2000国家大地坐标系及其转换方法

刘焕国

摘要：本文对2000国家大地坐标系的定义、实现及其与我国现行1954北京坐标系、1980西安坐标系的异同进行了介绍，分析了我国地方独立坐标系的情况，根据建立方法将地方独立坐标系概括为三种类型和组合，阐述了建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的三种转换方法，对实现地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的有效衔接，有利于地理信息系统与GPS有效的结合，可以进一步提升城市的综合服务能力，对推广2000国家大地坐标系和在2000国家大地坐标系原则下独立坐标系的继续使用具有重要的意义。

关键词：2000国家大地坐标系；地方独立坐标系；坐标转换

1. 2000国家大地坐标系的特点

1.1椭球定位方式不同

参心坐标系是为了研究局部球面形状，在使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小的原则下，选择和局部区域的大地水准面最为吻合的椭球所建立的坐标系。由于参心坐标系未与地心发生联系，不利于研究全球形状和板块运动等，也无法建立全球统一的大地坐标系。2000国家大地坐标系为地心坐标系，它所定义的椭球中心与地球质心重合，且椭球定位与全球大地水准面最为密和。

1.2实现技术不同

我国现行参心坐标系是采用传统的大地测量手段，即测量标志点之间哦距离、方向，通过平差的方法得到各点相对于起始点的位置，由此确定各点在参心系下的坐标。2000国家大地坐标系框架是通过空间大地测量观测技术、获取各测站在ITRF框架下的地心坐标。

1.3维数不同

现行参心坐标系为二维坐标系，2000国家大地坐标系为三维坐标系。

1.4原点不同

现行参心坐标系原点与地球质量中心有较大偏差，2000国家大地坐标系原点位于地球质量中心。

1.5精度不同

参心坐标系由于当时客观条件的限制，缺乏高精度的外部控制，长距离精度较低，在空间技术广泛应用的今天，难以满足用户的需求。2000国家大地坐标系有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，有利于测定高精度大地控制点三维坐标，提高测图工作效率等。采用地心坐标系，可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象特别是空间物体的运动。可以充分利用现代最新科技成果，为国家信息现代化服务，采用地心坐标系已经是国际测量界的总趋势。

2.建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的转换方法

2.1地方独立坐标系的概况

2.1.1高斯投影于参考椭球面上任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用高斯投影计算方法，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在参考椭球面上。

2.1.2高斯投影于抵偿高程面的任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用椭球变换法或比例缩放法进行变换，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在抵偿高程面上。

2.1.3以中心点坐标平移和旋转，地方坐标系的中央子午线与国家坐标系保持一致，投影面设置在参考椭球面上，对坐标进行平移和旋转。

2.2转换方法

随着国家经济建设的发展，地方独立坐标系测绘成果转换到国家坐标系的需求也随之不断增多，促使建立地方独立坐标系与国家大地坐标系转换关系变得十分必要，也是急需解决的问题。在此，收集整理了三种建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的坐标转换方法。

2.2.1利用公共点求解两套坐标系统间的转换参数实现转换

按照国家测绘局发布的“现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南”，建立相对独立的平面坐标系与2000国家大地坐标系联系时，坐标转换模型要同时适用于地方控制点转换和城市数字地图的转换。一般采用平面四参数转换模型，重合点较多时可采用多元回归模型。当相对独立的平面坐标系统控制点和数字地图均为三维地心坐标时，采用Bursa七参数转换模型。坐标转换中误差应小于0.05米。并明确了重合点的选取原则：择优选取地方控制网的起算点及高精度控制点、周围国家高精度的控制点，大中城市至少选取5个重合点，重合点要分布均匀，包括城市区域，并在城市内部选定至少6个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核。

2.2.2通过与具有2000国家大地坐标系的高等级点联测实现对低等级GPS网进行约束平差的方法实现转换

当一个GPS控制网周围存在若干足够数量的具有2000国家大地坐标系坐标的控制点时，我们可通过将低等级的GPS网与这些高等级点联测或者利用原有联测数据，以这些高等级的具有2000国家大地坐标的控制点作为约束条件，在WGS84椭球下进行3维约束平差，平差的结果将属于2000国家大地坐标。一般情况下GPS网数据都是作为原始观测资料上交并保存的，若该GPS网与周边高等级具有2000国家大地坐标的点进行了联测。以这些点2000国家大地坐标为约束条件的3维平差的结果就属于2000国家大地坐标系。

2.2.3将具有ITRF框架坐标的点位通过框架转换和历元转换，得到2000国家大地坐标

从2000国家大地坐标系的实现来看，点的2000国家大地坐标与点的ITRF97框架，2000.0历元坐标是一致的，通过GAMIT相对定位方法或者精密单点定位（PPP）的方法都可以获取点位的ITRF框架下的坐标，此时获取的点位坐标的基准与结算使用的精密星历的基准是一致的，这个基准包括其所在的框架和历元，例如，目前精密星历采用的是IGS2005框架，历元为观测当天的瞬时历元，因此利用前面所述的方法计算的结果将是基于ITRF2005框架，观测当天的历元，此时只需要通过框架转换和历元转换将ITRF2005框架观测当天历元坐标转换到ITRF1997框架，2000.0歷元，可以认为转换后的坐标就是属于2000国家大地坐标系。

参考文献：

[1]魏子卿.关于2000中国大地坐标系的建议[J].大地测量与地球动力学，2016，26（2）：1-5

[2]程鹏飞，成英燕等.2000国家大地坐标系实用宝典[M].北京：测绘出版社，2016endprint