常用坐标系转换及坐标转换软件

常用坐标转换方法程鹏飞中国测绘科学研究院2010年６月10日坐标系基本概念一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围四一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围四1、地球的形状地球的大地水准面地球看做球形地球看做椭球地球为椭球大地水准面全球一致的总椭球地心坐标系－坐标原点位于地球质心2、地心坐标系与参心坐标系参心坐标系－坐标原点不位于地球质心地心坐标系和参心坐标系的特点地心坐标系适合于全球用途的应用参心坐标系适合于局部用途的应用有利于使局部大地水准面与参考椭球面符合更好保持国家坐标系的稳定有利于坐标系的保密参心坐标系原点与轴指向由给定点定义基于国家或局部参考椭球在国家内部进行平差参考系为水平坐标系LocalellipsoidGeoidLocalareaofinterest原点地球质量中心Z-轴地球平均旋转轴X-轴平均格林尼治子午面,垂直于Z轴P(X,Y,Z)格林尼治平均赤道面O平均格林尼治子午面地心坐标系全球椭球大地水准面WGS-84坐标系3、常用坐标系国际地球参考框架(ITRF)*1954年北京坐标系*1980西安坐标系*新1954北京坐标系*2000国家大地坐标系我国大地基准参心坐标系地心坐标系存在的问题：（1）椭球参数有较大误差。（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。（4）定向不明确。3.11954年北京坐标系1.1954年北京坐标系（BJ54旧）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。平差方法：天文大地网整体平差。3.21980年国家大地坐标系（GDZ80）特点：（1）采用1975年国际椭球。（2）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（3）定向明确。（4）大地原点地处我国中部。（5）大地高程基准采用1956年黄海高程。新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：天文大地网整体平差。3.3新1954年北京坐标系（BJ54新）BJ54新的特点：（1）采用克拉索夫斯基椭球。（2）是综合GDZ80和BJ54旧建立起来的参心坐标系。3.3新1954年北京坐标系（BJ54新）（3）采用多点定位。但椭球面与大地水准面在我国境内不是最佳拟合。（4）定向明确。（5）大地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。（7）与BJ54旧相比，所采用的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。（8）BJ54旧与BJ54新无全国统一的转换参数，只能进行局部转换。WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数3.4WGS-84坐标系WGS-84的定义：原点在地球质心Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点Y轴和Z、X轴构成右手坐标系.它是一个地固坐标系。长半径：a=6378137±2（m）；地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；正常化二阶带谐系数：C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；J2=108263×10-8地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-13.4WGS-84坐标系国务院批准，2008年7月1日起正式实施地心坐标系，原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向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,该历元的指向由国际时间局给定的历元1984.0推算得到Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。2000国家大地坐标系采用的地球椭球的参数为：长半轴a=6378137m，扁率f=1/298.2572221013.52000国家大地坐标系3.6独立坐标系统大多数建立在上个世纪五六十年代控制网普遍采用传统的三角导线测量方法布测以城市或测区中心设立中央子午线，为了满足每公里长度变形小于2.5厘米限差要求；基于2000国家大地坐标系建立的独立坐标系统，称为2000独立坐标系。建立方法与常用独立坐标系建立方法基本相同。3.7坐标系各参数比较坐标系统坐标系类型椭球a长半轴（米）扁率1954年北京坐标系参心坐标系克拉索夫斯基63782451/298.31980西安坐标系参心坐标系IAG-7563781401/298.257WGS-84世界坐标系地心坐标系WGS-8463781371/298.2572235632000国家大地坐标系地心坐标系CGCS200063781371/298.257222101独立坐标系参心坐标系同国家或自定义3.8国际地球参考架（ITRF）国际地球参考架(ITRF)是IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成–IGS精密星历–Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持.