國家大地坐標(biāo)系課件

2000國家大地坐標(biāo)系×××××2014.312000國家大地坐標(biāo)系×××××1

經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，從2008年7月起，我國啟用2000國家大地坐標(biāo)系。2經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，從2008年7月起，我國啟用2000國家

我國為什么啟用2000國家大地坐標(biāo)系？3我國為什么啟用2000國家大地坐標(biāo)系？3坐標(biāo)系的基本概念4坐標(biāo)系的基本概念45566778899往下講之前講幾個名詞概念：大地測量基本常數(shù)四個如下：1.地球赤道半徑a；2.地球動力學(xué)形狀因子J2;3.地心引力常數(shù)GM，其中G是萬有引力常數(shù)，M是地球的陸、海和大氣質(zhì)量的總和;4.地球自轉(zhuǎn)角速度ω。前兩個稱為大地測量基本幾何常數(shù)，后兩個稱為大地測量基本物理常數(shù)。大地測量導(dǎo)出常數(shù)如下：大地測量導(dǎo)出參數(shù)有很多，常用的有：橢球短半軸b、幾何扁率f（（a-b）/a）等10往下講之前講幾個名詞概念：10111112121313我國的大地坐標(biāo)系

建國以來，我國使用兩個大地坐標(biāo)系：1954年北京坐標(biāo)系。它是1942普爾柯夫坐標(biāo)系在中國的延伸。20世紀(jì)50年代開始使用。1980西安坐標(biāo)系。在參考橢球定位基礎(chǔ)上，由天文大地網(wǎng)整體平差建立起來的。20世紀(jì)90年代頒布使用。14我國的大地坐標(biāo)系建國以來，我國使用兩個大地坐標(biāo)系：115151616171718181919202021212222232324242525我國現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問題26我國現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問題26現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問題具體表現(xiàn)以下幾點：一、參考橢球不是最佳橢球1954年北京坐標(biāo)系采用克拉索夫斯基橢球（長半軸a＝6378245m；扁率f=1:298.3），與IUGG推薦的GRS80橢球（a=6378137m,f=1:298.257222101）相比，a長了108m,1/f大了約0.0431980西安坐標(biāo)系采用IAG－75橢球（長半軸a＝6378140m；扁率f=1:298.257），與GRS80橢球相比，a長了3m,1/f小了約0.000222。27現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問題具體表現(xiàn)以下幾點：27二、坐標(biāo)系實現(xiàn)（天文大地網(wǎng)）精度低且不均勻1954年北京坐標(biāo)系是隨天文大地網(wǎng)邊布設(shè)邊平差建立起來的，沒有經(jīng)過整體平差，因而精度不均勻，個別地區(qū)誤差可能達到幾m，甚至10m。1980西安坐標(biāo)系是在橢球重新定位的基礎(chǔ)上，通過天文大地網(wǎng)整體平差建立起來的，全網(wǎng)精度比較均勻，在西北和西南邊沿地區(qū)，誤差大約1m。28二、坐標(biāo)系實現(xiàn)（天文大地網(wǎng)）精度低且不均勻1954年北京坐標(biāo)三、測量標(biāo)志遭到嚴重破壞

解放以來，我國共建測量標(biāo)志90余萬座，到2007年7月為止，被毀壞的測標(biāo)已達54％（見2007年7月17日《中國測繪報》）。實際上，天文大地網(wǎng)只存在于紙面上，在物理上已經(jīng)不完整了。這無疑給用戶帶來極大困難。

29三、測量標(biāo)志遭到嚴重破壞解放以來，我國共建測量標(biāo)

以上三個問題，并不是致命性的，并不構(gòu)成坐標(biāo)系更新?lián)Q代的決定因素。那么，什么是致命性問題呢？還有什么是比這更大的問題呢？30以上三個問題，并不是致命性的，并不構(gòu)成坐標(biāo)系更新?lián)Q代的決1954年北京坐標(biāo)系原點偏差地心參考橢球中心160mYBJ54ZBJ54XBJ54

四、更大的問題是：它們都是局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點與地心有較大偏差311954年北京坐標(biāo)系原點偏差地心參考橢球中心160mYBJ5

