国家大地基准现代化

国家大地基准的现代化

陈俊勇

国家测绘局，北京１００８３０

摘要介绍了日本、韩国、蒙古、新西兰、马来西亚和欧洲等国家和地区的大地基准更新和现代化工作。介绍了中国大地坐标系统和大地坐标框架的现状和问题，讨论了中国地心三维坐标框架应具有的特点，以及建议采用何种大地测量基本常数，并进行了在中国这样一个大国进行这一坐标系更换的必要性和可行性的论证。而本文认为可行性是中国能否采用地心三维坐标系统的核心问题。文中只讨论了可行性可能涉及的两个问题，即一是必须具备有足够数量，适宜密度，动态的高精度坐标框架来实现地心三维坐标系统；另一个是坐标系统更换对全国千万张现有备类地图，特别是地形图的影响，其中包括地面点经纬度和高斯平面坐标的变更幅度，地图上两点间连线（包括图廓线）的方位和长度变化等。

关键词大地基准日本韩国蒙古新西兰马来西皿欧洲坐标系统坐标框架坐标更换大地测量基本常数地图

为了迎接２１世纪经济和社会的持续发展，为了适应和提供高科技发展的一个基础地理平

台，近年来一些国家和地区都对本国或本地区的大地基准进行了更新和现代化。随着全球定位

系统（ＧＰＳ）、人卫激光测距（ＳＬＲ）、甚长基线干涉（ＶＬＢＩ）等空间大地测量技术的不断发展和完

善，世界各国都在不断更新和完善各自的大地测量参考框架，空间地心坐标框架逐渐取代传统的

大地测量坐标框架已成为一种趋势”Ｊ。空间大地测量技术，尤其是ＧＰＳ技术在当前全球坐标框

架建设中的作用越来越突出。同时，地心坐标框架也从单一的“坐标服务”向综合型的服务体系转变，向其他行业如气象、交通导航、灾害预报等提供服务。由于卫星空间定位技术的发展对大地基准的现代化提出了新的要求，也提供了实现的可能。

１非洲大地基准现代化（ＡＲＲＥＦ）

在非洲建立统一的地心坐标框架（ＡＦＲＥＦ）最早以“非洲多普勒测量（ＡＤＯＳ，Ａｆｒｉｃａ

Ｏｏｐｐｌｅｌ＂Ｓｕｒｖｅｙ）”开始，随着ＧＰＳ的广泛应用成为现实。ＡＦＲＥＦ网的主要目标是：①定义一个非洲大陆坐标系统，它应和ＩＴＲＦ全球坐标框架

相一致，为建立非洲国家级的三维坐标框架提供支持。②建立间距约１０００公里连续的永

久的ＧＰＳ跟踪站。并且这些跟踪站数据可以提供给其他各国或其他用户。③实现统一的非洲垂直基准并支持建立非洲精密大地水准面。

目前，总共有５４个非洲国家参与该项目，从而加大了实施的难度。因此该网拟先从区

域性坐标框架建起，即北非参考网（ＮＡＦＲＥＦ）、西非参考网（ＷＡＦＲＥＦ）、东非参考网（ＥＡＦＲＥＦ）、中非参考网（ＣＡＦＲＥＦ）以及南非参考网（ＳＡＦＲＥＦ）。最后再合并构成非洲大陆

统一的大地测量坐标框架（ＡＦＲＥＦ）。

１９９９－－２００３期间，非洲坐标框架的工作取得了一定的成果，但由于非洲国家众多，国情

不同，要全部完成非洲坐标框架的建造还要花相当的时间。

２欧洲大地基准现代化（ＥＵＲＥＦ）

自从１９８７年以来，几乎所有欧洲的国家都积极参与了建立维持欧洲坐标框架（ＥＵＲＥＦ）工

作。框架的空间坐标部分由ＥＵＲＥＦ永久站网（ＦａＮ）中各种不同的高精度ＧＰＳ网组成。到目前

为止，ＥＰＮ根据统一定义的标准与指南，吸纳了１３７个欧洲的ＧＰＳ连续跟踪站。这些标准和指南

可以保证跟踪站网的效率和产品的质量。这些永久性跟踪站网对维持欧洲地面坐标框架

（ＥＴＲＦ）和国际地心坐标框架框架ＩＴＲＦ有很大帮助。同时这些跟踪站进而被用作发展一些特殊项目的基础设施，例如：（蜊用ＥＰＮ产生的坐标时序结果，研究地面运动信息，为相应地区的地壳

运动分析做准备；同时也作实现国际地面参考系统（ＩＴＲＳ，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＴｅｒｒｅｓｔｒｉａｌＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｙｓ．ｔｅｒｎ），如ｆｌ＇ＲＦ２１Ｘ】０的—个组成部分。②提供对流层产品。

