我國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)的演變與2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的使用

周鵬

摘 要：作為重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施之一，坐標(biāo)系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)為自然資源調(diào)查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、城市建設(shè)等各項(xiàng)人類活動(dòng)提供了空間參考基準(zhǔn)，標(biāo)定了各類人工、自然地物的空間位置。隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)、裝備的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，我國(guó)的坐標(biāo)系統(tǒng)經(jīng)歷了從直接使用國(guó)外坐標(biāo)系統(tǒng)到建立我國(guó)自主的坐標(biāo)系統(tǒng)，從各地區(qū)誤差不一到全國(guó)符合較好，從低精度到高精度，從傳統(tǒng)手段到衛(wèi)星定位技術(shù)，從參考橢球到地球橢球的轉(zhuǎn)變。目前，我國(guó)已開(kāi)始全面使用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，本文通過(guò)回顧我國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)的歷史演變，描述2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的特點(diǎn)，從而促進(jìn)2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：坐標(biāo)系統(tǒng)；CGCS2000；2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；地球橢球；參考橢球

1 引言

在地球空間內(nèi)描述物體的位置通常使用空間直角坐標(biāo)系、大地坐標(biāo)系與高斯平面直角坐標(biāo)系。其中，空間直角坐標(biāo)系在定義原點(diǎn)與三軸指向的基礎(chǔ)上，量測(cè)地物與三個(gè)坐標(biāo)系平面的距離，可以直接確定地物的三維空間位置。大地坐標(biāo)系在定義參考橢球的基礎(chǔ)上，通過(guò)量測(cè)地物與起始子午面、赤道面之間的夾角確定地物的平面位置（大地經(jīng)度、大地緯度），通過(guò)量測(cè)地物沿法線方向到橢球面的距離確定地物的高程（大地高）。

由于空間直角坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系不夠直觀、不便計(jì)算，實(shí)際工作中常將平面與高程相分離，分別采用高斯平面直角坐標(biāo)系和正常高來(lái)描述地物的平面位置與高程。高斯平面直角坐標(biāo)系中，使用一個(gè)橢圓柱橫向套合在參考橢球上，使得橢圓柱與參考橢球的一個(gè)經(jīng)線圈（中央子午線）相切，然后沿中央子午線將橢球面投影到橢圓柱上，以中央子午線投影的北方向?yàn)閤軸正方向，以赤道投影的東方向?yàn)閥軸正方向。

高斯平面直角坐標(biāo)系中，離中央子午線越遠(yuǎn)，長(zhǎng)度變形越大，因此，需要限制東西向的投影跨度。我國(guó)一般使用3°帶或6°帶高斯平面直角坐標(biāo)系（中央子午線兩側(cè)最遠(yuǎn)兩點(diǎn)經(jīng)度差為3°或6°）。

2 我國(guó)平面坐標(biāo)系統(tǒng)的演變

2.1 1954年北京坐標(biāo)系

我國(guó)成立初期，由于缺乏完善的天文大地觀測(cè)資料，暫時(shí)采用了克拉索夫斯基橢球，對(duì)前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系進(jìn)行了延伸，通過(guò)聯(lián)測(cè)與平差計(jì)算，建立了我國(guó)第一個(gè)參心高斯平面直角坐標(biāo)系，即1954年北京坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系的大地原點(diǎn)位于前蘇聯(lián)普爾科沃。

自1954年北京坐標(biāo)系建立以來(lái)，我國(guó)建設(shè)了全國(guó)天文大地網(wǎng)，各級(jí)測(cè)繪部門(mén)測(cè)制了各級(jí)比例尺的地形圖等測(cè)繪地理信息成果，服務(wù)于國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。隨著時(shí)代發(fā)展，該坐標(biāo)系漸漸無(wú)法完全滿足的需要：

（1）克拉索夫斯基參考橢球與現(xiàn)代大地測(cè)量所認(rèn)識(shí)的地球的參數(shù)差距較大，與我國(guó)整體的大地水準(zhǔn)面符合性不高，大比例尺投影變形無(wú)法滿足要求。

（2）橢球定向既不與國(guó)際通用一致，也不指向我國(guó)的極原點(diǎn)JYD1968.0，起始子午面也與國(guó)際通用不同，導(dǎo)致進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)誤差較大。

