海籍調(diào)查采用的坐標(biāo)系統(tǒng)探討

吳永亭，楊 龍，馮義楷，申 宏

（國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061）

海籍調(diào)查采用的坐標(biāo)系統(tǒng)探討

吳永亭，楊 龍，馮義楷，申 宏

（國(guó)家海洋局第一海洋研究所 青島 266061）

海籍調(diào)查是海域使用論證工作中的重要內(nèi)容之一，宗海位置圖及其界址點(diǎn)坐標(biāo)成果是海域權(quán)屬的重要參考?！逗＜{(diào)查規(guī)范》中規(guī)定采用WGS－84坐標(biāo)系，這與我國(guó)測(cè)繪主管部門(mén)規(guī)定使用的CGCS2000坐標(biāo)系不同。文章介紹了這兩種坐標(biāo)系的區(qū)別，給出了建設(shè)性的意見(jiàn)，可為海域使用論證及相關(guān)管理提供參考。

測(cè)量基準(zhǔn)；WGS－84世界大地坐標(biāo)系；2000國(guó)家大地坐標(biāo)系；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

1 引言

海籍調(diào)查是海域使用論證工作中的重要內(nèi)容之一，宗海位置圖及其界址點(diǎn)坐標(biāo)成果是海域權(quán)屬和海域管理的重要參考數(shù)據(jù)。現(xiàn)有的《海籍調(diào)查規(guī)范》（HY／T 124－2009）以及《海域使用面積測(cè)量規(guī)范》（HY 070－2003）中，明確規(guī)定了測(cè)繪基準(zhǔn)之一的坐標(biāo)系采用WGS－84世界大地坐標(biāo)系［1－2］。根據(jù)國(guó)家測(cè)繪局公告2008年第2號(hào)文件，我國(guó)自2008年7月1日起，啟用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系，規(guī)定了2000國(guó)家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國(guó)家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過(guò)渡期為8～10年，而且規(guī)定2008年7月1日后新產(chǎn)生的各類(lèi)測(cè)繪成果應(yīng)采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。目前，有關(guān)海域使用論證工作，如宗海圖測(cè)量及界址點(diǎn)測(cè)繪、海籍調(diào)查等，仍然采用WGS－84坐標(biāo)系。在實(shí)際工作中，有些參與海域使用論證的相關(guān)人員不清楚兩者的區(qū)別，也沒(méi)有意識(shí)到不同坐標(biāo)系帶來(lái)的影響。

圍繞上述問(wèn)題，本研究介紹了WGS－84坐標(biāo)系和2000國(guó)家大地坐標(biāo)系及其區(qū)別，并根據(jù)海域管理的特點(diǎn)，給出了建設(shè)性的意見(jiàn)。

2 坐標(biāo)系及我國(guó)坐標(biāo)系使用現(xiàn)狀

2.1 坐標(biāo)系涵義及實(shí)現(xiàn)

坐標(biāo)系是定義坐標(biāo)如何實(shí)現(xiàn)的一套理論方法。包括定義原點(diǎn)、基本平面和坐標(biāo)軸的指向，同時(shí)還包括基本的數(shù)學(xué)和物理模型?，F(xiàn)代完整的坐標(biāo)系定義中包括了坐標(biāo)系采用的參考地球橢球參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)該坐標(biāo)系的大地控制網(wǎng)點(diǎn)［3］。坐標(biāo)系類(lèi)型主要有參心坐標(biāo)系和地心坐標(biāo)系兩種；坐標(biāo)系從表現(xiàn)形式上看，常用的有空間直角坐標(biāo)系、空間大地坐標(biāo)系和平面直角坐標(biāo)系等。

空間直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)系原點(diǎn)位于參考地球橢球的中心，Z軸指向參考橢球的北極，X軸指向起始子午面與赤道的交點(diǎn)，Y軸位于赤道面上，且按右手系與X軸呈90°夾角。某點(diǎn)在空間中的坐標(biāo)可用該點(diǎn)在此坐標(biāo)系的各個(gè)坐標(biāo)軸上的投影來(lái)表示。

空間大地坐標(biāo)系是采用大地經(jīng)度、大地緯度和大地高來(lái)描述空間位置的，即人們通常說(shuō)的地理坐標(biāo)。緯度是空間的點(diǎn)與參考地球橢球面的法線(xiàn)與赤道面的夾角，經(jīng)度是空間中的點(diǎn)與參考地球橢球的自轉(zhuǎn)軸所在的面與參考橢球的起始子午面的夾角，大地高是空間點(diǎn)沿參考橢球的法線(xiàn)方向到參考橢球面的距離。

平面直角坐標(biāo)系是利用投影變換，將空間坐標(biāo)（空間直角坐標(biāo)或空間大地坐標(biāo)）通過(guò)某種數(shù)學(xué)變換映射到平面上。投影變換的方法有很多，我國(guó)最常采用的是高斯－克呂格投影（也稱(chēng)為高斯投影）、通用墨卡托（Universal Transverse Mercator，UTM）投影，以及海圖常采用的墨卡托投影。

