海籍调查采用的坐标系统探讨

吴永亭，杨 龙，冯义楷，申 宏

（国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061）

海籍调查采用的坐标系统探讨

吴永亭，杨 龙，冯义楷，申 宏

（国家海洋局第一海洋研究所 青岛 266061）

海籍调查是海域使用论证工作中的重要内容之一，宗海位置图及其界址点坐标成果是海域权属的重要参考。《海籍调查规范》中规定采用WGS－84坐标系，这与我国测绘主管部门规定使用的CGCS2000坐标系不同。文章介绍了这两种坐标系的区别，给出了建设性的意见，可为海域使用论证及相关管理提供参考。

测量基准；WGS－84世界大地坐标系；2000国家大地坐标系；全球卫星导航系统

1 引言

海籍调查是海域使用论证工作中的重要内容之一，宗海位置图及其界址点坐标成果是海域权属和海域管理的重要参考数据。现有的《海籍调查规范》（HY／T 124－2009）以及《海域使用面积测量规范》（HY 070－2003）中，明确规定了测绘基准之一的坐标系采用WGS－84世界大地坐标系［1－2］。根据国家测绘局公告2008年第2号文件，我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系，规定了2000国家大地坐标系与现行国家大地坐标系转换、衔接的过渡期为8～10年，而且规定2008年7月1日后新产生的各类测绘成果应采用2000国家大地坐标系。目前，有关海域使用论证工作，如宗海图测量及界址点测绘、海籍调查等，仍然采用WGS－84坐标系。在实际工作中，有些参与海域使用论证的相关人员不清楚两者的区别，也没有意识到不同坐标系带来的影响。

围绕上述问题，本研究介绍了WGS－84坐标系和2000国家大地坐标系及其区别，并根据海域管理的特点，给出了建设性的意见。

2 坐标系及我国坐标系使用现状

2.1 坐标系涵义及实现

坐标系是定义坐标如何实现的一套理论方法。包括定义原点、基本平面和坐标轴的指向，同时还包括基本的数学和物理模型。现代完整的坐标系定义中包括了坐标系采用的参考地球椭球参数，以及实现该坐标系的大地控制网点［3］。坐标系类型主要有参心坐标系和地心坐标系两种；坐标系从表现形式上看，常用的有空间直角坐标系、空间大地坐标系和平面直角坐标系等。

空间直角坐标系的坐标系原点位于参考地球椭球的中心，Z轴指向参考椭球的北极，X轴指向起始子午面与赤道的交点，Y轴位于赤道面上，且按右手系与X轴呈90°夹角。某点在空间中的坐标可用该点在此坐标系的各个坐标轴上的投影来表示。

空间大地坐标系是采用大地经度、大地纬度和大地高来描述空间位置的，即人们通常说的地理坐标。纬度是空间的点与参考地球椭球面的法线与赤道面的夹角，经度是空间中的点与参考地球椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角，大地高是空间点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。

平面直角坐标系是利用投影变换，将空间坐标（空间直角坐标或空间大地坐标）通过某种数学变换映射到平面上。投影变换的方法有很多，我国最常采用的是高斯－克吕格投影（也称为高斯投影）、通用墨卡托（Universal Transverse Mercator，UTM）投影，以及海图常采用的墨卡托投影。

2.2 我国坐标系使用现状

新中国成立以来，我国先后建立采用了1954年北京坐标系、1980西安坐标系和新1954年北京坐标系，这些坐标系均属于参心坐标系，其建立受当时科技水平的限制，均与现代科技手段测定的结果存在较大差异，如参考地球椭球的原点与地球的质量中心有较大偏差，椭球的指向也不精确，导致无法采用现代观测技术，实时获取点位的三维坐标，如全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），包括美国全球导航定位系统（GPS）、北斗、俄罗斯格罗纳斯卫星导航定位系统（GLONASS）和伽利略卫星导航定位系统等。

20世纪80年代以来，随着空间技术的发展，以真实地球质量中心为原点的地心坐标系统得以实现，其测量精度比参心坐标系的精度提高了10倍以上，而且可以快速获取点的精确三维地心坐标。目前，我国公布使用的2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），美国GPS使用的WGS－84坐标系，就是在现代空间观测技术的发展基础上，建立起的地心坐标系。采用地心坐标系，可以更好地阐明地球上各种地理和物理现象，特别是空间物体的运动，也可以更充分利用现代最新科技成果，为国家信息现代化服务。