首先，自上世紀(jì)50年代衛(wèi)星上天，人類進入空間時代，大地測量也進入空間時代，現(xiàn)在大地測量是以GPS為代表的空間時代。時代變了，測量手段也變了。以前用經(jīng)緯儀和測距儀；現(xiàn)在則用GPS，角度測量和距離測量與坐標(biāo)系沒有關(guān)系，而GPS測量與坐標(biāo)系有直接關(guān)系。用GPS進行控制測量時，地面點坐標(biāo)應(yīng)參考于地心坐標(biāo)系，不可參考于局部坐標(biāo)系。

其次，在衛(wèi)星導(dǎo)航日益普及的今天，與導(dǎo)航配套使用的地圖也應(yīng)采用同衛(wèi)星導(dǎo)航一致的坐標(biāo)系。否則，衛(wèi)星導(dǎo)航的有效性將受到嚴重影響。以1954年北京坐標(biāo)系的地形圖為例，導(dǎo)航位置與圖上位置之差可以達到100多米，這樣大的誤差是不允許的。

五、嚴重后果是：在空間時代局部坐標(biāo)系不好用了32首先，自上世紀(jì)50年代衛(wèi)星上天，人類進

再次，航天器測控和武器制導(dǎo)一定在地心坐標(biāo)系進行。使用局部坐標(biāo)系，將會引入很大測控誤差。局部坐標(biāo)系不支持空間科學(xué)和遠程武器對大地測量的要求。

總之，在空間時代，局部坐標(biāo)系已制約測繪本身的發(fā)展，已制約測繪的眾多應(yīng)用，特別是空間、航天和武器的應(yīng)用。局部坐標(biāo)系已變得過時。當(dāng)然，這樣說并不意味著，局部坐標(biāo)系在空間時代毫無用處（例如，對于不涉及空間測量的局部工程建設(shè)，舊坐標(biāo)系的地形圖仍然好用）。33再次，航天器測控和武器制導(dǎo)一定在地心坐標(biāo)系進行現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿足的基本要求

現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿足下列基本要求：

①

地心；

②三維；

③

高精度；

④定義符合IERS（國際地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)）協(xié)議。這四點也是現(xiàn)代大地坐標(biāo)系的基本特征，體現(xiàn)了現(xiàn)代大地坐標(biāo)系的科學(xué)性、先進性和統(tǒng)一性。1954年北京坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系，顯然不具備這些特性，因而都算不上現(xiàn)代大地基準(zhǔn)了。

我們的結(jié)論是：為了適應(yīng)空間時代我國經(jīng)濟社會發(fā)展以及測繪科技本身的發(fā)展，適應(yīng)大地坐標(biāo)系的發(fā)展趨勢，我國大地坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)更新?lián)Q代，應(yīng)當(dāng)現(xiàn)代化。34現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿足的基本要求現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿我們的基本選擇：地心大地坐標(biāo)系35我們的基本選擇：35采用地心坐標(biāo)系的好處

第一、采用地心坐標(biāo)系有助于充分享用空間技術(shù)的成果，具體而言，能方便使用GPS。第二、采用地心坐標(biāo)系有助于推動大地測量以至整個測繪科技的發(fā)展。第三、采用地心坐標(biāo)系有利于地球空間信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第四、采用地心坐標(biāo)系有利于航天技術(shù)與武器的發(fā)展。36采用地心坐標(biāo)系的好處第一、采用地心坐標(biāo)系有助于充分享用空采用地心坐標(biāo)系的好處第五、采用地心坐標(biāo)系有助于推動衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)，進而推動陸、海、空交通運輸業(yè)的發(fā)展。第六、采用地心坐標(biāo)系，有利于世界大地坐標(biāo)系的統(tǒng)一，進而有利于我國參與全球化，有利于社會的可持續(xù)發(fā)展。37采用地心坐標(biāo)系的好處第五、采用地心坐標(biāo)系有助于推動衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)我國已具有采用地心坐標(biāo)系的條件

