[摘要] 本文比较了CGCS2000坐标系和WGS84坐标系的定义和实现差异。 指出定位方法和调整中的约束是判断点坐标所属坐标系的主要因素。 它总结了CGCS2000和WGS84框架下的要点。 位坐标的差异主要来自：不同的epoch（帧）、不同的精度、不同的实现。 给出了坐标转换的具体指标要求。 本文还分析了关于WGS84坐标系的几个常见误解80转2000坐标系软件，主要包括：（1）CGCS2000和WGS84框架下的点坐标不仅相差几厘米； (2) GPS接收器测量的一般不是WGS84坐标； (3)《技术规范》中对WGS84坐标转换的要求太低。 (4) CORS网络上的一些常见问题。 同时还比较了BDCS、CGCS2000和WGS84之间的关系。
[关键词] WGS84坐标系； 2000年国家大地坐标系； 北斗坐标系； 参考范围; 坐标转换
【中文图书馆分类号】P223【文献编码】A
摘要：本文比较了CGCS2000和WGS84的定义和实现。 然后指出定位方法和平差网络中的约束可以确定未知点的坐标系。 综上所述，CGCS2000与WGS84坐标系点坐标的差异是由时代、精度和实现等原因造成的。 并给出了坐标变换的具体要求。 最后，指出了许多关于 WGS84 普遍存在的误解。
关键词：世界大地测量系统84； 中国大地坐标系2000； 北斗坐标系； 参考范围; 坐标变换
1 简介
由于历史原因，业界普遍对WGS84坐标系存在一定程度的误解，很多文献中对WGS84坐标系的解释也比较模糊，这在测量、导航、遥感、地理信息等工作。 本文重点对CGCS2000坐标系、WGS84坐标系和BDCS坐标系之间的关系和转换问题进行了较为详细的总结、归纳和分析，并给出了几点建议，希望能起到抛砖引玉的作用。
2. CGCS2000和WGS84的定义
2.1 坐标系
CGCS2000和WGS84对于坐标系原点、尺度、方向和方向演化的定义相同[1]。
1）CGCS2000：国家坐标系
CGCS2000坐标是2000.0纪元的瞬时坐标，用于各种生产活动，强调统一、标准化、自洽、稳定。
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，强调实时性和动态性。
两者有不同的用途和特点，但都统一在ITRS坐标系中，并与ITRF框架保持一致。 它们可以通过纪元缩减和帧转换来相互转换。
2.2 参考椭球
以参考地为中心的地球固定坐标系首先通过参考椭球的定向和定位将椭球固定在地球上，然后将空间直角坐标系放置在椭球上。 CGCS2000 和 WGS84 坐标系都是地心地理固定坐标系。 地心固定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系的实现与椭球体无关。 由于经纬度坐标使用起来比较方便，因此引入椭球体并将其放置在空间直角坐标系上。
1）WGS84椭球和CGCS2000椭球均源自1980年大地参考系统GRS80椭球，并均作了微小改进[2]；
2）两个椭球的扁率仅有微小差异，导致同一点的坐标差小于0.105mm[3]。
因此，如果各种软件中没有CGCS2000坐标系选项，可以使用WGS84坐标系来代替CGCS2000坐标系。 在软件中选择坐标系，实质上就是选择该坐标系对应的椭球体的参数。
3. CGCS2000和WGS84的实现
(1) CGCS2000的实施[4]
CGCS2000是通过2000年国家GPS大地控制网的2500个框架点实现的，并与ITRF97框架保持一致。
(2)WGS84的实施[5]
WGS84坐标系由分布在全球的26个监测站的坐标实现。 不同版本的WGS84对应相应的ITRF版本和参考纪元。
(3) 框架比较
1）CGCS2000精度达到3cm[6]；
2) WGS84(1762)与ITRF的一致性优于1cm。
通过以上比较，总体结论是CGCS2000和WGS84应该在±5cm以内。 但需要注意的是：
1）这个结论是指CGCS2000和WGS84参考帧之间的差异，而不是用户的WGS84坐标之间的差异。
2）这个结论不是通过WGS84监测站和CGCS2000帧点联合测试直接得到的，而是通过与ITRF间接比较得到的理论差异。
4、基础框架和空基框架