20世纪90年代以来，我国海洋调查开始普遍使用GPS作为定位手段获取海洋信息的空间位置，GPS技术的使用极大地提高了工作效率，提高了成果的空间位置准确性。围绕海洋开展的科研和资源开发利用，尤其是深远海的海洋调查及资源开发，GPS已经成为海上定位必不可少的技术手段。随着我国自主北斗导航卫星定位系统的建立，可使用多星座多卫星组合定位开展海洋调查，不仅提高了调查精度，而且降低了调查工作的风险。

目前，我国在海洋调查中坐标系使用现状堪忧，主要存在以下4个方面问题。

（1）成果更新慢：很多成果仍然采用1954年北京坐标系或1980西安坐标系，由此造成的测绘成果精度大大降低；

（2）多坐标系混用：由于坐标系统的使用混乱，导致不合格工程频现，甚至造成巨大的经济损失；

（3）CGCS2000推广应用执行进度缓慢；

（4）在海籍调查中，部分单位采用信标差分导航定位系统（DGPS）或星站差分GPS，精度满足不了规范的要求，且经常将CGCS2000和WGS－84混淆使用。

3 WGS-84坐标系和CGCS2000坐标系

目前GPS使用的坐标系统为WGS－84坐标系，属于协议地球坐标系，是一个更为精确的全球大地坐标系统［4］，WGS－84坐标系定义与国际地球参考系（ITRS）一致［8－9］。我国于2008年正式启用了地心坐标系统——2000国家大地坐标系（CGCS2000），WGS84坐标系与CGCS2000坐标系之间有很多共同点，但有些细微差异，两坐标系从定义和框架实现上都是不同的。

3.1 WGS-84和CGCS2000坐标系统定义

WGS－84坐标系的原点是地球的质心（包括海洋和大气的整个地球地质量中心），Z轴指向BIH1984．0定义的协议地极（Conventional Terrestrial Pole，CTP）方向，X轴指向BIH1984．0零子午面和CTP赤道的焦点，Y轴和Z轴、X轴构成右手坐标系。WGS－84坐标系由12个地面跟踪站和卫星星历共同维持。经过1994年和1996年两次精化，WGS－84坐标系与ITRF符合精度（RMS）在5 cm以内；经过2001年的再次精化，WGS－84坐标系与ITRF2000每一坐标分量的符合精度已达1 cm。

CGCS2000坐标系的定义包含坐标系的原点、3个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义，在定义上，CGCS2000坐标系与WGS－84坐标系是一致的，即关于坐标系原点、尺度、定向及定向演变的定义都是相同的。两个坐标系使用的参考椭球也非常相近，具体地说，在4个椭球常数a、f、GM、ω中，唯有扁率f有微小差异，在赤道上只引起1 mm误差［10］。

两坐标系的定义参数上比较如表1所示。

表1 WGS-84坐标系与CGCS2000坐标系比较

3.2 WGS-84和CGCS2000框架实现

WGS－84坐标系通过GPS监测站坐标实现，监测站坐标用来计算GPS的精密星历。为了维持框架的精确性和稳定性，1994年、1996年和2001年WGS84先后进行3次精化［11－12］，即对GPS监测站的坐标进行3次更新，以使框架对准国际大地参考框架（ITRF），最新的WGS84（G1150）坐标系与ITRF2000的坐标分量互差为每分量1 cm，参考于WGS84（G1150）坐标系的美国国家地理空间情报局GPS精密星历与参考于ITRF2000的国际GPS服务机构精密星历的随后比较，证实两个参考系是一致的。

CGCS2000坐标系是通过2000国家GPS大地控制网的ITRF97、2000历元下坐标（和速度）实现的，实现精度约为3 cm［10］。

3.3 WGS-84和CGCS2000两者的差异

尽管CGCS2000坐标系与WGS84坐标系在坐标系定义及坐标参考框架实现上基本一致，但是它们两者之间还是存在以下差异。

（1）WGS8（G1150）坐标系等同于ITRF2000，CGCS2000坐标参考框架与ITRF97一致。同一点在CGCS 2000椭球和WGS 84椭球下经度相同，纬度的最大差值约为3．6×10－6″，相当于0．11 mm。这里主要是指椭球参数的不同而引起的同一点经纬度的差异，给定点位在某一框架和某一历元下的空间直角坐标，投影到CGCS 2000椭球和WGS 84椭球上所得的纬度的最大差异相当于0．11 mm［12］。

