地球参考框架与坐标系

如何理解大地测量坐标参考框架大地测量是一种用来测量和描述地球表面形状和大小的科学方法。

在大地测量中，坐标参考框架被用来确定地点和地物的三维位置。

这个框架提供了一种标准的方式来描述地球表面上的任何地点，使得测量结果能够被准确地记录和比较。

1. 什么是大地测量坐标参考框架？大地测量坐标参考框架是一种用来描述地球表面上点的位置的系统。

它基于一个共同的基准点和坐标系统，通过测量和计算的方式来确定地球上其他点的位置。

这个框架可以被用来描述地球上的任何地点，无论是陆地、海洋还是空中。

在大地测量中，坐标参考框架通常由水平和垂直两个方向组成。

水平方向上的坐标参考框架被称为大地水准面，它描述了地球表面上点的经度和纬度。

垂直方向上的坐标参考框架被称为大地垂直面，它描述了地球表面上点的高度。

2. 大地测量坐标参考框架的作用大地测量坐标参考框架在地理信息系统、土地测量、工程测量等领域有着重要的应用。

它提供了一种通用的方式来描述地球上的地点，并为测量结果提供了一个统一的参照系统，使得不同测量结果可以进行比较和分析。

在地理信息系统中，大地测量坐标参考框架被用来存储和管理地理数据。

通过将地理数据与坐标参考框架相关联，可以实现数据的空间查询和分析。

这种方式使得地理信息在地图制作、城市规划、资源管理等领域发挥着重要的作用。

在土地测量和工程测量中，大地测量坐标参考框架被用来确定地点的位置和高度。

土地测量帮助测量和划定土地的边界，工程测量则用于测量建筑物、道路、桥梁等工程项目的位置和高度。

通过使用大地测量坐标参考框架，可以实现测量结果的准确记录和分析。

3. 大地测量坐标参考框架的确定确定大地测量坐标参考框架通常需要进行大地测量和数据处理。

在大地测量中，通过使用全球定位系统（GPS）等技术来测量和记录地球表面上点的位置和高度。

采集到的测量数据经过处理和分析，得到经度、纬度和高度的数值。

然后，这些数值可以与国际标准的大地测量坐标参考框架进行比较和转换。

1 天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法.天球直角坐标系天球坐标系天球球面坐标系坐标系地球直角坐标系地球坐标系地球大地坐标系常用的天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。

在天球坐标系中，天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述.1 天球空间直角坐标系的定义地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ 平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。

则在此坐标系下,空间点的位置由坐标（X，Y，Z)来描述.春分点：当太阳在地球的黄道上由天球南半球进入北半球，黄道与赤道的交点）2 天球球面坐标系的定义地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴（天轴：地球自转的轴）所在平面为天球经度(赤经）测量基准-—基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标.空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r,α，δ)。

天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2—1表示：岁差和章动的影响岁差:地球实际上不是一个理想的球体，地球自转轴方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。

章动：在日月引力等因素的影响下,瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转，大致呈椭圆,这种现象称为章动。

极移：地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而，地极点在地球表面上的位置，是随时间而变化的,这种现象称为极移。

地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化，而且还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。

前者导致岁差和章动，后者导致极移。

协议天球坐标系:为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻,作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分别作为X轴和Z轴的指向，由此建立的坐标系称为协议天球坐标系.3 地球坐标系地球直角坐标系和地球大地坐标系的转换其中:过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面，其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。

二、研究对象二地球表面地物的形状和空间位置，空间位置要用坐标表示，所以研究坐标系及其相互之间的转换非常重要。

下面是相关坐标系分类及相互转换： 1、天球坐标系首先了解什么是天球：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。

天球 天球坐标系天球坐标系在描述人造卫星等相对地球运动的物体是很方便，他是以地球质心为中心原点的，分为球面坐标系和直角坐标系。

球面：原点O 到空间点P 距离r 为第一参数，OP 与OZ 夹角θ为第二参数，面OPZ 和面OZX 夹角α为第三参数。

直角：用右手定则定义，通常X 轴指向赤道与初始子午线的交点。

相互转换：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+==++=)/arctan()/arctan(22222Y X Z X Y Z Y X r βα 2、大地坐标系大地坐标在描述地面点的位置是非常有用， 是通过一个辅助面（参考椭球）定义的， 分为大地坐标系和直角坐标系。

H 为大地高，一般GPS 测量用，大地坐标系大地坐标系：大地纬度B 为空间点P 的椭球法面与面OXY 夹角，大地经度L 为ZOX 与ZOP 夹角，大地高程H 为P 点沿法线到椭球面距离直角坐标系：椭球几何中心与直角坐标系原点重合，短半轴与Z 轴重合，其他符合右手定则。

相互转换:黄赤交角23°27′X YZ oP春分点黄道 天球赤道 起始子午面L B PH[]⎪⎩⎪⎨⎧+=+=-=+-=L B H N X L B H N Y B e a N B H e N Z cos cos )(sin cos )(e ,2sin 21/ sin )21(为第一扁率卯酉全曲率半径，其中3、惯性坐标系（CIS ）与协议天球坐标系① 惯性坐标系（CIS ）:在空间不动或做匀速直线运动的坐标系.② 协议天球坐标系：以某一约定时刻t0作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后作为Z 轴，以对应的春分点为X 轴的指向点，以XOZ 的垂直方向为Y 轴方向建立的天球坐标系。

浅谈大地基准及坐标参考系刘平湖北省基础地理信息中心武昌中南一路50号 430071摘要：国务院批准自2008年7月1日启用我国地心坐标系—2000国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。

