【解惑】WGS84、BDCS与CGCS2000的总结、归纳和辨析
The following article is from 北斗办 Author 刘光明
本文作者：刘光明（微信ID：xianlgm）
供职单位：千寻研究院
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坐标系和BDCS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，并给出了若干建议，希望能够起到抛砖引玉的作用。
2.1 坐标系
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]。
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。
2.2 参考椭球
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]；
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 [3]。
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。
（1）CGCS2000的实现[4]
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[5]
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[6]；
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。
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[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）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。
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。）
“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。
BLH坐标不能脱离椭球而存在，习惯上要区分坐标系。但在忽略椭球微小差异时，实则也可以不做区分。因此，完全没有必要纠结坐标系的名称，统一按照ITRS坐标对待，只关心其历元（框架）、精度就可以了。
过去把GPS测得的坐标都叫做WGS84坐标，这种观念在早期码伪距单点定位时是正确的。由于其十米多的定位精度，也不需要考虑坐标的时变性。后来发展了高精度的相对定位和精密单点定位技术，这时解出的坐标已经不是WGS84坐标了，而是由作为起算数据的控制点坐标或者精密星历所在的坐标系决定。但是这种观念和习惯一直延续至今。
（1）真WGS84
1）用码伪距解，或长时间的码伪距解平均值。
精度：米级；坐标历元由广播星历决定，即观测历元；坐标系为WGS84。
2）用NGA精密星历单点定位。（不常用）
精度：亚分米级；坐标历元由精密星历决定，即观测历元；坐标系为WGS84。
（2）假WGS84
1）用IGS精密星历单点定位（常用）
精度：亚分米级；坐标历元由精密星历决定，即观测历元；框架为IGS（对应ITRF）。
2）以前的高精度WGS84坐标是由IGS站引入的，进而又引出下一级WGS84坐标。
但是没有指明坐标的ITRF框架以及历元。虽然当时是长时间、高精度的静态测量结果，但是其历元未知。3年的历元不确定就会产生近1分米误差，所以认为这些坐标是分米级精度。其标称精度与真实精度不符。
1）相对测量的坐标的历元和框架由控制点坐标的历元和框架决定。
2）坐标的历元不是观测历元，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）这两种假WGS84坐标如果知道框架和历元，那就是高精度坐标。但实际上不是WGS84坐标，而是ITRS坐标。
分清WGS84坐标的真假，有利于深入理解坐标转换，并解决实践中的困惑。
如果要把某点的地心坐标转换至CGCS2000，必须先确定该点坐标的历元和框架。无论GPS还是北斗接收机，都相当于一个测距仪，本身不包含任何坐标系属性。以地基框架点坐标为起算数据的相对测量是用它来测基线，以天基框架的卫星星历为起算数据的绝对测量是用它来测星站伪距。约束平差时所用的起算数据（控制点坐标或者星历）决定了获得坐标的历元、框架或者坐标系。
典型问题：如果GPS静态观测网平差解算时，作为起算数据的控制点坐标是西安80坐标系的，解出的观测点坐标是什么坐标系的？历元、框架又是什么?
