坐標系發展概述
劉光明
GNSS絕對定位是通過測量星站距離，然后用衛星星歷來計算地面點坐標。但是衛星的星歷又是由地面跟蹤站的坐標計算得到的。那么，最初的坐標是從哪里來的？
地球自轉軸指向北，“北”的高度角即為點位的天文緯度。由地球自轉定義了世界時，兩地的地方時之差即為經度差。如圖1.3所示，定向、定位和定時都源于地球自轉，通過天文觀測實現。
圖1.3 時空基準源于地球自轉
觀測的恒星越多則精度越高。那么如何來組織這些恒星呢？在天文學中，天體的位置與關系用天球參考系來表達。假定恒星是靜止的，天球參考系與恒星背景固定，因此是一個準慣性系。地球參考系則固定在地球上，隨地球自轉。天文觀測可將坐標基準從恒星的天球坐標傳遞到站點的地球坐標。
地球參考系分為天文坐標系和大地坐標系。天文經緯度的測量基準為水準面和鉛垂線，是客觀存在的物理量，可直接觀測。大地經緯度的數學基準為參考橢球和橢球法線，不可直接觀測。因此，在橢球形狀和位置確定的前提下，通過垂線偏差公式即可將觀測的天文經緯度轉換為大地經緯度。同時還需測量正常高和高程異常，相加得到大地高。
傳統大地測量先通過天文觀測確定少數地面站點的天文經緯度，并轉換為大地經緯度，然后再用傳統測量技術進行加密測量。空間大地測量先通過傳統測量技術確定少數地面臺站的初始大地坐標，然后采用空間測量技術和現代理論不斷進行迭代、優化和加密。
大地坐標系分為參心坐標系和地心坐標系。傳統測量技術一般只能獲得局部觀測數據，只能建立參心坐標系。空間測量技術可獲得全球觀測數據，可直接建立地心坐標系。參心坐標與地心坐標之間通過重合點求轉換參數的方法轉換。
國際地球參考系（ITRS）是各種現代地心坐標系的基礎。諸如CGCS2000、WGS-84的定義都與ITRS相同，也都對準了不同版本的國際地球參考框架（ITRF）。區分為不同坐標系的根本原因在于實現坐標系的參考框架不同（不是指對準的ITRF框架）。地心坐標系之間可通過歷元歸算和框架轉換來互相轉換，也可采用重合點求轉換參數的方法轉換。各種坐標之間的關系見圖1.4。
圖1.4 各種坐標之間的關系
“北”不受地球自轉影響，是地球參考系在天球參考系中唯一的固定點。因此，天球參考系與地球參考系的Z軸都指向北，它們之間的根本區別就是地球自轉。
天文觀測基于瞬時自轉軸，但瞬時自轉軸不穩定，導致地面點與遙遠天體間的相對位置關系不穩定，進而引起測量的恒星天球坐標和站點地球坐標隨時間變化。因此需要約定不隨時間變化的協議天極（J2000）和協議地極（CIO）。恒星的瞬時天球坐標用歲差章動來修正，站點的瞬時地球坐標用極移來修正，就可以得到不受地球自轉軸不穩定性影響的協議天球參考系（CIS）坐標和協議地球參考系（CTS）坐標。空間中任意一點的協議天球坐標與協議地球坐標通過地球定向參數（EOP）來轉換。EOP包括歲差、章動、極移和自轉。協議參考系坐標轉換見圖1.5。
圖1.5 協議參考系坐標轉換
隨著高精度空間測量技術的發展，天球參考系的定義剝離了不穩定的地球系統，直接用河外射電源的位置來定義，稱為國際天球參考系（ICRS）。進一步顧及廣義相對論效應又建立了地心時空參考系（GCRS）。對于地球參考系，高精度空間測量必須考慮板塊運動的影響。采用滿足蒂斯朗條件的國際參考極（IRP）將板塊運動與極移進行分離，進而建立了ITRS。
GCRS與ITRS之間也是通過EOP進行轉換，但是淡化了EOP中各參數的物理意義，而在頻域對其進行更精細的分離。各種參考系之間的關系見圖1.6。
圖1.6 各種參考系之間的關系
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利用空間測量技術確定高精度地心坐標必須考慮板塊運動的影響,這增加了坐標轉換的復雜性。實踐中會遇到各種各樣的具體情況,不是通過一個軟件就能解決的問題,必須深入理解,才能做到舉一反三。同時,了解和掌握一些測繪基準知識,在生產實踐中可以做到心中有數。
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