我国常用的坐标系简介

一、我国常用的坐标系统

1.1 参心坐标系

1.1.1 1954年北京坐标系

建立背景

• 新中国成立之后，我国大地测量进入了全面的发展时期，在全国范围内开展了正规的、全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心坐标系。

建立过程

• 由于当时的历史条件，我国暂时采用了克拉索夫斯基椭球参数，与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算从而建立了我国的大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。
• 高程异常是以前苏联1955年大地水准面差距重新为依据，按照我国的天文水准路线换算而来的。

1954年北京坐标系的缺点与不足

• 椭球参数有较大的误差
• 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达到 $+68m$
• 几何大地测量和物理大地测量应用的参考椭球面不统一
• 定向不明确等(椭球短轴不是 $CIO$(国际协议原点)，也不是 $JYD_{1968.0}$(我国地极原点)；起始大地子午面 $BIH$(国际时间局)定义的格林尼治平均天文台子午面)，给坐标转换带来一些不便与误差
• 坐标原点不在北京，而在前苏联的普尔科夫。

1.1.2 1980年西安坐标系

建立背景

• 为了适应我国大地测量的发展的需要。于1978年4月在西安召开的“全国天文大地网整体平差会议”上，专家们认为1954年北京坐标系对应的椭球参数不够精确，其椭球面与我国的大地水准面相差大，因而建立新的大地坐标系是必要的。

建立过程

• 全国天文大地网整体平差要在新的坐标系的参考椭球面进行
• 1980年国家大地坐标系的大地原点定在我国中部，在陕西省泾阳县永乐镇
• 采用国际大地测量和地球物理联合会1975年推荐的四个地球椭球基本参数( $\alpha、GM、J_2、\omega$)，并根据这四个参数求取椭球扁率和其它参数。

• 地球椭球长半径： $\alpha=6378140m$
• 地心引力常数： $GM=3.986005\times1014\times10^{14}m^3/s^2$
• 地球重力场二阶带球谐系数： $J_2=1.08263\times10^{-3}$
• 地球自转角速度： $\omega=7.292115\times10^{-5}rad/s$

• 1980年国家大地坐标系的椭球短轴平行于地球质心并指向我国 $JYD_1968.0$方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台的子午面
• 椭球定位参数以我国范围内高程异常值平方和等于最小为条件求解，即最小二乘。

1980年国家大地坐标系的特点

• 采用国际大地测量和地球物理联合会1975年推荐的四个地球椭球基本参数
• 参心大地坐标系是在1954年北京坐标系的基础上建立起来的
• 地球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位
• 定向明确
• 大地原点定在我国中部，在陕西省泾阳县永乐镇
• 大地高程基准采用1956年黄海高程系

1.1.3 新1954年北京坐标系

建立背景

• 在GDZ 80为基准之前的测绘成果，1954年北京坐标系的测绘成果存在较长，与1980年西安坐标系之间的差距较大，给成果的使用带来了不方便，因此建立了新1954年北京坐标系。

建立过程

• 在1980西安大地坐标系的基础上，改变GDZ80相对应的IUGG1975椭球的几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点平移，使坐标轴保持平行建立起来的。

新1954年北京坐标系的特点

• 采用克拉索夫斯基椭球椭球参数
• 综合1980年西安坐标系与新1954年北京坐标系建立起来的参心坐标系
• 采用多点定位，但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合
• 定向明确，坐标轴与GDZ 80平行，椭球短轴平行于地球质心指向1968.0地极原点 $JYD_{1968.0}$方向，起始子午面平行于我国起始天文子午面， $\varepsilon_x=\varepsilon_y=\varepsilon_z=0$
• 大地原点与GDZ 80相同，但大地起算数据不同
• 大地高程基准采用1956年黄海高程系
• 与1954年北京坐标系相比，采用的椭球参数相同，定位相近，定向不同

1.1.4 地方坐标系

建立背景

• 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。

建立过程

• 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。

地方坐标系的特点

• 其椭球半径 $\alpha_1$增大为: $\alpha_1 = \alpha + \Delta \alpha_1$， $\Delta \alpha_1=H_m+\xi_0$式中： $H_m$为当地平均海拔高程， $\xi_0$为该地区的平均高程异常。
• 而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 $H_m$为投影面。

1.2 地心坐标系

1.2.1 WGS-84世界坐标系

建立背景

• 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。

建立过程

• 20世纪260年代以来，美国和苏联等国家利用卫星观测等资料，开展了建立地心坐标系的工作
• 美国国防部曾先后建立了世界大地坐标系，WGS-60、WGS-66和WGS-72，并于1984年开始，经过多年的修正和完善，建立而来的地心坐标系为WGS-84坐标系。

WGS-84世界坐标系的特点

• 国际上采用的地心坐标系
• 坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，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（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。
• WGS84坐标系，长轴6378137.000m，短轴6356752.314，扁率1/298.257223563。
• 由于采用的椭球基准不一样，并且由于投影的局限性，使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大，有条件的话，一般都采用GPS联测已知点，应用GPS软件自动完成坐标的转换。当然若条件不许可，且有足够的重合点，也可以进行人工解算。

