2000国家大地坐标系.ppt

2000国家大地坐标系 2014 3 经国务院批准 从2008年7月起 我国启用2000国家大地坐标系 我国为什么启用2000国家大地坐标系 坐标系的基本概念 往下讲之前讲几个名词概念 大地测量基本常数四个如下 1 地球赤道半径a 2 地球动力学形状因子J2 3 地心引力常数GM 其中G是万有引力常数 M是地球的陆 海和大气质量的总和 4 地球自转角速度 前两个称为大地测量基本几何常数 后两个称为大地测量基本物理常数 大地测量导出常数如下 大地测量导出参数有很多 常用的有 椭球短半轴b 几何扁率f a b a 等 我国的大地坐标系 建国以来 我国使用两个大地坐标系 1954年北京坐标系 它是1942普尔柯夫坐标系在中国的延伸 20世纪50年代开始使用 1980西安坐标系 在参考椭球定位基础上 由天文大地网整体平差建立起来的 20世纪90年代颁布使用 我国现有大地坐标系存在问题 现有大地坐标系存在问题具体表现以下几点 一 参考椭球不是最佳椭球1954年北京坐标系采用克拉索夫斯基椭球 长半轴a 6378245m 扁率f 1 298 3 与IUGG推荐的GRS80椭球 a 6378137m f 1 298 257222101 相比 a长了108m 1 f大了约0 0431980西安坐标系采用IAG 75椭球 长半轴a 6378140m 扁率f 1 298 257 与GRS80椭球相比 a长了3m 1 f小了约0 000222 二 坐标系实现 天文大地网 精度低且不均匀 1954年北京坐标系是随天文大地网边布设边平差建立起来的 没有经过整体平差 因而精度不均匀 个别地区误差可能达到几m 甚至10m 1980西安坐标系是在椭球重新定位的基础上 通过天文大地网整体平差建立起来的 全网精度比较均匀 在西北和西南边沿地区 误差大约1m 三 测量标志遭到严重破坏 解放以来 我国共建测量标志90余万座 到2007年7月为止 被毁坏的测标已达54 见2007年7月17日 中国测绘报 实际上 天文大地网只存在于纸面上 在物理上已经不完整了 这无疑给用户带来极大困难 以上三个问题 并不是致命性的 并不构成坐标系更新换代的决定因素 那么 什么是致命性问题呢 还有什么是比这更大的问题呢 1954年北京坐标系原点偏差 地心 参考椭球中心 160m YBJ54 ZBJ54 XBJ54 四 更大的问题是 它们都是局部坐标系 坐标系的原点与地心有较大偏差 首先 自上世纪50年代卫星上天 人类进入空间时代 大地测量也进入空间时代 现在大地测量是以GPS为代表的空间时代 时代变了 测量手段也变了 以前用经纬仪和测距仪 现在则用GPS 角度测量和距离测量与坐标系没有关系 而GPS测量与坐标系有直接关系 用GPS进行控制测量时 地面点坐标应参考于地心坐标系 不可参考于局部坐标系 其次 在卫星导航日益普及的今天 与导航配套使用的地图也应采用同卫星导航一致的坐标系 否则 卫星导航的有效性将受到严重影响 以1954年北京坐标系的地形图为例 导航位置与图上位置之差可以达到100多米 这样大的误差是不允许的 五 严重后果是 在空间时代局部坐标系不好用了 再次 航天器测控和武器制导一定在地心坐标系进行 使用局部坐标系 将会引入很大测控误差 局部坐标系不支持空间科学和远程武器对大地测量的要求 总之 在空间时代 局部坐标系已制约测绘本身的发展 已制约测绘的众多应用 特别是空间 航天和武器的应用 局部坐标系已变得过时 当然 这样说并不意味着 局部坐标系在空间时代毫无用处 例如 对于不涉及空间测量的局部工程建设 旧坐标系的地形图仍然好用 现代大地坐标系应满足的基本要求 现代大地坐标系应满足下列基本要求 地心 三维 高精度 定义符合IERS 国际地球自转和参考系服务 协议 这四点也是现代大地坐标系的基本特征 体现了现代大地坐标系的科学性 先进性和统一性 1954年北京坐标系与1980西安坐标系 显然不具备这些特性 因而都算不上现代大地基准了 我们的结论是 为了适应空间时代我国经济社会发展以及测绘科技本身的发展 适应大地坐标系的发展趋势 我国大地坐标系应当更新换代 应当现代化 我们的基本选择 地心大地坐标系 采用地心坐标系的好处 第一 采用地心坐标系有助于充分享用空间技术的成果 具体而言 能方便使用GPS 第二 采用地心坐标系有助于推动大地测量以至整个测绘科技的发展 第三 采用地心坐标系有利于地球空间信息产业的发展 第四 采用地心坐标系有利于航天技术与武器的发展 采用地心坐标系的好处 第五 采用地心坐标系有助于推动卫星导航产业 进而推动陆 海 