３南美大地基准现代化

由覆盖南美大陆和沿海地区的５８个站于１９９５年１０天的ＧＰＳ观测结果建立了南美地

心坐标框架，平差后站坐标的精度为３～６ｍｍ，准确度大约在２ｅｍ的量级。２０００年５月对这

些站进行了第一次复测，这次复测除了１９９５年的５８个站外，还包括了中北美和加勒比海地

区的ＧＰＳ站，总共１８４个。除了测定三维地心坐标外，这次复测的重点在于建立统一的大

陆高程参考系统。为此除了邻国边界线上的普通水准点外大量的验潮站和国家高程控制点也被包括进来。

４我国的近邻国家大地基准现代化

４．１新西兰大地基准现代化

１９９８年，新西兰实施了新的地心参考基准，即以２０００年１月１日为参考历元的新西兰

大地测量基准２０００（ＮＺＧＤ２０００）。由于新西兰地壳形变非常剧烈，因此新西兰定义其地心

参考基准为“半动态”基准。即新西兰大地测量地心坐标参考基准的参考历元为２０００．０，其

参考站坐标值的即为该历元的坐标值。这些大地基准点位及其变动完全依靠卫星定位，如ＧＰｓ测定提供。

最初的速度场模型通过ＧＰＳ重复测量观测值产生，并假设在观测肘问内速度是常量。明显地，ＧＰＳ点位测定时间离参考历元的时间越远，受速度模型中的误差和时间非线性变

形，例如地震的影响也愈大，将会降低速度场改正的精确性。４．２日本大地基准现代化

从２０００年４月开始日本新的大地基准ＪＧＤ２０００正式取代了具有百年历史的东京大地

基准。ＪＧＤ２０００采用国际地面参考系统（ＩＴＲＳ）的定义，历元定为１９９７．０。大地常数，

包括椭球参数，取众所周知的《大地参考系统１９８０）（ＧＲＳＳ０）所给定的值。东京大地基

准坐标转换为ＩＴＲＳ时的坐标转换参数（ｘ０，Ｙｏ，ｚｏ）分别为一１４６ｍ、５０７ｍ、６８１ｍ。维持

ＪＧＤ的大地坐标框架是由１２００个ＧＰＳ连续运行站（ＧＥＯＮＥＴ）协同６４０００个一等、二等、

三等经典大地点，和２００００个水准点（正高系统）组成。在２０００年基于重力和ＧＰＳ水准

数据，日本推算了新的大地水准面（ＧＥ２０００）。它和ＪＧＤ２０００一起被１３本认为对１３本的

空间数据基础设施是一个极为重要的进步。上述的ＧＥＯＮＥＴ一直延伸到１３本最东端的领

土（ＭａｒｃｕｓＩｓｌａｎｄ），这是日本在太平洋板块上唯一的一个ＧＰＳ连续追踪站。ＧＥＯＮＥＴ的采样率为１Ｈｚ。

４．３蒙古大地基准现代化

蒙古近年建立了新的国家大地坐标框架ＭＯＮＲＥＦ９７。该大地框架是在瑞典支援下，采

用ＧＰＳ观测完成的，因此该框架的大地坐标系统和ＷＧＳ８４保持一致。ＭＯＮＲＥＦ９７这一新

的国家地一５＂－－－维坐标框架，取代了原来的蒙古国家二维平面坐标系ＭＳＫ４２（采用克拉索夫

斯基椭球），坐标系统和原苏联普尔科伏（Ｐｕｌｋｏｖｏ）１９４２系统保持一致（类似于中国七十年

代以前的老北京５４坐标系）。蒙古的高程基准目前仍沿用原苏联波罗的海高程基准，目前

不考虑用ＭＯＮＲＥＦ９７的大地高来替代。

４Ａ韩国大地基准现代化Ｈ】

２０世纪５０年代朝鲜战争后，韩国于１９７５年至１９９４年重建了该国大地控制网

（ＰＰＧＮ），ＰＰＧＮ包括１１５５个一等、二等三角测量点，平均边长为１ｌｋｍ，于１９９４年完成ＰＰＧＮ的整体平差。参考椭球仍采用白塞尔１８４１椭球。

韩国１９９４年建成了该国的大地控制网（ＰＰＧＮ）后，应该说该国的大地基准是确定的、统一的。但使用不久后就发现，这一坐标系和空间技术，特别是和卫星定位的结果所对应的坐标系不

一致，二者差异有时竟达６００余米。为了满足２１世纪各类用户的需求，韩国于１９９８年推出一个完全新型的国家三维地心大地坐标系统（ＫＧＤ２０００），以替换现行的ＰＰＧＮ所定义的坐标系统。