–提供站坐标及速度场信息ITRF序列观测技术及板块运动模型序列ITRF观测技术参考历元启用时间板块运动模型88VLBI,SLR,LLR1988.01989AM0-2,AM1-289VLBI,SLR,LLR1988.01990AM0-2,AM1-290VLBI,SLR,LLR1988.01991AM0-2,AM1-291VLBI,SLR,LLR,GPS1988.01992AM0-2,NNR-NUVEL192VLBI,SLR,LLR,GPS1988.01994AM0-2,NNR-NUVEL193VLBI,SLR,GPS1993.01995NNR-NUVEL1A94VLBI,SLR,GPS1993.01996NNR-NUVEL1A96VLBI,SLR,GPS,DORIS1997.01998NNR-NUVEL1A97VLBI,SLR,GPS,DORIS1997.01999NNR-NUVEL1A2000VLBI,SLR,GPS,DORIS,LLR1997.02001NNR-NUVEL1A最新的是ITRF2005坐标系基本概念一二软件功能与界面五框架转换实例六内容常用坐标系之间的转换三转换模型及适用范围四ITRF和IGS(卫星轨道)的关系—ITRF911992年至1993年底;—ITRF921994年期间;—ITRF931995年初至1996年中期;—ITRF941996年中期至1998年3月;—ITRF961998年3月至1999年7月—ITRF971999年8月至2000年6月—IGS972000年6月至2001年12月—IGS002001年12月至2004年1月—IGS00b2004年1月至2006年10月—IGS052006年11月至今ITRF和IGS的关系1)IGS精密星历,轨道约束，则测站坐标与IGS精密星历所采用的ITRF框架一致。2)采用ITRF中的测站坐标,并对测站进行约束，则必需采用最新的参考框架并将它转换至观测历元。3)如果测站框架ITRFzz比IGS星历框架ITRFyy新。修正过程为,在自由网或最小约束分析方案中利用星历轨道计算;在观测历元采用近似转换参数将测站坐标从ITRFyy转换至ITRFzz;在ITRFzz中加测站约束;ITRF和IGS的关系４)如果采用GPS广播星历（WGS84）,则测站坐标同任一ITRFyy的一致性在1米以内,利用精化了的WGS84(G1150)星历,则两者的一致性在1厘米以内。最初WGS84与ITRF的关系WGS84地面站坐标精度为1m到2m的精度，ITRF则为厘米级精度引力常数不同WGS-84与ITRF的关系–WGS84与ITRF的转换关系WGS-84与ITRF的关系精化后差别越来越小，最新实现差别在毫米量级WGS84与CGCS2000的比较WGS84与CGCS2000的比较从定义上CGCS2000与WGS84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。参考椭球非常相近，在4个椭球常数ａ、ｆ、GM、ω中，唯有扁率ｆ有微小差异：df=WGS84与CGCS2000的比较１）df不引起大地经度变化；２）df引起大地纬度的变化范围为0～0.105mm；３）df引起大地高的变化范围为0～0.105mm；在当前的测量精度水平,即坐标测量精度1mm，由两个坐标系的参考椭球的扁率差异引起同一点在WGS84和CGCS2000坐标系内的坐标变化可以忽略。结论:CGCS2000和WGS84（G1150）在坐标系的实现精度范围内，两者的坐标是一致的。坐标系基本概念一框架间的关系与比较二软件功能与界面五框架转换实例六内容三转换模型及适用范围四坐标类型空间直角坐标-XYZ大地坐标BLH对同一空间点，直角坐标系与大地坐标系参数间有如下转换关系：直角坐标系与大地坐标系参数间的转换222222/1sin()/,NaeBNeabaae式中，，为该点的卯酉圈半径；，分别为该大地坐标系对应椭球的长半径和第一扁心率。21()coscos()cossin[()]sinXNHBLYNHBLZNeHB222211arctan(/)arctan{()/[(())]}/sin()LYXBZNHXYNeHHZBNe直接算法大地坐标系与空间直角坐标系变换由空间直角坐标系变换至大地坐标系采用迭代法2222222111arctantantan()tancosYLXaeBBZXYeBXYHNB两个坐标系三个平移参数、三个旋转参数、一个尺度参数,AAAABBBBOXYZOXYZ国家大地坐标系之间及与国际上坐标系之间的转换布尔莎七参数模型布尔莎七参数模型A,BA,BA,BXYZBAAAABAAAAAAABATTTXX1000ZXYY+010Z0-X001X0ZZZm,,,,ABABABXYZABYYYA,BA,BA,BXBABY321ABAZTXXY=T+1+mYZZT,,,,ABABABABZYXRRR大地微分公式－椭球面上的转换三维七参数坐标转换模型22220111sincos()cos()cossincossinsincos()()()coscossinsinsin()()cossin()sinLLXLNHBNHBYBBLBLBMHMHMHZHBLBLBNeHNeHtgBLtgBLNHNHNHNeB2222222222220000021111()sinsincossincossinsincoscossincos()sin(sin)sincossincos(sin)(xyzBNHNeBLLMHMHNeBBLNeBBLNmeBBMNHNeeBNBBeBBfMaNMeBaa222sin)sinafeBB大地微分公式－椭球面上的