2000国家大地坐标系

CGCS2000：参考椭球
Z
IRP
IR M
地球质心 参考椭球
X
Y
CGCS2000 坐标系定义
CGCS2000：参考椭球
CGCS2000参考椭球的定义常数: 赤道半径： a = 6378137 m 扁率: f = 1:298.257222101 地心引力常数：GM = 3.986004418×1014m3s-2 旋转速度： ω=7.292115×10-5rad s-1
四、更大的问题是：它们都是局部坐标系，坐标 系的原点与地心有较大偏差
ZBJ54
参考椭球中心
XBJ54
地心
YBJ5
4
1954年北京坐标系原点偏差
160 m
五、严重后果是：在空间时代局部坐标系不好用了
首先，自上世纪50年代卫星上天，人类进入空间时代，大地测 量也进入空间时代，现在大地测量是以GPS为代表的空间时代。
CGCS2000：参考椭球常数 导出物理常数值
U0= 62636851.7149 m2s-2 椭球面正常位 J2= 0.1082629832258x10-2 2阶带谐系数 J4= -0.2370911256141x10-5 4阶带谐系数 J6= 0.6083465258892x10-8 6阶带谐系数 J8= -0.1426811009798x10-10 m 8 阶带谐系数 2a 2b / GM J10 = 0.1214393383343x10-13 10阶带谐系数 m = 0.00344978650678 m=ω2a2b/GM γe = 9.7803253361 ms-2 赤道正常重力 γp = 9.8321849379 ms-2 极正常重力 γ’ = 9.7976432224 ms-2 平均正常重力 fg = 0.00530244174137 重力扁率 k = 0.00193185261931 k=bγ p/aγ e-1 M = 5.97333196×1024 kg 地球质量（包括大气）
二、坐标系实现（天文大地网）精度低且不均匀
1954年北京坐标系是随天文大地网边布设 边平差建立起来的，没有经过整体平差， 因而精度不均匀，个别地区误差可能达到 几m，甚至10m。 1980西安坐标系是在椭球重新定位的基础 上，通过天文大地网整体平差建立起来的， 全网精度比较均匀，在西北和西南边沿地 区，误差大约 1m。
CGCS2000的实现
2 0 0 0 国 家 GPS 大 地 网
CGCS2000与1954年北京坐标系的比较 CGCS200椭球与1954年北京坐标系椭球的比较
CGCS2000 性质 a 1/f 1954年北京 2000-1954 28m -130m -95m -108 m -0.042777899 地心 局部 6378137m 6378245m 298.257222101 298.3
CGCS2000的定义
以上定义对应一个右手地固直角坐标系，它的原点 和轴定义如下： 原点在地球质量中心； 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轴与Z、 X轴构成右手直角坐标系。 参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合，其旋转 轴与坐标系的Z轴重合。 正常椭球与参考椭球一致。
严重影响。以1954年北京坐标系的地形图为例，导航位置与图上 位置之差可以达到100多米，这样大的误差是不允许的。
再次，航天器测控和武器制导一定在地心坐标系进行。 使用局部坐标系，将会引入很大测控误差。局部坐标系 不支持空间科学和远程武器对大地测量的要求。
总之，在空间时代，局部坐标系已制约测绘本身的发
CGCS2000与1980西安坐标系的比较
CGCS2000椭球 与 1980西安坐标系椭球的比较 2000国家 1980西安 2000-1980西安 性质 地心 局部 约90m a 6378137m 6378140m -3 m 1/f 298.257222101 298.257 0.000222101 GM 3.986004418 3.986005 -0.000000582 ω 7.292115×10-5 7.292115×10-5 0
我国的大地坐标系
建国以来，我国使用两个大地坐标系：
1954年北京坐标系。它是1942普尔柯夫坐标系在 中国的延伸。 20世纪50年代开始使用。 1980西安坐标系。在参考椭球定位基础上，由天
