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关于全球导航卫星系统(GNSS)的坐标系统及BDCS

浏览:10177  来源:通信人在线  日期:2023-05-13

一、引述

卫星导航空间位置坐标系统是卫星导航系统的重要基础,精确统一的空间基准是准确描述导航卫星和用户接收机位置的基础,也是应用卫星导航定位原理、构建卫星导航数学模型的基础前提。

1、参考系

物质的运动无处不在,如银河系中恒星的运动、太阳系中行星和卫星的自转及其轨道运动、地球的自转和极移、航天器在地球附近或太阳系中的运动以及地球的板块运动等。这些天体或地球上的点在空间的位置和运动,必须相对于某个参照物来描述,这样的参照物就是参考系。参考系通常包括:一套理论和数据处理方法;一组模型和常数;一个对应的参考架。描述不同物体的运动一般都选择不同的参考系。

目前,国际地球自转和参考服务(IERS International Earth Rotation and Reference System Service)组织定义的通用国际地球参考系(ITRSInternational Terrestrial Reference System)包括:ITRS 的地球参考架即国际地球参考架(ITRF International Terrestrial Reference Frame);确定该参考架所采用的一组模型常数,即IERS 规范;确定该参考架参考点坐标值的一套理论和数据处理方法。

2、坐标系

坐标系是与参考系对应的,是用于描述物体位置、运动和姿态的一种数学工具。坐标系的定义包括三个要素:坐标原点的位置、坐标轴的指向、坐标尺度。坐标系是理论定义的,因而没有误差可言。尽管参考系与坐标系在概念上有所区别,但在不引起误解的情况下,一般混用参考系与坐标系。

卫星导航定位系统的建立、维护和应用中涉及多种坐标系统,通常包括地心参考系统(也称地球参考系统)、参心坐标系统和相对独立的平面坐标系统。地心参考系统即上述提到的IERS的通用国际地球参考系(ITRS),ITRS是全球导航卫星系统(GNSSGlobal Navigation Satellite Systems)的关键坐标系统,用以GNSS建立、维护、用户定位导航计算。ITRS应符合下表1-2-1所述的8项要求。

1-2-1:国际地球参考系统(ITRS)的基本规定

根据上表对地心坐标系统进行定义及要求后,通过建立大地坐标参考框架(ITRF)实现坐标系统。一般采用常规大地测量、全球导航卫星系统(GNSS)、甚长基线干涉(VLBI)、人造卫星激光测距(SLR)、激光测月(LLR)、星上多普勒定轨和无线电定位系统(DORIS)、重力测量或者其它技术手段获取观测数据,经过数据处理建立大地坐标参考框架(ITRF)。目前,国际上的主要全球导航卫星系统(GNSS)所用的地心坐标系统情况汇总于下表1-2-2中。其中包括我国自行建立的、由北斗导航定位系统所使用的大地坐标系统2000CGCS2000)、美国GPS系统使用的WGS84Gwwww)坐标系统、俄罗斯GLONASS系统使用的PZ90坐标系等。

1-2-2:全球导航卫星系统(GNSS)主要的地心坐标系统

二、中国大地坐标系统2000CGCS2000)介绍

1、定义

我国于200871日起正式启用的地心参考系统,命名为2000中国大地坐标系统,简称CGCS2000,英文名称:China Geodetic Coordinate System 2000。在我国国家标准GB 22021-2008《国家大地测量基本技术规定》、GB/T 30288-2013《卫星导航定位坐标系统》和GB/T 39787-2021《北斗卫星导航坐标系统》中对“2000中国大地坐标系统”都给出了具体的定义,请详见下表2-1中,虽然各自具体表述不近相同,但可有助其的理解。

