北斗坐标系测绘学报

昨日，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行，仪式上宣布了正式开通。

北斗导航定位系统的诞生背景

首先得从上世纪五十年代说起，苏联率先将第一颗人造卫星“斯普特尼克1号”送入太空，开启了人类的太空时代，美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室两位物理学家却通过对这颗苏联卫星轨道数据的研究提出了卫星定位系统最初的构想，打开了卫星导航时代的大门。

1964年，美国率先建成世界第一个卫星导航系统——由6颗卫星构成的“子午卫星系统”，1980年代美国又率先开建了世界第一个全球卫星导航系统——由24颗卫星构成的GPS系统。GPS作为美苏冷战的产物，真正显现出威力是在1990年的海湾战争中，此时苏联解体已成定局，而我国被其威力感到震撼。

配备GPS系统的精确制导武器在战争中的表现，给我国军方留下了深刻印象，开始意识到卫星导航系统的军用价值。

1993年发生的“银河号事件”，无疑又一次刺激了我国，再次为我国展示了卫星导航系统的重要性。

就在“银河号事件”的次年，我国政府批准了中国科学院院士、“两弹一星功勋奖章”获得者陈芳允的“双星定位系统”方案，正式启动北斗卫星导航系统建设。所谓的“双星定位系统”，1983年由陈芳允与合作提出，基于三球定位原理，采用两颗同步卫星进行定位，并同时进行通信。1989年，陈芳允团队通过通信卫星进行了双星定位实验，验证了双星定位技术的可行性。

从1989年双星定位技术获得验证，到1994年北斗卫星导航系统启动，时间跨度长达五六年，最大的原因恐怕并非技术问题而是经费问题，当时的中国太穷了。可以想象，如果没有海湾战争与“银河号事件”接踵而来的刺激，北斗卫星导航系统建设的启动恐怕还会延迟。

符合国情之路 “先区域、后全球”的“三步走”战略

在北斗卫星导航系统的建设中，我国遵循循序渐进的建设原则，将按照三步走的总体规划分分步实施，先从服务我国到亚太地区，最后至全球服务。那北斗三步走战略是哪三步？

第一步，1994年启动北斗卫星导航试验系统的建设，2000年形成区域有源服务能力，利用少量地球同步静止轨道卫星来完成试验任务，为北斗卫星导航系统的建设积累技术经验、培养专项人才，研制一些地面应用基础设施设备。

第二步，2004年启动北斗卫星导航系统的建设，到2012年，建成覆盖亚太区域的北斗卫星导航系统，具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时及短报文通信服务能力。

第三步，在今年，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统，具备全球无源服务能力。

北斗导航系统（BDS）与 GPS、 GLONASS、 Galileo对比

GPS/BDS /GLONASS/ Galileo的起源及特点

BDS： 我国自行研制的全球卫星导航系统，由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度50纳秒。

GPS： 由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能，要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。

GLONASS： 该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。1993年，俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统，于2007年开始运营。当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务，到2009年，其服务范围已经拓展到全球，该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。

Galileo： 由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布。系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。

北斗导航系统的优势

1.安全性能高

在北斗导航以前，我们经常使用的是美国的GPS卫星导航系统。使用GPS不仅每年都要向美国支付高额的服务费，而且定位导航的安全系数也不高。在前几年，媒体就曾经曝出，美国军方利用GPS监视各国军队获取情报的情况，所以我国使用自己的北斗卫星系统后就不用受制于人，安全系数将大大提高。

2.定位精度准

中国的北斗卫星导航由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球卫星、3颗倾斜同步轨道卫星组成。卫星数目的提高，带来的将是定位精度和服务范围的提高。北斗卫星导航系统由于是中国自主研发运营的，势必会在国内优先。

3.三频信号

中国的北斗导航系统采用的是最新的三频信号方案，而美国的GPS采用的二频信号。三频信号能更好的消除高阶电离层延迟的影响，增强数据预处理能力，提高模糊度的固定效率，从而提高定位的可靠性。