地心坐标被划分为不同坐标系的根本原因是实现这些坐标系所使用的参考系不同，进而所使用的椭球体也不同。
这里注意，坐标系实现的参考系和对齐参考系（ITRF）不是同一个概念。
(1)基础框架和空基框架
1）CGCS2000坐标系的参考系主要是国内2500个GPS控制点。 WGS84的参考系是全球分布的26个GPS监测站，均属于地基参考系。
2）WGS84监测站精度可达1cm，但用户无法进行联合测量。 监测站坐标用于计算GPS星历。 广播星历和精密星历构成了WGS84的天基参考系。
(2)相对定位和绝对定位[7]
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）均以地面坐标系点坐标为起始数据，均直接使用基础参考系。
2）绝对定位（精密单点定位、编码伪距单点定位）以卫星星历（精密、广播）为起始数据，以卫星星历作为天基参考系。
卫星星历是使用地面监测站的卫星跟踪数据计算的。
5. CGCS2000和WGS84的坐标
通过对坐标系定义和实现的比较，认为CGCS2000和WGS84是兼容和一致的。
最常见的问题是：点的 WGS84 坐标和 CGCS2000 坐标有什么区别？
通常所说的两个坐标系相差几厘米，实际上指的是CGCS2000和WGS84参考系的理论差异，而不是用户坐标之间的差异。
1）一般情况下，WGS84坐标为观测历元，而CGCS2000坐标为2000.0历元。 目前，两个纪元相差超过19年，并且由于地壳运动，坐标相差约0.6m（每年约3cm）。
2）即使在2000.0的同一纪元，如果WGS84坐标是米级精度，CGCS2000坐标是厘米级精度，也不能说米级精度坐标和厘米级精度坐标的差别只有几个厘米。
3）ITRF2014和ITRF97之间的差异在2000.0时期大约为5cm，在2020.0时期大约为15cm。 WGS84坐标精度为米级，一般不考虑帧差。
因此，不能一概而论，也不能说相差只有几厘米。
点的WGS84和CGCS2000坐标之间的差异主要来自：不同的epoch（帧）、不同的精度和不同的实现。
WGS84 坐标和计算到历元 2000.0 的 CGCS2000 坐标之间没有区别。 区别在于准确性和实现方法。 （这里不考虑速度场误差和高程变化对历元减少的影响。）
6. CGCS2000和WGS84坐标的实现
“实现差异”有两个层面的含义：
1）坐标系的实现方式不同，包括CGCS2000帧点与WGS84监测站的差异，以及对齐的ITRF帧的不同。
2）坐标的实现不同，包括观测方法不同、约束平差时使用的起始数据不同、求解方法不同、测量单位不同等。
例如，如果一条基线两次测量了不同的长度，则这是该基线长度的两种不同实现。
在实际应用中，用户常常会对不同单位提供的同一组控制点的坐标差异感到困惑。 例如，A局和B局即使处于同一历元（帧）且精度相同，测量的坐标也必定不同。 引入“实现差异”的概念后，可以合理地解释这些坐标之间的差异。
由于它们是相同精度的坐标，因此它们之间没有区别。 可以无区别地使用； 也可根据项目要求按需使用； 通过坐标转换可以统一； 也可以是两组坐标的加权平均，以提高坐标精度。
同样，WGS84和CGCS2000的XYZ坐标统一在ITRS坐标系中。 在2000.0个epoch和相同精度的前提下，只有实现上的差异。
BLH 坐标离不开椭球体，习惯上区分坐标系。 但当忽略椭球体的微小差异时，实际上是无法区分的。
因此，无需担心坐标系的名称。 我们应该按照ITRS坐标统一对待它，只关心它的纪元（帧）和准确性。
7.WGS84的真实性
过去，GPS测量的坐标被称为WGS84坐标。 这个概念在早期伪距单点定位代码中是正确的。 由于其定位精度可达十几米，因此无需考虑坐标的时间变异性。
后来又发展了高精度相对定位和精密单点定位技术。 此时解算出的坐标不再是WGS84坐标，而是以控制点坐标为起始数据或者精密星历所在的坐标系来确定。 但这种观念和习惯一直延续至今。
(1) 真正的 WGS84
1）使用电码伪距解，或长时间内电码伪距解的平均值。
精度：米级； 坐标历元由广播星历确定，即观测历元； 坐标系是WGS84。
2）使用NGA精密星历进行单点定位。 （不常用）
精度：亚分米级； 坐标历元由精确星历确定，即观测历元； 坐标系是WGS84。
(2) 假WGS84
