參心坐標系與地心坐標系

 

一、參心坐標系

　　reference-ellipsoid-centric coordinate system

　　是以參考橢球的幾何中心為原點的大地坐標系。“參心”意指參考橢球的中心。

　　通常分為：參心空間直角坐標系（以x，y，z為其坐標元素）和參心大地坐標系（以B，L，H為其坐標元素）。參心坐標系是在參考橢球內建立的O-XYZ坐標系。原點O為參考橢球的幾何中心，X軸與赤道面和首子午面的交線重合，向東為正。Z軸與旋轉橢球的短軸重合，向北為正。Y軸與XZ平面垂直構成右手系。在測量中，為了處理觀測成果和傳算地面控制網的坐標，通常須選取一參考橢球面作為基本參考面，選一參考點作為大地測量的起算點（大地原點），利用大地原點的天文觀測量來確定參考橢球在地球內部的位置和方向。

　　參心大地坐標的應用十分廣泛，它是經典大地測量的一種通用坐標系。根據地圖投影理論，參心大地坐標系可以通過高斯投影計算轉化為平面直角坐標系，為地形測量和工程測量提供控制基礎。由於不同時期采用的地球橢球不同或其定。

　　北京54和西安80均為參心坐標系。

 

二、地心坐標系

　　geocentric coordinate system

　　以地球質心為原點建立的空間直角坐標系，或以球心與地球質心重合的地球橢球面為基准面所建立的大地坐標系。
　　以地球質心(總橢球的幾何中心)為原點的大地坐標系。通常分為地心空間直角坐標系(以x，y，z為其坐標元素)和地心大地坐標系(以B，L，H為其坐標元素)。地心坐標系是在大地體內建立的O-XYZ坐標系。原點O設在大地體的質量中心，用相互垂直的X，Y，Z三個軸來表示，X軸與首子午面與赤道面的交線重合，向東為正。Z軸與地球旋轉軸重合，向北為正。Y軸與XZ平面垂直構成右手系。

　　產生的背景

　　20世紀50年代之前，一個國家或一個地區都是在使所選擇的參考橢球與其所在地區的大地水准面最佳擬合的條件下，按弧度測量方法來建立各自的局部大地坐標系的。由於當時除海洋上只有稀疏的重力測量外，大地測量工作只能在各個大陸上進行，而各大陸的局部大地坐標系間幾乎沒有聯系。不過在當時的科學發展水平上，局部大地坐標系已能基本滿足各國大地測量和制圖工作的要求。但是，為了研究地球形狀的整體及其外部重力場以及地球動力現象；特別是50年代末，人造地球衛星和遠程彈道武器出現后，為了描述它們在空間的位置和運動，以及表示其地面發射站和跟蹤站的位置，都必須采用地心坐標系。因此，建立全球地心坐標系（也稱為世界坐標系）已成為大地測量所面臨的迫切任務。

　　WGS-84、CGCS2000，都是屬於地心坐標系。

 

三、我國常用的坐標系

3.1 北京54坐標系

　　北京54坐標系(BJZ54)是指北京54坐標系為參心大地坐標系，大地上的一點可用經度L54、緯度B54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基橢球為基礎，經局部平差后產生的坐標系。

　　新中國成立以后，我國采用了前蘇聯的克拉索夫斯基橢球參數，並與前蘇聯1942年坐標系進行聯測，通過計算建立了我國大地坐標系，定名為1954年北京坐標系。因此，1954年北京坐標系可以認為是前蘇聯1942年坐標系的延伸。它的原點不在北京而是在前蘇聯的普爾科沃。它是將我國一等鎖與原蘇聯遠東一等鎖相連接，然后以連接處呼瑪、吉拉寧、東寧基線網擴大邊端點的原蘇聯1942年普爾科沃坐標系的坐標為起算數據，平差我國東北及東部區一等鎖，這樣傳算過來的坐標系就定名為1954年北京坐標系。

 

