CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系的關(guān)系及轉(zhuǎn)換

遼寧省攝影測(cè)量與遙感院 遼寧沈陽 110034

摘要：本文論述了CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系定義、實(shí)現(xiàn)方法及相互關(guān)系，并指出了在實(shí)際工作中2種坐標(biāo)系相互使用、轉(zhuǎn)換時(shí)需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：CGCS2000坐標(biāo)系；WGS84坐標(biāo)系；框架；歷元；扁率

1 前言

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系簡(jiǎn)稱CGCS2000坐標(biāo)系，是我國(guó)當(dāng)前最新的國(guó)家大地坐標(biāo)系，2008年7月1日我國(guó)CGCS2000坐標(biāo)系的正式啟用，其優(yōu)越性也經(jīng)逐步得到體現(xiàn)，各級(jí)測(cè)繪成果也逐步的向其過渡，WGS84坐標(biāo)系是美國(guó)國(guó)防部制圖局建立起的坐標(biāo)系，目前主流航空攝影定位設(shè)備均采用美國(guó)的GPS系統(tǒng)，獲取的數(shù)據(jù)成果均采用WGS84坐標(biāo)系，CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系同屬地心坐標(biāo)系，表現(xiàn)形式以及坐標(biāo)數(shù)值差異不大，實(shí)際工作中容易對(duì)這2種坐標(biāo)系進(jìn)行混淆，本文對(duì)這2種坐標(biāo)系的定義、實(shí)現(xiàn)方法及相互關(guān)系做了較詳細(xì)的介紹，并指出這2種坐標(biāo)系在使用及轉(zhuǎn)換時(shí)應(yīng)注意的問題。

2 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系定義和實(shí)現(xiàn)

2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（china geodetic coordinate system 2000），縮寫為CGCS2000，它是全球地心坐標(biāo)系在我國(guó)的具體體現(xiàn)，其定義包括坐標(biāo)系的原點(diǎn)、三個(gè)坐標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的4個(gè)基本參數(shù)的定義，其原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000的地球參考極的方向，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面（歷元2000.0）的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系。

CGCS2000坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)分為3個(gè)層次，第一層次為CGCS連續(xù)運(yùn)行GPS網(wǎng)，是由全球均勻分布的47個(gè)IGS站作為控制框架，平差后站坐標(biāo)精度約為3mm，速度精度為1mm/a，第二層次為2000國(guó)家GPS控制網(wǎng)，包括全國(guó)GPS一、二級(jí)網(wǎng)，國(guó)家GPSA、B級(jí)網(wǎng)，地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)，共約2500多個(gè)點(diǎn)，是在國(guó)際IGS站以及中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)工程網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)合平差組成，三維地心坐標(biāo)精度為3cm，第三層次為全國(guó)天文大地控制網(wǎng)，大約5萬個(gè)點(diǎn)，是由全國(guó)天文大地控制網(wǎng)與2000GPS控制網(wǎng)聯(lián)合平差后得來，其三維點(diǎn)位誤差為0.3m，平均平面點(diǎn)位精度達(dá)到±0.11m，大地高誤差不超過0.5m，CGCS2000坐標(biāo)系采用ITRF97框架，實(shí)現(xiàn)歷元為2000.0，投影方式多采用高斯-克呂格投影。

3 WGS-84坐標(biāo)系定義和實(shí)現(xiàn)

WGS-84坐標(biāo)系（W o r l d G e o d e t i c S y s t e m-1984CoordinateSystem）是美國(guó)國(guó)防部制圖局建立起的坐標(biāo)系，也被稱為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH（國(guó)際時(shí)間）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手正交坐標(biāo)系，WGS-84坐標(biāo)系經(jīng)過3次精化，分別為WGS84（G730）、WGS84（G873）、WGS84（G1150），目前使用的就是WGS84（G1150），長(zhǎng)半徑為6378137米，扁率為1/298.257223563，實(shí)現(xiàn)的歷元為2001.0，框架被認(rèn)同為ITRF2000，投影方式多采用UTM投影，目前美國(guó)GNSS系統(tǒng)采用的廣播星歷是以WGS-84坐標(biāo)系為根據(jù)的。