4.有源定位和无源定位

有源定位是需要用户的接收机自己发射信号来与卫星通讯，无源定位则不需要，北斗定位二代采用的是无源定位。当用户的上空卫星数量很少时，仍然可以定位。目前，北斗卫星导航系统已经具备短报文通讯服务，这项功能在全球定位系统当中是一次技术的突破，美国的GPS只能是单向通讯，而中国的北斗已经实现了双向性的通讯功能，这一功能在处理重大事件中实用性相当高！

交通的应用

随着我国营运车辆越来越多,各类交通事故时有发生,给人民群众生命财产带来了巨大损失.其原因是多方面的,其中营运车辆驾驶人员不遵守道路交通安全法的违法行为(如超速、随意变道、长时间占用超车道、应急车道、随意停车等),是导致高速公路事故发生的重要因素。利用北斗卫星导航系统的高精度定位车道级导航系统,以加强对营运车辆驾驶行为的管控,解决交通执法难题,提高管理效率。

在地质测绘的应用

利用北斗导航定位技术研发通用型自然资源实地调查信息系统，具有兼容多种外业调绘、实现野外信息采集亚米级定位等优势。

中国地质环境监测院与清华大学共同研制的基于北斗一号卫星导航系统的滑坡实时监测系统，在四川雅安滑坡地区取得了很好的应用效果。

中国地质科学院地质力学研究所与清华大学合作开发了基于北斗一号卫星导航系统的青藏高原地应力实时监测系统。

在抗震救灾与应急指挥中的应用

在“5.12”汶川地震后的抗震救灾工作中，北斗卫星导航系统发挥了重要的作用，保障了抗震救灾与应急指挥的顺利进行，充分体现了北斗导航定位系统在抗震救灾应用中的不可替代性。北斗卫星导航系统在“5.12”抗震救灾中的应用主要有：①为“5.12”抗震救灾的救援直升机提供了导航定位；②在地震造成通讯中断、道路损毁的情况下为抗震救灾提供可靠的通信保障，为灾区一线和指挥部建立了实时通信通道，把灾区的实时情况及时传回指挥部，在决策、搜救、医疗等过程中发挥了关键作用，为取得5.12抗震救灾的伟大胜利奠定了决定性的基础；③为减灾防灾提供远程监测和灾情预警；④为社会大众提供公共应急信息服务。

在防汛应急抢险的应用

防汛应急抢险采用北斗接收机进行数据采集，包括精确的经纬度定位、当前时间（授时）；然后通过卫星通讯终端把相关数据通过报文传送到防汛指挥中心；防汛指挥中心利用该数据在地理信息系统（GIS）中进行定位，进而获得实时的汛情信息，从而能快速有效地进行应急抢险，将损失降到最低。

总结

北斗卫星定位导航系统作为世界上的4个卫星导航系统之一，在珠三角、环渤海、华中地区、长三角等地发展态势良好，目前已成功应用于测绘、水利、石油、渔业、矿业、农业、海洋运输、工业控制、森林防火、铁路运输、自主导航应用、公共安全等领域。

参考资料：

参考网址：

参考文献：

[1]付毅飞.中国北斗的前世今生[J].科学之友,2019,(7):6-10. DOI:10.3969/j.issn.1000-8136.2019.07.003.

[2]陈倩,易炯.全球4大卫星导航系统浅析[J].导航定位学报,2020,8(3):115-120.

[3]郭晶,王正伟,祁俊锋.基于北斗高精度定位的车道级导航系统[J].测绘通报,2020,(1):26-29.

[4]吕达昕.北斗卫星导航定位系统在人工岛安全监测中的应用[J].企业科技与发展,2020,(5):113-114.

[5]胡恬,唐芝青.基于北斗导航定位技术的通用型自然资源实地调查信息系统研究与实现[J].测绘与空间地理信息,2020,43(3):118-120,123.

[6]温静,汪大明,孟月玥, 等.北斗卫星导航系统在地质调查领域应用综述[J].地质力学学报,2012,18(3):213-223. DOI:10.3969/j.issn.1006-6616.2012.03.002.