1）利用IGS精密星历进行单点定位（常用）
精度：亚分米级； 坐标历元由精密星历确定，即观测历元； 帧是IGS（对应ITRF）。
2）之前的高精度WGS84坐标是由IGS站引入的，进而导致了下一个级别的WGS84坐标。
但是，未指定坐标的 ITRF 帧和历元。 虽然当时这是长期、高精度的静态测量结果，但其年代不详。 3年的不确定纪元会产生近1分米的误差，因此这些坐标被认为是分米级的精度。 其标称精度与其真实精度不符。
1) 相对测量坐标的历元和坐标系由控制点坐标的历元和坐标系确定。
2）坐标历元不是观测历元，而是控制点坐标的参考历元。 控制点坐标的参考历元早于观测历元。
3）如果知道这两个假WGS84坐标的坐标系和历元，那么它们就是高精度坐标。 但实际上它不是WGS84坐标，而是ITRS坐标。
辨别WGS84坐标的真伪有助于深入理解坐标转换，解决实践中的困惑。
8. 纪元和框架的判断
如果要将某个点的地心坐标转换为CGCS2000，首先必须确定该点坐标的历元和坐标系。
GPS和北斗接收机都相当于测距仪，不包含任何坐标系属性。 从地基坐标系的点坐标开始的数据的相对测量用于测量基线，从天基坐标系的卫星星历开始的数据的绝对测量用于测量天基坐标系的伪距。卫星站。
约束平差中使用的起始数据（控制点坐标或星历）决定了获取坐标的历元、帧或坐标系。
典型问题：如果GPS静态观测网平差时作为起始数据的控制点坐标为西安80坐标系，那么计算得到的观测点坐标是什么坐标系？ 什么是纪元和框架？
答：GPS本质上是一个测距仪。 静态测量相当于距离交会。 观察到的观测点的坐标当然仍然是西安80坐标。 西安80坐标是相对于地球原点的坐标，没有纪元或坐标系。
9. WGS84天基框架
(1) 精密星历
精密单点定位以预测或后续的精密星历作为起始数据。 这种定位方法得到的坐标历元就是观测历元，坐标系与精密星历表系相同。
IGS精密星历是利用IGS站坐标约束计算的，属于IGS框架。 精密星历表的第一行标记了它所在的 IGS 坐标系。 IGS 框架与ITRF 框架有简单的对应关系。 可以确定精密单点定位得到的坐标的历元和坐标系。
(2)广播星历
编码伪距单点定位是一种常见的导航方案，以广播星历为起始数据，精度达到米级。 通过长时间平均也提高了准确性。 这种定位方法得到的坐标历元就是观测历元，该坐标所属的坐标系是WGS84坐标系。
那么，编码伪距单点定位方案的参考系是什么呢？
GPS监测站无法联合测量，精密星历基于IGS框架。 用户与 WGS84 坐标系的唯一连接是广播星历。
广播星历是以监测站坐标为起始数据计算的，因此属于WGS84坐标系。 监测站坐标与ITRF对齐。 那么广播星历的框架就是当前版本的WGS84对应的框架。
但以广播星历为起始数据计算出的坐标精度是米级，不需要做坐标系转换，所以不用关心它的坐标系，只要明确属于WGS84坐标系即可。 由于坐标精度较低，也可以说属于CGCS2000坐标系。
总之，用户无需关心WGS84坐标系的版本。 例如：北斗坐标系BDCS[8]坐标系点的坐标、历元、坐标系从未公开过，但并不影响其使用。
10. CGCS2000与WGS84之间的转换
WGS84和CGCS2000都与ITRF对齐并统一在ITRS坐标系中，仅在历元、框架、精度和实现上存在差异。 因此，WGS84坐标的真实性并不是很重要。 重要的是如何将它们转换成CGCS2000坐标。
根据纪元、帧、精度三个要素，确定如何将WGS84坐标转换为CGCS2000坐标。
(1)已知WGS84坐标对应的帧和纪元
1）如果WGS84坐标精度
如此高精度的WGS84坐标往往是假的WGS84坐标，但它们始终是ITRS坐标。 只要将其转换为CGCS2000坐标就不会出现任何问题。
2) 如果WGS84坐标精度>15cm且
3）如果WGS84坐标精度>3m，由于其精度太低，可以直接将WGS84坐标视为CGCS2000坐标，无需任何转换。
这种低精度WGS84坐标是一般导航用户使用的编码伪距导航解决方案。
需要强调的是，北京54和西安80的坐标虽然也是米级精度，但需要用CGCS2000进行静态转换。 因为它们可能距离CGCS2000坐标本身有几十米远。
上述坐标转换精度指标同样适用于BDCS和ITRS坐标的动态转换。
这个指标是怎么得到的呢？
