一．地球坐标系地面和空间点位的确定总是要参照于某一给定的坐标系。

坐标系是人为设计和确定的，根据不同的使用目的，所采用的坐标系亦各不相同。

大地测量中采用的坐标系主要有两大类型，即天球坐标系和地球坐标系。

天球坐标系用于确定天体在天球上的位置。

其天球空间直角坐标系原点位于地球质心O；Z轴指向天球北极； X轴指向春分点;Y轴垂直于XOZ平面，与X轴和Z轴构成右手直角坐标系。

地球坐标系就是固定在地球上并和地球一起自转和公转的坐标系。

我们日常采用的坐标系统，虽则表现形式各有不同，但均是与地球体相固联，从这个意义上说，都可以认为是属于地球坐标系。

但通常地球坐标系专指全球或国家统一定义并确定的坐标系。

从几何意义上说，定义坐标系的关键就在于坐标原点、坐标轴指向及边长尺度的选取。

对于地球坐标系而言，显然须使它的一个坐标轴(Z轴)重合或平行于地球的自转轴。

因为采用常规的测角、量边、天文观测技术只能测定和解求点位的大地经纬度，而对于国家控制网的计算是以参考椭球面作为基准面的。

所以根据所选取的坐标原点位置的不同，即参考椭球不同，地球坐标系可分为地心坐标系和参心坐标系，前者的坐标原点与地球质心相重合；后者的坐标原点则偏离于地心，而重合于某个国家、地区所采用的参考椭球的中心。

现代大地测量常用坐标系主要有此划分与定义。

地球坐标系的建立与地球椭球的选取有着十分紧密的联系。

对于一设定的参考椭球从理论上说，只要空间直角坐标系的原点O与椭球中心相重合，Z轴与椭球短轴相重合，ZOX坐标面与起始大地于午面重合。

空间点位的三维直角坐标与椭球面上的大地纬度b、大地经度L、大地高H(点位沿椭球面法线方向到椭球面的距离)存在着严格的对应关系，它们是两种等价的坐标表述方式。

即地球坐标系由几何形式可分为空间直角坐标系和大地坐标系.1) 空间直角坐标系空间直角坐标系坐标原点0与参考椭球中心相重合，Z轴指向参考椭球北极，X轴指向首子午面与地球赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面并与X轴、Z轴构成右手坐标系，任意一点的位置可用(X、Y、Z)坐标系来表示。

由空间直角坐标系坐标原点所处位置为参考椭球中心还是地球中心，空间直角坐标系又有参心空间直角坐标系和地心空间直角坐标系之分。

2)大地坐标系亦称为地理坐标系，其采用大地经纬度、大地高来描述空间位置。

大地经度L是指P点的参考椭球子午面与起始子午面所构成的二面角，由起始子午面起算，向东为正，称为东经（0~180），向西为负，称为西经（0~180）；大地纬度B是经过该点作椭球面的法线与赤道面的夹角，由赤道面起算，向北为正，称为北纬（0~90），向南为负，称为南纬（0~90）；大地高H是地面点沿椭球的法线到椭球面的距离。

大地坐标系也可以由坐标原点所处位置为参考椭球中心还是地球中心分为有参心大地坐标系和地心大地坐标系之分。

3)大地坐标系与空间直角坐标系的转换如图所知，任一地面点A，在同一参考椭球上的坐标，均可表示为（X,Y,Z）或(B,L,H)。

故这两种坐标的换算关系为：式中，N为椭球的卯酉圈曲率半径；(B,L,H)为该点大地坐标；e为椭球的第一偏心率。

当由空间直角坐标转换为大地坐标时，通常可用式中，1．地心坐标系地心坐标系是在大地体内建立的O-XYZ坐标系。

它是以地球质量中心为原点的坐标系，其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合。

通常用两种表现形式，即x，y，z为其坐标元素的地心空间直角坐标系和以B，L，H为其坐标元素的地心大地坐标系。

地心大地坐标系亦称为地理坐标系，是大地测量中以地球椭球赤道面和大地起始子午面为起算面并依参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。

它是大地测量的基本坐标系，用大地经度L、大地纬度B和大地高度H来表示其地面点的空间位置。

其中大地经度L表示的是空间一点与参考椭球的自转轴所在的面与参考椭球的起始子午面的夹角；大地纬度B表示的是空间一点与参考椭球面的法线与赤道面的夹角；大地高度H表示的是空间一点沿参考椭球的法线方向到参考椭球面的距离。

地心大地坐标系与某一地球椭球元素有关，一般要求是一个和全球大地水准面最为密合的椭球。

全球密合椭球的中心一般可认为与地球的质心重合，所以地心大地坐标系的一个明显特征是该坐标系所对应的与地球最密合的椭球的中心位于地球质心，其短轴一般指向国际协议原点(CIO)。

地心空间直角坐标系的定义为原点0与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治子午面与地球赤道的交点E，Y轴垂直于XOZ平面并与XZ轴构成右手坐标系，任意一点的位置可用(X、Y、Z)坐标系来表示。

地心空间直角坐标系与地心大地坐标系相对应的。

其转换如上节。

建立一个地心坐标系，需要满足以下三个条件：‘(1)确定地球椭圆体：它的大小a和形状f要同大地球体最佳吻合。

(2)地心的定位和定向：坐标系原点位于地球(含海洋和大气)的质心；定向为国际时间局(BIH)测定的某一历元的协议地极(CTP)和零子午线，称为地球定向参数EOP，如BIHl984.0是指Z轴和X轴指向分别为BIH 历元1984．0年的CTP和零子午线；定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件。

