GNSS测量技术：国家大地坐标系和世界大地坐标系详解

1. 国家坐标系

(1)1954年北京坐标系

1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于前苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。

1954年北京坐标系是在前苏联专家的建议下，根据我国当时的情况，建立的我国统一坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球的参数为: α =6378245m，f=1/298.3。该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国东北地区的呼玛、吉拉林、东林三个基准网进行传算。该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。

由于在1954年北京坐标系建立时，全国天文大地网尚未布测完毕，因此，在全国分期布设该网的同时，相应地进行了分区的天文大地网局部平差，以满足经济和国防建设的需要。局部平差是按逐级控制的原则，先分区平差一等锁系，然后以一等锁环卫起算值，平差环内的二等三角锁、平差时网区的连接部仅作了近似处理，如有的仅取两区的平差，当某些一等锁环内的二等网太大，在当时的计算条件下无法处理时，也进行了分区平差，连接部仍采用近似处理的方法。

虽然1954年北京坐标系是新中国成立后的第一个同一坐标系，但它也存在许多不足，表现为: 克拉索夫斯基椭球参数与现代精确的椭球参数之间的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便; 椭球定向不是十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常最大达67m; 该坐标系统的大地点坐标是通过局部分区平差得到的，未进行全国统一平差。因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的间距，如在某些不同区的结合部位，同一点在不同区中的坐标值相差1～2; 不同区的尺度差异也很大; 另外，由于坐标传递时从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。

(2)1980西安坐标系

为了弥补1954年北京坐标系的不足，1978年我国决定建立新的国家大地坐标系统，并且在该系统中进行全国天文大地网的整体平差，该系统为1980西安坐标系。其原点设在我国中部陕西省泾阳县永乐镇北洪流村，简称西安原点。

1980西安坐标系采用了全面描述椭球性质的四个基本参数，同时反映了椭球的几何、物理特性。四个参数值是1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届大会的推荐值:

地球椭球长半径: α =6378140m;

地球重力场二阶带谐系数:J2=1082.63×10－6

地球引力常数:GM=3986005×108

地球自转角速度:ω=7292115×10－11rad/s

1980西安坐标的椭球定位，是按局部密合条件实现的，即以我国范围高程异常值平方和最小为原则求解参数。椭球短轴平行于由地球质心指向我国地极原点JYD1968.0的方向，起始大地子午面平行于格林尼治天文台子午面，高程基准是以青岛验潮站1950—1956年验潮资料算得的平均海水面为高程起算基准。

1980年国家大地坐标系的建立，标志着我国测绘科学技术的进步和发展。无论是椭球的选择及其定位、定向，还是其后全国天文大地网的整体平差，都体现了当时世界的先进水平。

(3)新的1954年北京坐标系

1980西安坐标系建立后，各大地点的坐标与原1954年北京坐标系的坐标出现了较大差异。这种差异是由两种因素引起的: 一是由于椭球参数和定位的不同导致的系统性差异; 二是由于全网整体平差和只经局部平差所导致的偶然性差异。

为了既体现1980西安坐标系的严密性、科学性，又要兼顾到1954年北京坐标系的实用性，有关部门将1980西安坐标系采用的1975国际椭球参数变换为克拉索夫斯基椭球参数，同时沿空间三个坐标轴进行平移，其定位定向的依据依然与1980西安坐标系相同。这样产生了新的1954年北京坐标系(简称新54系，下同)。它的精度与1980西安系的精度一样。新54系的点位坐标与80系的同一点坐标，仅仅是两系统定义不同导致的系统性误差。(www.xing528.com)

新54系与原54系不存在椭球差异与定位差异。二系统的相同点坐标差异主要是由于整体平差和局部平差所造成的偶然性差异，这种差异远远小于前述的椭球参数和定位不同而产生的系统性差异。据统计，两者坐标差值约80%地区在5m以内，超过5m的主要集中在东北地区，其余大于10m的仅仅在少数边远地区，最大达12.9m。因此新54系有以下优点: 采用了多点定位，参数中心与原54系中心接近; 定向明确; 起始大地子午面平行于格林尼治天文台子午面; 大地原点亦然是西安原点，但和80系大地原点的大地起始数据不同; 大地点高程是以1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准; 该系统提供的坐标是1980年国家大地坐标系整体平差转换值，二者的坐标精度完全一致。

(4)国家2000坐标系

2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心; 2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，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，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。采用广义相对论意义下的尺度。

2000国家大地坐标系的长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.257222101，地心引力常数GM=3.986004418×10－14m3/s2，自转角速度ω=7.292l15×10－5rad/s。

国家测绘地理信息局规定2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8～10年。现有各类测绘成果，在过渡期内可沿用现行国家大地坐标系; 2008年7月1日后新生产的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。

2. 地方坐标系

在我国许多城市和工程测量中，若直接采用国家坐标系，可能会因为远离中央子午线或测区平均高程较大，而导致长度投影变形较大，难以满足工程上或实用上的精度要求。另一方面，对于一些特殊的测量，如大桥施工测量、水利水坝测量、方便、实用、科学的目的，在许多城市和工程测量中，常常会建立适合本地区的地方独立坐标系。

建立独立坐标系，实际上就是通过一些元素的确定来决定地方参考椭球与投影面。地方坐标系可以通过改变投影的中央子午线或改变投影面的方法来实现也可以即改变投影的中央子午线又改变投影面来实现。地方参考椭球一般选择与当地平均高程相对应的参考椭球，该椭球的中心、轴向和扁率与国家参考椭球相同，其椭球半径α增大为

式中，Hm为当地平均海拔高程;ζ0为该地区的平均高程异常。

在地方投影面的确定过程中，应当选取过测区中心的经线或某个起算点的经线作为独立中央子午线; 以某个特定使用的点和方位为地方独立坐标系的起算原点和方位，并选取当地平均高程面Hm为投影面。

3.WGS-84大地坐标系

20世纪60年代以来，美国国防制图局为了建立全球统一地心坐标系统，利用了大量的卫星观测资料以及全球地面天文、大地和重力测量资料，先后建成了世界大地坐标系(World Geodetic System，WGS)WGS-60、WGS-66和WGS-72。自1984年开始，经过多年修正和完善，建成了一种新的更为精确的世界地心大地坐标系——WGS-84。

WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极(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轴构成右手坐标系如图2.2所示。它是一个地固坐标系。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

长半径: a=6378137±2(m);

地球引力常数: GM=(3986005×108±0.6×108)m3/s2

正常二阶带谐系数: C2.0=－484.16685×10－6±0.6×10－6

地球自转角速度: ω=(7292115×10－11±0.15×10－11)rad/s