2000国家大地坐标系与WGS84坐标系的关系

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　　摘要：论述了2000国家大地坐标系与WGS84坐标系定义、实现方法及区别，2000国家大地坐标系采用ITRF97框架，历元为2000.0，WGS84坐标系被认同为ITRF2000框架，采用的是历元为2001.0，以及在实际工作中两坐标系相互使用、转换需要注意的问题。
　　关键词：2000国家大地坐标系；WGS84坐标系；框架；历元；扁率
　　中图分类号：TH72 文献标识码：A 文章编号：
　　1、前言：2008年7月1日我国2000国家大地坐标系的正式启用，其优越性也经逐步得到体现，各级测绘成果也逐步的向其过渡，2000国家大地坐标系与WGS84坐标系同属地心坐标系，表现形式以及坐标数值差异不大，使得很多人对这2种坐标系的概念产生混淆，本文对这2种坐标系的定义、实现方法及区别做了较详细的介绍，并指出使用及转换时应注意的问题。
　　2、2000国家大地坐标系定义和实现
　　2000国家大地坐标系（china geodetic coordinate system 2000）,缩写为CGCS2000，它的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义，其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，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系，其实现分为3个层次，第一层次为CGCS连续运行GPS网，是由全球均匀分布的47个IGS站作为控制框架，平差后站坐标精度约为3 mm，速度精度为1mm/a.第二层次为2000国家GPS控制网，包括全国GPS一、二级网，国家GPS A、B级网，地壳运动监测网和地壳运动观测网络工程网，共约2500多个点，是在国际IGS站以及中国地壳运动观测网络工程网点联合平差组成，三维地心坐标精度为3cm,第三层次为全国天文大地控制网，大约5万点，是由全国天文大地控制网与2000 GPS控制网联合平差后得来，其三维点位误差为0.3m,平均平面点位精度达到 ±0.11m,大地高误差不超过0.5m，2000中国大地坐标系采用ITRF97框架，历元为2000.0。
　　3、WGS-84坐标系定义和实现
　　WGS-84坐标系（World Geodetic System一1984 Coordinate System）是美国国防部制图局建立起的坐标系，也被称为1984年世界大地坐标系统，坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，WGS-84坐标系经过3次精化，分别为WGS84（G730）、WGS84（G873）、WGS84（G1150），目前使用的就是WGS84（G1150），长半径为6378137米，扁率为1/298.257223563，采用的是历元为2001.0，框架被认同为ITRF2000，目前美国GNSS系统采用的广播星历是以WGS-84坐标系为根据的4、2000国家大地坐标系与WGS84坐标系差异对比从CGCS2000坐标系与WGS84坐标系定义可以看出，其原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的，参考椭球也非常相近，主要参数如下表：
　　CSCS2000坐标系与WGS84（G1150）坐标系主要参数对照表
　　
　　
　　
　　上表可以看出，在4个椭球常数中，唯有扁率f有微小差异:
　　fWGS84=1/298.257222101,
　　fCSCS2000=1/298.257223563 ,
　　参考椭球的扁率差异将导致同一点在两个坐标系内的大地坐标产生差异，也将导致正常重力产生差异，df引起大地纬度B、大地精度L、大地高H的变化用下式表示
　　dB=M[2-(2f-f2 )]df/(1-f)
　　dL=0
　　dH=M[1-(2f-f2 )]d df/(1-f)
　　式中，M为子午圈曲率半径;df为引起椭球面上正常重力r0的变化，用d r0=ɚr0*df/ ɚ f计算，其中，r0可以表示为
　　r0=/
　　式中，re为赤道重力；rp为极重力
　　 扁率的变化引起的椭球面上大地纬度、大地高的变化表
　　
　　
　　
　　
　　 从上式和表中所列数据可以得出，两种坐标系参考椭球的扁差异引起同一点在CGCS2000与WGS84坐标系内的坐标变化和重力变化可以在当前测量精度水平上忽略不计。可以说在相同历元下，CGCS2000与WGS84（G1150)是相容的；在坐标系的实现精度范围内（赤道上引起1毫米误差），两者坐标是一致的。
　　5、使用及转换时需注意的问题
　　 我们在进行使用和转换2种坐标系时，需考虑两方面问题：
　　第一就是使用的WGS84坐标到底是哪年的WGS84坐标系，因为现行的WGS84（G1150）坐标是于2002年1月20日采用的，而WGS84（G730）、WGS84（G873）则分别于1994年6月29日及1997年1月29日被用作GPS广播星历的，而同一GPS点的位置在不同时期的WGS84框架中也会有几个厘米的差异，使用时需特别注意。
　　 第二就是尽管在上文提到在相同历元下CGCS2000与WGS84（G1150)在坐标系的实现精度范围内两者坐标是一致的，但在测量精度要求较高的项目中，这2种坐标系的历元差异还是需考虑的，因为地球表面上任意一点的坐标受板块运动和潮汐影响在时间和空间上是变化的，我国的大陆速度场中点的运动速度一般为3-5cm/a、运动方向呈顺时针旋转趋势，而且时间间隔越大，其坐标差异也就越大，其变化模型是：
　　 (t)= (t0)+ (t0)(t-t0)
　　 式中， (t)是任意历元t时的坐标x、y、z； (t0)为参考历元，t0(t0=2000.0)时的坐标x、y、z； (t0)为参考历元t0时的速度, CGCS2000与WGS84（G1150)之间使用和转换时，可用这一模型首先进行历元统一归算，这样才会达到较高的坐标转换精度。
　　
　　参考文献：
　　党亚民、成英燕、薛树强，《大地坐标系统及其应用》，测绘出版社
　　魏子卿 .2000中国大地坐标系及其WGS84的比较. 大地测量与地球动力学.2008年10月
　　程鹏飞、文汉江、成英燕、王华 .2000国家大地坐标系椭球参数与GRS80和WGS84的比较.测绘学报 .2009年6月

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