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摘要：2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000,简称CGCS2000）是我国新一代地心坐标系，介绍了2000国家大地坐标系（CGCS2000）的定义、实现及其特点，分析了地方独立坐标系的建立情况，阐述了建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的转换方法，对建立地方坐标系与2000国家大地坐标系的联系有一定的指导意义。
关键词：2000国家大地坐标系；地方独立坐标系；坐标转换
Abstract: the earth Coordinate System 2000 countries (China Geodetic Coordinate System 2000, hereinafter referred to as CGCS2000) is a new generation of the Coordinate System in our country, this paper introduces the earth Coordinate System 2000 countries (CGCS2000) of the definition, realize and its characteristics, analyzed the place of establishing independent Coordinate System, the article elaborates establish the local independent Coordinate System and the 2000 national Coordinate transition method, to establish the local Coordinate System and the earth Coordinate System 2000 countries of the contact has some significance.
Keywords: 2000 countries the earth coordinate system; Local independent coordinate system; Coordinate transformation
中图分类号：P286 文献标识码：A 文章编号
0 引言
随着空间测量技术的普及和精度的进一步提高，使传统大地测量工作发生了质的变化，迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。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8～10年。针对地方坐标系存在着多样性和复杂性，现有各类测绘成果，在过渡期内，将地方坐标系统一转换为2000国家大地坐标系，使地理信息系统得到统一，并依法建有地方独立坐标系的应建立与2000国家大地坐标系的转换关系。
在2000国家大地坐标系全面启用的同时，完成现行国家大地坐标系、各地及相关行业建立的地方独立坐标系向2000国家大地坐标系转换则成为启用与推广2000国家大地坐标系的一项重要工作。2000国家大地坐标系的推行，将促进现在最新科技成果的更好利用，有利于我国大地基准的维护，保持我国大地坐标系的先进性、科学性和适用性，能充分提高数据采集、加工处理的作业效率，为国民经济建设提供更好的测绘保障。
1 2000国家大地坐标系简介
1.1定义及实现
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。在国家测绘局发布的“现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南”中，对2000国家大地坐标系有完整的定义：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国家大地坐标系采用的地球椭球参数为：
长半轴 a=6378137m
扁率 f=1/298.257222101
地心引力常數 GM=3.986004418×1014m3s-2
自转角速度 ω=7.292115×10-5rads-1
根据上述4个参数可以导出测量计算中所需要的其它参数。
2000国家大地坐标系通过2000国家GPS大地控制网的点在历元2000.0的坐标和速度具体体现。2000国家GPS大地控制网是由国家测绘局布设的GPSA、B级网、总参测绘局布设的GPS一、二级网以及由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网，还有其他地壳形变GPS监测网等组成，通过联合数据处理将框架点坐标统一归算到一个坐标参考框架（参考框架为ITRF97,参考历元为J2000.0）下，从而得到2000国家GPS大地网的坐标。这样2000国家大地坐标系的实现精度是：在参考历元2000.0，水平坐标与高程坐标的精度分别好于1cm和3cm，水平速度的精度约3mm/a。