1.2.2 CGCS2000国家坐标系

建立背景

• 20世纪50年代，为满足测绘工作的迫切需要 ，中国采用 了1954年北京坐标系。1954年之后，随着天文大地网布设任务的完成，通过天文大地网整体平差，于20世纪80年代初中国又建立了1980西安坐标系。1954北京坐标系和1980西安坐标系在中国的经济建设和国防建设中发挥了巨大作用。
• 随着情况的变化和时间的推移，上述两个以经典测量技术为基础的局部大地坐标系，已经不能适应科学技术特别是空间技术发展，不能适应中国经济建设和国防建设需要。中国大地坐标系的更新换代，是经济建设、国防建设、社会发展和科技发展的客观需要。
• 以地球质量中心为原点的地心大地坐标系，是21世纪空间时代全球通用的基本大地坐标系。以空间技术为基础的地心大地坐标系，是中国新一代大地坐标系的适宜选择。地心大地坐标系可以满足大地测量、地球物理、天文、导航和航天应用以及经济、社会发展的广泛需求。

建立过程

• 历经多年，中国测绘、地震部门和科学院有关单位为建立中国新一代大地坐标系作了大量基础性工作，20世纪末先后建成全国 GPS一、二级网，国家GPS A、B级网，中国地壳运动观测网络和许多地壳形变网，为地心大地坐标系的实现奠定了较好的基础。中国大地坐标系更新换代的条件也已具备。中国新一代大地坐标系建立的基本原则是：

• 1)坐标系应尽可能对准 ITRF(国际地球参考框架)；
• 2)坐标系应由空间大地网在某参考历元的坐标和速度体现；
• 3)参考椭球的定义参数选用长半轴、扁率、地球地心引力常数和地球角速度，其参数值采用IUGG(国际大地测量与地球物理联合会)或 IERS(国际地球旋转与参考系服务局)的采用值或推荐值。

• 2000中国大地坐标系符合 ITRS(国际地球参考系统)的如下定义：

• 1)原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心；
• 2)长度单位为米(sI)。这一尺度同地心局部框架的TCG(地心坐标时)时间坐标一致；
• 3)定向在1984．0时与 BIH(国际时间局)的定向一致；
• 4)定向随时间的演变由整个地球的水平构造运动无净旋转条件保证。

• 以上定义对应一个直角坐标系，它的原点和轴定义如下：

• 1)原点 ：地球的质量中心；
• 2)Z轴：指向IERS参考极方向；
• 3)X轴：IERS参考子午面与通过原点且同z 轴正交的赤道面的交线；
• 4)Y轴：完成右手地心地固直角坐标系。

CGCS2000坐标系特点

• 2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；
• 2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。

区别

• 与WGS-84对比

CGCS2000的定义与WGS84实质一样。采用的参考椭球非常接近。扁率差异引起椭球面上的纬度和高度变化最大达0.1mm。当前测量精度范围内，可以忽略这点差异。可以说两者相容至cm级水平，但若一点的坐标精度达不到cm水平，则不认为CGCS2000和WGS84的坐标是相容的。

• 与54、80对比

CGCS2000和1954或1980坐标系，在定义和实现上有根本区别。局部坐标和地心坐标之间的变换是不可避免的。坐标变换通过联合平差来实现，而一边通过一定变换模型来实现。当采用模型变换时，变换模型的选择应依据精度要求而定。对于高精度（好于0.5m）要求，可采用最小曲率法或其他方法的格网模型，对于中等精度（0.5-5m）要求，可采用七参数模型，对于低精度（5-10m）要求，可采用四参数或者三参数模型。

1.3 参心坐标与地心坐标系的比较

常用坐标系的比较分析

	北京54坐标系	西安80坐标系	WGS84坐标系	CGCS2000坐标系
坐标系类型	参心坐标系	参心坐标系	地心坐标系	地心坐标系
大地原点	前苏联的普尔科夫	陕西省泾阳县永乐镇	地球的质心	包括海洋和大气的整个地球质量中心
椭球定位	1942年普尔科沃坐标系在我国的扩展和延伸	全国高程异常平方和最小为条件的大地水准面	地球质心定位系统	地球质心定位系统
参考椭球	克拉索夫斯基	IAG-75椭球	WGS84椭球	GRS-80椭球
X轴指向	赤道面指向格林尼治天文台起始子午线	赤道面指向格林尼治天文台起始子午线	原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道交点	原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道交点
Y轴指向	与Z轴、X轴构成右手正交坐标系	与Z轴、X轴构成右手正交坐标系	与Z轴、X轴构成右手正交坐标系	与Z轴、X轴构成右手正交坐标系
Z轴指向	指向不明确	平行于地球质心指向地极JYD1968.0的方向	原点指向历年1984地球参考极的方向	由原点指向历年2000.0的地球参考极方向
椭球长半轴 $a(m)$	6378245	6378140	6378137	6378137
椭球短半轴 $b(m)$	6356863.0187730473	6399596.6519880105	6356752.3142	6356752.3141
扁率 $f$	1/298.3	1/298.257	1/298.257223563	1/298.257222101
第一偏心率	0.006693421622966	0.006694384999588	0.00669437999013	0.00669438002290
第二偏心率	0.006738525414683	0.006739501819473	0.00673949674227	0.00673949677548