4 CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系相互關(guān)系及對(duì)比

從CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系定義可以看出，其原點(diǎn)、尺度、定向及定向演變的定義都是相同的，參考橢球也非常相近，主要參數(shù)如下表：

表1 CSCS2000坐標(biāo)系與WGS84（G1150）坐標(biāo)系主要參數(shù)對(duì)照表

主要參數(shù)CGCS2000WGS84（G1150）

長(zhǎng)半軸a/m63781376378137

扁率/f1/298.2572221011/298.257223563

地心引力常數(shù)GM/（m2/s2）3.98004418×10-143.98004418×10-14

自轉(zhuǎn)角速度ω/（rad/s）7292115×10×-57292115×10×-5

上表可以看出，在4個(gè)橢球常數(shù)中，唯有扁率f有微小差異：

fWGS84=1/298.257222101

fCSCS2000=1/298.257223563

參考橢球的扁率差異將導(dǎo)致同一點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)的大地坐標(biāo)產(chǎn)生差異，也將導(dǎo)致正常重力產(chǎn)生差異，df引起的大地緯度B、大地精度L、大地高H的變化用下式表示

dB=M[2-（2f-f2）sin2B] sinBcosB df/（1-f）

dL=0

dH=M[1-（2f-f2）]d sin2B df/（1-f）

式中，M為子午圈曲率半徑；df為引起橢球面上正常重力r0的變化，用dr0=?r0*df/?f計(jì)算，式中r0為下式計(jì)算，re為赤道重力，rp為極重力。

5 使用及轉(zhuǎn)換時(shí)需注意的問題

5.1 WGS84坐標(biāo)的實(shí)現(xiàn)時(shí)間

WGS84坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)分3個(gè)階段，第1階段是WGS84（G730），用作廣播星歷的時(shí)間為1994年6月29日，其中G表示由GPS測(cè)量得到，730表示為GPS時(shí)間第730個(gè)周，第2階段是WGS（G873），用作廣播星歷的時(shí)間為1997年1月29日，第3階段為現(xiàn)行的WGS84（G1150），用作廣播星歷的時(shí)間為2002年1月20日，這3個(gè)階段的WGS84坐標(biāo)框架和實(shí)現(xiàn)時(shí)間均有一定差異，和我國(guó)的CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)要充分考慮到這一因素，確定好轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是哪一階段的WGS84坐標(biāo)，然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

5.2充分考慮到2種坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)時(shí)間差異

盡管在上文提到在相同歷元下CGCS2000與WGS84（G1150）在坐標(biāo)系的實(shí)現(xiàn)精度范圍內(nèi)兩者是差異是不大的，但在測(cè)量精度要求較高的項(xiàng)目中，一定要進(jìn)行實(shí)現(xiàn)時(shí)間及速度場(chǎng)改算，其改算公式為：

X3（t）= X3（t0）+ S3（t-t0）

該公式中，x3（t）是任意t時(shí)的三維坐標(biāo)（x，y，z）；X3（t0）為參考?xì)v元t0（t0=2000.0）時(shí)的三維坐標(biāo)（x，y，z），S3（t-t0）為t-t0時(shí)間段受板塊運(yùn)動(dòng)和潮汐影響的三維漂移分量。

6 結(jié)束語

綜上所述，CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系是定義不同，但又精度相容的2種地心坐標(biāo)系統(tǒng)，在日常的測(cè)繪生產(chǎn)工作中，我們要充分理解它們之間的關(guān)系，概念上要將它們區(qū)別對(duì)待，在不同精度的生產(chǎn)項(xiàng)目中要對(duì)其靈活應(yīng)用和靈活轉(zhuǎn)換，使之更好的服務(wù)于我們的測(cè)繪生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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