书
关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf
书书
第28卷第6期
2008年12月
大 地 测 量 与 地 球 动 力 学
JOURNALOFGEODESYANDGEODYNAMICS
Vol.28No.6
Dec.,2008
文章编号:16715942(2008)06000105
2000中国大地坐标系
魏子卿
(西安测绘研究所,西安 710054)
摘 要 2000中国大地坐标系是我国新一代大地坐标系。在扼要叙述我国新一代大地坐标系建立的背景和基
本原则之后,详细介绍2000中国大地坐标系的定义和实现,给出参考椭球的定义常数和导出常数,以及相关的正
常重力公式,最后对坐标系进行几点说明。
关键词 2000中国大地坐标系(CGCS2000);地心大地坐标系;参考椭球;正常重力公式;常数
中图分类号:P227 文献标识码:A
CHINAGEODETICCOORDINATESYSTEM2000
WeiZiqing
(Xi’anResearchInstituteofSurveyingandMapping,Xi’an 710054)
Abstract TheChinaGeodeticCoordinateSystem2000isanewgenerationofthenationalgeodeticcoordinate
system.Havingexplainedbrieflythebackgroundandthebasicprinciplesofsettingupthenewgenerationnational
geodeticcoordinatesystem,thispaperexpoundsitsdefinitionandrealization,givesthedefiningconstantsandde
rivedconstantsofthereferenceellipsoidusedandtherelatedformulasforthenormalgravity,andfinallyaddresses
severalitemsnotingonthecoordinatesystem.
Keywords:ChinaGeodeticCoordinateSystem2000;geocentricgeodeticcoordinatesystem;referenceellipsoid;
normalgravityformulas;constant
1 引言
如所周知,20世纪50年代,为满足测绘工作的
迫切需要,我国采用了1954年北京坐标系,后来随
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80年代初我国又建立了1980西安坐标
系。应当肯定,1954北京坐标系和1980西安坐标
系在我国的经济建设和国防建设中发挥了巨大作
用。同时也应当看到,随着情况的变化和时间的推
移,这两个以经典测量技术为基础的局部大地坐标
系,目前已经不能适应科学技术特别是空间技术发
展,不能适应我国经济建设和国防建设需要。我国
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
当今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,是我国新一代大地
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。多年以来,我国测绘、地震部门
和科学院有关单位为建立我国新一代大地坐标系作
了大量基础性工作,近年又先后建成全国 GPS一、
二级网,国家GPSA、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
收稿日期:20080930
作者简介:魏子卿,男,1937年生,中国工程院院士,近期主要研究大地坐标系和大地边值问题.E-mail:ziqingw@public.xa.sn.cn
大地测量与地球动力学 28卷
定了较好的基础。我国大地坐标系更新换代的条件
业已具备。
我国新一代大地坐标系建立的基本原则是:
1)坐标系应尽可能对准 ITRF(国际地球参考
架)[1];
2)坐标系应由空间大地网在某参考历元的坐
标和速度体现;
3)参考椭球的定义参数选用长半轴、扁率、地
球地心引力常数和地球角速度,其参数值采用IUGG
(国际大地测量与地球物理联合会)或 IERS(国际
地球旋转与参考系服务局)的采用值或推荐值。
2000中国大地坐标系(ChinaGeodeticCoordi
nateSystem2000,CGCS2000),国人又称之为 2000
国家大地坐标系,是我国新一代大地坐标系,现已在
全国正式实施[2]。本文意在介绍2000中国大地坐
标系的定义和实现,给出参考椭球的定义常数和导
出常数以及相关的正常重力公式,并对坐标系作几
点说明。
2 2000中国大地坐标系
2.1 定义
2000中国大地坐标系符合 ITRS(国际地球参
考系)的如下定义[1]:
1)原点在包括海洋和大气的整个地球的质量
中心;
2)长度单位为米(SI)。这一尺度同地心局部
框架的TCG(地心坐标时)时间坐标一致;
3)定向在1984.0时与 BIH(国际时间局)的定
向一致;
4)定向随时间的演变由整个地球的水平构造
运动无净旋转条件保证。
以上定义对应一个直角坐标系,它的原点和轴
定义如下(图1):
1)原点:地球的质量中心;
2)Z轴:指向IERS参考极方向;
3)X轴:IERS参考子午面与通过原点且同 Z
