常用坐标系转换分析透彻浅显易懂分解
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星历轨道计算;在观测历元采用近似转换参数将测站坐标从ITRFyy转换至ITRFzz; 在ITRFzz 中加测 站约束;
ITRF 和IGS 的关系
４) 如果采用GPS广播星历（WGS84）, 则测站坐标同任一ITRFyy的一致性在1米以内, 利用 精化了的WGS84(G1150)星历, 则两者的一致性在1厘米以内。
坐标系统
坐标系类型
1954年北京坐标系 1980西安坐标系 WGS-84世界坐标系 2000国家大地坐标系 独立坐标系
参心坐标系 参心坐标系 地心坐标系 地心坐标系 参心坐标系
椭球
克拉索夫斯基 IAG-75 WGS-84 CGCS2000 同国家或自定义
a长半轴 （米）
扁率
6378245 6378140
3.3 新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国 家大地坐标（GDZ80）转换得来的。
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。
BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。
WGS84与CGCS2000的比较
从定义上 CGCS2000与WGS 84是一致的， 即关于坐标系原点、尺度、定向及 定向演变的定义都是相同的。 参考椭球非常相近，在4个椭球常 数ａ、ｆ、GM、ω中，唯有扁率 ｆ有微小差异：
df=
WGS84与CGCS2000的比较
１）df不引起大地经度变化； ２）df引起大地纬度的变化范围为0～0.105mm； ３）df引起大地高的变化范围为0～0.105mm； 在当前的测量精度水平,即坐标测量精度1mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS
1. 1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。
存在的问题： （1）椭球参数有较大误差。 （2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西
向东明显的系统性倾斜。 （3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考
面不统一。 （4）定向不明确。
参心坐标系
➢ 原点与轴指向由给定点定义 ➢ 基于国家或局部参考椭球 ➢ 在国家内部进行平差 ➢ 参考系为水平坐标系
Geoid
Local area of interest
Local ellipsoid
地心坐标系
➢ 原点 ▪ 地球质量中心
➢ Z-轴 ▪ 地球平均旋转轴
➢ X-轴 ▪ 平均格林尼治子午面, 垂直于Z轴
直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：
X (N H)cos Bcos L Y (N H)cos Bsin L Z [N(1 e2) H]sinB
直接算法
Larctan(Y/X)
Barctan{Z(NH)/[ X2Y2(N(1e2)H)]}
布尔莎七参数模型
X Y ZB B B=T T TY X ZA A A ,,,B B B+1+mA,B R3
R ZA,B 2
R YA,B 1
XA XA,B Y A
ZA
TXA,B
TYA,B
XB XA 1 0 0
YB
YA
+
0
1
0
0 ZA
ZA 0
YA -XA
1/298.3 1/298.257 1/298.257223563 1/298.257222101
3.8国际地球参考架 （ITRF）
国际地球参考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定， 由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成
大地水准面 平均格林尼治子午面
格林尼治 O
全球椭球 P (X, Y, Z)
平均赤道面
3、常用坐标系 ❖WGS-84坐标ຫໍສະໝຸດ Baidu ❖国际地球参考框架(ITRF)
我国大地基准
*1954年北京坐标系 *1980西安坐标系 *新1954北京坐标系 *2000国家大地坐标系
参心坐标系 地心坐标系
3.1 1954年北京坐标系
93 94 96 97 2000
VLBI,SLR,GPS VLBI,SLR,GPS VLBI,SLR,GPS,DORIS VLBI,SLR,GPS,DORIS VLBI,SLR,GPS,DORIS,LLR
参考历元
1988.0 1988.0 1988.0 1988.0
1988.0
1993.0 1993.0 1997.0 1997.0 1997.0
3.4 WGS-84坐标系
长半径： a=6378137±2（m）；
地球引力常数： GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；
正常化二阶带谐系数： C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9； J2=108263×10-8
