CGCS2000坐標系與WGS84坐標系的關系及轉換

遼寧省攝影測量與遙感院 遼寧沈陽 110034

摘要：本文論述了CGCS2000坐標系與WGS84坐標系定義、實現方法及相互關系，并指出了在實際工作中2種坐標系相互使用、轉換時需要注意的問題。

關鍵詞：CGCS2000坐標系；WGS84坐標系；框架；歷元；扁率

1 前言

2000國家大地坐標系簡稱CGCS2000坐標系，是我國當前最新的國家大地坐標系，2008年7月1日我國CGCS2000坐標系的正式啟用，其優越性也經逐步得到體現，各級測繪成果也逐步的向其過渡，WGS84坐標系是美國國防部制圖局建立起的坐標系，目前主流航空攝影定位設備均采用美國的GPS系統，獲取的數據成果均采用WGS84坐標系，CGCS2000坐標系與WGS84坐標系同屬地心坐標系，表現形式以及坐標數值差異不大，實際工作中容易對這2種坐標系進行混淆，本文對這2種坐標系的定義、實現方法及相互關系做了較詳細的介紹，并指出這2種坐標系在使用及轉換時應注意的問題。

2 2000國家大地坐標系定義和實現

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

CGCS2000坐標系實現分為3個層次，第一層次為CGCS連續運行GPS網，是由全球均勻分布的47個IGS站作為控制框架，平差后站坐標精度約為3mm，速度精度為1mm/a，第二層次為2000國家GPS控制網，包括全國GPS一、二級網，國家GPSA、B級網，地殼運動監測網和地殼運動觀測網絡工程網，共約2500多個點，是在國際IGS站以及中國地殼運動觀測網絡工程網點聯合平差組成，三維地心坐標精度為3cm，第三層次為全國天文大地控制網，大約5萬個點，是由全國天文大地控制網與2000GPS控制網聯合平差后得來，其三維點位誤差為0.3m，平均平面點位精度達到±0.11m，大地高誤差不超過0.5m，CGCS2000坐標系采用ITRF97框架，實現歷元為2000.0，投影方式多采用高斯-克呂格投影。

3 WGS-84坐標系定義和實現

WGS-84坐標系（W o r l d G e o d e t i c S y s t e m-1984CoordinateSystem）是美國國防部制圖局建立起的坐標系，也被稱為1984年世界大地坐標系統，坐標原點為地球質心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向BIH（國際時間）1984.0定義的協議地球極（CTP）方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構成右手正交坐標系，WGS-84坐標系經過3次精化，分別為WGS84（G730）、WGS84（G873）、WGS84（G1150），目前使用的就是WGS84（G1150），長半徑為6378137米，扁率為1/298.257223563，實現的歷元為2001.0，框架被認同為ITRF2000，投影方式多采用UTM投影，目前美國GNSS系統采用的廣播星歷是以WGS-84坐標系為根據的。

4 CGCS2000坐標系與WGS84坐標系相互關系及對比

從CGCS2000坐標系與WGS84坐標系定義可以看出，其原點、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，主要參數如下表：

表1 CSCS2000坐標系與WGS84（G1150）坐標系主要參數對照表

主要參數CGCS2000WGS84（G1150）

長半軸a/m63781376378137

扁率/f1/298.2572221011/298.257223563

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

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

上表可以看出，在4個橢球常數中，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致同一點在兩個坐標系內的大地坐標產生差異，也將導致正常重力產生差異，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計算，式中r0為下式計算，re為赤道重力，rp為極重力。

5 使用及轉換時需注意的問題

5.1 WGS84坐標的實現時間

WGS84坐標系的實現分3個階段，第1階段是WGS84（G730），用作廣播星歷的時間為1994年6月29日，其中G表示由GPS測量得到，730表示為GPS時間第730個周，第2階段是WGS（G873），用作廣播星歷的時間為1997年1月29日，第3階段為現行的WGS84（G1150），用作廣播星歷的時間為2002年1月20日，這3個階段的WGS84坐標框架和實現時間均有一定差異，和我國的CGCS2000坐標系統進行轉換時要充分考慮到這一因素，確定好轉換數據是哪一階段的WGS84坐標，然后再進行轉換。

5.2充分考慮到2種坐標系的實現時間差異

盡管在上文提到在相同歷元下CGCS2000與WGS84（G1150）在坐標系的實現精度范圍內兩者是差異是不大的，但在測量精度要求較高的項目中，一定要進行實現時間及速度場改算，其改算公式為：

X3（t）= X3（t0）+ S3（t-t0）

該公式中，x3（t）是任意t時的三維坐標（x，y，z）；X3（t0）為參考歷元t0（t0=2000.0）時的三維坐標（x，y，z），S3（t-t0）為t-t0時間段受板塊運動和潮汐影響的三維漂移分量。

6 結束語

綜上所述，CGCS2000坐標系與WGS84坐標系是定義不同，但又精度相容的2種地心坐標系統，在日常的測繪生產工作中，我們要充分理解它們之間的關系，概念上要將它們區別對待，在不同精度的生產項目中要對其靈活應用和靈活轉換，使之更好的服務于我們的測繪生產。

參考文獻：

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[3]程鵬飛、文漢江、成英燕、王華.2000國家大地坐標系橢球參數與GRS80和WGS84的比較.測繪學報.2009年6月