解答：GPS本质上是一个测距仪，静态测量相当于距离交会，解出的观测点坐标当然还是西安80坐标。西安80坐标是相对于大地原点的坐标，本身没有历元和框架。
（1）精密星历
精密单点定位利用预报或事后的精密星历作为起算数据。这种定位方式得到的坐标历元为观测历元，坐标的框架和精密星历的框架相同。
IGS精密星历是用IGS站坐标约束计算的，属于IGS框架。精密星历的第一行标注了其所在IGS框架。IGS框架与ITRF框架有简单的对应关系。精密单点定位得到的坐标的历元、框架就可以确定了。
（2）广播星历
码伪距单点定位就是常见的导航解，利用广播星历作为起算数据，精度米级。以前也通过长时间平均来提高精度。这种定位方式得到的坐标历元为观测历元，坐标所属坐标系为WGS84坐标系。
那么，码伪距单点定位解的参考框架是什么？
GPS监测站是不能联测的，精密星历是IGS框架的。用户与WGS84坐标系的唯一联系就是广播星历。广播星历是用监测站坐标作为起算数据算出来的，因此属于WGS84坐标系。监测站坐标对准ITRF。那么广播星历的框架就是当前版本的WGS84对应的框架。
但是用广播星历作为起算数据解算的坐标精度为米级，不需要做框架转换，也就没有必要关心它的框架，只需明确属于WGS84坐标系即可。由于坐标精度低，也可以说属于CGCS2000坐标系。
总之，用户不需要关心WGS84坐标系的版本。例如：北斗坐标系BDCS[8]框架点的坐标、历元、框架从未公开，但也不影响使用。
WGS84和CGCS2000都对准ITRF，统一于ITRS坐标系，只有历元、框架、精度和实现的区别。因此WGS84坐标的真假并不是很重要，重要的是如何将其转换为CGCS2000坐标。根据历元、框架、精度三要素，来确定如何将WGS84坐标转换为CGCS2000坐标。
（1）已知WGS84坐标对应的框架和历元
1）如果WGS84坐标精度<15cm，采用历元归算和框架转换。
这种高精度的WGS84坐标，往往是假的WGS84坐标，但总归是ITRS坐标。只要将其转换到CGCS2000坐标，就没有任何问题了。
2）如果WGS84坐标精度>15cm且<3m，由于其精度低，不考虑框架转换，仅作历元归算。
3）如果WGS84坐标精度>3m，由于其精度太低，可以不做任何转换，直接认为WGS84坐标就是CGCS2000坐标。
这种低精度的WGS84坐标是一般导航用户使用的码伪距导航解。
需要强调的是：虽然北京54和西安80的坐标也是米级精度，但是需要和CGCS2000进行静态转换。因为他们和CGCS2000坐标本身可能就相差几十米。
以上坐标转换精度指标也适用于BDCS和ITRS坐标的动态转换。
这个指标是如何得到的？
坐标转换相当于给原坐标加一个改正数，如果WGS84坐标精度低于转换改正数3倍时，转换改正数可以忽略[9]。
1）按照“大地测量控制点坐标转换技术规范”[10]（以下简称“技术规范”）要求，应该在2000.0历元下做框架转换。2000.0历元下框架转换对坐标的改正约为5cm，当坐标精度低于15cm时，可以不做框架转换。
2）设历元归算至2000.0历元对坐标的改正为1m（2019年的改正约为0.6m，取1m相当于要求更严格了），当坐标精度低于3m时，可以不做历元改正。
（2）不知道WGS84坐标对应的框架和历元
1）采用静态转换方法，用重合点求转换参数来转换。
特别强调：应该保证所有重合点和待转换点的WGS84坐标的历元大致相同，或是同一期观测的WGS84坐标。
一组同期的WGS84坐标，是一组同框架同历元的ITRS坐标，即是一组静态坐标。转换到其他静态坐标（北京54、西安80、CGCS2000，或其他同框架同历元的ITRS坐标），可以采用静态转换方法。
测区不同，转换参数就不同；历元不同，转换参数也不同。在一些文献中给出的统一的转换参数是特定条件下的，没有代表性。
例如：要把CGCS2000坐标转换为北京54坐标，可以用WGS84转北京54的参数代替吗？一般不行，重点看WGS84坐标的历元和精度与CGCS2000坐标是否一致。
2）溯源坐标历元，做历元归算。