1.2 2000国家大地坐标系的特点
从2000国家大地坐标系的定义可以看出，2000国家大地坐标系是一个地心坐标系，与我国已有的1954北京坐标系、1980西安坐标系等参心坐标系有很大的不同，主要体现在以下5方面：
1.2.1椭球定位方式不同
参心坐标系是为了研究局部球面形状，在使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小的原则下，选择和局部区域的大地水准面最为吻合的椭球所建立的坐标系。由于参心坐标系未与地心发生联系，不利于研究全球形状和板块运动等，也无法建立全球统一的大地坐标系。2000国家大地坐标系为地心坐标系，它所定义的椭球中心与地球质心重合，且椭球定位与全球大地水准面最为密和。
1.2.2实现技术不同
我国现行参心坐标系是采用传统的大地测量手段，即测量标志点之间哦距离、方向，通过平差的方法得到各点相对于起始点的位置，由此确定各点在参心系下的坐标。2000国家大地坐标系框架是通过空间大地测量观测技术、获取各测站在ITRF框架下的地心坐标。
1.2.3维数不同
现行参心坐标系为二维坐标系，2000国家大地坐标系为三维坐标系。
1.2.4原点不同
现行参心坐标系原点与地球质量中心有较大偏差，2000国家大地坐标系原点位于地球质量中心。
1.2.5精度不同
参心坐标系由于当时客观条件的限制，缺乏高精度的外部控制，长距离精度较低，在空间技术广泛应用的今天，难以满足用户的需求。2000国家大地坐标系精度比现行参心坐标系精度要提高10倍，相对精度可达10-7～10-8。
2000国家大地坐标系有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，有利于测定高精度大地控制点三维坐标，提高测图工作效率等。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。可以充分利用现代最新科技成果，为国家信息现代化服务，采用地心坐标系已经是国际测量界的总趋势。
2 建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的转换方法
2.1地方独立坐标系的概况
地方独立坐标系是我国在建立与推广应用1954年北京坐标系和1980西安坐标系两个国家大地坐标系的同时，为满足经济建设等各方面的需要，部分地区或行业利用传统大地测量手段建立起来的区域性的坐标系。因为在城市或工程建设地区布设测量控制网时，其成果不仅要满足1;500、1:1000等大比例尺测图需要，而且还应满足一般工程放样的需要，施工放样时要求控制网由坐标反算的长度与实测的长度尽可能相符，而国家坐标系的坐标成果是无法满足这些要求的，因为国家坐标系每个投影带都要按一定的间隔（60或30）划分，由向东有规律分布，其中央子午线不可能刚好落在每个城市和工程建设地区的中央。再者国家坐标系的高程归化面是参考椭球面，各地区的地面位置与参考椭球面都有一定的距离，这两项将产生高斯投影变形改正和高程归化改正，经过这两项改正后的长度不可能与实测的长度相等。地方独立坐标系建立的主要原则就是保证城市范围内长度变形最小，满足城市测量每千米长度变形小于2.5cm要求。
据不完全统计，目前全国约有千余套地方独立坐标系，存在着复杂多样性，具有浓郁的区域性特点。地方独立坐标系采用的参考椭球一般与国家坐标系是一致的，根据各城市具体情况设计建立方法，地方坐标系根据建立方法概括为三种类型或组合：
2.1.1高斯投影于参考椭球面上任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用高斯投影计算方法，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在参考椭球面上。
2.1.2高斯投影于抵偿高程面的任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用椭球变换法或比例缩放法进行变换，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在抵偿高程面上。
2.1.3以中心点坐标平移和旋转，地方坐标系的中央子午线与国家坐标系保持一致，投影面设置在参考椭球面上，对坐标进行平移和旋转。
2.2转换方法
随着国家经济建设的发展，地方独立坐标系测绘成果转换到国家坐标系的需求也随之不断增多，促使建立地方独立坐标系与国家大地坐标系转换关系变得十分必要，也是急需解决的问题。在此，收集整理了三种建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的坐标转换方法。
2.2.1利用公共点求解两套坐标系统间的转换参数实现转换
按照国家测绘局发布的“现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南”，建立相对独立的平面坐标系与2000国家大地坐标系联系时，坐标转换模型要同时适用于地方控制点转换和城市数字地图的转换。一般采用平面四参数转换模型，重合点较多时可采用多元回归模型。当相对独立的平面坐标系统控制点和数字地图均为三维地心坐标时，采用Bursa七参数转换模型。坐标转换中误差应小于0.05米。并明确了重合点的选取原则：择优选取地方控制网的起算点及高精度控制点、周围国家高精度的控制点，大中城市至少选取5个重合点，重合点要分布均匀，包括城市区域，并在城市内部选定至少6个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核。