轴正交的赤道面的交线;
4)Y轴:完成右手地心地固直角坐标系。
图1 CGCS2000定义的示意图
Fig.1 SketchforthedefinitionofCGCS2000
CGCS2000的参考椭球为一等位旋转椭球。等
位椭球(或水准椭球)定义为其椭球面是一等位面
的椭球[3]。CGCS2000的参考椭球的几何中心与坐
标系的原点重合,旋转轴与坐标系的 Z轴一致。参
考椭球既是几何应用的参考面,又是地球
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
面上及
空间正常重力场的参考面。等位旋转椭球由4个独
立常数定义。CGCS2000参考椭球的定义常数
是[2]:
长半轴a=6378137.0m;
扁率f=1/298.257222101;
地球的地心引力常数(包含大气层)GM=
3986004.418×108m3s-2;
地球角速度ω=7292115.0×10-11rads-1。
根据以上4个定义常数,利用文献[3,4]给出
的公式,可以算出一系列导出常数。常用的导出几
何常数列于表1,导出物理常数列于表2。
2.2 实现
CGCS2000由2000国家 GPS大地网[5]在历元
2000.0的点位坐标和速度具体实现。2000国家
GPS大地网是下列 GPS网经联合平差得到的一个
全国规模的GPS大地网(图2):
表1 CGCS2000参考椭球的导出几何常数值
Tab.1 DerivedgeometricalconstantsfortheCGCS2000ellipsoid
常数名 值 常数名 值
短半轴 b 6356752.3141m 轴比 b/a 0.996647189319
线偏心率E 521854.00970025m 子午圈一象限弧长 Q 10001965.7293m
极曲率半径 c 6399593.6259m 椭球体积 V 1083207319783.546km3
第一偏心率平方 e2 0.00669438002290 椭球表面积 S 510065621.718km2
第一偏心率 e 0.081819191042816 平均半径 R1 6371008.7714m
第二偏心率平方 e′2 0.00673949677548 同面积之球的半径R2 6371007.1809m
第二偏心率 e′ 0.082094438151917 同体积之球的半径R3 6371000.7900m
2
第6期 魏子卿:2000中国大地坐标系
表2 CGCS2000参考椭球的导出物理常数值
Tab.2 DerivedphysicalconstantsfortheCGCS2000ellipsoid
常数名 值 常数名 值
椭球面正常位 U0 62636851.7149m2s-2 赤道正常重力 γe 9.7803253361ms-2
2阶带谐系数 J2 0.1082629832258×10-2 极正常重力 γp 9.8321849379ms-2
4阶带谐系数 J4 -0.2370911256141×10-5 平均正常重力珔γ 9.7976432224ms-2
6阶带谐系数 J6 0.6083465258892×10-8 m =ω2a2b/(GM) 0.00344978650678
8阶带谐系数 J8 -0.1426811009798×10-10 k=bγp/aγe-1 0.00193185261931
10阶带谐系数 J10 0.1214393383343×10-13 地球质量M(包括大气) 5.97333196×1024kg
图2 2000国家GPS大地网的点位分布图
Fig.2 DistributionofpointsofthenationalGPSgeodeticnetwork2000
1)全国 GPS一、二级网(534点),1991—1997
年布设;
2)国家 GPSA、B级网(818点),1991—1996
年布设;
3)地壳运动监测网(336点),包括全国GPS地
壳运动监测网(21点),1994、1996和1999年进行3
次观测;还包括9个区域性地壳形变监测网,1988—
1998年施测;
4)中国地壳运动观测网络(1081点),包括基
准网(25点)、基本网(56点)和区域网(1000点)。
基准网自1999年1月连续观测;基本网和区域网于
1999、2000和2001年进行3次施测。基本网每次
连续观测10昼夜,区域网连续观测4昼夜。平差数
据截止于2001年底。
联合平差从中国地壳运动观测网络平差开始。
它的平差分两步进行。第一步进行单时段(一般为
24h)基线解。第二步将得到的所有单时段基线解
与全球100多个 IGS站的 H文件数据进行整体平
差,此时将全球分布的47个 IGS核心站的 ITRF97
坐标和速度施以1σ的约束,得到该网络点位三维
坐标和速度的最小二乘解及协方差矩阵。坐标分量
的平均中误差为 σx=0.070cm,σy=0.110cm,σz
=0.090cm;速度分量误差为1~4mm/a。最后用
得到的速度将平差坐标归算到历元2000.0,作为随
3
大地测量与地球动力学 28卷
后诸网联合平差的基准数据。对于其余 3个 GPS
网,分别同样首先进行单时段基线解,然后将它们的
单时段基线解与先前得到的中国地壳运动观测网络
的站坐标解一起进行联合平差,平差中固定IGS站、
基准网和基本网的站坐标,对区域网站的南北、东西
和高度坐标分量分别给予5mm、5mm和10mm的
约束。通过平差得到2000国家 GPS大地网的最后
坐标。主要精度统计数据是:
坐标平均中误差:σx=0.84cm,σy=1.82cm,