[7]张锦升.北斗系统在抗洪救灾中的应用[J].信息通信,2016,(12):277-278. DOI:10.3969/j.issn.1673-1131.2016.12.137.

摘要在现有成果向 2000 国家大地坐标系转换工作中，各省市都做了很多理论研究和实际转换工作。本文阐述了现有成果向2000国家大地坐标系转换的方法，对不同数据、不同方法转换过程中常见的问题进行汇总、整理，并分析问题产生的原因及对成果的影响，为今后现有成果向 2000 国家大地坐标系转换工作提供参考和建议，以确保成果转换的质量。关键词:CGCS2000；坐标转换；大地控制点；基础地理信息数据；GNSS基准站；三角点；4D产品自 2008 年 7 月 1 日起，我国启用 2000 国家大 地坐标系( CGCS2000) ，各地有关部门开展了现有各 类测绘信息成果到 CGCS2000 的转换工作，积极推 进 CGCS2000 的推广使用。为做好启用 CGCS2000 的实施工作，国家测绘地理信息局于 2008 年 7 月组 织编制了《启用 2000 国家大地坐标系实施方案》和《现有测绘成果转换到 2000 国家大地坐标系技术 指南》。为加快 CGCS2000 推广使用工作，进一步指 导各部 门、各单位顺利完成原有坐标系成果向 CGCS2000 转换，确保转换技术方法正确，国家测绘 地理信息局于 2013 年 6 月组织编制了《2000 国家 大地坐标系推广使用技术指南》和《大地测量控制 点坐标转换技术规程》。CGCS2000 转换涉及的测 绘地理信息成果主要包括大地控制点类成果( GNSS 基准站、GNSS 控制点、三角点) 和基础地理信息数 据成果( DLG、DOM、DEM、DRG) 。文献[1—2]从总 体上介绍了 CGCS2000 的构建、精化、维持和更新， 以及可用于转换工作的国家级成果。文献[3—11] 研究了 GNSS 基准站、大地控制点、4D 产品的转换 方法。文献[12] 探讨了转换的检查方法。本文对 省级坐标转换中存在的常见问题进行梳理和分析。一坐标转换方法1. 大地控制点类成果( 1) 坐标归算本方法适用于非 CGCS2000 的省级 GNSS 基准 站和卫星大地控制点坐标向 CGCS2000 的坐标转 换。即对拟转换点采用与周边稳定的 IGS 站及国家级的 GNSS 连续运行基准站进行联测的方法，获得 各站点在现 ITRF 框架、观测历元下的位置，经过历 元归算、板块运动改正、框架转换[13]3 个步骤进行 坐标计算。用这种方法进行转换必须要知道网中各 站的速度场。( 2) 参数转换本方法适用于未联测已知点的卫星大地控制点 和三角点坐标向 CGCS2000 的坐标转换。即按照转 换区域选取适当的转换模型( 布尔莎模型、三维七 参数模型、二维七参数模型、三维四参数模型、二维 四参数模型、多项式拟合模型等) ，选择重合点，经 粗差剔除后计算转换参数，进行坐标转换。2. 基础地理信息数据成果基础地理信息数据成果转换针对分幅数据或数 据库实体数据，采用不同的坐标转换方法。比例尺 大于 1 ∶ 1 万的 DLG、DEM 数据一般采用高分辨率 的格网坐标改正量进行逐要素点转换的方法完成转 换; DOM、DRG 数据一般采用平移或纠正的方法完 成转换，转换参数一般采用高分辨率的格网坐标改 正量进行表达。二常见问题及分析1. 大地控制点类成果( 1) 坐标归算采用坐标归算方法进行坐标转换的关键工序主 要有: 基准控制点( IGS 站、国家级 GNSS 基准站、国 家 GNSS 大地控制点) 的选取、高精度数据处理、板块 运动改正、框架转换等。坐标归算常见问题主要集中在基准控制点的选取和板块运动改正两个方面。