本文针对与坐标参照系相关的部分知识谈谈自己的浅显认识和理解。

关键词：大地基准；坐标参考系；坐标参考框架。

1 引言近年来一些国家或地区都对本国或本地区大地基准进行了更新和现代化。

特别是随着全球定位系统等空间大地测量技术的不断发展和完善，世界各国(包括我国周边一些发展中国家或地区)都在更新和完善各自的大地坐标系。

地心坐标系正在逐渐取代传统的非地心大地坐标系。

我国也不例外，国务院批准自2008年7月1日，启用我国2000国家大地坐标系（英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，缩写为CGCS2000。

）。

并向社会公布了2000国家大地坐标系的基本定义及其相关椭球参数。

这是我国首次开始公开推广使用地心坐标系。

这标志着我国空间导航与定位大地基准进入现代化时代。

2 大地基准及坐标参考系2.1 水准面及大地水准面静止而不流动的水面上的每一个水分子各自都受到重力的作用，在重力位相同时这些水分子便不流动而成静止状态，从而形成一个重力位等位面（即静止水面），这个静止的水面就称为水准面。

显然水准面有无数个。

而大地水准面是一个与平均静止海水面最为接近的重力等位面。

大地水准面同地球表面形状十分接近，又具有明显的物理意义，所以把大地水准面作为地球形状的研究对象。

大地测量学中所研究的地球形状就是大地水准面的形状。

理由是：大地水准面与占地球面积71％的平均海水面最为密合。

大地水准面具有水准面的一切特性。

大地水准面所包围的形体称为大地球体（简称大地体）。

2.2 旋转椭球及参考椭球由于地球吸引力的大小与地球内部的质量有关，而地球内部的质量分布又不均匀，这引起地球表面上各点的重力方向（即铅垂线方向）产生不规则的变化，因而大地水准面实际上是一个有微小起伏的，十分复杂和不规则的曲面。

CGCS2000与WGS84、北斗坐标系区别CGCS2000是中国2000国家大地坐标系的缩写，该坐标系是通过中国GNSS 连续运行基准站、空间大地控制网以及天文大地网联合平差建立的地心大地坐标系统。

2000国家大地坐标系以ITRF 97 参考框架为基准，参考框架历元为2000.0。

CGCS2000坐标系原点和轴定义如下：原点为地球的质量中心；Z轴指向IERS参考极方向；X轴为IERS参考子午面与通过原点且同Z轴正交的赤道面的交线；Y轴完成右手地心地固直角坐标系。

2000国家大地坐标系的大地测量基本常数分别为: 长半轴a = 6 378 137 m; 地球引力常数GM =3.986004418×1014m3s-2; 扁率f = 1/ 298. 257 222 101;地球自转角速度X =7.292115×10-5rad s-1︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿︿与WGS84区别CGCS2000的定义与WGS84实质一样，原点、尺度、定向均相同，都属于地心地固坐标系。

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，两者相容至cm级水平。

CGCS2000坐标是2000.0历元的瞬时坐标，而WGS84坐标是观测历元的动态坐标，两者都基于ITRF框架，可通过历元、框架转换进行换算。

同样的点位及观测精度，GNSS接收机获取的WGS84坐标及CGCS2000坐标并不是只有厘米级的差异，而是因框架、历元差异产生的分米级的坐标差。

历元归算到2000.0的WGS坐标，可以作为CGCS2000坐标使用。

WGS84坐标系由26个全球分布的监测站坐标来实现，不同版本的WGS84对应相应的ITRF版本和参考历元。

试论大地测量坐标系统与坐标框架进展摘要：itrf是最为通用的地心坐标参考框架，我国从从建国伊始就开始了大地坐标系统和框架的建设工作，在itrf范围内，相继建立了从参照前苏联1942坐标系统的北京1954坐标系统，到后来的1980西安坐标系统、新1954坐标系统，并相继完成了高精度的国家a级和b级大地控制网的测量工作。

关键词：大地测量坐标系统坐标框架国际地球参考坐标框架（international terrestrial reference frame，简称itrf）是目前国际上普遍采用、精度最高的地心坐标参考框架。

从1988年开始，itrf已经相继发布了等地心坐标参考框架。

itrf由国际地球自转服务局基于需要和相关的要求，在全球区域内建立观测点，通过一些测量和定位手段获得大地空间的观测数据，然后由国际地球自转服务局进行数据处理，进而获得框架点的精确坐标、速度以及地球定位定向参数等。

一、邻近国家国大地测量坐标系统和坐标框架进展1.日本2000年日本停止使用东京大地基准，改为采用jgd2000，定义为国际地球参考坐标系统，历元为1997，采用grs80给定的大地常数，此大地坐标框架包括1200个全球定位系统连续运行网站，64000个三等级大地控制点，已经20000个基本水准点。

2.韩国从1988年开始，韩国开始使用以itrf为基础参照，历元为2000的三维地心大地坐标系统，kgd2000，它包括大量的全球定位系统连续运行网站，通过合理分布来科学运行。

3.蒙古通过gps来定位大地框架的点，蒙古取代了原来的二维平面系统msk42，建立了和gps坐标系统一致的三维地心大地坐标系统monref97。

4.马来西亚2001年.通过在全国范围内建立全球定位系统连续运行网站，再将已有的238个网点连入新建的网站内，建立了全新的三维地心大地坐标系统ngrf2000，基本上还是以itrf97为参照。

5.新西兰通过gps来定位大地框架的点，新西兰于2000年采用了全新的三维地心大地坐标系统nagd2000，历元为2000.二、我国的大地测量坐标系统1.北京1954大地坐标系统建国伊始，受困于科技力量的欠缺，我国在和前苏联1942年的大地坐标系统联测中建立了北京1954大地坐标系统。