2000國(guó)家大地坐標(biāo)系ppt課件

1、2000國(guó)家大地坐標(biāo)系,2014.3,1,經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，從2008年7月起，我國(guó)啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。,2,我國(guó)為什么啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系？,3,坐標(biāo)系的基本概念,4,5,6,7,8,9,往下講之前講幾個(gè)名詞概念：大地測(cè)量基本常數(shù)四個(gè)如下：1.地球赤道半徑a；2.地球動(dòng)力學(xué)形狀因子J2;3.地心引力常數(shù)GM，其中G是萬(wàn)有引力常數(shù)，M是地球的陸、海和大氣質(zhì)量的總和;4.地球自轉(zhuǎn)角速度。前兩個(gè)稱為大地測(cè)量基本幾何常數(shù)，后兩個(gè)稱為大地測(cè)量基本物理常數(shù)。大地測(cè)量導(dǎo)出常數(shù)如下：大地測(cè)量導(dǎo)出參數(shù)有很多，常用的有：橢球短半軸b、幾何扁率f（a-b）/a）等,10,11,12,13,我國(guó)的大地坐標(biāo)

2、系,建國(guó)以來(lái)，我國(guó)使用兩個(gè)大地坐標(biāo)系：1954年北京坐標(biāo)系。它是1942普爾柯夫坐標(biāo)系在中國(guó)的延伸。20世紀(jì)50年代開(kāi)始使用。1980西安坐標(biāo)系。在參考橢球定位基礎(chǔ)上，由天文大地網(wǎng)整體平差建立起來(lái)的。20世紀(jì)90年代頒布使用。,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,我國(guó)現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問(wèn)題,26,現(xiàn)有大地坐標(biāo)系存在問(wèn)題具體表現(xiàn)以下幾點(diǎn)：一、參考橢球不是最佳橢球1954年北京坐標(biāo)系采用克拉索夫斯基橢球（長(zhǎng)半軸a6378245m；扁率f=1:298.3），與IUGG推薦的GRS80橢球（a=6378137m,f=1:298.257222101）相比，a長(zhǎng)了108

3、m,1/f大了約0.0431980西安坐標(biāo)系采用IAG75橢球（長(zhǎng)半軸a6378140m；扁率f=1:298.257），與GRS80橢球相比，a長(zhǎng)了3m,1/f小了約0.000222。,27,二、坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)（天文大地網(wǎng)）精度低且不均勻,1954年北京坐標(biāo)系是隨天文大地網(wǎng)邊布設(shè)邊平差建立起來(lái)的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)整體平差，因而精度不均勻，個(gè)別地區(qū)誤差可能達(dá)到幾m，甚至10m。1980西安坐標(biāo)系是在橢球重新定位的基礎(chǔ)上，通過(guò)天文大地網(wǎng)整體平差建立起來(lái)的，全網(wǎng)精度比較均勻，在西北和西南邊沿地區(qū)，誤差大約1m。,28,三、測(cè)量標(biāo)志遭到嚴(yán)重破壞,解放以來(lái)，我國(guó)共建測(cè)量標(biāo)志90余萬(wàn)座，到2007年7月為止，被毀壞的

4、測(cè)標(biāo)已達(dá)54（見(jiàn)2007年7月17日中國(guó)測(cè)繪報(bào)）。實(shí)際上，天文大地網(wǎng)只存在于紙面上，在物理上已經(jīng)不完整了。這無(wú)疑給用戶帶來(lái)極大困難。,29,以上三個(gè)問(wèn)題，并不是致命性的，并不構(gòu)成坐標(biāo)系更新?lián)Q代的決定因素。那么，什么是致命性問(wèn)題呢？還有什么是比這更大的問(wèn)題呢？,30,1954年北京坐標(biāo)系原點(diǎn)偏差,地心,參考橢球中心,160m,YBJ54,ZBJ54,XBJ54,四、更大的問(wèn)題是：它們都是局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的原點(diǎn)與地心有較大偏差,31,首先，自上世紀(jì)50年代衛(wèi)星上天，人類進(jìn)入空間時(shí)代，大地測(cè)量也進(jìn)入空間時(shí)代，現(xiàn)在大地測(cè)量是以GPS為代表的空間時(shí)代。時(shí)代變了，測(cè)量手段也變了。以前用經(jīng)緯儀和測(cè)距儀；現(xiàn)

