CGCS2000坐标系和WGS84坐标系的区别联系

2020/2/13 11:03:53 0人评论 494 次 分类:技术文章

1. 概述

由于历史原因,业内普遍对WGS84坐标系存在一定程度的误解,诸多文献对WGS84坐标系的解释也比较含糊,给测绘、导航、遥感、地信等工作带来一定困扰。本文重点对CGCS2000坐标系与WGS84坐标系的关系和转换问题进行了较详细的总结、归纳和辨析。

2. 坐标系关系

CGCS2000与WGS84关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。

(1)CGCS2000:国家坐标系

CGCS2000坐标是2000.0历元的瞬时坐标,用于各种生产活动,强调统一性、规范性、自洽性、稳定性。

(2)WGS84:卫星导航坐标系

WGS84坐标是观测历元的动态坐标,用于导航,强调实时性、动态性。

两者用途不同,特点不同,但都统一于ITRS坐标系,都对准ITRF框架。可通过历元归算、框架转换互相转换。

1CGCS2000区域子网划分法测站分布图.jpg

CGCS2000区域子网划分法测站分布图

3. 参考椭球关系

参心地固坐标系是通过参考椭球的定向、定位,先将椭球固定在地球上,然后将空间直角坐标系安放在椭球上。CGCS2000与WGS84坐标系都属于地心地固坐标系。地心地固坐标系直接将空间直角坐标系固定在地球上。坐标系的定义和参考框架的实现都与椭球无关。由于经纬度坐标使用起来更方便,因此引入一个椭球,安放在空间直角坐标系上。

(1)WGS84椭球与CGCS2000椭球都来自1980大地测量参考系统GRS80椭球,也都做了微小的改进;

(2)两个椭球仅扁率有微小差异,引起同一点的坐标差异小于0.105mm。

因此,在各类软件中如果没有CGCS2000坐标系选项,完全可用WGS84坐标系代替CGCS2000坐标系。在软件中选择一个坐标系,本质上就是选择了该坐标系对应的椭球的参数。

2WGS84参考椭球.png

WGS84参考椭球

4. 坐标实现方式

(1)CGCS2000的实现

CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网2500个框架点实现,对准ITRF97框架。

(2)WGS84的实现

WGS84坐标系由26个全球分布的监测站坐标来实现。不同版本的WGS84对应相应的ITRF版本和参考历元。

(3)框架比较

1)CGCS2000实现精度为3cm;

2)WGS84(1762)与ITRF符合优于1cm。

通过以上比较,一般的结论是CGCS2000和WGS84应该符合在±5cm 以内。但是应该注意:

1)这个结论指的是CGCS2000与WGS84参考框架之间的差异,而不是用户的WGS84坐标之间的差异。

2)这个结论不是通过联测WGS84监测站和CGCS2000框架点直接得到的,而是通过与ITRF间接比较,得到的理论差异。

3CGCS2000基准站坐标.jpg

CGCS2000基准站坐标

5. 地基框架与天基框架

地心坐标区分为不同坐标系的根本原因在于,实现这些坐标系的参考框架不同,然后才是选用的椭球不同。

这里注意坐标系实现的参考框架与对准的参考框架(ITRF)不是一个概念。

(1)地基框架与天基框架

1)CGCS2000坐标系的参考框架主要是国内的2500个GPS控制点。WGS84的参考框架是26个全球分布的GPS监测站,这些都属于地基参考框架。

2)WGS84监测站精度可达1cm,但用户无法联测。监测站坐标用来计算GPS星历。广播星历、精密星历构成了WGS84的天基参考框架。

(2)相对定位与绝对定位

1)各种相对定位(实时动态定位RTK、差分定位、静态定位、常规控制测量)是以地面框架点坐标作为起算数据的,都直接使用地基参考框架。

2)而绝对定位(精密单点定位、码伪距单点定位)则是以卫星星历(精密、广播)作为起算数据的,使用卫星星历作为天基参考框架。

卫星星历是利用地面监测站的卫星跟踪数据计算得到的。 

4全球框架站点分布.jpg

全球框架站点分布

6. 坐标值差异

通过坐标系定义和实现上的比较,认为 CGCS2000和WGS84是相容的、一致的。最常见的问题是:一个点的WGS84和CGCS2000坐标差多少?通常所说的这两个坐标系差几厘米的含义,其实指的是CGCS2000与WGS84参考框架的理论差异,而不是用户坐标之间的差异。

