参考系坐标系及转换汇总

天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。

天球直角坐标系
天球坐标系
天球球面坐标系


地球直角坐标系
地球坐标系
地球大地坐标系

天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两

天球空间直角坐标系的定义
O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ
与X轴和Z轴构成右手坐标系。则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，
，Z）来描述。
天球球面坐标系的定义
O为坐标原点，春分点轴与天轴（天轴：地球自转的轴）所在平面为天
r，α，δ）。
2-1表示：





：为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系，人们通常选择
X轴和Z轴的指向，
协议天球坐标系。
地球坐标系

PEE′即为过
P的卯酉圈。
是指曲率的倒数； 椭圆的第一偏心率 abe22a
议地球坐标系（CTS）：1960年国际大测量与地球物理联合会决定以
五年地球自转轴瞬时位置的平均值作为地球的固定级称为国际协
CIO。 平地球坐标系的Z轴指向国际协定原点CIO
1）站心赤道直角坐标系
是测站点，O为球心。以O为原点建立球心空间直角坐标系O-XYZ。以P1 为
相应坐标轴平行的坐标系叫站心赤道直角坐标系P1-
YX。

）站心地平直角坐标系
P1 为原点，以P1 点的法线为z轴（指向天顶为正），以子午线方向为x轴
y轴与x，z垂直向东为正建立的坐标系叫站心地平直角坐标系。

WGS-84坐标系和我国的大地坐标系
－84（1984年）是美国国防部研制确定的大地坐标系。

—在地球质心
轴—指向 BIH 1984.0定义的协议地球(CTP）方向。
轴—指向BIH 1984.0的零子午面和CTP 赤道的交点。
轴—与Z、X轴构成右手坐标系。
大地水准面高N等于由GPS定位测定的点的大地高H减该点的正高H
。
值可以利用地球重力场模型系数计算得出；也可以用特殊的数学方法精确计算
N。一旦N确定，可利用H
=H-N计算GPS各点的的正高H正。
高程测量是利用全球定位系统(GPS)测量技术直接测定地面点的大地高。

国家大地坐标系（参心坐标系）
1954年北京坐标系
．属参心大地坐标系；
．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数；
大地原点在原苏联的普尔科沃；
．采用多点定位法进行椭球定位；
．高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面。
．高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。按我国天文
。
1980年国家大地坐标系
1）大地原点陕西省径阳县永乐镇；
2）参心坐标系，椭球短轴Z轴平行于地球

质心指向地极原点方向，大地起始
格林尼治平均天文台子午面；X轴在大地起始子午面内与 Z轴垂直
0方向；Y轴与 Z、X轴成右手坐标系；
3）多点定位；
4）大地高程以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准
2000国家大地坐标系 （地心坐标系）
2008年7月1日起，
2000国家大地坐标系。公告如下：
国家大地坐标系是全球地心坐标系在我国的具体体现，其原点为包括海

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
2008年7月1
2000国家大地坐标系。
③国家测绘局负责启用2000国家大地坐标系工作的统一领导，制定2000国家

高斯平面直角坐标系
；除赤道外的其余纬线，投影后为凸向赤道

0带自首子午线开始，按60的经差自西向东分成60个带。
0带自1.50开始，按30的经差自西向东分成120个带。
轴向北为正，y轴向东为正。
横轴墨卡托（UTM)投影
属于横轴等角割椭圆柱投影；
中央子午线投影长度比不等于1而是等于0.9996，两条割线上没有变形；
该投影在南纬80至北纬84范围内使用；
全球分60个带，从西经180连续向东编号。
地方独立坐标系
这些网都有自己的原

坐标系统之间的转换
GPS测量中，经常要进行坐标变换和基准变换。坐标变换：在不同的坐标表示
线、面。在大地测量中基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数。
坐标平移、绕坐标轴旋转、尺度变换（具体转换见常用坐标系及其转换.pptx
页）
Bursa-Wolf）七参数模型
！！
时间系统
对时间测量精度要
时间基准 包含时间原点（时刻）和时间尺度（时间段）。
定位对时间系统的要求
时间系统要求：全球统一的时间原点和高精度的时间尺度。

卫星作为高空动态已知点，其位置是瞬息变化的。时间度量的精度就意味
例如:若要定轨误差小于1cm，则时间精度至少要求2.6×10-6s。
定位是通过测定电磁波信号传播时间来测定站星距离的。例：若要距离误
1cm，则时间精度至少要求3×10-11s。

①连续的，周期性的；②运动的周期就具有充分的稳定性；③运动的

原子时
以地球自转为基础的世界时系统难
20世纪50时年代，便开始建立以物质内部原子运动特征为基础的

秒长被定义为铯原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631170

1958年1月1日0时0秒，事后发现该瞬间原子时与世


GPS时间系统
系统是测时测距系统。时间在GPS测量中是一个基本的观测量。卫星的信号，
GPS系统中卫星钟和接收机钟均采用稳定而连续的GPS时间系统。GPS时
ATI秒长作为时间基准，时间的起算点定义在1980年1月6
UTC 0时。