地球自转角速度： ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1
cos L
"
(N H )cos B
sin B sin L " (M H )
sin B sin L
3.5 2000国家大地坐标系
国务院批准，2008年7月1日起正式实施 地心坐标系，原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心
Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向 X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点,该历元的指向
由国际时间局给定的历元1984.0推算得到 Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。 2000国家大地坐标系采用的地球椭球的参数为： 长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.257222101
HZ/sinBN(1e2)
式 中 ， N a /1 e 2 s in 2 B ， N 为 该 点 的 卯 酉 圈 半 径 ；
e 2 ( a 2 b 2 )/a 2 ， a ,e 分 别 为 该 大 地 坐 标 系 对 应 椭 球 的 长 半 径 和 第 一 扁 心 率 。
大地坐标系与空间直角坐标系变换 由空间直角坐标系变换至大地坐标系采用迭代法
–IGS精密星历 –Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等 技术维持. –提供站坐标及速度场信息
ITRF序列观测技术及板块运动模型
序列
88 89 90 91
ITRF观测技术
VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR,GPS
92
VLBI,SLR,LLR,GPS
84和CGCS2000坐标系内的坐标变化可以忽略。 结论:CGCS2000和WGS 84（G1150）在坐标系的实现精度范围内，两者的坐标是一致的。
内容
一 坐标系基本概念
二 框架间的关系与比较
三 四 转换模型及适用范围 五 软件功能与界面 六 框架转换实例
坐标类型 空间直角坐标-XYZ
大地坐标BLH
ITRF 和IGS 的关系
1) IGS精密星历, 轨道约束，则测站坐标与IGS精密星历所采用的ITRF框架一致。 2) 采用ITRF中的测站坐标, 并对测站进行约束，则必需采用最新的参考框架并将它转换至观测历元。 3) 如果测站框架ITRFzz比IGS星历框架ITRFyy新。修正过程为, 在自由网或最小约束分析方案中利用
WGS-84与ITRF的关系 最初WGS84与ITRF的关系
WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同
– WGS84与ITRF的转换关系
WGS-84与ITRF的关系 精 化 后 差 别 越 来 越 小 ， 最 新 实 现 差 别 在 毫 米 量 级
WGS84与CGCS2000的比较
常用坐标系转换分析透彻浅显易懂分解
2020/11/26
1
内容
一 坐标系基本概念
二 框架间的关系与比较
三 常用坐标系之间的转换
四 转换模型及适用范围
五 软件功能与界面
六 框架转换实例
内容
一
二 框架间的关系与比较
三
常用坐标系之间的转换
四 转换模型及适用范围
五 软件功能与界面
六 框架转换实例
1、地球的形状 ➢ 地球看做球形
XA YA
TZA,B
X
A,B
ZB ZA 0 0 1 YA XA
0
ZA
YA
,B
ZA,B
mA,B
大地微分公式－椭球面上的转换 三维七参数坐标转换模型
L
B
H
sin L (N H )cos sin B cos L
(M H )
B
"
"
c o s B c o s L
tan
B
L arctan Y X
1
Z
ae 2 tan B
X 2 Y 2
1 (1 e 2 ) tan2 B
H
X2 Y2 N
cos B
国家大地坐标系之间及与国际上坐标系之间的转换
布尔莎七参数模型
两个坐标系三个平移参数、三个旋 转参数、一个尺度参数
O A X A Y A Z A ,O B X B Y B Z B
➢ 地球看做椭球 ➢ 地球的大地水准面
地球为椭球 大地水准面
全球一致的总椭球
2、地心坐标系与参心坐标系
❖ 地心坐标系－坐标原点位于地球质心
❖ 参心坐标系－坐标原点不位于地球质心
❖ 地心坐标系和参心坐标系的特点
地心坐标系适合于全球用途的应用 参心坐标系适合于局部用途的应用
有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好 保持国家坐标系的稳定 有利于坐标系的保密
3.6独立坐标系统
大多数建立在上个世纪五六十年代 控制网普遍采用传统的三角导线测量方法布测 以城市或测区中心设立中央子午线，为了满足每公里长度变形小于2.5厘米限差要求； 基于2000国家大地坐标系建立的独立坐标系统，称为2000独立坐标系。 建立方法与常用独立坐标系建立方法基本相同。
3.7坐标系各参数比较
3.2 1980年国家大地坐标系（GDZ80）