（2）坐标实现上，WGS84坐标系与CGCS2000坐标系在时间尺度存在差异，WGS84坐标系为某一历元下的坐标，CGCS2000坐标系为2000历元下的坐标。当历元相同时，两者之间只存在框架转换差；当历元不同时，两者之间存在历元转换差，具体坐标差异大小与测点速度场信息及WGS84坐标的历元信息有关。在某些速度变化较大的地区，同一点的WGS－84坐标值和CGCS2000坐标值相差20～30 cm，随着时间的推移，差值会越来越大。

4 海籍调查采用坐标系的建议

目前，有些测量单位在进行海籍调查时，直接采用各地建立的连续运行参考站系统（CORS）获取宗海的界址点坐标，其坐标系统为CGCS2000，而有些单位则采用交通运输部建立的沿海信标站或商业用的广域差分获取界址点坐标，其坐标系统为WGS－84。无论是海洋管理部门，还是海籍调查测量单位，经常将WGS－84坐标系和CGCS2000坐标系混淆使用。暂且不说其测量精度是否满足有关规范，即便精度达到了也会出现宗海拼接错误现象。鉴于以上讨论和实际情况，在海籍调查中有关坐标系使用的问题建议如下。

（1）沿海各省、市、自治区相继建立起了基于CGCS2000的CORS系统，可以使用现有的GNSS定位设备实时获得高精度的定位点坐标，非常方便与海域使用管理相关的执法和监测测量，建议修改海籍调查相关规范中规定的使用WGS－84坐标系统，而采用国家法定的坐标系统，即2000国家大地坐标系。

（2）海洋管理部门委托技术力量雄厚的单位，将现有的海籍成果统一转换至CGCS2000坐标。

（3）考虑使用的方便，各地大多建有与国家法定坐标系相联系的地方坐标系，建议在提交有关海域论证和海籍调查的成果中，同时提供地方坐标系成果。

5 结束语

WGS84坐标系与CGCS2000坐标系在时间尺度存在差异，WGS－84坐标系为观测历元下的坐标，CGCS2000坐标系为2000历元下的坐标。当历元不同时，两者之间存在历元转换差，具体坐标差异大小与测点速度场信息及WGS－84坐标的历元信息有关。因此，随着沿海各地CORS系统陆续投入使用，以及我国自主北斗卫星导航系统的使用，海籍调查中采用WGS－84坐标系是不方便的，建议采用2000国家大地坐标系。

［1］ 国家海洋局．HY／T 124－2009，海籍调查规范［S］．北京：中国标准出版社，2009．

［2］ 国家海洋局．HY 070－2003，海域使用面积测量规范［S］．北京：中国标准出版社，2003．

［3］ 孔祥元，郭际明，刘宗泉．大地测量学基础［M］．武汉，武汉大学出版社，2010．

［4］ 党亚民，成英燕，薛树强．大地坐标系统及其应用［M］．北京：测绘出版社，2010．

［5］ 程鹏飞，成英燕，文汉江，等．2000国家大地坐标系实用宝典［M］．北京：测绘出版社，2008．

［6］ 程鹏飞，文汉江，成英燕，等．2000国家大地坐标系椭球参数与GRS 80和WGS 84的比较［J］．测绘学报，2009，38（3）：189－194．

［7］ 魏子卿．我国大地坐标系的换代问题［J］．武汉大学学报：信息科学版，2003，28（2）：138－1433．

［8］ 陈俊勇．关于中国采用地心三维坐标系统的探讨［J］．测绘学报．2003，32（4）：283－288．

［9］ 陈俊勇．邻近国家大地基准的现代化［J］．测绘通报，2003（10）：1－3．

［10］ 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．

［11］ Addendum to NIMA TR 8350．2：Implementation of the world geodetic system 1984（WGS 84）reference frame G1150［EB／OL］．［2013－12－27］．http：／／earth－info．Nga．mil／GandG／pub－locations／tr8350．2／Addendum%20NIMA%20TR8350．2．pdf／，National Geospatial-intelligence Agency，23 June 2004．

［12］ National Imagery and Mapping Agency．Department of defenseworld geodetic system 1984：its definition and relationships with local geodetic systems［R］．National Imagery and Mapping Agency technical report8350．2 third editions，3 January 2000．