ＫＧＩＹ２０００以ＩＴＲＦ９７为参照，历元采用２０００．０。这是韩国大地测量工作面向２ｌ世纪的一项重大

决策。它将向用户提供精确的、附有时相的三维地心空间坐标，而且ＫＧＤ２ｉ）００与国际坐标框架保

持一致（或有确定的、精确的连接），ＫＧＤ２０００是一种重要的、基本的地理空间数据基础设施，将为

韩国的经济和社会可持续发展，为韩国的高科技发展做出贡献。

ＫＣＤ２０００与原来经典的大地坐标系统或大地基准不同，它有以下一些特点：①以地心

为大地坐标系的原点；②与国际通用的地面坐标参考系统（ＩＴＲＳ）和相应的椭球参数

（ＧＲＳＳ０）保持一致；③和ＩＴＲＳ的联系是通过ＫＧＤ２０００中连续运行的若干个ＧＰＳ工作站与国际地面参考框架（ＩＴＲＦ９７）的不断连测来实现的；④ＫＧＤ２０００的历元确定为２０００．０，即该

系统中的坐标框架点的坐标值都是以此历元为准；⑤表徵ＫＧＤ２０００坐标框架点的标石是会

移动的，也就是这些点的坐标值是变化的，因此通过长期观测后，对ＫＧＤ２０００中的一部分点位移动量相对平稳的点，将提供年运动速率，以保持点ＫＧＤ２０００中坐标框架点的坐标值的

现势性。ＫＧＤ２０００的核心部分是有足够数量和分布合理的ＧＰＳ连续运行站（ＣＯＳ）。目前在韩

国国土地理院（ＮＧＩ）运行的ＣＯＳ有１４个。韩国国土地理院（ＮＧＩ）对上述各ＣＯＳ所接收的

ＧＰＳ追踪数据，每星期计算一次，计算的主要内容是对各个ＣＯＳ在１周内每天在ＩＴＲＦ９７内

的坐标。用以监测各个ＣＯＳ的运行稳定性和点位稳定性。ＮＧＩ正在利用ＫＧＤ２０００努力开

拓业务，为韩国的其他部门提供广泛服务，受到有关部门特别是地质、地震、大气、导航等单

位的青睐。

４．５马来西亚大地基准现代化晡１

马来西亚采用三维地心坐标的考虑大致有四个方面：一、今后卫星定位技术会越来越广

泛的应用，但其定位（或导航）结果和现行马来西亚的大地坐标系统不匹配，相差较大（达

２００余米）；二、东西马来西亚的大地联结原来是通过经典大地测量技术进行的，精度较差；

三、迅猛发展的各种类型、各种地理范围的ＧＩＳ，只有采用一个最符合地球真实情况的大地坐标系才能相互配适和便于交换；四、马来西亚的邻国如迪拜（Ｄｕｂａｉ）和新西兰都已趋向于

采用三维地心大地坐标系。

马来西亚建立国家三维地心大地坐标系统ＮＧＲＦ２０００时．采用了三个步骤。第一个步

骤是建立分布全国的数拾个ＧＰＳ永久性连续运行站（ＭＡＳＳ）。ＭＡＳＳ各站坐标定义于

１ＴＲＦ９７，历元为２０００．０，其平差后精度的水平分量为±１ＣｌＴＩ，高程分量为±２ｃｍ。在解算

ＭＡＳＳ各站坐标值的同时群算了相应的平均移动量。ＭＡＳＳ网是定义了马来西亚三维地心

大地坐标系统，也是马来西亚大地坐标框架ＮＧＲＦ２０００的骨干。

第二个步骤是将马来西亚已有的ＧＰＳ大地网（ｅＣＧＮ），共２３８个点拼接到ＭＡＳＳ网上，以使马来西亚三维地ｂ坐标框架点的分布和密度实用、合理，以最终建成马来西亚国家的新的三维地

心大地坐标系统。它所在的坐标系统和ＭＡＳＳ保持一致即由１ＴＲＦ９７定义，历元为２０００．０。

因此马来西亚认为该国具有了这样一个与国际通用的高精度三维地心大地坐标系后，

对精确统一该国的东西两大区域的坐标系统做出了贡献；为该国正在蓬勃发展的地理信息系统建立了一个统一的基础地理框架；在应用ＧＰＳ等空间技术方面会得到最大的好处，并

且为社会提供ＧＰＳ在陆海动态实时定位（导航）、气象、海平面监测和地震预报等方面服务

有了良好基础。

５关于中国采用地心三维坐标系统的探讨

５．１我国大地坐标系统的现状和问题

目前使用的西安１９８０坐标系（以下简称西安８０系），从技术和应用方面考虑，存在下

面几个问题：

①二维坐标系统。即任何所考虑对象的三维坐标在西安８０系中只表现为平面的二维

坐标。②椭球定位。西安８０系是由（中国）大陆局域高程异常最佳符合（即［ｆ２］＝ｍｉｎ）方