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大地坐标系的建立及其应用

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  院士,是国家在科学技术领域所授予的最高学术称号的科学家。《懿博客》栏目特邀国内各专业领域的院士,评述前沿、高端的国防技术或武器装备。
中国论文网 /8/view-9150089.htm
  主持人 何 懿
  魏子卿,中国工程院院士,著名的大地测量学家,我国人造卫星大地测量的开拓者之一。现为中国测绘学会资深会员,中国天文学会会员,长安大学、信息工程大学博士生导师。
  魏子卿院士一直致力于大地测量学的研究与发展,在卫星大地测量学、全球定位系统精密定位和定轨、地心坐标系的建立等前沿理论与技术方面进行了先导性、系统性、创造性的研究工作,特别是在引导大地测量学的发展,促进传统技术向现代高科技转化方面取得了显著的成绩、主持和完成了“2000中国大地测量系统”,“全国CPS一、二级网”、“卫星导航增强系统”、“中国地壳运动观测网络工程”、“高精度的地心坐标系的建立与维持技术”、“全国天文大地网与空间大地网联合平差工程”等10余项重大科研工程项目,多项成果获得国家科技进步奖。
  
  笛卡儿创建了直角坐标系,在代数和几何上架起了一座桥梁,建立起数学坐标与几何点的一一对应关系。它使几何概念得以用代数的方法描述出来,这样便可将先进的代数方法应用于几何学研究,生活中,谈及一个物体的位置,也必须有一个类似笛卡儿坐标系的框架,我们称之为大地坐标系,事实上它是笛卡尔坐标系在现实中的具体应用。简单来说,大地坐标系是规定了原点、坐标轴指向以及尺度的笛卡尔坐标系,建立起了空间点地理位置与大地坐标之间的关联,我们生活的方方面面都与这个无形的框架紧密联系在一起。从星际航行到驾车旅行,从边境划界到地籍规划,从远程武器发射到步兵分队行动,都离不开坐标系,坐标系与军事行动、经济社会和国计民生息息相关。
  
  大地坐标系的实现和维持
  
  地心大地坐标系是将原点设在地球的质量中心,它的第三轴与平均地球旋转轴重合,第一轴与第三轴垂直且位于格林尼治平均天文台子午面内,第二轴完成右手空间坐标系。此外,大地坐标系的定义通常还包括关于尺度的规定,因为度量坐标和长度必须使用一定的尺子,依据坐标系原点在地球体内的位置,大地坐标系可以分为地心大地坐标系和局部大地坐标系。地心大地坐标系的原点与地球(包括大气)的质量中心重合,局部大地坐标系的原点则偏离地球质量中心。
  
  一个大地坐标系,又称大地参考系,仅给出其定义还是不够的。仅概念上定义的坐标系仍是抽象的,也是无法使用的。为了实用,除了定义坐标系外,我们还必须给出一大批“看得见、摸得着”的地面点,它们的坐标是精确知道的。由于地面点与地球岩石圈一起运动,因而它们的运动速度也是应该知道的。这批地面点的坐标隐含了坐标系的原点和坐标轴的方向及使用的尺度,而它们的运动速度则隐含了坐标系的原点、轴向和尺度的时间变化率。
  大地坐标系是通过大地测量技术建立的。在过去的经典大地测量时代,建立大地坐标系的方法是:首先将选定的参考椭球体定位于地球体内,并确定某一地面点(称大地原点)的基准数据,然后以该点为起始点,布设大规模的天文大地网,以此推算各个三角点的大地坐标,从而建立起大地参考架。经典的测量技术,完全是地面测量,点与点之间的相对测量,观测量与“地心”没有任何联系,这样建立的大地参考架,定是局部的、二维(平面)的。与此对照,空间测量是相对地球质量中心的,而且是三维的(大地经度、大地纬度、大地高)。建立大地坐标系的基本方法是,利用空间技术测定一批地面点的三维坐标,建立起精确的三维大地参考架、现代地心大地坐标系的精度,无论在绝对意义上,还是在相对意义上,都比已往的局部大地坐标系要好得多。
  
