全球定位系统与坐标系介绍

一、卫星定位系统

• GPS

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成。

• GALILEO

伽利略卫星导航系统（Galileo satellite navigation system），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统，该计划于1999年2月由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。系统由轨道高度为23616km的30颗卫星组成，其中27颗工作星，3颗备份星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。截止2016年12月，已经发射了18颗工作卫星，具备了早期操作能力（EOC），并计划在2019年具备完全操作能力（FOC）。全部30颗卫星（调整为24颗工作卫星，6颗备份卫星）计划于2020年发射完毕。

• GLONASS

格洛纳斯(GLONASS)，是俄语“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM”的缩写。格洛纳斯卫星导航系统作用类似于美国的GPS、欧洲的伽利略卫星定位系统和中国的北斗卫星导航系统。
该系统最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。该系统于2007年开始运营，当时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年，其服务范围已经拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。
“格洛纳斯”导航系统目前在轨运行的卫星已达30颗，俄航天部门计划2014年内再发射3颗

• BDS

中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。
北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并且具备短报文通信能力，已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。
2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。

二、卫星定位原理

• 卫星排布

最初的GPS方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上，然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

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GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。

• 定位原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR，）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

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• 定位精度

28颗卫星(其中4颗备用)早已升空，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地面约20000千米。已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为10米。

• GPS设备设置

GPS 拿到手，如果是新机器要定位，已经提到了。
另外，还有一些设置，常用的有坐标系、地图基准、参考方位、公制/英制、数据接口格式什么的。
坐标系：常用的是 LAT/LON 和 UTM。LAT/LON 就是经纬度表示，UTM 在这里就不管他了。
地图基准：一般用 WGS84。
参考方位：实际上有两个北，磁北和真北呀（简称 CB 和 ZBY）。
指南针指的北就是磁北，北斗星指的北就是真北。两者在不同地区相差的角度不一样的，地图上的北是真北。
公制/英制：自选。
数据接口格式：这得细谈谈。GPS 可以输出实时定位数据让其他的设备使用，这就牵扯到了数据交换协议。
几乎所有的 GPS 接收机都遵循美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association)
所指定的标准规格，这一标准制订所有航海电子仪器间的通讯标准，
其中包含传输资料的格式以及传输资料的通讯协议。NMEA 协议有 0180、0182 和 0183 三种，
0183 可以认为是前两种的超集，正广泛的使用。
经纬度的表示
再讲讲数据表示。一般从 GPS 得到的数据是经纬度。经纬度有多种表示方法。
1.）ddd.ddddd， 度.度的十进制小数部分（5 位）
2.）ddd.mm.mmm，度.分.分的十进制小数部分（3 位）
3.) ddd.mm.ss, 度.分.秒
不是所有的 GPS 都有这几种显示， GPS315 只能选择第二种和第三种。
在 LAT/LON 坐标系里，纬度是平均分配的，从南极到北极一共 180 个纬度。
地球直径 12756KM，周长就是12756*PI，一个纬度是 12756×PI /360 = 111.133 KM (不精确)。
经度就不是这样，只有在纬度为零的时候，就是在赤道上，一个经度之间的距离是 111.319KM，
经线随着纬度的增加，距离越来越近，最后交汇于南北极。
所以经度的单位距离和确定经度所在的纬度是密切相关的，简单的公式是：
经度 1°长度=111.413cosφ，在纬度φ处。 （公式不精确）

三、地理坐标

什么是地理坐标系？
简单来说，地理坐标系就是使用经纬度来描述空间位置关系的坐标系统。
用人话讲，就是投影坐标基于经纬度坐标转换而来，经纬度坐标基于几个基础参数实际会有差别。
再简单点，就是经纬度，度分秒格式

• 大地水准面（Geoid）

平均海水面重合并延申到大陆内部形成的水准面，是一个略有起伏的不规则曲面。

• 旋转椭球体（Ellipsoid）

旋转椭球体是由经线绕地轴回转而成的。旋转椭球体用作大地测量中对地球形状的抽象。
旋转椭球体的参数 ：（赤道半径-极半径）/赤道半径= 扁率

• 以旋转椭球体为参考建立的坐标系统称为地理坐标系。

地理坐标系之---地心坐标系（Geocentric Coordinate System）
    以地球质心点为旋转椭球体的原点形成的坐标系统称为地心坐标系。
    常见地心坐标系：
    * WGS84(World Geodetic System 1984)，是为GPS全球定位系统使用而建立的坐标系。
    * CGCS2000(China Geodetic Coordinate System)，原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心，
    是为中国北斗定位系统使用建立的坐标系统。