近十年來，在測繪、地震和科學(xué)院有關(guān)單位的共同努力下，我國建成了全國規(guī)模的一、二級GPS網(wǎng)，A、B級GPS網(wǎng)，以及中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)包括不同類型的高精度GPS點大約2500個。我國高等級空間大地網(wǎng)已具相當(dāng)規(guī)模，實現(xiàn)地心坐標(biāo)系的條件已經(jīng)具備，這表明采用地心坐標(biāo)系是可行的。

38我國已具有采用地心坐標(biāo)系的條件近十年來，在測繪、地震

2000中國大地坐標(biāo)系建立

我國新一代國家坐標(biāo)系定名為2000國家大地坐標(biāo)系，又稱2000中國大地坐標(biāo)系。英譯：ChinaGeodeticCoordinateSystem，縮寫：CGCS2000392000中國大地坐標(biāo)系建立39大地坐標(biāo)系的三個方面一個大地坐標(biāo)系，包括定義坐標(biāo)系、實現(xiàn)坐標(biāo)系和維持坐標(biāo)系三個方面：定義坐標(biāo)系是指規(guī)定坐標(biāo)系的原點、坐標(biāo)軸的指向和尺度，以及使用的參考橢球和正常橢球。實現(xiàn)坐標(biāo)系是指用一組地面點的坐標(biāo)（和速度）來體現(xiàn)所定義的坐標(biāo)系。由這些地面點的坐標(biāo)（和速度）所具體體現(xiàn)的坐標(biāo)系，通常叫做參考框架。維持坐標(biāo)系是指實現(xiàn)坐標(biāo)系的地面點坐標(biāo)（和速度）的不斷精化，以及參考框架加密。通過不斷維持，坐標(biāo)系的精度和時效性得以與時俱進。40大地坐標(biāo)系的三個方面一個大地坐標(biāo)系，包括定義坐標(biāo)系CGCS2000的定義

CGCS2000符合IERS（國際地球旋轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)局）ITRS（國際地球參考系）的下列定義：原點在包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)量中心；長度單位為米（SI），這一尺度與地心局部框架的TCG（地心坐標(biāo)時）時間坐標(biāo)一致；定向在1984.0時與國際時間局（BIH）定向一致；定向隨時間的演變由整個地球水平構(gòu)造運動無整體旋轉(zhuǎn)（no-net-rotation）的條件保證。41CGCS2000的定義CGCS2000符合IECGCS2000的定義以上定義對應(yīng)一個右手地固直角坐標(biāo)系，它的原點和軸定義如下：

原點在地球質(zhì)量中心；

Z軸指向IERS參考極方向；

X軸為IERS參考子午面與通過原點且同z軸正交的赤道面的交線；

Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。參考橢球的幾何中心與坐標(biāo)系的原點重合，其旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系的Z軸重合。正常橢球與參考橢球一致。42CGCS2000的定義以上定義對應(yīng)一個右手地固直角坐標(biāo)系，它CGCS2000：參考橢球YXZ地球質(zhì)心IRM參考橢球IRPCGCS2000坐標(biāo)系定義43CGCS2000：參考橢球YXZ地球質(zhì)心IRM參考橢球IRCGCS2000：參考橢球CGCS2000參考橢球的定義常數(shù):赤道半徑：a=6378137m扁率:f=1:298.257222101地心引力常數(shù)：GM=3.986004418×1014m3s-2

旋轉(zhuǎn)速度：ω=7.292115×10-5rads-144CGCS2000：參考橢球CGCS2000參考橢球的定義CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出幾何常數(shù)值

b=6356752.3141m短半軸E=521854.00970025m線偏心率c=6399593.6259m極曲率半徑e2=0.00669438002290第一偏心率平方e=0.081819191042816第一偏心率e′2=0.00673949677548第二偏心率平方e′=0.082094438151917第二偏心率f=0.00335281068118扁率b/a=0.996647189319軸比b/aQ=10001965.7293m子午圈一象限弧長V=1083207319783.546km3橢球體積S=510065621.718km2橢球表面積R1=6371008.7714m算術(shù)平均半徑R2=6371007.1809m同面積之球的半徑R3=6371000.7900m同體積之球的半徑45CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出幾何常數(shù)值45CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出物理常數(shù)值