3.2 1980西安坐標系

　　1978年4月在西安召開全國天文大地網平差會議，確定重新定位，建立我國新的坐標系。為此有了1980年國家大地坐標系。1980年國家大地坐標系采用地球橢球基本參數為1975年國際大地測量與地球物理聯合會第十六屆大會推薦的數據。

　　該坐標系的大地原點設在我國中部的陝西省涇陽縣永樂鎮，位於西安市西北方向約60公里，故稱1980年西安坐標系，又簡稱西安大地原點。

　　基准面采用青島大港驗潮站1952－1979年確定的黃海平均海水面（即1985國家高程基准）。

 

　　與北京54的區別

　　西安80坐標系與北京54坐標系其實是一種橢球參數的轉換作為這種轉換在同一個橢球里的轉換都是嚴密的，而在不同的橢球之間的轉換是不嚴密，因此不存在一套轉換參數可以全國通用的，在每個地方會不一樣，因為它們是兩個不同的橢球基准。

　　北京54和西安80是兩種不同的大地基准面，不同的參考橢球體，因而兩種地圖下，同一個點的坐標是不同的，無論是三度帶六度帶坐標還是經緯度坐標都是不同的。

3.3 CGCS2000

　　CGCS2000是2000國家大地坐標系，屬於地心大地坐標系統，該系統以ITRF 97 參考框架為基准， 參考框架歷元為2000.0。

　　該坐標系是通過中國GPS 連續運行基准站、 空間大地控制網以及天文大地網與空間地網聯合平差建立的地心大地坐標系統。2000（中國）國家大地坐標系以ITRF 97 參考框架為基准, 參考框架歷元為2000.0。

　　2000國家大地坐標系的大地測量基本常數分別為:

　　長半軸 a = 6 378 137 m;

　　地球引力常數 GM =3.986004418×10¹⁴m³s^-2;

　　扁率f = 1/ 298. 257 222 101;

　　地球自轉角速度X =7.292115×10^-5rad s^-1

　　20世紀50年代，為滿足測繪工作的迫切需要 ，中國采用 了1954年北京坐標系。1954年之后，隨着天文大地網布設任務的完成，通過天文大地網整體平差，於20世紀80年代初中國又建立了1980西安坐標系。隨着情況的變化和時間的推移，上述兩個以經典測量技術為基礎的局部大地坐標系，已經不能適應科學技術特別是空間技術發展，不能適應中國經濟建設和國防建設需要。中國大地坐標系的更新換代，是經濟建設、國防建設、社會發展和科技發展的客觀需要。

　　以地球質量中心為原點的地心大地坐標系，是21世紀空間時代全球通用的基本大地坐標系。以空間技術為基礎的地心大地坐標系，是中國新一代大地坐標系的適宜選擇。地心大地坐標系可以滿足大地測量、地球物理、天文、導航和航天應用以及經濟、社會發展的廣泛需求。歷經多年，中國測繪、地震部門和科學院有關單位為建立中國新一代大地坐標系作了大量基礎性工作，20世紀末先后建成全國 GPS一、二級網，國家GPS A、B級網，中國地殼運動觀測網絡和許多地殼形變網，為地心大地坐標系的實現奠定了較好的基礎。

　　與WGS-84對比

　　CGCS2000的定義與WGS84實質一樣。采用的參考橢球非常接近。扁率差異引起橢球面上的緯度和高度變化最大達0.1mm。當前測量精度范圍內，可以忽略這點差異。可以說兩者相容至cm級水平，但若一點的坐標精度達不到cm水平，則不認為CGCS2000和WGS84的坐標是相容的。

　　與54、80對比

　　CGCS2000和1954或1980坐標系，在定義和實現上有根本區別。局部坐標和地心坐標之間的變換是不可避免的。坐標變換通過聯合平差來實現，而一邊通過一定變換模型來實現。當采用模型變換時，變換模型的選擇應依據精度要求而定。對於高精度（好於0.5m）要求，可采用最小曲率法或其他方法的格網模型，對於中等精度（0.5~5m）要求，可采用七參數模型，對於低精度（5~10m）要求，可采用四參數或者三參數模型。

 

 

參考文章

參心坐標系與地心坐標系有哪些區別，百度百科