文大地网整体平差建立起来的。 20世纪90年代
颁布使用。
我国现有大地坐标系存在问题
b
6356752.3141m
6356752.3142m
-0.0001m
CGSC2000与WGS84比较
椭球的扁率变化引起的大地纬度、大地高和椭球面上正常重力的变化
B(°) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 dB(mm) .000 .018 .036 .052 .067 .080 .091 .098 .103 .105 .103 .099 .091 .080 .068 .053 .036 .018 .000 dH(mm) .000 .001 .003 .007 .012 .019 .026 .034 .043 .052 .061 .070 .079 .086 .093 .098 .102 .104 .105 dγ (μ Gal) .016 .016 .016 .015 .014 .013 .012 .011 .009 .008 .007 .005 .004 .003 .002 .001 .000 .000 .000
展，已制约测绘的众多应用，特别是空间、航天和武器
的应用。局部坐标系已变得过时。
当然，这样说并不意味着，局部坐标系在空间时代毫
无用处（例如，对于不涉及空间测量的局部工程建设，
旧坐标系的地形图仍然好用）。
现代大地坐标系应满足的基本要求
现代大地坐标系应满足下列基本要求：
① 地心； ② 三维； ③ 高精度； ④ 定义符合IERS（国际地球自转和参考系服务）协议。
2000国家大地坐标系
××××× 2014.3
经国务院批准，从2008 年7月起，我国启用 2000国家大地坐标系。
我国为什么启用2000 国家大地坐标系？
坐标系的基本概念
往下讲之前讲几个名词概念：
大地测量基本常数四个如下： 1.地球赤道半径a； 2.地球动力学形状因子J2; 3.地心引力常数GM，其中G是万有引力常数，M 是地球的陆、海和大气质量的总和; 4.地球自转角速度ω。 前两个称为大地测量基本几何常数，后两个称为 大地测量基本物理常数。 大地测量导出常数如下： 大地测量导出参数有很多，常用的有：椭球短半 轴b、几何扁率f（（a-b）/a）等
我们的基本选择：
地心大地坐标系
采用地心坐标系的好处
第一、采用地心坐标系有助于充分享用空间技术 的成果，具体而言，能方便使用GPS。 第二、采用地心坐标系有助于推动大地测量以至 整个测绘科技的发展。 第三、采用地心坐标系有利于地球空间信息产业 的发展。 第四、采用地心坐标系有利于航天技术与武器的 发展。
采用地心坐标系的好处
第五、采用地心坐标系有助于推动卫星导航 产业，进而推动陆、海、空交通运输业的 发展。 第六、采用地心坐标系，有利于世界大地坐 标系的统一，进而有利于我国参与全球化， 有利于社会的可持续发展 。
我国已具有采用地心坐标系的条件
近十年来，在测绘、地震和科学院有关单位的 共同努力下，我国建成了全国规模的 一、二级 GPS网， A、B级GPS网，以及中国地壳运动观 测网络。这些网络包括不同类型的高精度GPS 点大约2500个。我国高等级空间大地网已具相 当规模，实现地心坐标系的条件已经具备，这 表明采Hale Waihona Puke Baidu地心坐标系是可行的。
这四点也是现代大地坐标系的基本特征，体现了现代大地坐标系的科学性、
先进性和统一性。 1954年北京坐标系与 1980西安坐标系，显然不具备这些特性，因而都算不上
现代大地基准了。
我们的结论是：为了适应空间时代我国经济社会发展以及测绘科技本身的发 展，适应大地坐标系的发展趋势，我国大地坐标系应当更新换代，应当现代 化。
CGCS2000的定义
CGCS2000符合IERS（国际地球旋转和参考 系服务局）ITRS（国际地球参考系）的下列定 义： 原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心； 长度单位为米（SI），这一尺度与地心局部框 架的TCG（地心坐标时）时间坐标一致； 定向在1984.0时与国际时间局（BIH）定向一致； 定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无 整体旋转（no-net-rotation）的条件保证。