σz=1.30cm,σB=0.40cm,σL=0.52cm,σh=2.31
cm;
位置平均中误差:σp=2.42cm;
基线长度(不计20km以内的基线,平均长度
为106km)平均误差:0.0301×10-6。
以上平差数据显示,CGCS2000的实现精度,在
历元2000.0时,位置精度好于3cm;水平速度约3
mm/a。
3 CGCS2000正常重力公式
3.1 椭球面上正常重力公式
椭球面上正常重力由Somigliana公式[3,6]给出:
γ0=γe
1+ksin2B
1-e2sin2槡 B
(1)
式中;k=bγp/aγe-1;γe、γp为赤道重力和极重力;
a、b为椭球长半轴和短半轴;e2为第一偏心率(平
方),B为大地纬度。γe、γp和k之值见表2;b、e
2之
值见表1。
实践中,通常将封闭式(1)展成级数[3,4]。对于
CGCS2000,级数展开式是(单位:ms-2):
γ0=9.7803253361(1+0.005279042631sin
2B+
0.000023271799sin4B+
0.000000126218sin6B+
0.000000000730sin8B+
0.000000000004sin10B) (2)
该式的误差为0.001×10-8ms-2。传统的简化
级数式,对于CGCS2000是(单位:ms-2):
γ0=9.7803253361(1+0.00530244sin
2B-
0.00000582sin22B) (3)
该式的误差小于0.1×10-5ms-2。
3.2 椭球外部正常重力公式
椭球外部任意点的正常重力,由以下公式给
出[4,7]:
γ= γ2u+γ
2槡 β (4)
式中:
γu=-
1
w
GM
u2+E2
+ω
2a2E
u2+E2
q′
q0
1
2sin
2β-( )[ ]16 +
1
wω
2ucos2β (4a)
γβ=-
1
w
- ω
2a2
u2+E槡 2
q
q0
+ω2 u2+E槡( )2 sinβcosβ
(4b)
w= u
2+E2sin2β
u2+E槡 2 (4c)
u= 12 x
2+y2+z2-E2[{ +
(x2+y2+z2-E2)2+4E2z槡 ] }2 1/2 (4d)
β=tan-1 z u
2+E槡 2
u x2+y槡( )2 (4e)
q′=31+u
2
E( )2 1-uEtan-1 E( )[ ]u -1 (4f)
q=12
1+3u
2
E( )2 tan-1 E( )u -3u[ ]E (4g)
q0=
1
2
1+3b
2
E( )2 tan-1 E( )b -3b[ ]E (4h)
式中x、y、z和 u、β、λ分别代表计算点的地固直角坐
标和椭球坐标系坐标;b为参考椭球短半轴,E为线
偏心率,它们的值见表1。
封闭公式(4)可按高度 h展成级数[6,7]。对于
CGCS2000,至h的4次项的级数式是:
γ=γ0-(3.08338788871×10
-6+4.429743963
×10-9cos2B-1.9964614×10-11cos4B)h+
(7.2442777999×10-13+
2.116062×10-15cos2B-3.34306×10-17cos4B-
1.908×10-19cos6B-4.86×10-22cos8B)h2-
(1.51124922×10-19+1.148624×10-21cos2B+
1.4975×10-23cos4B+1.66×10-25cos6B)h3+
(2.95239×10-26+4.167×10-28cos2B)h4 (5)
式中γ0为椭球面正常重力(单位为ms
-2),按式(2)
计算;B为计算点的大地纬度,h为它的大地高(单
位为m)。
用式(5)计算正常重力的误差,当h达到20km
时,小于0.1×10-8ms-2;当h达到70km时,小于1
×10-8ms-2。
4 关于CGCS2000的几点说明
关于CGCS2000,扼要作以下几点说明:
1)CGCS2000的定义和 ITRS的定义一致。
CGCS2000实现的实质是使 CGCS2000框架对准
ITRF97。相对ITRF97,CGCS2000的实现精度,对于
水平坐标达到1cm量级(见第2节)。因此可以认
为CGCS2000与ITRF97(ITRF2000和ITRF2005)在
cm级 水 平 上 是 一 致 的。但 是,倘 若 一 点 的
4
第6期 魏子卿:2000中国大地坐标系
CGCS2000坐标精度达不到cm级水平,这两个坐标
系的坐标不可认为是一致的。
2)CGCS2000的定义和 WGS84[8,9]实质上是一
致的。它们采用的参考椭球非常接近,仅扁率存在
微小差异(1/298.257222101对 1/298.257223
563[8,9])。扁率差异引起椭球面上的纬度和高度坐
标变化最大达 0.105mm,正常重力变化最大达
0.016×10-8ms-2[8,9]。在当前的测量精度范围内,
忽略这样小的坐标和重力变化是容许的。WGS84
(G11150)[10]是 WGS84的最近(2002年)一次实
现。实现精度(相对ITRF2000),对于每一坐标分量
为1cm量级[10],与 CGCS2000的实现精度(相对
ITRF97)大体相当。因此可以说,CGCS2000与
WGS84(G1150)相容至cm级水平。但是,倘若一点
的坐标精度达不到cm水平,则不可认为 CGCS2000
和WGS84的坐标是相容的。
3)CGCS2000和1954年北京坐标系或1980西
安坐标系,在定义与实现上有根本区别。局部坐标
和地心坐标之间的变换是不可避免的。坐标变换可