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。
特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （3）定向明确。 （4）大地原点地处我国中部。 （5）大地高程基准采用1956年黄海高程。
启用时间
1989 1990 1991 1992
1994
1995 1996 1998 1999 2001
板块运动模型
AM0-2,AM1-2 AM0-2,AM1-2 AM0-2,AM1-2 AM0-2,NNR-
NUVEL1 AM0-2,NNR-
NUVEL1 NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A
3.3 新1954年北京坐标系（BJ54新）
（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在 我国境内不是最佳拟合。
（4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，
其定位相近，但定向不同。 （8）BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参
数，只能进行局部转换。
3.4 WGS-84坐标系
WGS-84的定义：原点在地球质心 Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向 X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点 Y轴和Z、X轴构成右手坐标系. 它是一个地固坐标系。
WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测 量常数推荐值，其四个基本参数
最新的是ITRF2005
内容
一 坐标系基本概念
二 三 常用坐标系之间的转换 四 转换模型及适用范围 五 软件功能与界面 六 框架转换实例
ITRF 和IGS(卫星轨道) 的关系
—ITRF91 1992年至1993年底; —ITRF92 1994年期间; —ITRF93 1995年初至1996年中期; —ITRF94 1996年中期至1998年3 月; —ITRF96 1998年3月至1999年7月 — ITRF97 1999年8月至2000年6月 — IGS97 2000年6月至2001年12月 — IGS00 2001年12月至2004年1月 — IGS00b 2004年1月至2006年10月 — IGS05 2006年11月至今
ITRF 和IGS 的关系
４) 如果采用GPS广播星历（WGS84）, 则测站坐标同任一ITRFyy的一致性在1米以内, 利用 精化了的WGS84(G1150)星历, 则两者的一致性在1厘米以内。
坐标系统
坐标系类型
1954年北京坐标系 1980西安坐标系 WGS-84世界坐标系 2000国家大地坐标系 独立坐标系
参心坐标系 参心坐标系 地心坐标系 地心坐标系 参心坐标系
椭球
克拉索夫斯基 IAG-75 WGS-84 CGCS2000 同国家或自定义
a长半轴 （米）
扁率
6378245 6378140
3.3 新1954年北京坐标系（BJ54新）
新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国 家大地坐标（GDZ80）转换得来的。
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。
BJ54新的特点 ： （1）采用克拉索夫斯基椭球。 （2）是综合GDZ80和BJ54旧 建立起来的参心坐标系。
WGS84与CGCS2000的比较
从定义上 CGCS2000与WGS 84是一致的， 即关于坐标系原点、尺度、定向及 定向演变的定义都是相同的。 参考椭球非常相近，在4个椭球常 数ａ、ｆ、GM、ω中，唯有扁率 ｆ有微小差异：
df=
WGS84与CGCS2000的比较
１）df不引起大地经度变化； ２）df引起大地纬度的变化范围为0～0.105mm； ３）df引起大地高的变化范围为0～0.105mm； 在当前的测量精度水平,即坐标测量精度1mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS
1. 1954年北京坐标系（BJ54旧） 坐标原点：前苏联的普尔科沃。 参考椭球：克拉索夫斯基椭球。 平差方法：分区分期局部平差。
存在的问题： （1）椭球参数有较大误差。 （2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西
向东明显的系统性倾斜。 （3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考
面不统一。 （4）定向不明确。
参心坐标系
➢ 原点与轴指向由给定点定义 ➢ 基于国家或局部参考椭球 ➢ 在国家内部进行平差 ➢ 参考系为水平坐标系
Geoid
Local area of interest
Local ellipsoid
地心坐标系
➢ 原点 ▪ 地球质量中心
➢ Z-轴 ▪ 地球平均旋转轴
