北京54西安80CGCS2000WGS84坐标系及区别

Posted 2022-11-22 大作家佚名

1. 简介

现在我国已经停用北京54和西安80坐标系，改用CGCS2000坐标系了。北京54和西安80是参心坐标系，CGCS2000是地心坐标系与WGS84一样，只是椭球扁率微小差异，实际坐标结果几乎一致，约有毫米级别的差异 。CGCS2000和WGS84属于ITRS坐标系。具体什么是ITRS可以参考博文：坐标系ICRS与ITRS相互转换，时间系统及转换。虽然北京54和西安80坐标系已经停用，这里依然进行讲解，毕竟代表了国内大地大量的一段历史。

2. 椭球参心和地球质心坐标系

2.1. 参心坐标系

是以参考椭球的几何中心为原点的大地坐标系。“参心”意指参考椭球的中心。通常分为：参心空间直角坐标系（以X，Y，Z为其坐标元素）和参心大地坐标系（以B，L，H为其坐标元素）。参心坐标系是在参考椭球内建立的O-XYZ坐标系。原点O为参考椭球的几何中心，X轴与赤道面和格林尼治子午面的交线重合，向东为正。Z轴与旋转椭球的短轴重合，向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成右手系。在测量中，为了处理观测成果和传算地面控制网的坐标，通常须选取一参考椭球面作为基本参考面，选一参考点作为大地测量的起算点（大地原点），利用大地原点的天文观测量来确定参考椭球在地球内部的位置和方向。

参心大地坐标的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。由于不同时期采用的地球椭球不同或其定。

北京54和西安80均为参心坐标系。

2.2.地心坐标系

以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，或以球心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系。

以地球质心为原点的大地坐标系。通常分为地心空间直角坐标系(以X，Y，Z为其坐标元素)和地心大地坐标系(以B，L，H为其坐标元素)。空间直角坐标系和大地坐标系转换可参考：大地坐标与空间直角坐标互相转换。地心坐标系是在大地体内建立的O-XYZ坐标系。原点O设在大地体的质量中心，用相互垂直的X，Y，Z三个轴来表示，X轴与格林尼治子午面与赤道面的交线重合，向东为正。Z轴与地球旋转轴重合，向北为正。Y轴与XZ平面垂直构成右手系。

2.3. 产生的背景

20世纪50年代之前，一个国家或一个地区都是在使所选择的参考椭球与其所在地区的大地水准面最佳拟合的条件下，按弧度测量方法来建立各自的局部大地坐标系的。由于当时除海洋上只有稀疏的重力测量外，大地测量工作只能在各个大陆上进行，而各大陆的局部大地坐标系间几乎没有联系。不过在当时的科学发展水平上，局部大地坐标系已能基本满足各国大地测量和制图工作的要求。但是，为了研究地球形状的整体及其外部重力场以及地球动力现象；特别是50年代末，人造地球卫星和远程弹道武器出现后，为了描述它们在空间的位置和运动，以及表示其地面发射站和跟踪站的位置，都必须采用地心坐标系。因此，建立全球地心坐标系（也称为世界坐标系）已成为大地测量所面临的迫切任务。

WGS-84、CGCS2000，都是属于地心坐标系。

3. 我国曾经常用的坐标系

3.1. 北京54坐标系

北京54坐标系(BJZ54)是参心大地坐标系，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。

新中国成立以后，我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。 它是将我国一等锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。

3.2. 1980西安坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。

该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。

基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。

3.3. 与北京54的区别

西安80坐标系与北京54坐标系其实是一种椭球参数的转换作为这种转换在同一个椭球里的转换都是严密的，而在不同的椭球之间的转换是不严密，因此不存在一套转换参数可以全国通用的，在每个地方会不一样，因为它们是两个不同的椭球基准。

北京54和西安80是两种不同的大地基准面，不同的参考椭球体，因而两种地图下，同一个点的坐标是不同的，无论是三度带六度带坐标还是经纬度坐标都是不同的。

4. CGCS2000

CGCS2000是2000国家大地坐标系，属于地心大地坐标系统，该系统以ITRF 97 参考框架为基准， 参考框架历元为2000.0。

该坐标系是通过中国GPS 连续运行基准站、 空间大地控制网以及天文大地网与空间地网联合平差建立的地心大地坐标系统。2000（中国）国家大地坐标系以ITRF 97 参考框架为基准, 参考框架历元为2000.0。

