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1、浅谈我国大地坐标系统浅谈我国大地坐标系统靳璐岩，山西省科学技术情报研究所，13485345740, 张琳雁，德州市水利局，18763955088摘要摘要：本文首先介绍我国目前使用的各种坐标系统：1954 北京坐标系、1980 西安坐标系、CGCS2000 坐标系、WGS-84 坐标系以及地方独立坐标系；对 CGCS2000 与 WGS-84 坐标系进行了比较；然后详细阐述了 WGS-84 坐标到 1954 北京坐标，再到地方独立坐标的转换过程。最后得出结论。关关键键字字：坐标系；坐标转化20 世纪 50 年代和 80 年代，我国分别建立了国家 大地坐标系统，称为“1954 北京坐标系”和“19
2、80 西安坐标系”，并以此为基础，进行各项测绘工作，测制了各种比例尺地形图，形成了种类较多的测绘成果，为国民经济和社会发展提供了基础的测绘保障。随着社会的进步，国民经济建设、国防建设和社会发展、科学研究等对国家大地坐标系提出了新的要求，迫切需要采用原点位于地球质量中心的坐标系统（以下简称地心坐标系）作为国家大地坐标系。采用地心坐标系，有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，测定高精度大地控制点三维坐标，并提高测图工作效率。经国务院批准自 2008 年 7 月 1 日启用我国的地心坐标系2000 国家大地坐标系，即 CGCS2000。20 世纪 80 年代，GPS 卫星定位在我国在测量
3、中得到应用，WGS-84 世界大地坐标系开始在测量中应用。1 1 我国目前使用的坐标系统我国目前使用的坐标系统1.1 1954 北京坐北京坐标标系系解放初期，我国测绘技术水平相当落后，新中国建设又急切需要一个稳定的大地坐标系。北京 54 坐标系正是在这样的环境下产生，它可以看成是前苏联 1942 坐标系在我国的延伸。54 北京坐标系首先是从我国东北地区联测传入我国，随后扩展、加密而遍及全国。其坐标原点不在我国境域内，参考椭球选择与定位也是不最优于我国疆域。1954 北京坐标系的特点：1.参心大地坐标系。坐标系的原点在所选参考椭球的中心，它只是局部与某区域地球表面相似。2.大地原点在原苏联的普尔
4、科沃。北京 54 是利用前苏联的坐标框架，所以它的大地原点在前苏联境内。3.高程基准采用 1956 黄海高程基准。4.采用多点定位法进行椭球定位。选择椭球后如何将椭球定位到实际的地球上就称为椭球定位。为了使定位准确，一般选择多点定位。有时候可以选择单点定位。5.克拉索夫斯基椭球的几何参数：长轴：a=6378245m 扁率：f=1:298.3第一偏心率：e2=0.0066934216229661.2 1980 国家大地坐国家大地坐标标系系1978 年，我国决定建立新的国家大地坐标系统,并且在新的大地坐标系统中进行全国天文大地网的整体平差,这个坐标系统定名为 1980 年西安坐标系。1980 西安
5、坐标系的特点：1.参心大地坐标系。2.大地原点在陕西省泾阳县永乐镇石际寺村。3.高程基准采用 1985 国家高程基准；4.多点定位方式进行定位，椭球短轴平行于地球质心指向JYDl968.0 极原点的方向，大地子午面平行于格林尼治平均天文台子午面。5.采用 1975 年国际大地测量学与地球物理联合学会第十六届推荐的椭球参数；具体参数如下：长轴：a=6378140m 扁率：f=1:298.257 第一偏心率：e2=0.00694384999591.3 CGCS 2000 中国大地坐中国大地坐标标系系随着 GPS 等新空间定位技术的发展，构建国家大地坐标系的方法发生了巨大的变化，新的地心坐标必须建立
6、。2000 国家大地坐标系就是在这样的环境下产生。CGCS2000 是由国家 GPSA、B 级网，全国 GPS 一二级网以及全国地壳 GPS 监测网联合平差而得。2000 中国大地坐标系（简写为 CGCS2000），其定义与国际地球参考系统（ITRS）协议的定义一致。CGCS2000 的特点如下：1.坐标系原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质量中心。2.长度单位为米（m），是在广义相对论框架下的定义。3.Z 轴从地心指向国际时间局（BIH）确定的协议地球极点BIH1984.0。CGCS2000 的参考历元为 2000.0。4.X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与协议地球极（CT