①起算点坐标非国家测绘行政主管部门权威发 布的 CGCS2000 坐标部分省建立基础控制网采用的 GCS2000 起算 点坐标非国家测绘行政主管部门权威发布，或不能 量值溯源到国家测绘行政主管部门权威数据。表 1 为某省 C 级控制网建立时采用的 IGS 站或 国家级 GNSS 基准站的 CGCS2000 坐标与国家权威 数据的较差统计值，这一差异导致转换数据整体出 现系统性偏差。②起算点精度等级达不到相应等级控制点要求 部分省市坐标基准框架或基础控制网的建立未与 IGS 站或国家级 GNSS 基准站进行联测，仅与本 省市及周边省市 2000 国家 GPS 大地控制网( 三网 平差) 控制点进行联测，经约束平差获得 CGCS2000 坐标。这种方法在对 C、D 级 GPS 控制点进行转换 时确保了成果与本省区域内的其他成果的一致性。省级 GNSS 基准站作为省级大地基准的骨干和主要 支撑，采用这种方法在当时历史条件下和过渡期内 实现了 CGCS2000 在省级的快速推广使用，但在现 阶段不利于维持省级三维、动态地心坐标系统，不利 于保证大地控制网点位三维地心坐标的精度、现势 性及全国的统一。表 2 为某省采用坐标归算方法以 A、B 级点为 基准建立的 56 个省级 GNSS 基准站 CGCS2000 坐标 的外符合精度情况统计，可以明显看出在空间三维 方向上均存在一定的误差，并且均具有系统性偏差。这些误差已经对 GNSS 基准站的服务造成了一定 影响。③未考虑框架不同历元间由于板块运动引起的坐标变化值部分省在进行历元归算后，未考虑计算框架所 对应历元下坐标从观测历元到需转换历元之间，由 于板块运动引起的坐标变化值，把坐标变化值带入 到转换成果中，引起转换成果误差。ITRF 2005 转换到 ITRF 2000 框架时站的速度 场起主要作用，因此若所确定的速度场不准确对转 换结果有很大的影 响。而 从 ITRF 2000 转 换 到 ITRF 97 框架下起主要作用的是框架之间的转换关 系，对所需转换的站的速度场要求不是很高[13]。表 3 为部分点不同年代观测数据联合平差时，因板块运动而引起的坐标变化值无法消除，最终转换成果产生的系统误差。( 2) 参数转换采用参数转换方法进行坐标转换的关键工序主 要有: 转换分区、转换模型的选取、重合点的选择和 剔除、转换参数计算、外部检核等。参数转换常见问 题主要集中在转换分区、重合点覆盖范围、重合点的 剔除、检核点分布 4 个方面。1) 由于 1954 北京坐标系的坐标是采用逐级控 制分区平差的方法推算的，存在明显的平差变形，甚 至个别地区在分区或锁网接合部点出现了成果不一 致或产生了裂缝[14]，因此在这类地区不宜采用一个 分区和一套转换参数，以避免产生较大误差。2) 重合点选取的基本原则为等级高、精度高、 局部变形小、分布均匀及覆盖整个转换区域。当重 合点不能覆盖整个转换区域时，不能覆盖的区域转 换参数只能通过外推得到，但转换精度可能随外推 距离放大而急剧损失，导致转换后的成果与邻省成 果间存在不接边的情况。对于从国家申领的具有 CGCS2000 坐标的一、二、三、四等天文大地网点，不 加区别全部用于转换模型的计算，造成了重合点利 用的等级和精度不统一，转换精度不高，局部变形 较大。3) 粗差点剔除不严密，不严格按照大于 3 倍点 位中误差进行，易导致局部转换参数的变形。粗差 点的剔除还应包括造成重合点分布不均匀的点，如应最大限度避免模型中狭长三角形的出现，这种点 可作为外部检核点使用。4) 利用未参与计算转换参数的重合点作为外 部检核点，其点数应不少于 6 个且分布均匀。外部 检核点不足时应进行野外实测检核，尤其应注意对 转换区域边缘的检核。2. 