地理坐标系之--参心坐标系（Reference-Ellipsoid-Centric Coordinate System）
      为了适用于国家和区域，通过缩放或移动椭球体的原点使椭球面与该国家和地区尽量重合，
      以便在此区域减少高程误差，这样不以地球质心为椭球体圆心的坐标系称之为参心坐标系，
      又称为协议坐标系。
    常见参心坐标系：
    Beijng54（克拉索夫斯基椭球体）
    Xian80(IAG75椭球体)

三、投影坐标

什么是投影坐标系？
  由于地理坐标系由经纬度表示，无法计算面积。故产生了投影坐标系，以米等长度单位表示其位置。
  简单理解就是将地球表面以某种投影方式投影到平面坐标内。
  就是平时见到的X=xxx.xxxxxx，Y=yy.yyyyyy, 乘以 10^6 就是投影坐标值

• 投影坐标系之--高斯克吕格投影（Gauss Kruger）

又名横轴墨卡托（Transverse Mercator）
一般简称高斯投影
投影面是椭圆柱面，圆柱轴心与地轴垂直，投影面与椭球体相切，相切处是投影中心线。
常见的有：
    * CGCS2000 3 Degree GK CM 102E
    * Xian1980 3 Degree GK Zone 40

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• 投影坐标系之--墨卡托投影（Mercator）

正轴的墨卡托投影，圆柱轴心与地球平行。

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• 投影坐标系之--兰伯特投影（Lambert）

兰伯特投影是一种等角圆锥投影，如图所示，投影面是一个圆锥，
根据圆锥面和椭球面的关系可以分为切圆和割圆两种，按照圆锥与地轴方向可以分为正轴，横轴和协轴。
我国 1：5千到1：100万地形图中，常采用此种投影。

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• 投影坐标系之-阿尔伯斯投影（Albers）

又名正轴等积割圆锥投影。就是圆锥的轴和地球椭球的旋转轴重合,圆锥面与椭球面相割时,
保证投影面积和实际面积相同的情况下的投影。

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四、明文坐标系

• 北京54(BJZ54)

北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位。
以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。
1954年北京坐标系是前苏联1942年坐标系的延伸。
原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。
北京54坐标系，属参心坐标系，长轴6378245m，短轴6356863m，扁率1/298.3。

• 西安80(XIAN80)

1978年召开全国天文大地网平差会议，建立我国新的坐标系。有了1980年国家大地坐标系。
该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，
故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。
基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面。
西安80坐标系属参心坐标系，长轴6378140m，短轴6356755m，扁率1/298.25722101。

• WGS84

WGS－84坐标系（World Geodetic System）是一种国际上采用的地心坐标系。
坐标原点为地球质心，称为1984年世界大地坐标系。
这是一个国际协议地球参考系统，是目前国际上统一采用的大地坐标系。
GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。
WGS84坐标系，长轴6378137.000m，短轴6356752.314m，扁率1/298.257223563。

• 大地2000(CGCS2000)

大地2000坐标系
2000国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心。
Z轴指向BIH1984.0定义的协议极地方向（BIH国际时间局），
X轴指向BIH1984.0定义的零子午面与协议赤道的交点，
Y轴按右手坐标系确定。
2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数如下：
长半轴 a=6378137m
扁率　f=1/298.257222101
地心引力常数　GM=3.986004418×1014m3s-2
自转角速度　ω=7.292115×10-5rad s-1
短半轴b=6356752.31414m
极曲率半径=6399593.62586m
第一偏心率e=0.0818191910428

• 北斗(BDCS)