  2000中国大地坐标系
  
  相对局部大地坐标系,地心大地坐标系具有许多优点。它可以最大限度地满足使用空间测量手段进行测绘与导航的要求,满足航天和远程武器技术的需求 自上世纪60年代,美国军方相继推出WGS60、WGS66、WGS72和WGS84世界大地坐标系,生活中广泛使用GPS导航给出的就是WGS84坐标系下的坐标。20世纪80年代,北美开始采用NAD83地心坐标系。近年许多国家先后启用了地心大地坐标系,当前,国际地球参考系(ITRS)和国际地球参考架(ITRF)是世界上最精确、最权威的地心大地坐标系。
  2008年7月1日,我国正式启动了2000中国大地坐标系(CGCS2000),也称2000国家大地坐标系。CGCS2000之前。我国使用1954年北京坐标系、1980西安坐标系、DX-I(地心Ⅰ)、DX-Ⅱ(地心Ⅱ),已不能适应国家经济建设和军队信息化建设的需要。大地坐标系的建立和使用是关系到国防和国家经济建设的重大问题。CGCS2000是我国新一代坐标系,它的建立标志着我国大地基准迈入了现代大地坐标系行列,标志着我国地心大地测量基准建设达到了世界先进水平,CGCS2000的原点在地球的质量中心,z轴指向111IIS(国际地球自转与参考系服务)参考极方向,X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线,Y轴与z、x轴构成右手地心直角坐标系。长度单位为米(SI)。这一尺度同地心局部框架的TCC(地球坐标时)时间坐标一致;定向在1984.0(1984年1月1日0时0分0秒)时,与国际时间局(BIH)的定向一致。2000中国大地坐标系与WGS84和ITRF在厘米级水平是兼容的。2000中国大地坐标系通过2000国家GPS大地控制网约2 500个高精度大地点的坐标(历元为2000.0)体现,其实现精度约3厘米。
  
  地心坐标系与远程武器
  
  地心大地坐标系对于远程武器具有特别意义:一是远程武器的射程可能跨越个大陆范围,相距遥远的目标点和发射点的坐标必须统在世界大地坐标系内;二是由于远程导弹在空间的运行轨迹通过地球质量中心的平面,研究和设计导弹弹道必须使用地心坐标系。使用不同的坐标系统,对远程武器的命中率带来较大的影响,如研究远程导弹弹道使用局部坐标系在理论上是不通的,对射程1万~1.5万千米的洲际弹道导弹将产生2-3千米的命中误差,显然是不可接受的。同时,发射点在地心坐标系下的位置和速度误差,将导致导弹飞行过程中任意时刻的位置和速度误差,最终影响命中率,即谓差之毫厘,谬以千里。
  下面以美国“民兵”洲际弹道导弹某次实弹射击为例,说明在地心坐标系中发射点位置误差影响的大小,这次发射方向是向北,射程9 300千米,最高点的高度为1100千米,落点爆炸;附表列出脱靶对发射点位置和速度误差的敏感度,即发射点位置和速度单位误差值(位 置1.0米,速度1.0米/秒)导致的末段射程误差和横向距离误差(米)。数据表明,脱靶对发射点位置误差的敏感度比较小,而对垂直误差的敏感度较大。例如,假定发射点位置水平和垂直分量误差均为10米,则水平分量误差引起射程误差在3米以内,引起横向距离误差在6米以内,而垂直分量误差引起射程误差为42米,引起横向距离误差为12米值得注意,脱靶对于发射点速度误差的敏感度比较大,即使发射点速度有每秒零点几米的误差,引起弹着点的圆概率误差,就可能达到几百米。这对于空中或海上发射显然更值得注意。应当指出的是,即使对于陆基发射,初始速度误差也未必为0。事实上,由于地球自转,在惯性坐标系内,对地面静止点的速度不等于0,点的坐标误差将导致初始速度误差,在纬度45。地区,在东西方向10米的位置误差引起速度误差0.03米/秒。
  