空交通运输业的发展 第六 采用地心坐标系 有利于世界大地坐标系的统一 进而有利于我国参与全球化 有利于社会的可持续发展 我国已具有采用地心坐标系的条件 近十年来 在测绘 地震和科学院有关单位的共同努力下 我国建成了全国规模的一 二级GPS网 A B级GPS网 以及中国地壳运动观测网络 这些网络包括不同类型的高精度GPS点大约2500个 我国高等级空间大地网已具相当规模 实现地心坐标系的条件已经具备 这表明采用地心坐标系是可行的 2000中国大地坐标系建立我国新一代国家坐标系定名为2000国家大地坐标系 又称2000中国大地坐标系 英译 ChinaGeodeticCoordinateSystem 缩写 CGCS2000 大地坐标系的三个方面 一个大地坐标系 包括定义坐标系 实现坐标系和维持坐标系三个方面 定义坐标系是指规定坐标系的原点 坐标轴的指向和尺度 以及使用的参考椭球和正常椭球 实现坐标系是指用一组地面点的坐标 和速度 来体现所定义的坐标系 由这些地面点的坐标 和速度 所具体体现的坐标系 通常叫做参考框架 维持坐标系是指实现坐标系的地面点坐标 和速度 的不断精化 以及参考框架加密 通过不断维持 坐标系的精度和时效性得以与时俱进 CGCS2000的定义 CGCS2000符合IERS 国际地球旋转和参考系服务局 ITRS 国际地球参考系 的下列定义 原点在包括海洋和大气的整个地球的质量中心 长度单位为米 SI 这一尺度与地心局部框架的TCG 地心坐标时 时间坐标一致 定向在1984 0时与国际时间局 BIH 定向一致 定向随时间的演变由整个地球水平构造运动无整体旋转 no net rotation 的条件保证 CGCS2000的定义 以上定义对应一个右手地固直角坐标系 它的原点和轴定义如下 原点在地球质量中心 Z轴指向IERS参考极方向 X轴为IERS参考子午面与通过原点且同z轴正交的赤道面的交线 Y轴与Z X轴构成右手直角坐标系 参考椭球的几何中心与坐标系的原点重合 其旋转轴与坐标系的Z轴重合 正常椭球与参考椭球一致 CGCS2000 参考椭球 CGCS2000 参考椭球 CGCS2000参考椭球的定义常数 赤道半径 a 6378137m扁率 f 1 298 257222101地心引力常数 GM 3 986004418 1014m3s 2旋转速度 7 292115 10 5rads 1 CGCS2000 参考椭球常数导出几何常数值 b 6356752 3141m短半轴E 521854 00970025m线偏心率c 6399593 6259m极曲率半径e 0 00669438002290第一偏心率平方e 0 081819191042816第一偏心率e 0 00673949677548第二偏心率平方e 0 082094438151917第二偏心率f 0 00335281068118扁率b a 0 996647189319轴比b aQ 10001965 7293m子午圈一象限弧长V 1083207319783 546km3椭球体积S 510065621 718km2椭球表面积R1 6371008 7714m算术平均半径R2 6371007 1809m同面积之球的半径R3 6371000 7900m同体积之球的半径 CGCS2000 参考椭球常数导出物理常数值 U0 62636851 7149m2s 2椭球面正常位J2 0 1082629832258x10 22阶带谐系数J4 0 2370911256141x10 54阶带谐系数J6 0 6083465258892x10 86阶带谐系数J8 0 1426811009798x10 108阶带谐系数J10 0 1214393383343x10 1310阶带谐系数m 0 00344978650678m 2a2b GM e 9 7803253361ms 2赤道正常重力 p 9 8321849379ms 2极正常重力 9 7976432224ms 2平均正常重力fg 0 00530244174137重力扁率k 0 00193185261931k b p a e 1M 5 97333196 1024kg地球质量 包括大气 CGCS2000的实现 CGCS2000通过2000国家GPS大地控制网的坐标和速度具体实现 参考历元为2000 0 2000国家GPS大地控制网是在测绘 地震和科学院等部门布设的4个GPS网联合平差的基础上得到的一个全国规模的GPS大地控制网 共包括2518点 坐标平均中误差 x 0 90cm y 1 57cm z 1 06cm B 0 37cm L 0 77cm h 1 