基础地理信息数据成果( 1) DEM 转换由于生产 DEM 成果的过程数据( 等高线、特征 线、高程点等) 一般不存在，DEM 转换不能按照相关 生产技术规程构造 TIN 并内插重新生成 DEM，一般 选用高分辨率格网坐标改正量并采用平移或双线性内插的方法对图幅进行坐标转换，同时参考像素分 辨率确定起算坐标进行数据重采样，按 CGCS2000 新的图廓及重叠像素进行图幅裁切，更改数据头文 件中定位坐标，修改元数据相关条目。DEM 转换常 见问题主要有以下几个方面:1) 采用平移方法进行 DEM 转换，以图幅 4 个 角点平移量的平均值作为图幅左下角点改正量，不 进行数据重采样，DEM 数据仍以原坐标系图廓范围 进行单幅存储。这种方法的图幅起始点坐标为非格网间距的整 数倍，因相邻图幅坐标平移量不一致导致图幅不接 边。在后期 DEM 数据应用时，接边区域内高程仍需 处理，并造成重采样精度损失。2) 采用平移方法进行 DEM 转换，坐标平移量 归整化为 DEM 格网间距的整数倍，不进行数据重 采样。这种方法会产生 DEM 局部相邻图幅间相差一 排( 一列) DEM 格网点，导致局部图幅接边处格网数 值不唯一，出现少一排( 一列) 或重合一排( 一列) 的 情况( 如图 1 所示 ) 。因坐标平移量规整化为格网 点间距整数倍，导致 DEM 转换精度损失，进而转换 精度超限。表 4 为某省不同地形类别区域的 DEM 转换精度统计，可见这种方法在山区容易导致部分图幅转 换精度超限。( 2) DOM 转换DOM 转换一般选用高分辨率格网坐标改正量 采用平移或纠正的方法对图幅进行坐标转换，按 CGCS2000 规定的新的图廓及重叠像素进行图幅裁 切，按像素关系计算移动量( 像素数) ，更改数据头 文件中定位坐标，修改元数据相关条目。DOM 转换 常见问题主要有以下几个方面。DOM 转换过程中将平移量规整化为 DOM 地面 采样间距的整数倍后对整图进行坐标平移，以及局 部相邻图幅间相差一排( 一列) DOM 栅格点，导致局 部相邻图幅接边区域数值不唯一。这种转换方法虽 不会对 DOM 转换精度造成重大影响，但转换工作 并未全面完成，宜对接边成果进行重采样处理，完善 转换工作。三建议及措施1. 大地控制点类成果1) 平差计算过程中的起算控制点 CGCS2000 成果不能仅利用向国家申领的 2000 国家 GPS 大地 控制网成果( 三网平差成果，地心坐标精度平均优 于 3 cm) 中的大地点成果，需要更加充分利用精度 更高的 2000 国家 GPS 大地控制网中的 GNSS 连续 运行基准站坐标( 坐标精度为毫米级) 。2) 在坐标归算过程中顾及板块运动的特性和 不同历元间框架的严格转换关系，充分利用可用于 转换工作的国家级最新速度场成果 CGCS2000 板块 运 动 模 型 ( China Plate Model-CGCS2000，CPM- CGCS2000) 和 CGCS2000 格网速度场模型。CPM- CGCS2000 是目前国内最精确的相关模型，解决了 CGCS2000 动态维持及我国已有基础测绘成果转换 的难题，适用于基于 ITRF 框架非 2000 历元下各类 GNSS 定位成果到 CGCS2000 的转换。3) 各省与邻省进行重合点数据交换，建立参数 转换模型的重合点尽可能覆盖全部转换区域; 不能 覆盖的转换区域转换参数可通过平滑外推得到，但 要加强外部检核工作和邻省的接边工作。4) 采用不同转换模型进行比较分析，绘制点位 残差分布图和点位残差等值线图，选择最优模型进 行坐标转换。采用多项式拟合模型进行坐标转换， 还应参考布尔莎模型、二维七参数转换模型等适合 于全国及省级范围的转换模型进行精度分析，剔除 残差较大点。2. 