2000坐标系和WGS84坐标系的区别联系

dyxah · 发表于 2021-9-22 09:33

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坐标系的关系等问题进行了较详细的总结、归纳和辨析。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。）

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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。

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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。

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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、坐标实现差异和扁率变化等功能。