WGS84坐标的历元不一定是观测历元。如果是采用相对定位方式得到的坐标，坐标的历元则应该是控制点的参考历元。而控制点的参考历元往往也不明确。也可以利用WGS84与CGCS2000重合点的坐标差异，结合点位速度，反推WGS84坐标的历元。但是，这样做还是需要重合点，实际上和静态转换是一回事。
（3）技术规范要求
按照技术规范要求，WGS84坐标转换为CGCS2000的方法如下：
1）厘米级精度要求控制点归算；
要求WGS84控制点坐标精度优于10厘米，则需用速度值进行时间历元归算。
2）分米级及以上精度要求控制点；
低于10厘米的WGS84控制点坐标就视同2000国家大地坐标系，不需归算。
本文对WGS84坐标转换为CGCS2000的要求，比技术规范的指标高的多。但是，要求更高肯定是不违反技术规范的。
一般认为：WGS84坐标最大的问题就在于没有一个协议的参考历元，导致历元不统一、坐标不兼容。实际上，WGS84坐标系是一个卫星导航坐标系，用广播星历约束定位，实时给出观测历元的坐标。WGS84坐标精度低，需要和地图结合时，最多做历元归算即可。WGS84的框架点也有参考历元，但与用户无关。
现有WGS84坐标的历元不明确。这个问题源于早期没有精确的国内速度场模型，导致历元的作用不大，我们也就不重视历元。WGS84坐标系本身是没有问题的，2017年推出的北斗坐标系BDCS的定义也相同。问题的源头在于我们把高精度相对定位坐标误认为是WGS84坐标，才产生了WGS84坐标历元不统一、不明确的问题。
不论WGS84坐标的真假，只要将其历元归算到2000.0，或者静态转换到CGCS2000，就都变成CGCS2000坐标了。一次性解决了WGS84坐标混乱的问题。
1）历元归算过的WGS84坐标依然是WGS84坐标，准确地说是2000.0历元的WGS84坐标。
2）可以说历元归算到2000.0的WGS84坐标，既是WGS84坐标，也是CGCS2000坐标。
3）更明确的说，它是2000.0历元、ITRF97框架的ITRS坐标。
4）CGCS2000坐标是约定了历元和框架的ITRS坐标，WGS84坐标则是没有约定历元和框架的ITRS坐标。
网络RTK应该直接向用户发送CGCS2000坐标，但是一些省市和行业CORS网，存在技术薄弱、管理混乱问题。有些向用户发送WGS84和西安80坐标，还有的发送的坐标既不是2000.0历元，也不是观测历元，而是CORS站建立运行时的参考历元的坐标。用户一定要注意分辨，建议在CGCS2000等级点上测量验证一下。
例1：某地的网络RTK可同时输出CGCS2000和WGS84坐标，但是两个坐标很接近，并不是相差由于历元未归算而引起的约0.6米差异。
同一点的CGCS2000和WGS84两个坐标很接近，说明两个问题：
1）这个WGS84坐标精度高。
2）这个WGS84坐标已被归算至2000.0历元了。
这个高精度WGS84坐标往往是假的WGS84，实际上也是CGCS2000坐标。它与RTK本身输出的CGCS2000的区别，仅在于实现方式不同。
用户没必要追究其WGS84坐标的来源和真假，承认它并按需使用就行了。但是一定要注意历元是否已经归算。
注意：如果只有CGCS2000坐标，但是客户要求提供高精度的WGS-84坐标（这种要求本身是不合理的），也可以把CGCS2000坐标当做2000.0历元的WGS-84坐标。
例2：2013年，某地的两种CORS网输出的同一点的坐标相差约35cm。
显然，一个CORS网输出的是观测历元的坐标，另一个输出的是2000.0历元的坐标。历元相差13年，输出的坐标大概相差35cm。
例3：2019年，某地CORS网更新、升级。用户发现同一点坐标在更新前后差约20cm。
据了解，该地区CORS网大概是2010年建设的。一直以来输出的都是2010年的坐标，升级后输出的是2000.0的坐标。历元相差10年，输出的坐标相差超过20cm。
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(不是指对准的ITRF框架）。卫星导航系统的坐标系和国家坐标系不应该捆绑在一起，原因如下：
①框架点个数有差异，CGCS2000有数千个框架点，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卫星导航系统使用单独的坐标系，将使坐标系的更新和维护更方便，更容易。