92cm位置平均中误差 P 2 13cm CGCS2000的实现 2000国家GPS大地网 CGCS2000与1954年北京坐标系的比较 CGCS200椭球与1954年北京坐标系椭球的比较CGCS20001954年北京2000 1954性质地心局部28m 130m 95ma6378137m6378245m 108m1 f298 257222101298 3 0 042777899 CGCS2000与1980西安坐标系的比较 CGCS2000椭球与1980西安坐标系椭球的比较2000国家1980西安2000 1980西安性质地心局部约90ma6378137m6378140m 3m1 f298 257222101298 2570 000222101GM3 9860044183 986005 0 000000582 7 292115 10 57 292115 10 50 CGCS2000与WGS84比较 CGCS2000椭球WGS84椭球差a6378137m6378137m01 f298 257222101298 257223563 0 000001462GM3986004 418x1083986004 418x1080 7292115x10 117292115x10 110b6356752 3141m6356752 3142m 0 0001m CGSC2000与WGS84比较 椭球的扁率变化引起的大地纬度 大地高和椭球面上正常重力的变化 CGSC2000与WGS84比较 CGCS2000 WGS84的扁率差df 1 643484 10 11引起的大地纬度B 大地高H和椭球面上正常重力 的变化 a 大地经度没有变化 b 大地纬度的变化范围为0 在赤道和两极 0 105mm 在B 45 c 大地高的变化范围为0 在赤道 0 105mm 在两极 d 椭球面上正常重力的变化范围为0 在两极 0 016 Gal 在赤道 CGCS2000与WGS84的比较 CGCS200是通过2000国家GPS大地控制网的ITRF97坐标 和速度 实现的 每一坐标分量的实现精度约1cm WGS84通过GPS监测站坐标实现 监测站坐标用来计算GPS的精密星历 最近 2002 一次用17个GPS监测站实现的框架是WGS84 G1150 其实现精度是 每个监测站的每一坐标分量的精度为1cm量级 1 可以认为 CGCS2000和WGS84 G1150 的实现精度是一致的 CGCS2000椭球正常重力公式 在现代大地测量中 等位椭球不仅用作大地坐标的参考面 而且用作地球正常重力的参考面 椭球面的正常重力用如下闭合公式计算 式中 e 赤道重力 k 重力常数 e 子午椭圆第一偏心率 大地纬度 CGCS2000椭球正常重力公式 对于CGCS2000椭球 精度至 0 1mgal的正常重力公式是 61 式中 大地纬度 CGCS2000的维持 一般说来 大地坐标系是相对稳定的 在较长的时期内是不变的 但是大地参考框架 隔一定时间 可以是变化的 注意 慎用 动态大地基准 和 动态大地坐标系 的说法 坐标系的维持 包含两层意思 框架点数量的变化 如加密 和框架点坐标值的更新 框架点的加密和框架点坐标值更新 都引起大地参考框架的变动 一点的坐标年变化率可达几cm 因此坐标 和速度 的不断更新是很重要的 就是说 参考框架不能永久不变 但是 考虑到大地基准的变动影响面很大 除非对一些特殊应用 大地参考框架不宜频繁更新 对1 10000比例尺测图来说 大约10年更新一次是合适的 大地坐标系换代对测绘成果和产品的影响 坐标系改变影响到 1 大地点成果 2 地形图 海图 航空图和地籍图 3 地方坐标系的成果 控制点坐标和地形图 4 地球空间数据基础数据 5 高程异常和垂线偏差 6 参考于椭球面的观测数据 如方向观测值 方位角 基线 物理测距边等 7 跟踪站 测控站 设备点 发射阵地的坐标 大地坐标系换代对测绘成果和产品的影响 大地点坐标 天文大地网有20余万点 其中一 二等点和部分三等点 约48000个 已通过与空间网联合平差纳入了CGCS2000 对于未参与联合平差的低等大地网点 10余万点 应通过低等网平差改算到或通过精密坐标转换变换到CGCS2000 一般用户可以用转换参数将旧坐标系坐标变换到CGCS200 转换参数可以分为高精度参数 好于0 5m 中精度参数 0 5m 5m 和低精度参数 5m 10m 高精度转换参数应为格网节点的基准位移 即 和 x y 形式 中精度可以为适用全国或地区范围的7参数形式 低精度可以是3个平移参数加椭球变化参数 a和 f 大地坐标系换代对地形图的影响