(3)采用广义相对论下某一局部地球框架内的尺度作为测量长度的尺度。

1.1常用地心坐标系1.1.1全球大地系统(WGS-84)WGS84，即Word Geodetic System Of 1984的简称。

此大地坐标系是由初始的大地坐标系WGS60一直发展，并且在随后的WGS66、WGS72的基础上不断改进而形成的。

它是由一个全球地心参考框架和一组相应的模型(包括地球重力场模型EGM)和WGS大地水准面(WGS-84 Geoid)所组成的测量参照系。

WGS84大地坐标系是现有应用于大地测量和导航的最好的全球大地参考系。

WGS-84是一个协议地球参照系，为地心地固右手正交地标系，其几何定义：1)坐标原点为地球质心；2)Z轴指向的是由国际事件局(BIH)1984年0时定义的BIHl984．0协议地球极(CTP)方向，与IERS参考极指向相同：3)X轴指向的是IERS参考子午线(IRM-IERS Reference Meridian)与过原点且垂直于Z轴平面的交点，并且IRM 与1984．0历元的BIH零子午线一致；4)Y轴垂直于XMZ平面，且与Z，X轴构成右手坐标系。

WGS一84坐标系采用的椭球，称为WGS-84椭球，其常数位国际大地测量学(international association of geodesy，IAG)-与地球物理联合会(international union dgeodesy and geophysics，IUGG)第17届大会的推荐值，4个基本参数为：长半径a=6378137±2m；地球(含大气层)引力常数GM=(39686005X 103±0．6×108)m3／s～；正常二阶代带谐系数c，。

一484．16685×1旷±0．6×10-6：地球自转角速度w =(72921 15×lO-¨±0．1500X 10-11)rad／s。

1.1.2我国国家大地坐标系（CGC2000）2000中国大地坐标系(China Geodetic Coordinate System 2000, CGCS2000)，国人称之为2000国家大地坐标系。

CGCS2000通过2000国家GPS大地网的点在历元2000.0的坐标和速度具体体现，属于区域性的地心框架坐标系统。

作为一个现代地球参考系，它符合国际地球参考系(ITRS)的下列条件：（1）它是地心的，地心被定义为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；（2）长度单位是米(SI)。

这一尺度同地心局部框架的TCG(地心坐标时)时间坐标一致，由适当的相对论模型化得到；（3）它的定向初始由在1984.0 国际时间局(BIH)的定向给定；（4）定向的时间演变由整个地球上水平构造运动无净旋转条件保证。

CGCS2000为右手地固正交坐标系，其原点和轴向的定义是：原点在地球的质量中心；Z轴经过国际时间局给定的历元1984．O的初始指向进行推算得到的历元2000.0的IERS参考极(IRP)方向，并且由相对于地壳不产生残余的全球旋转来保证定向的时间演化；X轴是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、X轴构成右手正交坐标系。

CGCS2000 的参考椭球为一旋转椭球，其几何中心与坐标系的原点重合，其旋转轴与坐标系的轴一致。

参考椭球面在几何上代表地球表面的数学形状。

CGCS2000 的参考椭球在物理上代表一个等位椭球(水准椭球)，其椭球面是地球正常重力位的位面。

参考椭球的4 个常数见表2.1：表2.1 CGCS2000 参考椭球4个常数值这里a、f 采用的是GRS80值，GM、ω采用的是IERS 推荐值。

其它参数见表2.2:表2.2 CGCS2000 参考椭球参数值2.参心坐标系各个国家为了研究局部地球表面的形状，在处理大量观测成果、计算地面控制网的坐标、测绘地图和进行工程建设时，需要选取一个局部区域的大地水准面最为密合的参考椭球面作为基准参考面，选取一个参考点作为起算点(或称为大地原点)，并且利用大地原点的天文观测资料，来确定参考椭球在地球内部的位置和方位。

但由此所确定的参考椭球位置，其中心一般不会与地球质心相重合。

这种原点位于地球质心附近的坐标系，称为地球参心坐标系，或者简称为参心坐标系。

由于参考椭球的中心一般和地球质心不一致，因而参心坐标系又称非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系。

通常可以分为：以X，Y，Z为其坐标元素的参心空间直角坐标系和以B，L，H为其坐标元素参心大地坐标系。

其中原点O为参考椭球的几何中心，X 轴与赤道面和首子午面的交线重合，向东为正。

Z 轴与旋转椭球的短轴重合，向北为正。

Y 轴与XZ 平面垂直构成右手系。

建立一个参心坐标系，包含了以下几个内容：(1)确定椭球的形状和大小；(2)确定椭球的中心位置，简称定位；(3)确定以椭球中心为原点的空间直角坐标系坐标轴的指向，简称定向：(4)确定大地原点。

参心大地坐标的应用十分广泛，它是经典大地测量的一种通用坐标系。

根据地图投影理论，参心大地坐标系可以通过高斯投影计算转化为平面直角坐标系，为地形测量和工程测量提供控制基础。

2.1常用参心坐标系2.1.1.1954年北京坐标系属参心坐标系；采用克拉索夫斯基椭球参数，具体数值见表2.3：表2.3 1954年北京坐标系采用椭球参数大地原点是苏联的普尔科沃天文台；大地点高程是以1956 年青岛验潮站求出的黄海平均海水面为基准；高程异常是以苏联1955 年大地水准面重新平差结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的；1954 年北京坐标系提供的大地点成果是局部平差成果[5]。