2000国家大地坐标系的大地测量基本常数分别为:

长半轴: $a=6378137.0\mathrm{m}$
扁率: $f=1/298.257222101$
地心 引力常 数: $GM=3986004418\times$ $10^8{\mathrm{m}}^3{\mathrm{s}}^{-2}$
地球自转角速度: $\omega =7292115.0\times 10^{-11}$ ${\mathrm{rads}}^{-1}$

20世纪50年代，为满足测绘工作的迫切需要 ，中国采用 了1954年北京坐标系。1954年之后，随着天文大地网布设任务的完成，通过天文大地网整体平差，于20世纪80年代初中国又建立了1980西安坐标系。随着情况的变化和时间的推移，上述两个以经典测量技术为基础的局部大地坐标系，已经不能适应科学技术特别是空间技术发展，不能适应中国经济建设和国防建设需要。中国大地坐标系的更新换代，是经济建设、国防建设、社会发展和科技发展的客观需要。

以地球质量中心为原点的地心大地坐标系，是21世纪空间时代全球通用的基本大地坐标系。以空间技术为基础的地心大地坐标系，是中国新一代大地坐标系的适宜选择。地心大地坐标系可以满足大地测量、地球物理、天文、导航和航天应用以及经济、社会发展的广泛需求。历经多年，中国测绘、地震部门和科学院有关单位为建立中国新一代大地坐标系作了大量基础性工作，20世纪末先后建成全国 GPS一、二级网，国家GPS A、B级网，中国地壳运动观测网络和许多地壳形变网，为地心大地坐标系的实现奠定了较好的基础。

5. 坐标系之间的区别

5.1 CGCS2000与WGS-84对比

CGCS2000的定义与WGS84实质一样。采用的参考椭球非常接近。扁率差异引起椭球面上的纬度和高度变化最大达0.1mm。当前测量精度范围内，可以忽略这点差异。可以说两者相容至cm级水平，但若一点的坐标精度达不到cm水平，则不认为CGCS2000和WGS84的坐标是相容的。

WGS-84椭球参数
长半径$\mathrm{a}=6378137\mathrm{m}$
短半径$\mathrm{b}=6356752.3142\mathrm{m}$
扁率$\mathrm{f}=1/298.2572236$
$\mathrm{GM}=3986005\times 10^8{\mathrm{m}}^3{\mathrm{s}}^{-2}$
${\overline{\mathrm{C}}}_{2.0}=-484.16685\times 10^{-6}$
$\omega =7292115\times 10^{-11}\mathrm{rad}/\mathrm{s}$

5.2 CGCS2000与54、80对比

CGCS2000和1954或1980坐标系，在定义和实现上有根本区别。局部坐标和地心坐标之间的变换是不可避免的。坐标变换通过联合平差来实现，而一边通过一定变换模型来实现。当采用模型变换时，变换模型的选择应依据精度要求而定。对于高精度（好于$0.5m$）要求，可采用最小曲率法或其他方法的格网模型，对于中等精度（$0.5-5m$）要求，可采用七参数模型，对于低精度（$510m$）要求，可采用四参数或者三参数模型。

6. 常用椭球参数

参数	长半轴(a/m)	短半轴(b/m)	扁率
克拉索夫斯基椭球体	6378245.0	6356863.01877304	1/298.3
1975国际椭球	6378140.0	6356755.28815752	1/298.257
WGS84椭球体	6378137.0	6356752.31424517	1/298.257223563
CGCS2000坐标系椭球	6378137.0	6356752.31414036	1/298.25722210100
GRS80坐标系椭球	6378137.0	6356752.31414036	1/298.25722210103
PZ90坐标系椭球	6378136.0	6356751.36179569	1/298.25784
Helmert椭球参数(1906)	6738140.0	6715551.53201475	1/298.3
Hayford椭球参数(1910)	6378388±35	6356911.94612795	1/297.0±0.5
Bessel椭球参数(1841)	6377397±210	6356075.04413240	1/299.1±4.7
Clarke椭球参数(1840)	6378249	6356517.31686542	1/293.5

扁率: $\partial =\frac{a-b}{a}$
第一偏心率: $e=\frac{\sqrt{{\mathrm{a}}^2-{\mathrm{b}}^2}}{a}$
第二偏心率: $e^{\prime }=\frac{\sqrt{{\mathrm{a}}^2-{\mathrm{b}}^2}}{b}$