U0=62636851.7149m2s-2橢球面正常位J2=0.1082629832258x10-22階帶諧系數(shù)J4=-0.2370911256141x10-54階帶諧系數(shù)J6=0.6083465258892x10-86階帶諧系數(shù)J8=-0.1426811009798x10-108階帶諧系數(shù)J10=0.1214393383343x10-1310階帶諧系數(shù)m=0.00344978650678m=ω2a2b/GM

γe=9.7803253361ms-2赤道正常重力

γp=9.8321849379ms-2極正常重力

γ’=9.7976432224ms-2平均正常重力fg=0.00530244174137重力扁率k=0.00193185261931k=bγp/aγe-1

M=5.97333196×1024kg地球質(zhì)量（包括大氣）

46CGCS2000：參考橢球常數(shù)

導(dǎo)出物理常數(shù)值46CGCS2000的實現(xiàn)

CGCS2000通過2000國家GPS大地控制網(wǎng)的坐標(biāo)和速度具體實現(xiàn)。參考歷元為2000.0。2000國家GPS大地控制網(wǎng)是在測繪、地震和科學(xué)院等部門布設(shè)的4個GPS網(wǎng)聯(lián)合平差的基礎(chǔ)上得到的一個全國規(guī)模的GPS大地控制網(wǎng)，共包括2518點。

坐標(biāo)平均中誤差：σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cmσB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm

位置平均中誤差：σP=2.13cm47CGCS2000的實現(xiàn)CGCS2000通過200CGCS2000的實現(xiàn)2000國家GPS大地網(wǎng)48CGCS2000的實現(xiàn)2000國家GPS大CGCS2000與1954年北京坐標(biāo)系的比較

CGCS200橢球與1954年北京坐標(biāo)系橢球的比較

CGCS20001954年北京2000-1954性質(zhì)地心局部28m-130m-95ma6378137m6378245m-108m1/f298.257222101298.3-0.042777899

49CGCS2000與1954年北京坐標(biāo)系的比較CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的比較

CGCS2000橢球與1980西安坐標(biāo)系橢球的比較2000國家1980西安2000-1980西安性質(zhì)地心局部約90ma6378137m6378140m-3m1/f298.257222101298.2570.000222101GM3.9860044183.986005-0.000000582ω7.292115×10-57.292115×10-5050CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的比較CGCS2000與WGS84比較

CGCS2000橢球WGS84橢球差

a6378137m6378137m01/f298.257222101298.257223563-0.000001462GM3986004.418x1083986004.418x1080

ω7292115x10-117292115x10-110b6356752.3141m6356752.3142m-0.0001m

51CGCS2000與WGS84比較CGCSCGSC2000與WGS84比較橢球的扁率變化引起的大地緯度、大地高和橢球面上正常重力的變化52CGSC2000與WGS84比較橢球的扁率變化引起的大地緯度CGSC2000與WGS84比較

CGCS2000-WGS84的扁率差df=1.643484х10-11引起的大地緯度B、大地高H和橢球面上正常重力γ的變化：a)大地經(jīng)度沒有變化；b)大地緯度的變化范圍為0（在赤道和兩極）～0.105mm（在B=45°）；c)大地高的變化范圍為0（在赤道）～0.105mm（在兩極）；d)橢球面上正常重力的變化范圍為0（在兩極）～0.016μGal（在赤道）。53CGSC2000與WGS84比較CGCS2000-WGSCGCS2000與WGS84的比較CGCS200是通過2000國家GPS大地控制網(wǎng)的ITRF97坐標(biāo)（和速度）實現(xiàn)的，每一坐標(biāo)分量的實現(xiàn)精度約1cm。

WGS84通過GPS監(jiān)測站坐標(biāo)實現(xiàn)，監(jiān)測站坐標(biāo)用來計算GPS的精密星歷。最近（2002）一次用17個GPS監(jiān)測站實現(xiàn)的框架是WGS84（G1150），其實現(xiàn)精度是：每個監(jiān)測站的每一坐標(biāo)分量的精度為1cm量級（1σ）可以認為，CGCS2000和WGS84（G1150）的實現(xiàn)精度是一致的。54CGCS2000與WGS84的比較CGCS200是通過2CGCS2000橢球正常重力公式