④遵循国际惯例，各国的导航坐标系与国家坐标系都不是同一个坐标系。
⑤CGCS2000坐标是2000.0历元的瞬时坐标，主要用于各种生产活动，强调统一性、规范性、自洽性、稳定性。BDCS坐标是观测历元的动态坐标，用于导航，强调实时性、动态性。
问题1：北斗地基或星基精度增强系统，给用户发布的为什么是CGCS2000坐标，而不是BDCS坐标？
北斗高精度增强系统给用户发布的坐标由其CORS站的高精度坐标决定，按照国家要求，应该是CGCS2000坐标。BDCS坐标是米级精度的，对用户来说，仅体现为导航仪地图上的位置。而且一个米级精度的BDCS坐标，也可以直接认为就是CGCS2000坐标。
事实上，BDCS和WGS84并没有本质上的区别。
千寻位置提供三种坐标，明确给出了坐标对应的历元。
1）ITRF2008坐标对应2016.0历元；
2）WGS84坐标对应2005.0历元；
3）CGCS2000坐标对应2000.0历元。
问题2：北斗坐标系参考框架建立时，监测站坐标为什么用GPS卫星导航系统和接收机测量，而不用北斗系统和接收机测量？
①坐标系与观测系统无关，只与约束平差所用的起算数据有关。
②当时北斗卫星系统、接收机、数据处理软件还不成熟。
③北斗参考框架也要对准ITRF，而当时国际IGS站上还没有兼容北斗，无法构成基线网。当前，全球已有两百多跟踪站可接收北斗观测数据。
问题3：BDCS与CGCS2000的关系是什么？
定义相同、椭球相同、对准的ITRF参考框架不同、历元不同、实现的参考框架不同、参考框架更新周期不同、测量精度不同、用途不同。
BDCS与WGS-84作用相同，CGCS2000与北美NAD83作用相同。
注意：BDCS和WGS-84都是卫星导航坐标系，坐标转换原理与方法相同。
动态地心坐标需要用点位参考历元瞬时坐标和速度来表达。之前没有速度场模型的时候，用户无法做历元归算。当时，历元的意义仅仅体现在要求一个工程中的一组坐标大概是同一时期，以保证坐标的一致性、自洽性。坐标转换也只能采用静态转换模式。在这种情况下，历元的概念不明确，作用不大，也就没有人去注意它。导致了以前的坐标没有历元。这种情况在一个孤立的工程中问题不大，但在项目合作、资源共享、历史数据利用，尤其是一些大型的长期的项目中就会漏洞百出。
2017年，“技术规范”已经发布了CPM-CGCS2000板块模型。因此，一个空间测量技术实现的地心坐标，必须注明其历元（框架）。
作者照片
参考文献
[1]魏子卿.2000中国大地坐标系. [J].大地测量与地球动力学.2008，28(6)：1-5.
[2]魏子卿.2000中国大地坐标系及其与WGS84的比较[J]. 大地测量与地球动力学,2008，28(5):1-5.
[3]程鹏飞,文汉江,成英燕,王华. 2000国家大地坐标系椭球参数与GRS80和WGS84的比较[J]. 测绘学报,2009，38(3):189-194.
[4]魏子卿.大地坐标系新探[J].武汉大学学报信息科学版,2011，36(8):883-886.
[5]曾安敏，明锋，景一帆.WGS84坐标框架与我国BDS坐标框架的建设[J].导航定位学报,2015，3(3):43-48.
[6]2000中国大地测量系统.国家军用标准GJB 6304-2008[G]. 北京:中国人民解放军总装备部，2008.
[7]李天文.GPS原理及应用[M].北京:科学出版社，2003.
[8]北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1C、B2a（测试版）[G]. 北京:中国卫星导航系统管理办公室，2017.
[9]黄维彬.近代平差理论及其应用[M].北京:解放军出版社，1992.
[10]大地测量控制点坐标转换技术规范.测绘行业标准CH/T 2014-2016[G]. 北京: 国家测绘地理信息局，2016.
-----END-----
社群交流 / 原创投稿 / 商务合作
来源：北斗办
推荐阅读
【采访】杨元喜院士见证中国测绘事业的发展，寄语年轻一代测绘者
【资讯】自然资源部关于2019年第八批注册测绘师注册审批结果的公告
推荐关注
↓↓↓点击下方“阅读原文”查看更多精彩内容...