➢ X-轴 ▪ 平均格林尼治子午面, 垂直于Z轴
直角坐标系与大地坐标系参数间的转换 对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：
X (N H)cos Bcos L Y (N H)cos Bsin L Z [N(1 e2) H]sinB
直接算法
Larctan(Y/X)
Barctan{Z(NH)/[ X2Y2(N(1e2)H)]}
布尔莎七参数模型
X Y ZB B B=T T TY X ZA A A ,,,B B B+1+mA,B R3
R ZA,B 2
R YA,B 1
XA XA,B Y A
ZA
TXA,B
TYA,B
XB XA 1 0 0
YB
YA
+
0
1
0
0 ZA
ZA 0
YA -XA
1/298.3 1/298.257 1/298.257223563 1/298.257222101
3.8国际地球参考架 （ITRF）
国际地球参考架 (ITRF)是IERS (International Earth Rotation Service)制定， 由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成
大地水准面 平均格林尼治子午面
格林尼治 O
全球椭球 P (X, Y, Z)
平均赤道面
3、常用坐标系 ❖WGS-84坐标ຫໍສະໝຸດ Baidu ❖国际地球参考框架(ITRF)
我国大地基准
*1954年北京坐标系 *1980西安坐标系 *新1954北京坐标系 *2000国家大地坐标系
参心坐标系 地心坐标系
3.1 1954年北京坐标系
93 94 96 97 2000
VLBI,SLR,GPS VLBI,SLR,GPS VLBI,SLR,GPS,DORIS VLBI,SLR,GPS,DORIS VLBI,SLR,GPS,DORIS,LLR
参考历元
1988.0 1988.0 1988.0 1988.0
1988.0
1993.0 1993.0 1997.0 1997.0 1997.0
3.4 WGS-84坐标系
长半径： a=6378137±2（m）；
地球引力常数： GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；
正常化二阶带谐系数： C20= -484.16685×10-6±1.3×10-9； J2=108263×10-8
地球自转角速度： ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-1
cos L
"
(N H )cos B
sin B sin L " (M H )
sin B sin L
3.5 2000国家大地坐标系
国务院批准，2008年7月1日起正式实施 地心坐标系，原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心
Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向 X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点,该历元的指向
由国际时间局给定的历元1984.0推算得到 Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。 2000国家大地坐标系采用的地球椭球的参数为： 长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.257222101
HZ/sinBN(1e2)
式 中 ， N a /1 e 2 s in 2 B ， N 为 该 点 的 卯 酉 圈 半 径 ；
e 2 ( a 2 b 2 )/a 2 ， a ,e 分 别 为 该 大 地 坐 标 系 对 应 椭 球 的 长 半 径 和 第 一 扁 心 率 。
大地坐标系与空间直角坐标系变换 由空间直角坐标系变换至大地坐标系采用迭代法
–IGS精密星历 –Z轴指向CIO ，利用SLR、VLBI和GPS等 技术维持. –提供站坐标及速度场信息
ITRF序列观测技术及板块运动模型
序列
88 89 90 91
ITRF观测技术
VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR VLBI,SLR,LLR,GPS
92
VLBI,SLR,LLR,GPS
84和CGCS2000坐标系内的坐标变化可以忽略。 结论:CGCS2000和WGS 84（G1150）在坐标系的实现精度范围内，两者的坐标是一致的。
内容
一 坐标系基本概念
二 框架间的关系与比较
三 四 转换模型及适用范围 五 软件功能与界面 六 框架转换实例
坐标类型 空间直角坐标-XYZ
大地坐标BLH
ITRF 和IGS 的关系
1) IGS精密星历, 轨道约束，则测站坐标与IGS精密星历所采用的ITRF框架一致。 2) 采用ITRF中的测站坐标, 并对测站进行约束，则必需采用最新的参考框架并将它转换至观测历元。 3) 如果测站框架ITRFzz比IGS星历框架ITRFyy新。修正过程为, 在自由网或最小约束分析方案中利用
WGS-84与ITRF的关系 最初WGS84与ITRF的关系
WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度 引力常数不同
– WGS84与ITRF的转换关系
WGS-84与ITRF的关系 精 化 后 差 别 越 来 越 小 ， 最 新 实 现 差 别 在 毫 米 量 级
WGS84与CGCS2000的比较
常用坐标系转换分析透彻浅显易懂分解
2020/11/26
1
内容
一 坐标系基本概念
二 框架间的关系与比较
三 常用坐标系之间的转换
四 转换模型及适用范围
五 软件功能与界面
六 框架转换实例
内容
一
二 框架间的关系与比较
三
常用坐标系之间的转换
四 转换模型及适用范围
五 软件功能与界面
六 框架转换实例
1、地球的形状 ➢ 地球看做球形
XA YA
TZA,B
X
A,B
ZB ZA 0 0 1 YA XA
0
ZA
YA
,B
ZA,B
mA,B
大地微分公式－椭球面上的转换 三维七参数坐标转换模型
L
B
H
sin L (N H )cos sin B cos L
(M H )
B
"
"
c o s B c o s L
tan
B
L arctan Y X
1
Z
ae 2 tan B
X 2 Y 2
1 (1 e 2 ) tan2 B
H
X2 Y2 N
cos B
国家大地坐标系之间及与国际上坐标系之间的转换
布尔莎七参数模型
两个坐标系三个平移参数、三个旋 转参数、一个尺度参数
O A X A Y A Z A ,O B X B Y B Z B
➢ 地球看做椭球 ➢ 地球的大地水准面
地球为椭球 大地水准面
全球一致的总椭球
2、地心坐标系与参心坐标系
❖ 地心坐标系－坐标原点位于地球质心
❖ 参心坐标系－坐标原点不位于地球质心
❖ 地心坐标系和参心坐标系的特点
地心坐标系适合于全球用途的应用 参心坐标系适合于局部用途的应用
有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好 保持国家坐标系的稳定 有利于坐标系的保密
3.6独立坐标系统
大多数建立在上个世纪五六十年代 控制网普遍采用传统的三角导线测量方法布测 以城市或测区中心设立中央子午线，为了满足每公里长度变形小于2.5厘米限差要求； 基于2000国家大地坐标系建立的独立坐标系统，称为2000独立坐标系。 建立方法与常用独立坐标系建立方法基本相同。
3.7坐标系各参数比较
3.2 1980年国家大地坐标系（GDZ80）
坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。 参考椭球：1975年国际椭球。 平差方法：天文大地网整体平差。
特点： （1）采用1975年国际椭球。 （2）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。 （3）定向明确。 （4）大地原点地处我国中部。 （5）大地高程基准采用1956年黄海高程。
启用时间
1989 1990 1991 1992
1994
1995 1996 1998 1999 2001
板块运动模型
AM0-2,AM1-2 AM0-2,AM1-2 AM0-2,AM1-2 AM0-2,NNR-
NUVEL1 AM0-2,NNR-
NUVEL1 NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A NNR-NUVEL1A
3.3 新1954年北京坐标系（BJ54新）
（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在 我国境内不是最佳拟合。
（4）定向明确。 （5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。 （6）大地高程基准采用1956年黄海高程。 （7）与BJ54旧 相比，所采用的椭球参数相同，
其定位相近，但定向不同。 （8）BJ54旧 与BJ54新 无全国统一的转换参
数，只能进行局部转换。
3.4 WGS-84坐标系
WGS-84的定义：原点在地球质心 Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向 X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点 Y轴和Z、X轴构成右手坐标系. 它是一个地固坐标系。
WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测 量常数推荐值，其四个基本参数
最新的是ITRF2005
内容
一 坐标系基本概念
二 三 常用坐标系之间的转换 四 转换模型及适用范围 五 软件功能与界面 六 框架转换实例
ITRF 和IGS(卫星轨道) 的关系
—ITRF91 1992年至1993年底; —ITRF92 1994年期间; —ITRF93 1995年初至1996年中期; —ITRF94 1996年中期至1998年3 月; —ITRF96 1998年3月至1999年7月 — ITRF97 1999年8月至2000年6月 — IGS97 2000年6月至2001年12月 — IGS00 2001年12月至2004年1月 — IGS00b 2004年1月至2006年10月 — IGS05 2006年11月至今