5、在則用GPS，角度測(cè)量和距離測(cè)量與坐標(biāo)系沒(méi)有關(guān)系，而GPS測(cè)量與坐標(biāo)系有直接關(guān)系。用GPS進(jìn)行控制測(cè)量時(shí)，地面點(diǎn)坐標(biāo)應(yīng)參考于地心坐標(biāo)系，不可參考于局部坐標(biāo)系。其次，在衛(wèi)星導(dǎo)航日益普及的今天，與導(dǎo)航配套使用的地圖也應(yīng)采用同衛(wèi)星導(dǎo)航一致的坐標(biāo)系。否則，衛(wèi)星導(dǎo)航的有效性將受到嚴(yán)重影響。以1954年北京坐標(biāo)系的地形圖為例，導(dǎo)航位置與圖上位置之差可以達(dá)到100多米，這樣大的誤差是不允許的。,五、嚴(yán)重后果是：在空間時(shí)代局部坐標(biāo)系不好用了,32,再次，航天器測(cè)控和武器制導(dǎo)一定在地心坐標(biāo)系進(jìn)行。使用局部坐標(biāo)系，將會(huì)引入很大測(cè)控誤差。局部坐標(biāo)系不支持空間科學(xué)和遠(yuǎn)程武器對(duì)大地測(cè)量的要求?？傊?，在空間時(shí)代，局部坐標(biāo)

6、系已制約測(cè)繪本身的發(fā)展，已制約測(cè)繪的眾多應(yīng)用，特別是空間、航天和武器的應(yīng)用。局部坐標(biāo)系已變得過(guò)時(shí)。當(dāng)然，這樣說(shuō)并不意味著，局部坐標(biāo)系在空間時(shí)代毫無(wú)用處（例如，對(duì)于不涉及空間測(cè)量的局部工程建設(shè)，舊坐標(biāo)系的地形圖仍然好用）。,33,現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿足的基本要求,現(xiàn)代大地坐標(biāo)系應(yīng)滿足下列基本要求：地心；三維；高精度；定義符合IERS（國(guó)際地球自轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)）協(xié)議。這四點(diǎn)也是現(xiàn)代大地坐標(biāo)系的基本特征，體現(xiàn)了現(xiàn)代大地坐標(biāo)系的科學(xué)性、先進(jìn)性和統(tǒng)一性。1954年北京坐標(biāo)系與1980西安坐標(biāo)系，顯然不具備這些特性，因而都算不上現(xiàn)代大地基準(zhǔn)了。我們的結(jié)論是：為了適應(yīng)空間時(shí)代我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展以及測(cè)繪科技本身的

7、發(fā)展，適應(yīng)大地坐標(biāo)系的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)大地坐標(biāo)系應(yīng)當(dāng)更新?lián)Q代，應(yīng)當(dāng)現(xiàn)代化。,34,我們的基本選擇：地心大地坐標(biāo)系,35,采用地心坐標(biāo)系的好處,第一、采用地心坐標(biāo)系有助于充分享用空間技術(shù)的成果，具體而言，能方便使用GPS。第二、采用地心坐標(biāo)系有助于推動(dòng)大地測(cè)量以至整個(gè)測(cè)繪科技的發(fā)展。第三、采用地心坐標(biāo)系有利于地球空間信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第四、采用地心坐標(biāo)系有利于航天技術(shù)與武器的發(fā)展。,36,采用地心坐標(biāo)系的好處,第五、采用地心坐標(biāo)系有助于推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)，進(jìn)而推動(dòng)陸、海、空交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。第六、采用地心坐標(biāo)系，有利于世界大地坐標(biāo)系的統(tǒng)一，進(jìn)而有利于我國(guó)參與全球化，有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。,37,我國(guó)