(1)一般情况下,WGS84坐标是观测历元,而CGCS2000坐标是2000.0历元。当前,两个历元相差超过19年,由于地壳运动,坐标相差约0.6m(每年约3cm)。

(2)即便同在2000.0历元,如果WGS84坐标是米级精度,CGCS2000坐标是厘米级精度,不能说米级精度坐标和厘米级精度坐标只差几厘米。

(3)ITRF2014与ITRF97的差异,在2000.0历元约为5cm,在2020.0历元约为15cm。WGS84坐标精度为米级,一般不考虑框架差异。

因此,不能一概而论,也不能说只差几厘米。

一个点的WGS84和CGCS2000坐标差异主要来自:历元(框架)不同、精度不同、实现不同。归算到2000.0历元的WGS84坐标和CGCS2000坐标可不做区分。区别在于精度不同、实现方式不同。(此处暂不考虑速度场的误差、高程变化对历元归算的影响。)

5ITRF97定义.png

ITRF97定义

7. 坐标实现差异

“实现不同”有两个层次的含义:

1)坐标系的实现不同,包括CGCS2000框架点与WGS84监测站不同,以及对准的ITRF框架不同。

2)坐标的实现不同,包括观测方式不同、约束平差所用的起算数据不同,解算方式不同,施测单位不同等等。

例如一条基线,两次测量的长度不同,就是这条基线长度的两次不同实现。在实践中,用户常常对不同单位提供的同一组控制点的坐标有差异存在困惑。例如,甲局与乙局测出来坐标,即便在同历元(框架)、同精度的前提下,也必然是不同的。引入了“实现不同”的概念后,就可以合理的解释这些坐标之间的区别了。

既然是同精度的坐标,也就没有优劣之分。使用时可以不做区分;也可以依据项目要求,按需使用;可以通过坐标转换,使其统一;也可以对两套坐标加权平均,以提高坐标精度。同样,WGS84和CGCS2000的XYZ坐标都统一于ITRS坐标系。在2000.0历元、同精度的前提下,仅有实现的差别。

6GPS定位.jpg

GPS定位

8. 扁率变化

1)df不引起大地经度变化;

2)df引起大地纬度的变化范围为0(赤道和两极至0.105mm(B= 45°);

3)df引起大地高的变化范围为0(赤道)到0.105mm(两极);

4)df引起椭球面上正常重力的变化范围为0(两极)到0.016×10- 8ms- 2(赤道)。

显而易见,在当前的测量精度水平(坐标测量精度1mm,重力测量精度1×10- 8ms- 2),由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS84和CGCS2000坐标系内的坐标变化和重力变化是可以忽略的。

鉴于在坐标系定义和实现上的比较,我们可以认为,CGCS2000和WGS84是相容的;在坐标系的实现精度范围内,CGCS2000坐标和WGS84坐标是一致的。

7WGS84基准面.jpg

WGS84基准面

9. 坐标转换

如果涉及到WGS84和CGCS2000坐标系之间的转换,可以使用水经注万能地图下载器,在导出矢量的时候可以选择WGS84和CGCS2000等多种坐标系。

8坐标转换.png

坐标转换

10. 结语

以上就是CGCS2000坐标系和WGS84坐标系的区别联系详细说明,主要包括了坐标系关系、参考椭球关系、坐标实现方式、地基框架与天基框架、坐标值差异、坐标实现差异、扁率变化和坐标转换等功能。如果在使用过程中有任何疑问,请联系我们客服或拔打24小时热线电话400-028-0050咨询!

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