坐标转换相当于在原始坐标上加上修正数。 如果WGS84坐标精度小于转换修正数的3倍，则可以忽略转换修正数[9]。
1）根据《大地控制点坐标变换技术规范》[10]（以下简称《技术规范》）的要求，应在2000.0历元进行坐标系变换。 在 2000.0 纪元，框架变换将坐标校正了大约 5cm。 当坐标精度小于15cm时，不需要进行坐标系变换。
2）假设历元减少到历元2000.0时坐标的修正量为1m（2019年的修正量约为0.6m，取1m意味着要求更严格）。 当坐标精度小于3m时，历元可以省略。 正确的。
(2) 不知道WGS84坐标对应的帧和纪元
1）采用静态转换方法，利用重合点获取转换参数进行转换。
特别强调：应保证所有重合点的WGS84坐标与待转换点的WGS84坐标大致处于同一历元，或者是同一时期观测到的WGS84坐标。
一组同周期的WGS84坐标就是一组同帧同历元的ITRS坐标，即一组静态坐标。 如需转换为其他静态坐标（北京54、西安80、CGCS2000或其他同帧同历元的ITRS坐标），可以采用静态转换方法。
不同的测量区域有不同的转换参数； 不同的epoch有不同的转换参数。 一些文献给出的统一转换参数是在特定条件下给出的，不具有代表性。
例如：如果要将CGCS2000坐标转换为北京54坐标，可以使用WGS84转北京54参数吗？
一般不可能，关键是看WGS84坐标的历元和精度是否与CGCS2000坐标一致。
2) 追踪坐标历元并进行历元计算。
WGS84坐标的历元不一定是观测历元。 如果使用相对定位获得坐标，则坐标的历元应为控制点的参考历元。 控制点的参考历元通常是不清楚的。
还可以利用WGS84与CGCS2000重合点坐标的差异，结合点速度，反推出WGS84坐标的历元。 不过这样做还是需要一个重叠点，这其实和静态转换是一样的事情。
（三）技术规范要求
根据技术规范，WGS84坐标转换为CGCS2000的方法如下：
1）厘米级精度需要控制点计算；
WGS84控制点坐标精度要求优于10cm，并且需要使用速度值进行时间历元计算。
2）要求精度达到分米级及以上的控制点；
WGS84控制点坐标10厘米以下视为2000年国家大地坐标系，不需要计算。
本文对WGS84坐标转换为CGCS2000的要求远高于技术规范。 不过，更高的要求当然不违反技术规范。
11.WGS84 的问题
一般认为，WGS84坐标最大的问题是没有协议的参考历元，导致历元不一致，坐标不兼容。
事实上，WGS84坐标系是一种卫星导航坐标系，利用广播星历来约束定位，实时给出观测历元的坐标。 WGS84坐标精度较低。 当需要与map结合时，epoch计算就足够了。 WGS84的帧点也有参考历元，但这与用户无关。
现有 WGS84 坐标的历元尚不清楚。 这个问题源于国内早期没有准确的速度场模型。 结果，纪元的作用很小，我们也没有关注纪元。
WGS84坐标系本身没有问题，2017年推出的北斗坐标系BDCS的定义也是一样的。 问题的根源在于我们将高精度相对定位坐标误认为是WGS84坐标，从而导致了WGS84坐标历元不一致、不清楚的问题。
不管WGS84坐标真假，只要将纪元减小到2000.0或者静态转换为CGCS2000，就会变成CGCS2000坐标。 WGS84坐标混乱的问题一下子就解决了。
1）历元缩小后的WGS84坐标仍然是WGS84坐标，准确地说，是历元2000.0的WGS84坐标。
2）可以说，降到纪元2000.0的WGS84坐标既是WGS84坐标，又是CGCS2000坐标。
3）更具体地说，它是ITRF97框架在2000.0纪元的ITRS坐标。
4) CGCS2000 坐标是具有约定历元和帧的 ITRS 坐标，而 WGS84 坐标是没有约定历元和帧的 ITRS 坐标。
12. CORS网络问题
网络RTK应直接将CGCS2000坐标发送给用户，但一些省、市和行业CORS网络存在技术薄弱、管理混乱的问题。 有的向用户发送WGS84和西安80坐标，有的发送的坐标既不是2000.0历元也不是观测历元，而是CORS站建立并运行时的参考历元坐标。 用户须注意区分，建议在CGCS2000级别点进行测量验证。
例1：某地的网络RTK可以同时输出CGCS2000和WGS84坐标，但由于历元未解析，两个坐标非常接近，相距不到0.6米左右。