8、已具有采用地心坐標(biāo)系的條件,近十年來(lái)，在測(cè)繪、地震和科學(xué)院有關(guān)單位的共同努力下，我國(guó)建成了全國(guó)規(guī)模的一、二級(jí)GPS網(wǎng)，A、B級(jí)GPS網(wǎng)，以及中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)包括不同類型的高精度GPS點(diǎn)大約2500個(gè)。我國(guó)高等級(jí)空間大地網(wǎng)已具相當(dāng)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)地心坐標(biāo)系的條件已經(jīng)具備，這表明采用地心坐標(biāo)系是可行的。,38,2000中國(guó)大地坐標(biāo)系建立我國(guó)新一代國(guó)家坐標(biāo)系定名為2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，又稱2000中國(guó)大地坐標(biāo)系。英譯：ChinaGeodeticCoordinateSystem，縮寫(xiě)：CGCS2000,39,大地坐標(biāo)系的三個(gè)方面,一個(gè)大地坐標(biāo)系，包括定義坐標(biāo)系、實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系和維持坐標(biāo)系三個(gè)方面

9、：定義坐標(biāo)系是指規(guī)定坐標(biāo)系的原點(diǎn)、坐標(biāo)軸的指向和尺度，以及使用的參考橢球和正常橢球。實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系是指用一組地面點(diǎn)的坐標(biāo)（和速度）來(lái)體現(xiàn)所定義的坐標(biāo)系。由這些地面點(diǎn)的坐標(biāo)（和速度）所具體體現(xiàn)的坐標(biāo)系，通常叫做參考框架。維持坐標(biāo)系是指實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的地面點(diǎn)坐標(biāo)（和速度）的不斷精化，以及參考框架加密。通過(guò)不斷維持，坐標(biāo)系的精度和時(shí)效性得以與時(shí)俱進(jìn)。,40,CGCS2000的定義,CGCS2000符合IERS（國(guó)際地球旋轉(zhuǎn)和參考系服務(wù)局）ITRS（國(guó)際地球參考系）的下列定義：原點(diǎn)在包括海洋和大氣的整個(gè)地球的質(zhì)量中心；長(zhǎng)度單位為米（SI），這一尺度與地心局部框架的TCG（地心坐標(biāo)時(shí)）時(shí)間坐標(biāo)一致；定向在198

10、4.0時(shí)與國(guó)際時(shí)間局（BIH）定向一致；定向隨時(shí)間的演變由整個(gè)地球水平構(gòu)造運(yùn)動(dòng)無(wú)整體旋轉(zhuǎn)（no-net-rotation）的條件保證。,41,CGCS2000的定義,以上定義對(duì)應(yīng)一個(gè)右手地固直角坐標(biāo)系，它的原點(diǎn)和軸定義如下：原點(diǎn)在地球質(zhì)量中心；Z軸指向IERS參考極方向；X軸為IERS參考子午面與通過(guò)原點(diǎn)且同z軸正交的赤道面的交線；Y軸與Z、X軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。參考橢球的幾何中心與坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合，其旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系的Z軸重合。正常橢球與參考橢球一致。,42,CGCS2000：參考橢球,43,CGCS2000：參考橢球,CGCS2000參考橢球的定義常數(shù):赤道半徑：a=6378137m扁率:

11、f=1:298.257222101地心引力常數(shù)：GM=3.9860044181014m3s-2旋轉(zhuǎn)速度：=7.29211510-5rads-1,44,CGCS2000：參考橢球常數(shù)導(dǎo)出幾何常數(shù)值,b=6356752.3141m短半軸E=521854.00970025m線偏心率c=6399593.6259m極曲率半徑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軸比b/aQ