2.2.2通过与具有2000国家大地坐标系的高等级点联测实现对低等级GPS网进行约束平差的方法实现转换
当一个GPS控制网周围存在若干足够数量的具有2000国家大地坐标系坐标的控制点时，我们可通过将低等级的GPS网与这些高等级点联测或者利用原有联测数据，以这些高等级的具有2000国家大地坐标的控制点作为约束条件，在WGS84椭球下进行3维约束平差，平差的结果将属于2000国家大地坐标。一般情况下GPS网数据都是作为原始观测资料上交并保存的，若该GPS网与周边高等级具有2000国家大地坐标的点进行了联测。以这些点2000国家大地坐标为约束条件的3维平差的结果就属于2000国家大地坐标系。
2.2.3将具有ITRF框架坐标的点位通过框架转换和历元转换，得到2000国家大地坐标
从2000国家大地坐标系的实现来看，点的2000国家大地坐标与点的ITRF97框架，2000.0历元坐标是一致的，通过GAMIT相对定位方法或者精密单点定位（PPP）的方法都可以获取点位的ITRF框架下的坐标，此时获取的点位坐标的基准与结算使用的精密星历的基准是一致的，这个基准包括其所在的框架和历元，例如，目前精密星历采用的是IGS2005框架，历元为观测当天的瞬时历元，因此利用前面所述的方法计算的结果将是基于ITRF2005框架，观测当天的历元，此时只需要通过框架转换和历元转换将ITRF2005框架观测当天历元坐标转换到ITRF1997框架，2000.0历元，可以认为转换后的坐标就是属于2000国家大地坐标系。
3 结束语
本文对2000国家大地坐标系的定义、实现及其与我国现行1954北京坐标系、1980西安坐标系的异同进行了介绍，分析了我国地方独立坐标系的情况，根据建立方法将地方独立坐标系概括为三种类型和组合，阐述了建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的三种转换方法，对实现地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的有效衔接，有利于地理信息系统与GPS有效的结合,可以进一步提升城市的综合服务能力，对推广2000国家大地坐标系和在2000国家大地坐标系原则下独立坐标系的继续使用具有重要的意义。
参考文献：
[1]熊四明，2000国家大地坐标系下点位坐标转换方法浅析[J].测绘与空间地理信息，2009,32（5）:155-158.
[2]魏子卿，2000中国大地坐标系及其与WGS84的比较[J].大地测量與地球动力学，2008,28（5）：1-5 [3]程鹏飞，成英燕等，2000国家大地坐标系实用宝典[M].北京：测绘出版社 2008.10
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：2000国家大地坐标系；地方独立坐标系；坐标转换
Abstract: the earth Coordinate System 2000 countries (China Geodetic Coordinate System 2000, hereinafter referred to as CGCS2000) is a new generation of the Coordinate System in our country, this paper introduces the earth Coordinate System 2000 countries (CGCS2000) of the definition, realize and its characteristics, analyzed the place of establishing independent Coordinate System, the article elaborates establish the local independent Coordinate System and the 2000 national Coordinate transition method, to establish the local Coordinate System and the earth Coordinate System 2000 countries of the contact has some significance.
Keywords: 2000 countries the earth coordinate system; Local independent coordinate system; Coordinate transformation
中图分类号：P286 文献标识码：A 文章编号
0 引言