大地坐标系：以参考椭球面为基准面

，用以表示地面点位置的参考系。北京54

大地原点(大地基准点) ：国家水平控制网的起算点。
高程基准面（水准基面）；由特定验潮站平均海面确定的测量高程的起算面以

0） 国家高程控制网的起算点
0高程面 观象山的水准原点相对于0高程面的高程为1956
72.289米，以“1985国家高程基准”是72.260米
然后再加上72.26m，我国现采
1985高程基准
深度基准(海图基准面)

高斯平面坐标系(高斯一克吕格平面直角坐标系)： 根据高斯一克吕格投影所建

X轴正方向为该带中央子午线北方向，Y轴正方向为赤道东方向。
坐标网


甚长基线干涉测量：利用任意长度基线两端的无线电设备接收同一射电源信

高程测量 主要有:水准测量、三角高程测量、GPS高程测量等。

: 观测两点间的天顶距再根据已知距离来推求高差的测量方法。
:
在地面上选定一系列点构成连续三角形测定各三角形顶点的水平角，再根据起




水准点 用水准测量方法测定的高程控制点。
天文大地网：在全国范围内，按国家统一规范建立的国家高等级的水平控制网
大地控制网：由大地控制点构成的测量控制网，包括水平控制网和高程控制网。
水平控制网：由一系列测得大地经度和大地纬度的控制点所构成的测量控制网
天顶距：从测站点铅垂线向上方向到观测目标的方向线的夹角。
导线结点：导线网中至少连接三条导线的测量控制点。
附合导线：在两个已知控制点之间布设的导线。
测回差：同一量各测回值之差。
平均误差：一定测量条件下出现的一组独立的偶然误差绝对值的数学期望
（均值，亦简称期望）是试验中每次可能结果的概率乘以其结果的总和。
(X)的所有可能取值的理论平均值，记为E(X)。
:
:式中:f(x)为X的概率密度

黄赤交角黄（黄道交角）是地球公转轨道面（黄道面）与赤道面的交角，由
66°34′）基本不变，地轴的空间
23°26′）也基本不变。
地球的公转:开普勒二大运动定律:
一运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上;
一在单位时间内扫过的面积相等;
一运动的周期的平方与轨道的一长半轴的立方的比为常数。
地球坐标系: 用于研究地球上物体的定位与运动，分为大地坐标系和空间直
两方面要素构成了完整的坐标参考系统。
以大地水准面为参照面的高程系统称为正高，以似大地水准面为参照面的高

高程测量是利用全球定位系统(GPS)测量技术直接测定地面点的大地高
一个假想的与处于流体静平衡状态的海洋面重合，并延伸向大陆

国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的
国家重力基本网

包括21个重力基准点和126个重力基本点
以参考椭球为基准的坐标系，以参考椭球的中心为原点的坐标又称为参心坐
以地心为原点的坐标系，又称为地心坐标系。
: 地面上点坐标在地固坐标系中不变
在天球坐标系中是变化的（地球自转）
1954年北京坐标系
年北京坐标系可以认为是前苏联1954年坐标系的延伸。它的原点不在北京，

年北京坐标系的缺限:

在东部地
+68m。


1980年国家大地坐标系特点
1975年国际大地测量与地球物理联合会
195年北京坐标系基础上建立起来的。



1985年黄海高程系
地心坐标系 原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼
Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。
对于某一单位质点而言，作用其上的重力在数值上等于使它产生的重力加速
:
伽(Gal=cms-2)，
毫伽(mGal= 10-5ms-2)
微伽(uGal=10-8ms-2)
980Gal，赤道重力值978Gal，两极重力值983Ga1。由于地球


高程定义：地面点到高度起算面的垂直距离。“高程”是测绘用词，通俗的

的高度，也就是重心所
每个点高程的方向都是不同的。
正高系统和正常高系统，其所对应的高

水准原点 定义：高程起算的基准点。
高程异常 定义：似大地水准面至地球椭球面的高度。
正高定义：地面点沿该点的重力线到 大地水准面的距离。
正常高

大地高 定义：一点沿椭球法线到椭球面的距离。

B， L，H）的高程分量H。

大地水准面 geoid
大地水准面是
大地水准面是描述地球
大地水准面的确定是
-大地水准面差距（对于似大地水准面而言，则称

似大地水准面
似大地水准面严格
但在海洋面上时，似大地水准面与大地水准

、正常高与正高不同，它不是地面点到大地水准面的距离，而是地面点到一个

它不是


、正常高和正高之差，在高山地区可达4米，在平原地区数厘米，在海水面上

地球椭球是选择的旋转椭球，旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基
(或称元素):
椭球面上常用坐标系及其关系
1）大地坐标系 大地经度B，大地纬度L，大地高H
2）空间直角坐标系
(或参考椭球)质心;Z轴与地球平均自转轴相重合，亦即
X轴指向平均自转轴与平均格林尼治天文台所决定
G；Y轴与此平面垂直，且指向东为正。