大地坐标系建立方法

CGCS2000

如所周知，20世纪50年代，为满足测绘工作的迫切需要，我国采用了1954年北京坐标系，后来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8O年代初我国又建

立了1980西安坐标系。应当肯定，1954北京坐标系和1980西安坐标系在我国的经济建设和

国防建设中发挥了巨大作用。

同时也应当看到，随着情况的变化和时间的推移，这两个以经典测量技术为基础的局部

大地坐标系，目前已经不能适应科学技术特别是空间技术发展，不能适应我国经济建设和国防建设需要。我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，是当今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，是我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。多年以来，我国测绘、地震部门和科学院有关单位为建立我国新一代大地坐标系作了大量基

础性工作，近年又先后建成全国GPS一、二级网，国家GPSA、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。我国大地坐标系更新换

代的条件业已具备。我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(ChinaGeodeticCoordinateSystem2000，CGCS2000)，国人又称之为2000国家大地坐标系，是我国新一代大地坐标系，现已在全国正式实施。本文意在介绍

2000中国大地坐标系的定义和实现，给出参考椭球的定义常数和导出常数以及相关的正常重

建立大地坐标系基本原理

建立大地坐标系基本原理

一、概述

大地坐标系是地球表面上点的位置测量所采用的一种坐标系。其基本原理是通过对地球形状和尺寸的认识，将地球表面上任意一点的经纬度转换为三维空间中的直角坐标系，从而实现对地球表面上点的精确定位。

二、地球形状与尺寸

1. 地球形状

在建立大地坐标系之前，必须先了解地球的形状。在古代，人们普遍认为地球是平面或圆盘状。然而，随着科技发展和测量技术进步，人们逐渐认识到地球是一个近似于椭球体的三维物体。具体来说，它在赤道处呈现出较大的半径（6378.137 km），在两极处则呈现出较小的半径（6356.752 km），因此被称为“扁球体”。

2. 地球尺寸

除了了解地球形状外，还需要了解其尺寸。目前采用最广泛的测量结果是WGS84（World Geodetic System 1984）。根据该系统，地心到赤道面距离为6378.137 km，地心到极面距离为6356.752 km。

三、大地坐标系的建立

1. 大地坐标系的定义

大地坐标系是一种以地球椭球体为基础，以某一点为参考点，确定其他点位置的坐标系。通常采用经度、纬度和高程三个参数来表示。

2. 大地坐标系的基准面

大地坐标系的基准面是指一个与海平面相切的椭球面。在国际上，使用最广泛的基准面是WGS84椭球体。该椭球体是由美国国防部研制，在1984年发布，并被联合国通过为全球通用的测量基准。

3. 大地坐标系的参考点

大地坐标系需要一个参考点来确定其他点的位置。在中国，通常采用北京54号椭球体作为基准面，并以北京时间12时整所对应的经线（即东经120°）作为中央子午线。此外，还要选取一个具有代表性和稳定性的测量点作为参考点。在中国，这个测量点就是中国科学院紫金山天文台。

4. 大地坐标系参数

大地坐标系采用经度、纬度和高程三个参数来表示一个点的位置。其中，经度是指一个点所在的经线与中央子午线的夹角，以东经为正，西经为负；纬度是指一个点所在的纬线与赤道面的夹角，以北纬为正，南纬为负；高程是指一个点距离基准面的垂直距离。

测绘数据处理

121

§10.4 地心地固坐标系

地心地固空间直角坐标系的定义是 ：原点 O与地球质心重合， Z 轴指 向地球北极， X 轴指向格林尼治平均子午面与赤道的交点， Y 轴垂直于 XOZ 平面构成右手坐标系。

地心地固大地坐标系的定义是： 地球 椭球的中心与地球质心重合，椭球面与大 地水准面在全球范围内最佳符合，椭球短 轴与地球自转轴重合(过地球质心并指向 北极)，大地纬度，大地经度，大地高。如图

地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐 标轴方向的变化。

10.4.1 极移与国际协议原点

地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的 , 地极点在地球表面上的

位置是随时间而变化的 , 这种现象称为地极移动 , 简称极移。某一观测瞬间 地球北极所在的位置称为瞬时极 , 某段时间内地极的平均位置称为平极。 为 了描述地极的移动规律 , 可取某一平极为原点 O,

在与过该点且与地球表面相切的平面上建立一 平面直角坐标系 O-xy,x 轴指向格林尼治平均天 文台,y 轴指向格林尼治零度子午面以西 900 的 子午面方向，这样任一瞬时极可表示为 (xt,yt)

测绘数据处理

122

1900~1905 年平均历元 1903.0，另外国

际极移服务 (IPMS)和国际时间局 (BIH) 等机构分别用不同的方法得到地极 原点，因而有不同的 CI0，属于 BIH 的 CIO 有 BIH1968.0，BIH 1979.0，BIH1984.0

等。与 CIO 相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。

以协议地极 CIP(Conventional Terrestrial Pole) 为指向点的地球 坐标系称为协议地球坐标系 CTS(Conventional Terrestrial System), 而

以瞬时极为指向点的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。在大地测量中采用 的地心地固坐标系大多采用协议地极原点 CIO 为指向点, 因而也是协议地 球坐标系 , 一般情况下协议地球坐标系和地心地固坐标系代表相同的含 义。

大地空间直角坐标系

一、概述

大地空间直角坐标系是一种常用的地理坐标系，它以地球椭球体为基准面，以国际米制单位为长度单位，以某个参考点的经度、纬度和高程作为原点，建立起三维直角坐标系。这种坐标系具有精度高、计算简便等特点，在测量和定位领域得到了广泛应用。

二、建立

大地空间直角坐标系的建立需要以下步骤：

1. 选择基准面：在大地测量学中，通常选用国际1924年椭球体或WGS-84椭球体作为基准面。

2. 选择参考点：参考点是指确定原点的位置。通常选择一个高程较高、地势平缓的位置作为参考点。

3. 确定原点：根据参考点的经纬度和高程，确定三维直角坐标系的原点。

4. 建立坐标轴：根据原点确定三个相互垂直的轴线，并规定正方向。

5. 确定比例因子：比例因子是指长度单位与实际长度之间的比值。通常选择国际米制单位，并根据实际情况确定比例因子。

6. 建立坐标系：根据以上步骤建立起大地空间直角坐标系。

三、参数

大地空间直角坐标系的参数包括：

1. 基准面参数：基准面的椭球体参数包括长半轴、扁率等，这些参数决定了整个坐标系的形状和大小。

2. 参考点参数：参考点的经度、纬度和高程是确定原点位置的关键因素。

3. 比例因子：比例因子是确定长度单位与实际长度之间比值的关键因素。

4. 坐标轴方向：坐标轴方向规定了正方向，通常选择东、北、天为正方向。

四、应用

大地空间直角坐标系在测量和定位领域得到了广泛应用，包括：

1. 测量工程中，如建筑测量、道路工程测量等。

2. 地图制作中，如地理信息系统（GIS）等。

3. 定位导航中，如全球卫星导航系统（GPS）等。

4. 科学研究中，如地球物理学、大气科学等。

五、总结

大地空间直角坐标系是一种以地球椭球体为基准面建立起来的三维直角坐标系，具有精度高、计算简便等特点，在测量和定位领域得到了广泛应用。建立大地空间直角坐标系需要选择基准面、参考点、确定原点、建立坐标轴、确定比例因子等步骤。大地空间直角坐标系的参数包括基准面参数、参考点参数、比例因子和坐标轴方向。在实际应用中，大地空间直角坐标系被广泛用于测量工程、地图制作、定位导航和科学研究等领域。