随着空间测量技术的普及和精度的进一步提高，使传统大地测量工作发生了质的变化，迫切要求国家提供高精度、地心、动态、实用、统一的大地坐标系作为各项社会经济活动的基础性保障。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8～10年。针对地方坐标系存在着多样性和复杂性，现有各类测绘成果，在过渡期内，将地方坐标系统一转换为2000国家大地坐标系，使地理信息系统得到统一，并依法建有地方独立坐标系的应建立与2000国家大地坐标系的转换关系。
在2000国家大地坐标系全面启用的同时，完成现行国家大地坐标系、各地及相关行业建立的地方独立坐标系向2000国家大地坐标系转换则成为启用与推广2000国家大地坐标系的一项重要工作。2000国家大地坐标系的推行，将促进现在最新科技成果的更好利用，有利于我国大地基准的维护，保持我国大地坐标系的先进性、科学性和适用性，能充分提高数据采集、加工处理的作业效率，为国民经济建设提供更好的测绘保障。
1 2000国家大地坐标系简介
1.1定义及实现
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。在国家测绘局发布的“现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南”中，对2000国家大地坐标系有完整的定义：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国家大地坐标系采用的地球椭球参数为：
长半轴 a=6378137m
扁率 f=1/298.257222101
地心引力常數 GM=3.986004418×1014m3s-2
自转角速度 ω=7.292115×10-5rads-1
根据上述4个参数可以导出测量计算中所需要的其它参数。
2000国家大地坐标系通过2000国家GPS大地控制网的点在历元2000.0的坐标和速度具体体现。2000国家GPS大地控制网是由国家测绘局布设的GPSA、B级网、总参测绘局布设的GPS一、二级网以及由中国地震局、总参测绘局、中国科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网，还有其他地壳形变GPS监测网等组成，通过联合数据处理将框架点坐标统一归算到一个坐标参考框架（参考框架为ITRF97,参考历元为J2000.0）下，从而得到2000国家GPS大地网的坐标。这样2000国家大地坐标系的实现精度是：在参考历元2000.0，水平坐标与高程坐标的精度分别好于1cm和3cm，水平速度的精度约3mm/a。
1.2 2000国家大地坐标系的特点
从2000国家大地坐标系的定义可以看出，2000国家大地坐标系是一个地心坐标系，与我国已有的1954北京坐标系、1980西安坐标系等参心坐标系有很大的不同，主要体现在以下5方面：
1.2.1椭球定位方式不同
参心坐标系是为了研究局部球面形状，在使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小的原则下，选择和局部区域的大地水准面最为吻合的椭球所建立的坐标系。由于参心坐标系未与地心发生联系，不利于研究全球形状和板块运动等，也无法建立全球统一的大地坐标系。2000国家大地坐标系为地心坐标系，它所定义的椭球中心与地球质心重合，且椭球定位与全球大地水准面最为密和。
1.2.2实现技术不同
我国现行参心坐标系是采用传统的大地测量手段，即测量标志点之间哦距离、方向，通过平差的方法得到各点相对于起始点的位置，由此确定各点在参心系下的坐标。2000国家大地坐标系框架是通过空间大地测量观测技术、获取各测站在ITRF框架下的地心坐标。
1.2.3维数不同
现行参心坐标系为二维坐标系，2000国家大地坐标系为三维坐标系。
1.2.4原点不同
现行参心坐标系原点与地球质量中心有较大偏差，2000国家大地坐标系原点位于地球质量中心。
1.2.5精度不同
参心坐标系由于当时客观条件的限制，缺乏高精度的外部控制，长距离精度较低，在空间技术广泛应用的今天，难以满足用户的需求。2000国家大地坐标系精度比现行参心坐标系精度要提高10倍，相对精度可达10-7～10-8。
2000国家大地坐标系有利于采用现代空间技术对坐标系进行维护和快速更新，有利于测定高精度大地控制点三维坐标，提高测图工作效率等。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。可以充分利用现代最新科技成果，为国家信息现代化服务，采用地心坐标系已经是国际测量界的总趋势。
2 建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的转换方法
2.1地方独立坐标系的概况
地方独立坐标系是我国在建立与推广应用1954年北京坐标系和1980西安坐标系两个国家大地坐标系的同时，为满足经济建设等各方面的需要，部分地区或行业利用传统大地测量手段建立起来的区域性的坐标系。因为在城市或工程建设地区布设测量控制网时，其成果不仅要满足1;500、1:1000等大比例尺测图需要，而且还应满足一般工程放样的需要，施工放样时要求控制网由坐标反算的长度与实测的长度尽可能相符，而国家坐标系的坐标成果是无法满足这些要求的，因为国家坐标系每个投影带都要按一定的间隔（60或30）划分，由向东有规律分布，其中央子午线不可能刚好落在每个城市和工程建设地区的中央。再者国家坐标系的高程归化面是参考椭球面，各地区的地面位置与参考椭球面都有一定的距离，这两项将产生高斯投影变形改正和高程归化改正，经过这两项改正后的长度不可能与实测的长度相等。地方独立坐标系建立的主要原则就是保证城市范围内长度变形最小，满足城市测量每千米长度变形小于2.5cm要求。