三、测量标志遭到严重破坏
解放以来，我国共建测量标志90余万座， 到2007年7月为止，被毁坏的测标已达54％
（见2007年7月17日《中国测绘报》 ）。
实际上，天文大地网只存在于纸面上，在 物理上已经不完整了。这无疑给用户带来 极大困难。
以上三个问题，并不是致命性的，并不构 成坐标系更新换代的决定因素。 那么，什么是致命性问题呢？还有什么是 比这更大的问题呢？
时代变了，测量手段也变了。以前用经纬仪和测距仪；现在则用
GPS，角度测量和距离测量与坐标系没有关系，而GPS测量与坐标 系有直接关系。用GPS进行控制测量时，地面点坐标应参考于地 心坐标系，不可参考于局部坐标系。 其次，在卫星导航日益普及的今天，与导航配套使用的地图也应
采用同卫星导航一致的坐标系。否则，卫星导航的有效性将受到
现有大地坐标系存在问题具体表现以下几点： 一、参考椭球不是最佳椭球
1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球 （长半轴a＝6378245m；扁率f=1:298.3）， 与IUGG推荐的 GRS80椭球 （a=6378137m,f= 1:298.257222101）相 比，a长了108m, 1/f大了约0.043 1980西安坐标系采用IAG－75椭球（长半 轴a＝6378140m；扁率f=1:298.257），与 GRS80椭球相比，a长了3m, 1/f小了约 0.000222。
CGCS2000的实现
CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的 坐标和速度具体实现。参考历元为2000.0。 2000国家GPS大地控制网是在测绘、地震和 科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础 上得到的一个全国规模的GPS大地控制网， 共 包括2518点 。 坐标平均中误差： σx=0.90cm,σy=1.57cm,σz=1.06cm σB=0.37cm,σL=0.77cm,σh=1.92cm 位置平均中误差：σ P= 2.13cm
CGCS2000与WGS84比较
CGCS2000椭球 a 6378137m 1/f 298.257222101 GM 3986004.418x108 ω 7292115x10-11
WGS84 椭球 差 6378137m 0 298.257223563 -0.000001462 3986004.418x108 0 7292115x10-11 0
2000中国大地坐标系建立
我国新一代国家坐标系定名为2000 国家大地坐标系，又称2000中国大地坐 标系。英译： China Geodetic Coordinate System，缩写：CGCS2000
大地坐标系的三个方面
一个大地坐标系，包括定义坐标系、实现坐标 系和维持坐标系三个方面： 定义坐标系是指规定坐标系的原点、坐标轴的指 向和尺度，以及使用的参考椭球和正常椭球。 实现坐标系是指用一组地面点的坐标（和速度） 来体现所定义的坐标系。由这些地面点的坐标 （和速度）所具体体现的坐标系，通常叫做参考 框架。 维持坐标系是指实现坐标系的地面点坐标（和速 度）的不断精化，以及参考框架加密。通过不断 维持，坐标系的精度和时效性得以与时俱进。
CGCS2000：参考椭球常数 导出几何常数值
b = 6356752.3141 m E = 521854.00970025 m c = 6399593.6259 m e² = 0.00669438002290 e = 0.081819191042816 e´ ² = 0.00673949677548 e´= 0.082094438151917 f = 0.00335281068118 b/a= 0.996647189319 Q = 10001965.7293 m V = 1083207319783.546 km3 S = 510065621.718 km2 R1 = 6371008.7714 m R2 = 6371007.1809 m R3 = 6371000.7900 m 短半轴 线偏心率 极曲率半径 第一偏心率平方 第一偏心率 第二偏心率平方 第二偏心率 扁率 轴比 b/a 子午圈一象限弧长 椭球体积 椭球表面积 算术平均半径 同面积之球的半径 同体积之球的半径