我國坐標系統(tǒng)的演變與2000國家大地坐標系的使用

周鵬

摘 要：作為重要的空間基礎設施之一，坐標系統(tǒng)及其實現(xiàn)為自然資源調查、城鄉(xiāng)規(guī)劃、城市建設等各項人類活動提供了空間參考基準，標定了各類人工、自然地物的空間位置。隨著對地觀測技術、裝備的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，我國的坐標系統(tǒng)經歷了從直接使用國外坐標系統(tǒng)到建立我國自主的坐標系統(tǒng)，從各地區(qū)誤差不一到全國符合較好，從低精度到高精度，從傳統(tǒng)手段到衛(wèi)星定位技術，從參考橢球到地球橢球的轉變。目前，我國已開始全面使用2000國家大地坐標系，本文通過回顧我國坐標系統(tǒng)的歷史演變，描述2000國家大地坐標系的特點，從而促進2000國家大地坐標系的推廣應用。

關鍵詞：坐標系統(tǒng)；CGCS2000；2000國家大地坐標系；地球橢球；參考橢球

1 引言

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

由于空間直角坐標系與大地坐標系不夠直觀、不便計算，實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系和正常高來描述地物的平面位置與高程。高斯平面直角坐標系中，使用一個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經線圈（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為x軸正方向，以赤道投影的東方向為y軸正方向。

高斯平面直角坐標系中，離中央子午線越遠，長度變形越大，因此，需要限制東西向的投影跨度。我國一般使用3°帶或6°帶高斯平面直角坐標系（中央子午線兩側最遠兩點經度差為3°或6°）。

2 我國平面坐標系統(tǒng)的演變

2.1 1954年北京坐標系

我國成立初期，由于缺乏完善的天文大地觀測資料，暫時采用了克拉索夫斯基橢球，對前蘇聯(lián)1942年坐標系進行了延伸，通過聯(lián)測與平差計算，建立了我國第一個參心高斯平面直角坐標系，即1954年北京坐標系。該坐標系的大地原點位于前蘇聯(lián)普爾科沃。

自1954年北京坐標系建立以來，我國建設了全國天文大地網，各級測繪部門測制了各級比例尺的地形圖等測繪地理信息成果，服務于國防和經濟建設的各個領域。隨著時代發(fā)展，該坐標系漸漸無法完全滿足的需要：

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

（2）橢球定向既不與國際通用一致，也不指向我國的極原點JYD1968.0，起始子午面也與國際通用不同，導致進行坐標轉換時誤差較大。

（3）不是全國整體平差計算，相鄰平差區(qū)域的大地點成果不一致。

2.2 1980西安坐標系

為了解決1954年北京坐標系逐漸凸顯的問題，我國大地測量專家組織建設了1980西安坐標系。該坐標系采用了1975年國際大地測量和地球物理聯(lián)合會推薦的橢球參數(shù)，采用多點定位，在我國境內與大地水準面最為密合；大地原點位于我國中部，可確保全國天文大地網整體平差誤差分布的均勻性；橢球定向指向我國極原點JYD1968.0，起始子午面平行于格林尼治平均天文臺的子午面。

3 2000國家大地坐標系的使用

3.1 背景

1954年北京坐標系與1980西安坐標系均為參心坐標系，以橢球的幾何中心為原點，表現(xiàn)為遍布全國的各等級大地控制點及其坐標成果。一方面，需要確定大地控制點的坐標，另一方面，需要以大地控制點的坐標成果來維持參心坐標系，因此，需要定期進行全國范圍的天文大地測量和高等級控制測量，所耗費的人力物力多，工作強度大，數(shù)據解算復雜。

進入20世紀80年代，精度高、范圍廣、更新快的全球衛(wèi)星定位技術、甚長基線干涉測量技術、衛(wèi)星激光測月等大地測量技術迅速發(fā)展，加上衛(wèi)星運行基于地球質心，因此，建設基于地球質心的坐標系統(tǒng)成為可能。

3.2 2000國家大地坐標系的使用

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

2008年，經國務院批準，“我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標系……2000國家大地坐標系與現(xiàn)行國家大地坐標系轉換、銜接的過渡期為8年至10年”。2017年3月，原國土資源部、原國家測繪地理信息局根據實際情況，要求“2018年6月底前完成全系統(tǒng)各類國土資源空間數(shù)據向2000國家大地坐標系轉換，2018年7月1日起全面使用2000國家大地坐標系”。2000國家大地坐標系的原點為包括海洋和大氣的整個地球的質量中心，采用全球衛(wèi)星定位技術等高新技術手段建立并進行框架的維持，精度高，維護效率高，可實現(xiàn)框架的動態(tài)性并保證全國坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一。

4 結語

相比參心坐標系，2000國家大地坐標系精度高，更新快，便于維持，全國統(tǒng)一。目前，我國已在國土資源系統(tǒng)全面使用2000國家大地坐標系。國土資源系統(tǒng)的基礎地理空間數(shù)據轉換為2000國家大地坐標之后，今后將在全社會逐步推廣2000國家大地坐標系。

參考文獻

[1] 陳俊勇.我國建立現(xiàn)代大地基準的思考[J].武漢大學學報（信息科學版），2002（05）：441-444.