CGCS2000和WGS84在同一点的两个坐标非常接近，说明两个问题：
1）该WGS84坐标精度高。
2) 此 WGS84 坐标已计算至历元 2000.0。
这个高精度的WGS84坐标往往是假的WGS84，实际上是CGCS2000坐标。 它与RTK本身输出的CGCS2000的区别仅在于实现方法上。
用户无需调查 WGS84 坐标的来源和真实性，只需确认并根据需要使用即可。 但一定要注意epoch是否已经计算过了。
注：如果只有CGCS2000坐标，但客户要求高精度的WGS-84坐标（这个要求本身就不合理），则CGCS2000坐标也可以视为2000.0历元的WGS-84坐标。
示例2：2013年，某地两个CORS网络输出的同一点坐标相差约35cm。
显然，一个CORS网络输出观测历元的坐标，另一个输出2000.0历元的坐标。 历元相差13年，输出坐标相差约35cm。
示例3：2019年，某地CORS网络更新升级。 用户发现更新前后同一点的坐标相差约20cm。
据了解，该地区的CORS网络很可能是2010年建成的，一直输出2010年的坐标，但升级后输出了2000.0的坐标。 历元相差10年，输出坐标相差20cm以上。
13.BDCS坐标系
地心坐标被划分为不同坐标系的根本原因是实现这些坐标系的参考系不同（不是指对齐的ITRF参考系）。 卫星导航系统坐标系与国家坐标系不宜捆绑在一起，原因如下：
①帧点数不同。 CGCS2000有数千个帧点，而BDCS只有几个。
②卫星导航坐标系更新周期短（几年），而国家坐标系更新周期长（几十年）。
③卫星导航系统采用独立的坐标系，这将使坐标系的更新和维护更加方便和容易。
④按照国际惯例，各国的导航坐标系与国家坐标系并不是同一个坐标系。
⑤CGCS2000坐标是2000.0纪元的瞬时坐标，主要用于各种生产活动，强调统一、标准化、自洽、稳定。 BDCS坐标是观测历元的动态坐标，用于导航，强调实时性和动态性。
问题一：北斗地基或星基精度增强系统为什么向用户发布CGCS2000坐标而不是BDCS坐标？
北斗高精度增强系统向用户发布的坐标是由其CORS站的高精度坐标确定的。 根据国家要求，应该是CGCS2000坐标。 BDCS 坐标的精度为米级，对于用户来说，它们仅反映为导航器地图上的位置。 而且，米级精度的BDCS坐标也可以直接视为CGCS2000坐标。
其实BDCS和WGS84没有本质区别。
千寻位置提供了三种坐标，并明确给出了坐标对应的纪元。
1）ITRF2008坐标对应2016.0纪元；
2）WGS84坐标对应2005.0纪元；
3) CGCS2000坐标对应纪元2000.0。
问题2：北斗坐标系参考系建立时，为什么使用GPS卫星导航系统和接收机测量监测站坐标，而不是使用北斗系统和接收机？
①坐标系与观测系统无关，仅与约束平差时使用的起始数据有关。
②当时，北斗卫星系统、接收机、数据处理软件尚未成熟。
③北斗参考系也必须与ITRF对齐。 当时国际IGS站与北斗不兼容，无法形成基线网络。 目前，全球有200多个跟踪站可以接收北斗观测数据。
问题3：BDCS和CGCS2000有什么关系？
定义相同，椭球相同，对齐的ITRF参考帧不同，历元不同，实现的参考帧不同80转2000坐标系软件，参考帧更新周期不同，测量精度不同，用途不同不同的。
BDCS与WGS-84效果相同，CGCS2000与北美NAD83效果相同。
注：BDCS和WGS-84都是卫星导航坐标系，坐标转换原理和方法相同。
14. 结论
动态地心坐标需要用点参考历元瞬时坐标和速度来表示。 之前没有速度场模型时，用户无法进行历元缩减。 当时，时代的重要性仅反映在项目中的一组坐标应大约相同的时期以确保坐标的一致性和自符合性。 坐标转换只能使用静态转换模式。 在这种情况下，时代的概念尚不清楚且影响不大，因此没有人注意它。 结果，先前的坐标没有时期。 在一个孤立的项目中，这种情况并不是一个大问题，但是在项目合作，资源共享，历史数据利用（尤其是一些大型和长期项目）方面，它将充满漏洞。
2017年，“技术规格”发布了CPM-CGCS2000板型号。 因此，空间测量技术实现的地心坐标必须表明其时期（框架）。
参考
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