在現(xiàn)代大地測量中，等位橢球不僅用作大地坐標(biāo)的參考面，而且用作地球正常重力的參考面。橢球面的正常重力用如下閉合公式計算：式中：γe—赤道重力；k—重力常數(shù)；e—子午橢圓第一偏心率；—大地緯度55CGCS2000橢球正常重力公式在現(xiàn)代大地測量中CGCS2000橢球正常重力公式

對于CGCS2000橢球，精度至＝0.1mgal的正常重力公式是:

61式中：—大地緯度56CGCS2000橢球正常重力公式對于CGCS20CGCS2000的維持一般說來，大地坐標(biāo)系是相對穩(wěn)定的，在較長的時期內(nèi)是不變的，但是大地參考框架，隔一定時間，可以是變化的。（注意：慎用“動態(tài)大地基準(zhǔn)”和“動態(tài)大地坐標(biāo)系”的說法）。坐標(biāo)系的維持，包含兩層意思：框架點數(shù)量的變化（如加密）和框架點坐標(biāo)值的更新?？蚣茳c的加密和框架點坐標(biāo)值更新，都引起大地參考框架的變動。一點的坐標(biāo)年變化率可達幾cm，因此坐標(biāo)（和速度）的不斷更新是很重要的。就是說，參考框架不能永久不變。但是，考慮到大地基準(zhǔn)的變動影響面很大，除非對一些特殊應(yīng)用，大地參考框架不宜頻繁更新。對1:10000比例尺測圖來說，大約10年更新一次是合適的（？）。57CGCS2000的維持一般說來，大地坐標(biāo)系是相對穩(wěn)定的，在

大地坐標(biāo)系換代

對測繪成果和產(chǎn)品的影響坐標(biāo)系改變影響到：1、大地點成果；2、地形圖、海圖、航空圖和地籍圖；3、地方坐標(biāo)系的成果（控制點坐標(biāo)和地形圖）；4、地球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；5、高程異常和垂線偏差；6、參考于橢球面的觀測數(shù)據(jù)（如方向觀測值、方位角、基線、物理測距邊等）；7、跟蹤站、測控站、設(shè)備點、發(fā)射陣地的坐標(biāo)。58大地坐標(biāo)系換代

對測繪成果和產(chǎn)品的影響坐標(biāo)系改大地坐標(biāo)系換代

對測繪成果和產(chǎn)品的影響大地點坐標(biāo)：天文大地網(wǎng)有20余萬點，其中一、二等點和部分三等點（約48000個）已通過與空間網(wǎng)聯(lián)合平差納入了CGCS2000；對于未參與聯(lián)合平差的低等大地網(wǎng)點（10余萬點），應(yīng)通過低等網(wǎng)平差改算到或通過精密坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變換到CGCS2000。一般用戶可以用轉(zhuǎn)換參數(shù)將舊坐標(biāo)系坐標(biāo)變換到CGCS200。轉(zhuǎn)換參數(shù)可以分為高精度參數(shù)（好于0.5m）、中精度參數(shù)（0.5m～5m）和低精度參數(shù)（5m～10m）

。高精度轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)為格網(wǎng)節(jié)點的基準(zhǔn)位移（即Δφ，Δλ和Δx，Δy）形式，中精度可以為適用全國或地區(qū)范圍的7參數(shù)形式；低精度可以是3個平移參數(shù)加橢球變化參數(shù)Δa和Δf。59大地坐標(biāo)系換代

對測繪成果和產(chǎn)品的影響大地點坐標(biāo)：59大地坐標(biāo)系換代對地形圖的影響

對地圖要素坐標(biāo)的影響

在56°N-16°N和72°E-135°E范圍內(nèi)，由1954年北京坐標(biāo)系改為CGCS2000，引起緯度變化-1.5″～3.0″，其絕