我国坐标系统的演变与2000国家大地坐标系的使用

周鹏

摘 要：作为重要的空间基础设施之一，坐标系统及其实现为自然资源调查、城乡规划、城市建设等各项人类活动提供了空间参考基准，标定了各类人工、自然地物的空间位置。随着对地观测技术、装备的不断发展与创新，我国的坐标系统经历了从直接使用国外坐标系统到建立我国自主的坐标系统，从各地区误差不一到全国符合较好，从低精度到高精度，从传统手段到卫星定位技术，从参考椭球到地球椭球的转变。目前，我国已开始全面使用2000国家大地坐标系，本文通过回顾我国坐标系统的历史演变，描述2000国家大地坐标系的特点，从而促进2000国家大地坐标系的推广应用。

关键词：坐标系统；CGCS2000；2000国家大地坐标系；地球椭球；参考椭球

1 引言

在地球空间内描述物体的位置通常使用空间直角坐标系、大地坐标系与高斯平面直角坐标系。其中，空间直角坐标系在定义原点与三轴指向的基础上，量测地物与三个坐标系平面的距离，可以直接确定地物的三维空间位置。大地坐标系在定义参考椭球的基础上，通过量测地物与起始子午面、赤道面之间的夹角确定地物的平面位置（大地经度、大地纬度），通过量测地物沿法线方向到椭球面的距离确定地物的高程（大地高）。

由于空间直角坐标系与大地坐标系不够直观、不便计算，实际工作中常将平面与高程相分离，分别采用高斯平面直角坐标系和正常高来描述地物的平面位置与高程。高斯平面直角坐标系中，使用一个椭圆柱横向套合在参考椭球上，使得椭圆柱与参考椭球的一个经线圈（中央子午线）相切，然后沿中央子午线将椭球面投影到椭圆柱上，以中央子午线投影的北方向为x轴正方向，以赤道投影的东方向为y轴正方向。

高斯平面直角坐标系中，离中央子午线越远，长度变形越大，因此，需要限制东西向的投影跨度。我国一般使用3°带或6°带高斯平面直角坐标系（中央子午线两侧最远两点经度差为3°或6°）。

2 我国平面坐标系统的演变

2.1 1954年北京坐标系

我国成立初期，由于缺乏完善的天文大地观测资料，暂时采用了克拉索夫斯基椭球，对前苏联1942年坐标系进行了延伸，通过联测与平差计算，建立了我国第一个参心高斯平面直角坐标系，即1954年北京坐标系。该坐标系的大地原点位于前苏联普尔科沃。

自1954年北京坐标系建立以来，我国建设了全国天文大地网，各级测绘部门测制了各级比例尺的地形图等测绘地理信息成果，服务于国防和经济建设的各个领域。随着时代发展，该坐标系渐渐无法完全满足的需要：

（1）克拉索夫斯基参考椭球与现代大地测量所认识的地球的参数差距较大，与我国整体的大地水准面符合性不高，大比例尺投影变形无法满足要求。

（2）椭球定向既不与国际通用一致，也不指向我国的极原点JYD1968.0，起始子午面也与国际通用不同，导致进行坐标转换时误差较大。

（3）不是全国整体平差计算，相邻平差区域的大地点成果不一致。

2.2 1980西安坐标系

为了解决1954年北京坐标系逐渐凸显的问题，我国大地测量专家组织建设了1980西安坐标系。该坐标系采用了1975年国际大地测量和地球物理联合会推荐的椭球参数，采用多点定位，在我国境内与大地水准面最为密合；大地原点位于我国中部，可确保全国天文大地网整体平差误差分布的均匀性；椭球定向指向我国极原点JYD1968.0，起始子午面平行于格林尼治平均天文台的子午面。

3 2000国家大地坐标系的使用

3.1 背景

1954年北京坐标系与1980西安坐标系均为参心坐标系，以椭球的几何中心为原点，表现为遍布全国的各等级大地控制点及其坐标成果。一方面，需要确定大地控制点的坐标，另一方面，需要以大地控制点的坐标成果来维持参心坐标系，因此，需要定期进行全国范围的天文大地测量和高等级控制测量，所耗费的人力物力多，工作强度大，数据解算复杂。

进入20世纪80年代，精度高、范围广、更新快的全球卫星定位技术、甚长基线干涉测量技术、卫星激光测月等大地测量技术迅速发展，加上卫星运行基于地球质心，因此，建设基于地球质心的坐标系统成为可能。

3.2 2000國家大地坐标系的使用

我国的地心坐标系建立是伴随着自主卫星导航定位系统建设的。从20世纪90年代开始，我国逐步开展自主卫星导航定位系统的建设。从陈芳允院士提出的“双星系统”，到我国参与欧盟的“伽利略计划”，再到北斗卫星导航系统的“三步走”计划，我国大地测量专家基于不同历史条件下的基本国情，进行了自主卫星导航系统建设的探索。2012年12月27日，我国的“北斗卫星导航系统”正式向亚太地区用户提供导航、定位、授时服务；2018年7月29日，成功发射第34、35颗北斗导航卫星；根据“三步走”计划，到2030年，我国将建成由GEO、IGSO、MEO组成的北斗全卫星星座，为全球用户提供实时的导航、定位、授时服务。

2008年，经国务院批准，“我国自2008年7月1日起，启用2000国家大地坐标系……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年至10年”。2017年3月，原国土资源部、原国家测绘地理信息局根据实际情况，要求“2018年6月底前完成全系统各类国土资源空间数据向2000国家大地坐标系转换，2018年7月1日起全面使用2000国家大地坐标系”。2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心，采用全球卫星定位技术等高新技术手段建立并进行框架的维持，精度高，维护效率高，可实现框架的动态性并保证全国坐标系统的统一。

4 结语

相比参心坐标系，2000国家大地坐标系精度高，更新快，便于维持，全国统一。目前，我国已在国土资源系统全面使用2000国家大地坐标系。国土资源系统的基础地理空间数据转换为2000国家大地坐标之后，今后将在全社会逐步推广2000国家大地坐标系。

参考文献

[1] 陈俊勇.我国建立现代大地基准的思考[J].武汉大学学报（信息科学版），2002（05）：441-444.