基础地理信息数据成果现有成果转换工作量大，且各省现有基础地理 信息数据成果为过渡性成果，随着基础测绘工作的 持续开展，新的基础地理信息数据成果宜直接采用 CGCS2000 生产，各省市对现有成果的转换工作，以 满足实际应用为目的进行，转换过程中应保证转换 数据的完整性、一致性、唯一性，确保转换到位、接边 到位。加强转换工作技术方案和技术路线的全面质量 评估，避免数据转换出现重大质量问题。四结束语现有成果向 CGCS2000 转换工作是一项系统工 作，在转换过程中，尽管各省市结合自身情况，开展 了一系列的理论研究和实际转换工作，但是在转换 中仍然存在一些问题。本文对检查中发现的转换工 作 相 关 问 题 进 行 整 理 分 析，旨 在 为 今 后 的 CGCS2000 转换工作、为 CGCS2000 推广应用中的生 产和质量检查工作提供参考，确保成果转换的质量。参考文献[1] 陈俊勇，杨元喜，王敏，等. 2000 国家大地控制网的构 建和它的技术进步[J]. 测绘学报，2007，36( 1) : 1-8.[2] 宁津生，王华，程鹏飞，等.2000 国家大地坐标系框架 体系建 设 及 其 进 展[J]. 武 汉 大 学 学 报 ( 信 息 科 学版) ，2015，40( 5) : 569-573.[3] 王文利，程传录，李东，等.1954 年北京坐标系和 1980 西安坐标系精度分析及其适用性研究[J]. 大地测量 与地球动力学，2012，32( 5) : 68-71，77.[4] 成英燕，程鹏飞，秘金钟，等. 基于现框架下的省市级 CORS 站 到 CGCS2000 的 转 换[J]. 测 绘 通 报，2011 ( 7) : 1-3，14.[5] 成英燕，程鹏飞，顾旦生，等. 三维 4 参数模型实现地 图到 CGCS2000 的转换[J].武汉大学学报( 信息科学 版) ，2010，35( 6) : 747-751，755.[6] 郭春喜，王文利，白贵霞，等. 坐标系转换中全国高精 度高分辨率格网改正量的确定[J]. 测绘科学，2013， 38( 2) : 5-7.[7] 吕志平，魏子卿，李军，等.CGCS2000 高精度坐标转换 格网模 型 的 建 立[J]. 测 绘 学 报，2013，42 ( 6) : 791- 797.[8] 成英燕，程鹏飞，秘金钟，等.大尺度空间域下 1980 西 安坐标系与 WGS-84 坐标系转换方法研究[J]. 测绘 通报，2007( 12) : 5-8.[9] 韩买侠，郭 春喜，王 文利，等. 小比例尺基础数据由 1980 坐标系向 2000 坐标系转换的方法[J]. 测绘科 学，2014，39( 1) : 32-34，58.[10] 庞尚益，郭春喜，程传录. 国家基本比例尺 DLG 数据 坐标转换方法的研究[J]. 测绘科学，2006，31 ( S1) : 28-29.[11] 郭春喜，韩买侠. 数字高程模型( DEM) 和数字线划图 ( DLG) 的坐标转换方法[J]. 测绘通报，2013( 1) : 57- 59.[12] 张训虎.现有成果转换为 2000 国家大地坐标系成果 检查方法探讨[J].工程勘察，2015( 2) : 85-89.[13] 程鹏飞，成英燕，文汉江，等.2000 国家大地坐标系实 用宝典[M].北京: 测绘出版社，2008: 130-132.[14] 董鸿闻. 1954 年北京坐标系的历史注释[J]. 东北测 绘，2001，24( 2) : 16-17，23.-----END-----社群交流/原创投稿/ 商务合作温馨提示：近期，微信公众号信息流改版。每个用户可以设置 常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过“测绘之家”的文章，你一定要进行以下操作：进入“测绘之家”公众号 → 点击右上角的 ··· 菜单 → 选择「设为星标」