我国常用坐标系统及其转换

我国常用坐标系统及其转换

摘要：随着坐标系的更新以及坐标基准的变化，我国曾先后使用过北京54坐标系、1980西安坐标系，并于2008年7月开始启用新的国家大地坐标系——2000国家大地坐标系，如何将各个坐标系的大地控制点进行相互转换是我们必须解决的问题，本文对我国常用坐标系及其坐标相互转换的理论基础和方法进行了介绍。

关键词：坐标系；坐标转换；参数

一、引言

20世纪50年代，为了满足测绘工作的迫切需要，我国采用了北京54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80年代初我国又建立了1980西安坐标系。1954北京坐标系和1980西安坐标系在我国经济建设和国防建设中发挥着巨大的作用。同时也应该看到，随着时间的推移，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的发展，不能适应我国经济建设和国防建设需要。同时，全球卫星定位技术的广泛推广和应用，使各行业和部门对采用地心坐标系统提出了迫切的需求，为了适应国民经济和科学技术发展的需要，世界上许多发达和中等发达国家和地区多年前就开始采用地心坐标系，我国也于2008年7月开始启用新的国家大地坐标系——2000国家大地坐标系。

一个完整的地球坐标参考系统是由大地基准（面）与坐标系两部分构成。坐标系指描述空间位置的表达形式（如空间直角坐标系或大地坐标系等），而基准指的是为描述空间位置而定义的一系列点、线和面。在大地测量中的大地基准面一般指为确定点在空间中的位置，而采用的总地球椭球或参考椭球的几何参数和物理参数。

我国目前用以测图及工程规划、设计以及其他用途的大地控制点一般基于北京54坐标系或西安80坐标系，如何将这些控制点统一到地心坐标系是十分重要的问题，本文主要介绍我国常用坐标系统及其相互转换方法。

二、我国常用坐标系简介

1、北京54坐标系

北京54坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系，它是依照1953年我国东北边境内若干三角点与前苏联天文网相连测的成果，由1954年东北地区的一部分一等三角锁局部平差确定，随后扩展加密遍及全国，该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球。该坐标系统采用多点定位，且高程基准为1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面，高程异常以前苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而得。北京54坐标系存在如下的问题：

（1）北京54坐标系所对应的国家参考椭球并未采用我国自己的天文测量资料来进行定位和定向，对椭球的定向含义不明确，从现代观点来看克拉索夫斯基椭球元素也显得不够精确，而且只有两个几何参数，并不具有反映椭球几何、物理特性的四个基本参数。

（2）北京54坐标系椭球参数长半轴与现在的精确值有108m的差距。

（3）北京54坐标系参考椭球面与我国大地水准面之间存在自西向东的系统性倾斜，东部差距达68m。

（4）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。重力数据处理采用的是赫尔默特正常重力公式，与其相应的椭球为赫尔默特椭球，这与克拉索夫斯基椭球不一致。

（5）定向不明确。克拉索夫斯基椭球短半轴既不指向CIO也不指向我国地极原点JYD1968.0；同时其起始子午面也不是国际时间局所定义的格林尼治平均天文台子午面，这给坐标换算带来了很多麻烦。

（6）北京54坐标系按局部平差逐步提供大地点成果的，因此不可避免的会出现一些矛盾和不够合理的地方。

2、1980年西安坐标系

1980年国家大地坐标系因其大地坐标原点在陕西省泾阳县永乐镇境内。通常又被称为西安80坐标系。由于北京54坐标系自身存在的很大缺陷而不能满足现代大地测量和有关科学发展的需要，为了消除局部平差和逐级控制产生的不合理影响，提高大地网的精度，1982年我国完成了全国天文大地网整体平差，建立了新坐标系即1980西安坐标系。

西安80坐标系的大地原点在我国中部，是参心坐标系，椭球面同似大地水准面在我国境内符合的最好；椭球短轴Z轴平行于地球质心指向地极原点方向，大地起始子午面平行于格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与Z轴垂直指向0经度方向；Y轴与Z,X轴成右手坐标系；椭球采用IUGG1975年大会推荐的参数；多点定位：椭球定位时按我国范围内高程异常值平方和最小原则求解参数；大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。

从技术和应用方面考虑，西安80系主要存在下面几个问题：

（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2维坐标；

（2）椭球定位，西安80系是由中国大陆局部高程异常最佳符合方法定位，因此它不仅不是地心定位，而且当时确定定位也没有顾及占中国全部国土面积近

1/3的海域国土

（3）随着科学技术的发展，原来在20世纪70年代用于定义我国大地坐标系的物理和几何常数，已有了更新和改善，其中如椭球大小，西安80系采用的椭球是IAG1975椭球，它的椭球长半轴要比现在国际公认的相应值大3米左右

（4）椭球短轴的指向，西安80系采用指向JYD1968.0地极原点，与国际上通用的地面坐标系如ITRS等椭球短轴的指向（BIH1984.0）不同。

3、2000国家大地坐标系

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。2000中国大地坐标系（CGCS2000），是我国新一代大地坐标系，已在全国正式实施。它是地心坐标系，长度单位是米，这一尺度同地心局部框架的TCG时间坐标一致，定向初始由1984.0国际时间局（BIH）的定向给定，定向的时间演变由整个地球上水平构造运动无净旋转条件保证。CGCS2000坐标系参考椭球的定义常数为：

长半轴

扁率

地球的地心引力常数

地球角速度

CGCS2000为右手地固正交坐标系, 其原点和轴向的定义是: 原点在地球的质量中心; Z 轴指向IERS参考极( IRP ) 方向; X 轴为IERS参考子午面( IRM ) 与通过原点且同Z 轴正交的赤道面的交线;Y 轴与Z、X 轴构成右手正交坐标系。CGCS2000的参考椭球为一旋转椭球, 其几何中心与坐标系的原点重合, 其旋转轴与坐标系的Z轴一致。参考椭球面在几何上代表地球表面的数学形状。CGCS2000的参考椭球在物理上代表一个等位椭球(水准椭球), 其椭球面是地球正常重力位的等位面。

三、坐标系的转换

坐标转换并不是一个新的课题，随着测绘事业的发展，全球一体化的形成，越来越要求全球测绘资料的统一。由于地球曲率客观存在，传统测绘作业通视受到很大限制，测绘资料的统一存在巨大的约束。另外由于每个国家的大地坐标系的建立和发展具有一定的历史性，仅常用的大地坐标系就有150余个。采用不同的参考椭球和定位定向建立的坐标系，均可以转换为空间直角坐标系。因此不同的坐标系之间的转换归根结底都是不同的空间直角坐标系之间的换算。如果已知