2-1:“2000中国大地坐标系统”的定义

在理解其定义时,应结合国际地球参考系统(ITRS)的基本规定(见表 1-2-1)。关键时轴长、定向、尺度、定向时间演变等概念。

2、参考框架

CGCS2000 是通过我国GNSS 连续运行基准站、空间大地控制网以及天文大地网与空间大地网联合平差建立的地心大地坐标系统,是北斗卫星导航系统(BDS 所采用的大地坐标系。CGCS2000 ITRF 97 参考框架为基准,参考框架历元为J 2000.0。下图2-22000中国大地坐标系的结构图。

2-22000中国大地坐标系的椭球结构图

CGCS2000 由框架网和加密网组成。CGCS2000 框架网由约2 600 2 000 国家GPS 大地控制网三维大地控制点的点位坐标构成,其点位精度约为±3 cmCGCS2000 加密网由约5 万个控制点构成,三维点位误差约为±0.3 mCGCS2000 的维持主要依靠连续运行GNSS 基准站,坐标精度为毫米级,速度精度为±1 mm/a

3、大地测量常数

CGCS2000大地测量常数包括大地测量地球椭球基本常数和地球椭球主要几何及物理常数,具体数值详见下表2-3。注意:大地测量基本地球椭球基本常数采用无潮汐系统。

2-3GCS2000大地测量常数

提示:在表1-2-2中的其它地心坐标系统,及参心坐标系统和相对独立的平面坐标系统,的基本概念及相关要求,在我国国家标准GB/T 30288《卫星导航定位坐标系统》中均由介绍。若要详细了解的请查阅该标准,即见下附件2

附件 2GB/T 30288-2013《卫星导航定位坐标系统》

三、北斗卫星导航定位系统坐标系

1、概述

北斗卫星导航定位系统的坐标系称为北斗坐标系(BDCSBeiDou Coordinate System),在 GB/T 39787-2021《北斗卫星导航坐标系统》中指出:BDCS的定义符合国际地球自转服务(IERS)规范,与CGCS2000的定义一致,也即北斗卫星导航系统(BDS)采用的是大地坐标系。鉴于此,下述简要介绍北斗卫星导航定位系统坐标系的内容,若要详细了解该标准具体内容的请查阅下附件3

附件 3GB/T 39787-2021《北斗卫星导航坐标系统》

2、椭球参数

BDCS 参考椭球与CGCS2000 参考椭球一致,其几何中心与BDCS 的原点重合,旋转轴与BDCS Z 轴一致。BDCS 参考椭球也是表面为正常重力场的等位面的正常椭球,由四个常数(长半轴α、包含大气的地球引力常数μ(也可用GM表示)、扁率f、地球自转角速度ω)定义(其数值见表2-3),其中,几何常数和物理常数导出公式及数值应符合GB/T 39787标准附录A 和附录B的要求。另外,在GB/T 39787标准中除了给出四个定义常数外,还给出了3个特殊应用常数和4个其它常数。上述这些常数的数值请详见标准原文,即见本文附件3

3、相关主要模型及参数

BDCS宜采用IERS推荐的相关模型及参数,其模型种类与名称详见下表3-3

3-3IERS推荐的相关模型

4BDCS实现要求

北斗坐标系的实现,应采用专用的软件、算法和模型通过处理分布在全球的北斗参考站观测数据,获得北斗参考站高精度的坐标,实现过程应符合北斗参考站、观测数据和数据处理等要求。GB/T 39787标准中给出了北斗参考站、观测数据和数据处理的具体要求。

5、北斗参考框架的维持与更新要求

北斗参考框架维持是指对构建的全球网数据进行处理,分析北斗参考站坐标时间序列,研究坐标变化规律,获得精确的北斗参考站速度,并对坐标进行修正。北斗参考框架更新是指通过对历年北斗参考站数据进行处理,获得对准于最新的ITRF 框架的北斗参考站坐标及其速度。GB/T 39787标准中给出了北斗参考框架的维持与更新的具体要求。

另外,在GB/T 39787标准中,同时给出了BDCS与表 1-2-2中所列的其它地心坐标系的转换规定,如GPS使用的WGS84GLONASS使用的PZ90等。

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附录
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