標時間序列，研究坐標變化規律，獲得精確的北斗參考站速度，并對坐標進行修正。北斗參考框架更新是指通過對歷年北斗參考站數據進行處理，獲得對準于最新的ITRF 框架的北斗參考站坐標及其速度。GB/T 39787標準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標準中，同時給出了BDCS與表 1-2-2中所列的其它地心坐標系的轉換規定，如GPS使用的WGS84、GLONASS使用的PZ90等。

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