据不完全统计，目前全国约有千余套地方独立坐标系，存在着复杂多样性，具有浓郁的区域性特点。地方独立坐标系采用的参考椭球一般与国家坐标系是一致的，根据各城市具体情况设计建立方法，地方坐标系根据建立方法概括为三种类型或组合：
2.1.1高斯投影于参考椭球面上任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用高斯投影计算方法，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在参考椭球面上。
2.1.2高斯投影于抵偿高程面的任意带平面直角坐标系，这种类型通常采用椭球变换法或比例缩放法进行变换，将地方坐标系的中央子午线设置在城市中心，投影面设置在抵偿高程面上。
2.1.3以中心点坐标平移和旋转，地方坐标系的中央子午线与国家坐标系保持一致，投影面设置在参考椭球面上，对坐标进行平移和旋转。
2.2转换方法
随着国家经济建设的发展，地方独立坐标系测绘成果转换到国家坐标系的需求也随之不断增多，促使建立地方独立坐标系与国家大地坐标系转换关系变得十分必要，也是急需解决的问题。在此，收集整理了三种建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的坐标转换方法。
2.2.1利用公共点求解两套坐标系统间的转换参数实现转换
按照国家测绘局发布的“现有测绘成果转换到2000国家大地坐标系技术指南”，建立相对独立的平面坐标系与2000国家大地坐标系联系时，坐标转换模型要同时适用于地方控制点转换和城市数字地图的转换。一般采用平面四参数转换模型，重合点较多时可采用多元回归模型。当相对独立的平面坐标系统控制点和数字地图均为三维地心坐标时，采用Bursa七参数转换模型。坐标转换中误差应小于0.05米。并明确了重合点的选取原则：择优选取地方控制网的起算点及高精度控制点、周围国家高精度的控制点，大中城市至少选取5个重合点，重合点要分布均匀，包括城市区域，并在城市内部选定至少6个均匀分布的重合点对坐标转换精度进行检核。
2.2.2通过与具有2000国家大地坐标系的高等级点联测实现对低等级GPS网进行约束平差的方法实现转换
当一个GPS控制网周围存在若干足够数量的具有2000国家大地坐标系坐标的控制点时，我们可通过将低等级的GPS网与这些高等级点联测或者利用原有联测数据，以这些高等级的具有2000国家大地坐标的控制点作为约束条件，在WGS84椭球下进行3维约束平差，平差的结果将属于2000国家大地坐标。一般情况下GPS网数据都是作为原始观测资料上交并保存的，若该GPS网与周边高等级具有2000国家大地坐标的点进行了联测。以这些点2000国家大地坐标为约束条件的3维平差的结果就属于2000国家大地坐标系。
2.2.3将具有ITRF框架坐标的点位通过框架转换和历元转换，得到2000国家大地坐标
从2000国家大地坐标系的实现来看，点的2000国家大地坐标与点的ITRF97框架，2000.0历元坐标是一致的，通过GAMIT相对定位方法或者精密单点定位（PPP）的方法都可以获取点位的ITRF框架下的坐标，此时获取的点位坐标的基准与结算使用的精密星历的基准是一致的，这个基准包括其所在的框架和历元，例如，目前精密星历采用的是IGS2005框架，历元为观测当天的瞬时历元，因此利用前面所述的方法计算的结果将是基于ITRF2005框架，观测当天的历元，此时只需要通过框架转换和历元转换将ITRF2005框架观测当天历元坐标转换到ITRF1997框架，2000.0历元，可以认为转换后的坐标就是属于2000国家大地坐标系。
3 结束语
本文对2000国家大地坐标系的定义、实现及其与我国现行1954北京坐标系、1980西安坐标系的异同进行了介绍，分析了我国地方独立坐标系的情况，根据建立方法将地方独立坐标系概括为三种类型和组合，阐述了建立地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的三种转换方法，对实现地方独立坐标系与2000国家大地坐标系的有效衔接，有利于地理信息系统与GPS有效的结合,可以进一步提升城市的综合服务能力，对推广2000国家大地坐标系和在2000国家大地坐标系原则下独立坐标系的继续使用具有重要的意义。
参考文献：
[1]熊四明，2000国家大地坐标系下点位坐标转换方法浅析[J].测绘与空间地理信息，2009,32（5）:155-158.
[2]魏子卿，2000中国大地坐标系及其与WGS84的比较[J].大地测量與地球动力学，2008,28（5）：1-5 [3]程鹏飞，成英燕等，2000国家大地坐标系实用宝典[M].北京：测绘出版社 2008.10
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。