以通过联合平差实现,而一般通过一定变换模型实
现。当采用模型变换时,变换模型的选择应依精度
要求而定。对于高精度(好于0.5m)要求,可采用
基于最小曲率法[11]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(3个平移、1
个尺度和3个旋转)模型;对于低精度(5~10m)要
求,可采用四参数(3个平移和1个尺度)或三参数
(3个平移)模型。
4)CGCS2000的实现为2000国家 GPS大地网
在历元 2000.0的点位坐标和速度,即是说,
CGCS2000框架由大约2500个 GPS点在历元 t0=
2000.0的坐标X
→
(t0)和速度X
→·
(t0)构成。这些点在
历元t(t≠t0)的坐标X
→
(t)按下式计算:
X
→
(t)=X
→
(t0)+(t-t0)X
→·
(t0) (6)
如果速度X
→·
(t0)未知,还应根据周围已知点的速
度内插得到,或按现成的板块运动模型计算。这方
面的细节已超出本文的范围。
地面上一点的坐标,受地壳运动和潮汐影响,在
时间上和空间上都是变化的。数据表明,中国大陆
不同点在ITRF框架内的运动速度为3~5cm[9],运
动方向大致从西北向东南。在 cm级精度要求的应
用(如GPS网平差)中,记住要将已知点的坐标从历
元t0归算至观测历元t。
致谢 CGCS2000椭球的导出常数和椭球面正常重
力公式的系数由李迎春副研究员进行了认真检核。
参 考 文 献
1 DennisD.McCarthyandGéraraPetit(eds.).IERSCon
ventions(2003)[R].IERSTechnicalNoteNo.32,Verlag
desBundesamtsfürKartographieundGeodsieFrankfurtam
Main2004.
2 国家测绘局.国家测绘局公告(2008年第2号).2008年
6月27日中国测绘报.
2 StateBureauofSurveyingandMapping.Announcementof
theStateBureauofSurveyingandMapping(No.2of2008).
ChinaSurveyingandMappingNews,27June2008.
3 MoritzH.Geodeticreferencesystem1980[J].Journalof
Geodesy,2000,74:128-133.
4 魏子卿.关于2000中国大地坐标系的建议[J].大地测
量与地球动力学,2006,26(2):1-4.
4 WeiZiqing.ProposalconcerningChinageodeticcoordinate
system2000[J].JournalofGeodesyandGeodynamics,
2006,26(2):1-4.(inChinese)
5 陈俊,等.2000国家大地控制网的构建和它的技术进步
[J].测绘学报,2007,36(1):1-8.
5 ChenJunyong,etal.Establishmentof2000nationalgeodetic
controlnetworkofChinaandit’stechnologicalprogress[J].
ActaGeodaeticaetCartographicaSinica,2007,36(1):1-
8.(inChinese)
6 HofmannWellenhofBandMoritzH.Physicalgeodesy[M].
secondedition,SpringerWienNewYork,2006.
7 魏子卿.正常重力公式[J].测绘学报,2003,32(2):95
-101.
7 WeiZiqing.Normalgravityformulae[J].ActaGeodaetica
etCartographicaSinica,2003,32(2):95-101.(inChi
nese)
8 NationalImageryandMappingAgency.Departmentofde
fenseworldgeodeticsystem1984:Itsdefinitionandrelation
shipswithlocalgeodeticsystems[R].NationalImageryand
MappingAgencytechnicalreport8350.2ThirdEdition.
9 魏子卿.2000中国大地坐标系及其与 WGS84的比较
[J].大地测量与地球动力学,2008,28(5):1-5.
9 WeiZiqing.Chinageodeticcoordinatesystem2000andits
comparisonwithWGS84[J].JournalofGeodesyandGeody
namics,2008,28(5):1-5.(inChinese)
10 AddendumtoNIMATR8350.2:Implementationofthe
WorldGeodeticSystem1984(WGS84)ReferenceFrame
G1150[EB/OL].http://earth-info.nga.mil/GandG/
publications/tr8350.2/Addendum%20NIMA%20TR8350.
2.pdf/
11 BriggsIC.Machinecoutouringusingminimumcurvature
[J].Geophysics,1974,39(1):39-48.
5