北斗坐标系
北斗导航设备使用的坐标系
目前貌似尚未投入使用
目前信息不多，和WGS84坐标系同属于地心坐标系，实际差别不大。

• 总结

以上坐标系是国内常用的几种坐标系，另外还有一些冷门坐标系这里不做介绍，因为很少用到。

BJZ54坐标系是基于前苏联的1942年坐标系的延伸，参心原点在前苏联的普尔科沃，属于参心坐标系，为二维坐标系，现在几乎不使用。

西安80坐标系是在54坐标系基础上新建的坐标系，参心原点在西安附近，属于参心坐标系，为二维坐标系，2008年以后国内测量局起用CGCS2000坐标系，现在几乎不使用

WGS-84坐标系是一种国际上采用的地心坐标系，GPS广播使用的一般就是WGS84坐标系(意思是GPS设备上传的原始数据一般就是WGS84坐标系的值)，属于地心坐标系，为三维坐标系，目前国内和国际上普遍使用。

CGCS2000坐标系是全球地心坐标系在我国的地区化实现，属于地心坐标系，为三维坐标系。跟WGS84坐标系基本一致，但是有针对国内地区地图有做参数校准，使用CGCS2000坐标系针对于国内地区会更精确。

地心坐标参数指的是长半轴和短半轴和扁率等，由于地球是一个不规则的椭球体，各个国家地区海拔不同，海平面高度也不同，假如使用全球平均值，会有一些误差(极小就是,如WGS84和CGCS2000误差在厘米级)。

五、加密坐标系

根据国内政策，在中国境内不允许直接使用明文坐标。
地图提供商一般会根据网络位置选择返回明文坐标(一般是WGS84)或是火星坐标
火星坐标加密算法是不可逆的，即使有算法可以大致推算出原坐标，但还是会有一些误差

• 火星坐标(GCJ-02)

GCJ－02坐标系，又名“火星坐标系”，是我国国测局独创的坐标体系，由WGS－84加密而成，
在国内，必须至少使用GCJ－02坐标系，或者使用在GCJ－02加密后再进行加密的坐标系，
如百度坐标系就是在火星坐标基础上再进行一次加密。
高德和Google在国内都是使用GCJ－02坐标系。

• 百度坐标(BD-09)

百度坐标系:bd-09，百度坐标系是在GCJ－02坐标系的基础上再次加密偏移后形成的坐标系，只适用于百度地图。
(目前百度API提供了从其它坐标系转换为百度坐标系的API，但却没有从百度坐标系转为其他坐标系的API)

六、手机移动定位

手机移动定位有几种方式
基于GPS定位
基于所在运营商信号基站定位
基于附近wifi的小范围定位

• GPS定位

优点：定位精度高；接口免费可随时调用；全球定位。
缺点：在手机中应用需要开启手机流量、GPS功能，比较耗电；信号可穿透能力差，
      云层厚度对信号有影响；室内无法定位。
定位方式：定位请求是由GPS终端主动发起，主动性掌握在终端。
      终端不想请求定位即卸载终端预装的系统或是关闭GPS即可终止。
      GPS定位为拟名请求，服务器端无法主动去定位某一个终端的位置。
应用环境：车载导航、航空、船运、网站商务服务等。
产品案例：凯立德车载导航系统

• 基站定位

优点：定位成功率高；不装软件；不开流量；能接打电话的环境就能定位。
缺点：定位精度偏低，高层办公定位能力较差，定位依赖于手机SIM卡。
定位方式：终端无法去主动定位，终端设备只需要一张SIM卡，不用做任何设置，服务器端拥有定位控制权，
      可以随时准确定位某一台终端设备的位置信息。由于基站定位输于地面定位，定位精度依赖于信号塔，
      高层办公会影响信号。基站定位具有强制定位的特点，对其端口对接和使用定位需要经过运营商授权
      才能开通，只针对企事业单位进行授权。
应用环境：企业人员监管、户外紧急救援、物流
产品案例：企效通手机定位系统

• WIFI定位

使用WIFI的MAC地址与经纬度对应从而实现，比较少公司使用。

定位技术单独使用都有一定的限制，相互组合使用来补充彼此的不足才能达到更好的效果引用，
GPS相对来说是社会大众所熟知的定位方式，在很多应用是需要有基站位置服务来辅助定位的。
受行业特性和应用场景的不同，基站定位在实际应用中起着非常重要的用。

通讯运营高都会提供相应的位置服务，全国三大通讯运营商每家都有独立的位置服务套餐，
其主要解决当地需求，要求手机号码必须统一。