大地坐标系统和高程系统.doc

常用坐标系与高程系简介
(2012-05-08 08:48:14)
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克拉索夫斯基
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大地坐标系
高程基准
杂谈
分类： 设计资料
常用坐标系
       1、北京54坐标系
北京54坐标系为参心大地坐标系，大地上的一点可用经度L54、纬度M54和大地高H54定位，它是以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。
1954年北京坐标系的历史：
新中国成立以后，我国大地测量进入了全面发展时期，再全国范围内开展了正规的，全面的大地测量和测图工作，迫切需要建立一个参心大地坐标系。由于当时的“一边倒”政治趋向，故我国采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。因此，1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京而是在前苏联的普尔科沃。
北京54坐标系，属三心坐标系，长轴6378245m，短轴6356863，扁率1/298.3；
2、西安80坐标系
1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980年国家大地坐标系。1980年国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据，即IAG75地球椭球体。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980年西安坐标系，又简称西安大地原点。基准面采用青岛大港验潮站1952－1979年确定的黄海平均海水面（即1985国家高程基准）。
西安80坐标系，属三心坐标系，长轴6378140m，短轴6356755，扁率1/298.25722101
3、2000国家大地坐标系的定义
国家大地坐标系的定义包括坐标系的原点、三个坐标轴的指向、尺度以及地球椭球的4个基本参数的定义。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；2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，X轴由原点指向格林尼治参考子午线与地球赤道面（历元2000.0）的交点，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。采用广义相对论意义下的尺度。
2000国家大地坐标系，长半轴6378137m，扁率f=1/298.257222101，地心引力常数GM＝3.986004418×1014m3s-2，自转角速度ω＝7.292l15×10-5rads-1。
4、WGS84坐标系
WGS－84坐标系（WorldGeodeticSystem）是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向国际时间局（BIH）1984.0定义的协议地极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的协议子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系。这是一个国际协议地球参考系统（ITRS），是目前国际上统一采用的大地坐标系。GPS广播星历是以WGS-84坐标系为根据的。
WGS84坐标系，长轴6378137.000m，短轴6356752.314，扁率1/298.257223563。 
由于采用的椭球基准不一样，并且由于投影的局限性，使的全国各地并不存在一至的转换参数。对于这种转换由于量较大，有条件的话，一般都采用GPS联测已知点，应用GPS软件自动完成坐标的转换。当然若条件不许可，且有足够的重合点，也可以进行人工解算。

常用高程系
1、我国常用高程系
“1956年黄海高程系”，是在1956年确定的。它是根据青岛验潮站1950年到1956年的黄海验潮资料，求出该站验潮井里横按铜丝的高度为3.61米，所以就确定这个钢丝以下3.61米处为黄海平均海水面。从这个平均海水面起，于1956年推算出青岛水准原点的高程为72.289米。
国家85高程基准其实也是黄海高程基准，只不过老的叫“1956年黄海高程系统”，新的叫“1985国家高程基准”，新的比旧的低0.029m
我国于1956年规定以黄海(青岛)的多年平均海平面作为统一基面，为中国第一个国家高程系统，从而结束了过去高程系统繁杂的局面。但由于计算这个基面所依据的青岛验潮站的资料系列（1950年～1956年）较短等原因，中国测绘主管部门决定重新计算黄海平均海面，以青岛验潮站1952年～1979年的潮汐观测资料为计算依据，并用精密水准测量接测位于青岛的中华人民共和国水准原点，得出1985年国家高程基准高程和1956年黄海高程的关系为：1985年国家高程基准高程=1956年黄海高程-0.029m。1985年国家高程基准已于1987年5月开始启用，1956年黄海高程系同时废止。
各高程系统之间的关系：
56黄海高程基准：+0.000
85高程基准（最新的黄海高程）：56高程基准-0.029
吴淞高程系统：56高程基准+1.688
珠江高程系统：56高程基准-0.586
我国目前通用的高程基准是：85高程基准
2、EGM96
EGM96 (Earth Gravitational Model 1996) is a geopotential model of the Earth consisting of spherical harmonic coefficients complete to degree and order 360. It is a composite solution, consisting of: (1) a combination solution to degree and order 70, (2) a block diagonal solution from degree 171 to 621, and (3) the quadrature solution at degree 360. This model is the result of a collaboration between the National Imagery and Mapping Agency (NIMA), the NASA Goddard Space Flight Center (GSFC), and Ohio State University.
The joint project took advantage of new surface gravity data from many different regions of the globe, including data newly released from the NIMA archives. Major terrestrial gravity acquisitions by NIMA since 1992 include airborne gravity surveys over Greenland and parts of the Arctic and the Antarctic, surveyed by the Naval Research Lab (NRL) and cooperative gravity collection projects, several which were undertaken with the University of Leeds. These collection efforts have improved the data holdings over many of the world's land areas, including Africa, Canada, parts of South America and Africa, Southeast Asia, Eastern Europe, and the former Soviet Union. In addition, there have been major efforts to improve NIMA's existing 30' mean anomaly database through contributions over various countries in Asia.
NIMA also computed and made available 30'×30' mean altimeter derived gravity anomalies from the GEOSAT Geodetic Mission. EGM96 also included altimeter derived anomalies derived from ERS-1 by Kort & Matrikelstyrelsen (KMS), (National Survey and Cadastre, Denmark) over portions of the Arctic, and the Antarctic, as well as the altimeter derived anomalies of Schoene [1996] over the Weddell Sea.
PGM2000A is an EGM96 derivative model that incorporates normal equations for the dynamic ocean topography implied by the POCM4B ocean circulation model.
注释：《1985 国家高程基准与全球似大地水准面之间的系统差及其分布规律》一文中指出：利用分布全国大陆范围的GPS网949个点的GPS/水准数据和地球重力场模型EGM96、DQM99A，求出1985国家高程基准点与WGS84定义的似大地水准面之间有35.7cm的垂直偏差，1985国家高程基准面的系统差自东向西、自南向北明显增大。

坐标系统间的转换
在实际应用中需要将GPS观测成果点位的WGS-84坐标转换为地面网的坐标，首先要把点位的WGS-84坐标转换成国家（或地区）的大地坐标，然后再把大地坐标转换成高斯平面直角坐标。
1)WGS-84坐标转换成国家大地坐标（图2-6）：

这是把地心坐标转换为参心坐标，其实质就是确定转换参数。通常由三个平移参数，三个旋转参数和一个尺度变化因素组成7个转换参数，其直角坐标转换公式为（2—3）式：

式中：ΔX0,ΔY0,ΔZ0为平移参数
k为尺度变化因子
ωX,ωY,ωZ为旋转参数,
其大地坐标转换公式简略写成（2-4）式：

在GPS卫星定位网的测量中，一般只需要进行两个坐标系之间作基线向量的转换，其转换公式为（2-5）式：

上式中不需要平移参数，只要三个旋转参数和一个尺度变化因子即可
2)大地坐标（B，L）转换为高斯平面直角坐标。
这种转换按高斯投影正算公式（2-6）式进行：

式中：X0为过P点的平行圈所截的中央子午线距赤道弧长；
NP为P点的卯酉圈半径；
l为过P点经度与投影带中央子午线经度之差；
B为P点的纬度；
t=tgB；
η2=(e´)2cos2B。