12、=10001965.7293m子午圈一象限弧長(zhǎng)V=1083207319783.546km3橢球體積S=510065621.718km2橢球表面積R1=6371008.7714m算術(shù)平均半徑R2=6371007.1809m同面積之球的半徑R3=6371000.7900m同體積之球的半徑,45,CGCS2000：參考橢球常數(shù)導(dǎo)出物理常數(shù)值,U0=62636851.7149m2s-2橢球面正常位J2=0.1082629832258x10-22階帶諧系數(shù)J4=-0.2370911256141x10-54階帶諧系數(shù)J6=0.6083465258892x10-86階帶諧系數(shù)J8=-0.1426811009

13、798x10-108階帶諧系數(shù)J10=0.1214393383343x10-1310階帶諧系數(shù)m=0.00344978650678m=2a2b/GMe=9.7803253361ms-2赤道正常重力p=9.8321849379ms-2極正常重力=9.7976432224ms-2平均正常重力fg=0.00530244174137重力扁率k=0.00193185261931k=bp/ae-1M=5.973331961024kg地球質(zhì)量（包括大氣）,46,CGCS2000的實(shí)現(xiàn),CGCS2000通過(guò)2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)的坐標(biāo)和速度具體實(shí)現(xiàn)。參考?xì)v元為2000.0。2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)是

14、在測(cè)繪、地震和科學(xué)院等部門布設(shè)的4個(gè)GPS網(wǎng)聯(lián)合平差的基礎(chǔ)上得到的一個(gè)全國(guó)規(guī)模的GPS大地控制網(wǎng)，共包括2518點(diǎn)。坐標(biāo)平均中誤差：x=0.90cm,y=1.57cm,z=1.06cmB=0.37cm,L=0.77cm,h=1.92cm位置平均中誤差：P=2.13cm,47,CGCS2000的實(shí)現(xiàn),2000國(guó)家GPS大地網(wǎng),48,CGCS2000與1954年北京坐標(biāo)系的比較,CGCS200橢球與1954年北京坐標(biāo)系橢球的比較CGCS20001954年北京2000-1954性質(zhì)地心局部28m-130m-95ma6378137m6378245m-108m1/f298.257222101298.3-

15、0.042777899,49,CGCS2000與1980西安坐標(biāo)系的比較,CGCS2000橢球與1980西安坐標(biāo)系橢球的比較2000國(guó)家1980西安2000-1980西安性質(zhì)地心局部約90ma6378137m6378140m-3m1/f298.257222101298.2570.000222101GM3.9860044183.986005-0.0000005827.29211510-57.29211510-50,50,CGCS2000與WGS84比較,CGCS2000橢球WGS84橢球差a6378137m6378137m01/f298.257222101298.257223563-0.0000

16、01462GM3986004.418x1083986004.418x10807292115x10-117292115x10-110b6356752.3141m6356752.3142m-0.0001m,51,CGSC2000與WGS84比較,橢球的扁率變化引起的大地緯度、大地高和橢球面上正常重力的變化,52,CGSC2000與WGS84比較,CGCS2000-WGS84的扁率差df=1.64348410-11引起的大地緯度B、大地高H和橢球面上正常重力的變化：a)大地經(jīng)度沒(méi)有變化；b)大地緯度的變化范圍為0（在赤道和兩極）0.105mm（在B=45）；c)大地高的變化范圍為0（在赤道）0.10

17、5mm（在兩極）；d)橢球面上正常重力的變化范圍為0（在兩極）0.016Gal（在赤道）。,53,CGCS2000與WGS84的比較,CGCS200是通過(guò)2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)的ITRF97坐標(biāo)（和速度）實(shí)現(xiàn)的，每一坐標(biāo)分量的實(shí)現(xiàn)精度約1cm。WGS84通過(guò)GPS監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)用來(lái)計(jì)算GPS的精密星歷。最近（2002）一次用17個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)的框架是WGS84（G1150），其實(shí)現(xiàn)精度是：每個(gè)監(jiān)測(cè)站的每一坐標(biāo)分量的精度為1cm量級(jí)（1）可以認(rèn)為，CGCS2000和WGS84（G1150）的實(shí)現(xiàn)精度是一致的。,54,CGCS2000橢球正常重力公式,在現(xiàn)代大地測(cè)量中，等位橢

