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中国大地坐标系统2000(CGCS 2000)及其框架

1. CGCS 2000坐标系统建立背景及意义
     为了迎接21世纪经济的持续发展,为信息化社会发展提供一个基础地理平台,为了更科学的描述动态的地球,特别是随着全球定位系统等空间大地测量技术的不断发展和完善,世界各国都在更新和完善各自的大地坐标系统和它相应的坐标框架。地心坐标系统及其框架,在逐渐取代传统的非地心大地坐标系统及其框架。空间大地测量技术的发展,对大地基准的现代化提出了新的要求,也提供了实现的可能。
     对我国国土范围内所考虑对象的空间位置(不论该对象是处于静态还是动态),都需要一个全国统一的、协调一致的大地坐标系统和大地坐标框架。面临空间和信息技术及其应用的迅猛发展和广泛普及,在动态地球的客观环境中创建数字中国,若单纯采用日前的非地心、二维、低精度、静态的大地坐标系统和大地坐标框架作为我国现代平面基准,它所带来不协调会愈来愈多。
     过去由于科技水平的制约和实际的需求,大地坐标系统在实际使用中一般不采用三维坐标。此外,由于人类总是习惯对平面介质(例如纸或屏幕)上的日标进行观测。也就是说,人们常常将三维空间的目标以某种数学关系投影到二维的平面介质上进行考察研究。这种将三维空间日标转化为二维后,该日标第三维的高程信息往往只作为地理信息系统中的属性处理,这样在许多场合会导致空间日标在划分与表达方面的困难。随着空间技术和虚拟技术的发展,采用符合客观空间实际的三维坐标,将是一种必然的趋势。
     三维坐标系统的原点可以是参心的,也可以是地心的。采用以地球质心为大地坐标系的原点,即采用地心坐标系的优点是明显的。因为这种坐标系统是阐明地球上各种地理和物理现象,特别是空间物体运动的本始参照系。由于长期以来由于人类不能精确确定地心的位置,因而较少使用。但目前利用空间技术等手段己可在厘米量级上确定它的位置。因此采用地心坐标系在当今既有它的必要性也有了可能性。现在利用空间技术所得到的定位和影像等成果,客观上都是以地心坐标系为参照系,因此采用这一坐标系作为我国平面基准,就能最有效的利用这一技术,能最大限度的取得这一技术所带来的好处。
     有鉴于中国经济、社会和科学技术的发展需求和可能,中国政府决定采用地心三维大地坐标系统,即从2008年7月1日起正式启用中国大地坐标系统2000(CGCS2000)作为国家法定的坐标系,作为我国新一代的平面基准。
     我国必须科学的采用三维地心大地坐标系统,它主要标志在两个方面:一是三维地心大地坐标系统的定义;二是这一系统所采用的大地测量基本常数。我国采用的3维地心坐标系统CGCS 2000的定义应和迄今为止比较符合客观实际的国际通用地面参考系(ITRS)的定义在原则上保持一致。CGCS 2000的大地测量基本常数值为:

2. 中国CGCS 2000地心三维坐标框架
     CGCS 2000的坐标框架应由两部分组成,第一部分是全球导航卫星系统(GNSS)国家级连续运行站网(以下简称国家CORS系统),第二部分是国家高精度大地控制网。
     国家CORS系统的主要任务是:通过GNSS数据和信息的接收转输、处理、整合、发播和服务,向国内用户提供主要在中国陆海国土范围内的分米级或米级的实时动态空间位置服务,提供从cm级到mm级的高精度三维单点事后精密定位服务,以维持中国国家三维地心坐标框架的统一、高精度、和现势性,是实现CGCS 2000的基础。构建国家CORS系统应注意下列四个方面:
     ① 该系统应覆盖我国陆域和海域国土,实现国家陆海坐标与高程基准的统一;
     ② CORS要在顾及我国地质构造各块体分布的基础上,力求均匀分布,地质环境相对稳定;
     ③ 充分利用地方和行业己有的CORS,选择其中符合国家CORS要求的,将其改造为国家级CORS;
     ④ 同时应建立国家CORS网络管理服务中心,具有国家CORS的通讯网络管理、数据采集、处理和服务的功能。
     我国目前行业性的、局域性的GNSS CORS系统很多,但由于缺乏在国家级规模上的统一规划和设计,我国至今还没有建立面向全国,为全国各行各业服务的国家CORS系统及其资源的共享平台。
     国家高精度大地控制网指的是我国高精度2000国家GPS大地网,它的国内GPS网点为2542个。平差后该网点的地心坐标在ITRF97坐标框架内,历元为2000. 0时的点位中误差在士3 cm以内。通过它和具有近5万大地点的全国天文大地网进行两网联合平差,将后者纳入三维地心坐标系,并提高它的全国天文大地网的精度和现势性。
3. 采用CGCS 2000地心三维坐标系对现有地图的影响
     以西安80坐标系为例讨论采用地心三维坐标系对现有地图的影响。讨论的实质就是进行上述坐标系统更换时,中国境内地面点原来标注的大地经纬度和高斯平面坐标值必将会相应变动,从而使中国境内原有地图(包括地形图)上点和线(包括图廓点和图廓线)的位移,以及它们之间的长度和方位的变化。
     若由西安80坐标系更换为CGCS 2000地心三维坐标系,则有:
     ①地面点大地纬度和大地经度的变动区间分别为-1. 6″~ 0. 7″和-6. 4″~3. 0″,二者变动绝对值的平均值分别为0. 57″和4.4″。
     ②地面点高斯平面坐标X值和Y值的变动区间分别为-48. 6 m~ +22. 7 m和-115. 7 m~-75. 7 m。二者变动绝对值的平均值分别为16. 31 m和106. 9 m。
     由于坐标系的这一更换,在1: 5万比例尺地图(含)及更大比例尺地图中点(含图廓点)的地理位置会有1 cm以下的位移,在同一幅地图中各点的位移差别是不同的,但其差别在制图精度以内。因此坐标系的更换只须对一幅图的图廓点给予新的坐标注记后,该图即可视为在新坐标系内的地图。
     ③在中国境内各种比例尺的地图中,由于坐标系更换所导致的两点连线(包括图廓线)的长度和方位变动都在制图精度以内,可以忽略不计。