7、P）赤道的交点。5.Y 轴与 XOZ 平面垂直而构成右手坐标系。6.时间演变基准是使用满足全球地壳无整体旋转（NNR）条件的板块运动模型，来描述地球各块体随时间的变化。7.CGCS2000 采用 GRS80 椭球，其几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的 z 轴一致。参考椭球面在几何上代表地球表面的数学形状，在物理上代表一个等位椭球(水准椭球)，其椭球面是地球正常重力位的等位面。参考椭球的 4 个常数分别为：长半轴：a=6 378 137.0 m；扁率：f=1298.257 222 101地心引力常数：GM=3 986 004.418108m3s-2 地球自转角速度：=7 292 11
8、5.010-11rads-1需要指出，这里 a 和 f 采用的是 GRS80 值，GM、 采用的是IERS 推荐值。2000 国家大地坐标系国务院已经批准于 2008 年 7 月 1 日起使用。 目前 CGCS2000 的维持主要依靠连续运行 GPS 参考站，它们是 GPS2000 的骨架，其坐标精度为毫米级，速度精度为1 mm/ a 。CGCS2000 框架由 2000 国家 GPS 大地控制网点构成， 共有约 2 600 个 3 维大地控制点，其点位精度约为3cm。1.4 WGS-84 坐坐标标系系 WGS-84 的定义：WGS-84 坐标系属于地心坐标系，原点在地球质心，Z 轴指向 BI
9、H（国际时间局）1984.0 定义的协定地球极（CTP）方向，X 轴指向 BIH1984.0 的零度子午面和 CTP （协议地球极）赤道的交点，Y 轴和 Z、X 轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。 WGS-84 椭球及其有关常数：WGS-84 采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第 17 届大会大地测量常数推荐值。 建立 WGS-84 世界大地坐标系的一个重要目的， 是在世界上建立一个统一的地心坐标系。具体参数如下：长半轴：a=6378137m 扁率：f=1:298.257223563第一偏心率：e2=0.006694379990131.5 地方独立坐地方独立坐标标系系 地方坐标系局部
10、地区建立平面控制网时，根据需要投影到任意选定面上和(或)采用地方子午线为中央子午线的一种直角坐标系。在我国许多城市测量与工程测量中，若直接采用国家坐标系下的高斯平面直角坐标，则可能会由于远离中央子午线，或由于测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精度要求。另一方面，对于一些特殊的测量,如大桥施工测量，水利水坝测量，滑坡变形监测等，采用国家坐标系在实用中也会很不方便。因此，基于限制变形，以及方便实用，科学的目的，在许多城市和工程测量中,常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。建立地方独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。地方参考椭球一般选择
11、与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心，轴向和扁率与国家参考椭球相同。 地方独立坐标系隐含一个与当地平均海拔高程对应的参考椭球地方参考椭球。地方参考椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其长半径则有一改正量。 其椭球半径 1 增大为:1=+1；1=Hm+0 式中:Hm 为当地平均海拔高程,0 为该地区的平均高程异常。在地方投影面的确定中,选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线.以某个特定方便使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位,并选取当地平均高程面 Hm 为投影面。2 2 CGCS2000CGCS2000 与与 WGS84WGS84 的比较的比较2.1 为