  
  大地坐标系与卫星导航
  
  人造地球卫星绕地球运行,遵守牛顿第二定律,受万有引力影响,卫星运行轨道平面时时通过地球的质心,所以建立精确的地心坐标系对于卫星大地测量、全球性导航和地球动态研究等都具有重要意义。坐标基准是卫星导航系统的重要组成部分,没有高精度的坐标基准,就不可能提供高精度的导航定位服务,目前CPS采用WGS84坐标系、GLONASS采用PZ-90坐标系、GALILEO采用GTRF坐标系,它们都是高精度的大地地心坐标系,我国第代卫星导航系统“北斗一号”可覆盖我国及周边地区(定位精度20米),同时兼有报文通信和授时功能,是一种新型、全天候、区域性的卫星导航系统。它标称采用1954年北京坐标系,高程系统采用J985国家高程基准。这一坐标系统属局部坐标系,与地心坐标系的转换参数量级达100多米,很难满足许多高精度用户对地心坐标的要求。“北斗一号”卫星监测站坐标实际采用DX-Ⅱ坐标,标校站坐标先通过GPS定位技术获得厘米级的ITRF地心坐标,然后通过坐标转换,获得DX-Ⅱ坐标和1954北京坐标。中心站利用轨道确定方法得到的北斗卫星坐标应处在“北斗1号”监测站隐含的坐标系下、如果监测站采用DX-Ⅱ坐标,则“北斗1号”星历坐标是DX-Ⅱ下的地心坐标,如果采用ITRF:坐标、则卫星也在这一框架下。由于“北斗1号”定位机制的原因,要计算用户位置,必须要有用户高程,而用户高程基于1985国家高程基准,因此,用户的坐标是在1985国家高程基准和DX-Ⅱ(或ITRF)框架下的综合结果,很难说清楚用户是在哪一坐标系下,只能说用户位置是地心坐标。“北斗1号”导航定位系统没有建立真正意义上的地心坐标系。我国正在建设中的新一代卫星导航系统不仅要提供米级标准导航定位服务,还应提供厘米级甚至毫米级的精密导航定位服务,与之相应,必须有厘米级甚至毫米级的地心坐标系,采用CGCS2000作为参考框架是我们必然的选择。
  
  大地坐标系与深空探测
  
  在我国航天任务中,风云、资源、海洋、环境等卫星发射任务,多数使用DX-I坐标成果。设备点和目标点大地测量成果主要采用基于1980年国家坐标系、DX-I、DX-Ⅱ和WCS84坐标系。坐标系尺度和参考椭球参数的精度与目前国际标准存在一定偏差,与地球参考系(ITRS)协议规定不一致,点位精度较低,坐标系不统一,不能满足高精度轨道测量和确定方面的要求,不能兼顾更多的科学目标和实际应用要求。空间数据系统咨询委员会(CCSDS)发布的轨道数据信息标准中参考坐标系部分,建议选用的地心参考系是符合国际地球自转服务组织(TERS)协议规定的全球地心坐标参考框架,而且许多国际航天组织都采用该规范。我国绕月探测工程“嫦娥1号”卫星测控任务的国际联网中,欧空局各测站的站址坐标均为ITRF2000坐标系下的坐标。由此可见,我国航天任务中所采用坐标系的现状不利于开展国际合作、参与国际竞争。因此,为满足计算设备理论轨道、跟踪测量和事后数据处理要求,必须更换为统一的CGCS2000地心坐标系。
  作为最佳坐标框架,CCCS2000有利于陆海空导航的发展,有利于航天技术和远程武器的发展等。归根结底,使用地心参考系,有利于我国经济建设、国防建设和科学技术研究,有利于社会的可持续发展。

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