18、球不僅用作大地坐標(biāo)的參考面，而且用作地球正常重力的參考面。橢球面的正常重力用如下閉合公式計(jì)算：,式中：e赤道重力；k重力常數(shù)；e子午橢圓第一偏心率；大地緯度,55,CGCS2000橢球正常重力公式,對(duì)于CGCS2000橢球，精度至0.1mgal的正常重力公式是:,61,式中：大地緯度,56,CGCS2000的維持,一般說(shuō)來(lái)，大地坐標(biāo)系是相對(duì)穩(wěn)定的，在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)是不變的，但是大地參考框架，隔一定時(shí)間，可以是變化的。（注意：慎用“動(dòng)態(tài)大地基準(zhǔn)”和“動(dòng)態(tài)大地坐標(biāo)系”的說(shuō)法）。坐標(biāo)系的維持，包含兩層意思：框架點(diǎn)數(shù)量的變化（如加密）和框架點(diǎn)坐標(biāo)值的更新。框架點(diǎn)的加密和框架點(diǎn)坐標(biāo)值更新，都引起大地參考框

19、架的變動(dòng)。一點(diǎn)的坐標(biāo)年變化率可達(dá)幾cm，因此坐標(biāo)（和速度）的不斷更新是很重要的。就是說(shuō)，參考框架不能永久不變。但是，考慮到大地基準(zhǔn)的變動(dòng)影響面很大，除非對(duì)一些特殊應(yīng)用，大地參考框架不宜頻繁更新。對(duì)1:10000比例尺測(cè)圖來(lái)說(shuō)，大約10年更新一次是合適的（？）。,57,大地坐標(biāo)系換代對(duì)測(cè)繪成果和產(chǎn)品的影響,坐標(biāo)系改變影響到：1、大地點(diǎn)成果；2、地形圖、海圖、航空?qǐng)D和地籍圖；3、地方坐標(biāo)系的成果（控制點(diǎn)坐標(biāo)和地形圖）；4、地球空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；5、高程異常和垂線偏差；6、參考于橢球面的觀測(cè)數(shù)據(jù)（如方向觀測(cè)值、方位角、基線、物理測(cè)距邊等）；7、跟蹤站、測(cè)控站、設(shè)備點(diǎn)、發(fā)射陣地的坐標(biāo)。,58,大地坐標(biāo)

20、系換代對(duì)測(cè)繪成果和產(chǎn)品的影響,大地點(diǎn)坐標(biāo)：天文大地網(wǎng)有20余萬(wàn)點(diǎn)，其中一、二等點(diǎn)和部分三等點(diǎn)（約48000個(gè)）已通過(guò)與空間網(wǎng)聯(lián)合平差納入了CGCS2000；對(duì)于未參與聯(lián)合平差的低等大地網(wǎng)點(diǎn)（10余萬(wàn)點(diǎn)），應(yīng)通過(guò)低等網(wǎng)平差改算到或通過(guò)精密坐標(biāo)轉(zhuǎn)換變換到CGCS2000。一般用戶可以用轉(zhuǎn)換參數(shù)將舊坐標(biāo)系坐標(biāo)變換到CGCS200。轉(zhuǎn)換參數(shù)可以分為高精度參數(shù)（好于0.5m）、中精度參數(shù)（0.5m5m）和低精度參數(shù)（5m10m）。高精度轉(zhuǎn)換參數(shù)應(yīng)為格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)位移（即，和x，y）形式，中精度可以為適用全國(guó)或地區(qū)范圍的7參數(shù)形式；低精度可以是3個(gè)平移參數(shù)加橢球變化參數(shù)a和f。,59,大地坐標(biāo)系換代對(duì)地形圖的影響,對(duì)地圖要素坐標(biāo)的影響在56N-16N和72E-135E范圍內(nèi)，由19