（3）不是全國(guó)整體平差計(jì)算，相鄰平差區(qū)域的大地點(diǎn)成果不一致。

2.2 1980西安坐標(biāo)系

為了解決1954年北京坐標(biāo)系逐漸凸顯的問(wèn)題，我國(guó)大地測(cè)量專家組織建設(shè)了1980西安坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系采用了1975年國(guó)際大地測(cè)量和地球物理聯(lián)合會(huì)推薦的橢球參數(shù)，采用多點(diǎn)定位，在我國(guó)境內(nèi)與大地水準(zhǔn)面最為密合；大地原點(diǎn)位于我國(guó)中部，可確保全國(guó)天文大地網(wǎng)整體平差誤差分布的均勻性；橢球定向指向我國(guó)極原點(diǎn)JYD1968.0，起始子午面平行于格林尼治平均天文臺(tái)的子午面。

3 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的使用

3.1 背景

1954年北京坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系均為參心坐標(biāo)系，以橢球的幾何中心為原點(diǎn)，表現(xiàn)為遍布全國(guó)的各等級(jí)大地控制點(diǎn)及其坐標(biāo)成果。一方面，需要確定大地控制點(diǎn)的坐標(biāo)，另一方面，需要以大地控制點(diǎn)的坐標(biāo)成果來(lái)維持參心坐標(biāo)系，因此，需要定期進(jìn)行全國(guó)范圍的天文大地測(cè)量和高等級(jí)控制測(cè)量，所耗費(fèi)的人力物力多，工作強(qiáng)度大，數(shù)據(jù)解算復(fù)雜。

進(jìn)入20世紀(jì)80年代，精度高、范圍廣、更新快的全球衛(wèi)星定位技術(shù)、甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)、衛(wèi)星激光測(cè)月等大地測(cè)量技術(shù)迅速發(fā)展，加上衛(wèi)星運(yùn)行基于地球質(zhì)心，因此，建設(shè)基于地球質(zhì)心的坐標(biāo)系統(tǒng)成為可能。

3.2 2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的使用

我國(guó)的地心坐標(biāo)系建立是伴隨著自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)建設(shè)的。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)逐步開(kāi)展自主衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建設(shè)。從陳芳允院士提出的“雙星系統(tǒng)”，到我國(guó)參與歐盟的“伽利略計(jì)劃”，再到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的“三步走”計(jì)劃，我國(guó)大地測(cè)量專家基于不同歷史條件下的基本國(guó)情，進(jìn)行了自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的探索。2012年12月27日，我國(guó)的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”正式向亞太地區(qū)用戶提供導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)；2018年7月29日，成功發(fā)射第34、35顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星；根據(jù)“三步走”計(jì)劃，到2030年，我國(guó)將建成由GEO、IGSO、MEO組成的北斗全衛(wèi)星星座，為全球用戶提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位、授時(shí)服務(wù)。

2008年，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，“我國(guó)自2008年7月1日起，啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系……2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過(guò)渡期為8年至10年”。2017年3月，原國(guó)土資源部、原國(guó)家測(cè)繪地理信息局根據(jù)實(shí)際情況，要求“2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國(guó)土資源空間數(shù)據(jù)向2000國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，2018年7月1日起全面使用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系”。2000國(guó)家大地坐標(biāo)系的原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心，采用全球衛(wèi)星定位技術(shù)等高新技術(shù)手段建立并進(jìn)行框架的維持，精度高，維護(hù)效率高，可實(shí)現(xiàn)框架的動(dòng)態(tài)性并保證全國(guó)坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一。

4 結(jié)語(yǔ)

相比參心坐標(biāo)系，2000國(guó)家大地坐標(biāo)系精度高，更新快，便于維持，全國(guó)統(tǒng)一。目前，我國(guó)已在國(guó)土資源系統(tǒng)全面使用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。國(guó)土資源系統(tǒng)的基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為2000國(guó)家大地坐標(biāo)之后，今后將在全社會(huì)逐步推廣2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俊勇.我國(guó)建立現(xiàn)代大地基準(zhǔn)的思考[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2002（05）：441-444.