12、为什么要什么要进进行行 CGCS2000 与与 WGS84 的比的比较较？鉴于目前已拥有大量 GPS 数据，可以预期未来 GPS 仍是主要的空间数据源之一。GPS 使用 WGS84 坐标系。那么，CGCS2000 和WGS84 是否相容？在 WGS84 和 CGCS2000 之间是否需要进行坐标转换？要回答这些问题，我们就有必要对 CGCS2000 与 WGS84 进行一定的比较。2.2 定定义义上的比上的比较较在定义上，CGCS2000 与 WGS84 是一致的，即关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。两个坐标系使用的参考椭球也非常相近，具体地说，在 4 个椭球常数 a、f、
13、GM、 中，唯有扁率 f 存在微小差异：fWGS84=1298257 223 563，fCGCS2000=1298257 222 l0l。其实，WGS84 的初始版本，也是采用 GRS80 椭球，后来几经微小改进，才导致 WGS84 椭球的扁率相对 GRS80 椭球的扁率产生微小差异。当然，参考椭球的微小扁率差异 df 将导致同一点在两个坐标系内的大地坐标产生差异，也导致正常重力产生差异。大量的实验和研究表明：1.df 不引起大地经度 L 的变化。2.df 引起的大地纬度 B 变化范围为 0（赤道和两极）到0.105mm（B=45）。3.df 引起的大地高的变化范围为 0（赤道）到 0.105
14、mm（两极）。4.df 引起的椭球面上正常重力的变化范围为 0（两极）到0.01610-8ms-2（赤道）。所以，在当前的测量精度水平下 mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在 WGS84 和 CGCS2000 坐标系内的坐标变化和重力变化是可以忽略的。鉴于在坐标系定义上的比较，我们可以认为，在坐标系的实现精度范围内，CGCS2000 坐标和 WGS84 坐标是一致的。2.3 坐坐标标系系实现实现上的比上的比较较与 CGCS2000 通过空间网点的坐标和速度实现类似，WGS84 通过 GPS 监测站坐标实现，监测站坐标用来计算 GPS 的精密星历。为了提高精度和保持稳定性，1994
15、、1996 和 2002 年 WGS84 先后进行3 次实现，即对 GPS 监测站的坐标进行了 3 次更新，以使框架对准ITRF（国际地球参考架）。WGS84 的 3 次实现得到的框架，依次叫做WGS84(G730)、WGS84(G873)和 WGS84(G1150)。最新框架WGS84(G1150)由 17 个 GPS 监测站在历元 20010 的坐标和速度来体现。鉴于在坐标系实现上的比较，我们可以认为，CGCS2000 和WGS84(G1150)是相容的。3 3 坐标转换坐标转换测量工作中，常碰到各种坐标系坐标的相互转换问题，比如 GPS上获取的 WGS-84 坐标到北京 54 或西安 8
16、0 坐标系的转换、大地坐标(B，L，H)与平面直角坐标(x，y，z)之间的相互转换等。GPS 定位数据为 WGS-84 坐标系。WGS-84 坐标系是美国国防部确定的大地坐标系，其目的是使测制的地图、海图、大地测量数据有共同的基准，属于地心坐标系。我国常用坐标系为参心坐标系，原点O 为参考椭球的几何中心。也就是说 WGS-84 与我国常用坐标系不属同一类坐标系。不仅相应的空间直角坐标系各轴的方向不同。尺度变化也不一样。我们要利用 GPS 提供的数据服务于我国各行业，就必须进行坐标转换，即从 WGS-84 转至 54 北京坐标系、80 国家坐标系或地方坐标系。在这里介绍 WGS-84 到 54 北京坐标系，再到地方独立坐标系之间的转换。WGS84 坐标系和北京 54 坐标系属于不同的椭球基准，北京 54坐标系和地方独立坐标系属于同一椭球的不同基准面。两个椭球间的坐标转换一般采用七参数法较为严密，即 X 平移，Y 平移，Z 平移，X 旋转，Y 旋转，Z 旋转，尺度变化 K，要求得七参数就，需要至少 3 个已知点。在一个椭