2.2 我國(guó)坐標(biāo)系使用現(xiàn)狀

新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)先后建立采用了1954年北京坐標(biāo)系、1980西安坐標(biāo)系和新1954年北京坐標(biāo)系，這些坐標(biāo)系均屬于參心坐標(biāo)系，其建立受當(dāng)時(shí)科技水平的限制，均與現(xiàn)代科技手段測(cè)定的結(jié)果存在較大差異，如參考地球橢球的原點(diǎn)與地球的質(zhì)量中心有較大偏差，橢球的指向也不精確，導(dǎo)致無(wú)法采用現(xiàn)代觀測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS），包括美國(guó)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GPS）、北斗、俄羅斯格羅納斯衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GLONASS）和伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)等。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，以真實(shí)地球質(zhì)量中心為原點(diǎn)的地心坐標(biāo)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，其測(cè)量精度比參心坐標(biāo)系的精度提高了10倍以上，而且可以快速獲取點(diǎn)的精確三維地心坐標(biāo)。目前，我國(guó)公布使用的2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000），美國(guó)GPS使用的WGS－84坐標(biāo)系，就是在現(xiàn)代空間觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，建立起的地心坐標(biāo)系。采用地心坐標(biāo)系，可以更好地闡明地球上各種地理和物理現(xiàn)象，特別是空間物體的運(yùn)動(dòng)，也可以更充分利用現(xiàn)代最新科技成果，為國(guó)家信息現(xiàn)代化服務(wù)。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)海洋調(diào)查開(kāi)始普遍使用GPS作為定位手段獲取海洋信息的空間位置，GPS技術(shù)的使用極大地提高了工作效率，提高了成果的空間位置準(zhǔn)確性。圍繞海洋開(kāi)展的科研和資源開(kāi)發(fā)利用，尤其是深遠(yuǎn)海的海洋調(diào)查及資源開(kāi)發(fā)，GPS已經(jīng)成為海上定位必不可少的技術(shù)手段。隨著我國(guó)自主北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的建立，可使用多星座多衛(wèi)星組合定位開(kāi)展海洋調(diào)查，不僅提高了調(diào)查精度，而且降低了調(diào)查工作的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，我國(guó)在海洋調(diào)查中坐標(biāo)系使用現(xiàn)狀堪憂(yōu)，主要存在以下4個(gè)方面問(wèn)題。

（1）成果更新慢：很多成果仍然采用1954年北京坐標(biāo)系或1980西安坐標(biāo)系，由此造成的測(cè)繪成果精度大大降低；

（2）多坐標(biāo)系混用：由于坐標(biāo)系統(tǒng)的使用混亂，導(dǎo)致不合格工程頻現(xiàn)，甚至造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失；

（3）CGCS2000推廣應(yīng)用執(zhí)行進(jìn)度緩慢；

（4）在海籍調(diào)查中，部分單位采用信標(biāo)差分導(dǎo)航定位系統(tǒng)（DGPS）或星站差分GPS，精度滿(mǎn)足不了規(guī)范的要求，且經(jīng)常將CGCS2000和WGS－84混淆使用。

3 WGS-84坐標(biāo)系和CGCS2000坐標(biāo)系

目前GPS使用的坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS－84坐標(biāo)系，屬于協(xié)議地球坐標(biāo)系，是一個(gè)更為精確的全球大地坐標(biāo)系統(tǒng)［4］，WGS－84坐標(biāo)系定義與國(guó)際地球參考系（ITRS）一致［8－9］。我國(guó)于2008年正式啟用了地心坐標(biāo)系統(tǒng)——2000國(guó)家大地坐標(biāo)系（CGCS2000），WGS84坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系之間有很多共同點(diǎn)，但有些細(xì)微差異，兩坐標(biāo)系從定義和框架實(shí)現(xiàn)上都是不同的。

3.1 WGS-84和CGCS2000坐標(biāo)系統(tǒng)定義

WGS－84坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球的質(zhì)心（包括海洋和大氣的整個(gè)地球地質(zhì)量中心），Z軸指向BIH1984．0定義的協(xié)議地極（Conventional Terrestrial Pole，CTP）方向，X軸指向BIH1984．0零子午面和CTP赤道的焦點(diǎn)，Y軸和Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。WGS－84坐標(biāo)系由12個(gè)地面跟蹤站和衛(wèi)星星歷共同維持。經(jīng)過(guò)1994年和1996年兩次精化，WGS－84坐標(biāo)系與ITRF符合精度（RMS）在5 cm以?xún)?nèi)；經(jīng)過(guò)2001年的再次精化，WGS－84坐標(biāo)系與ITRF2000每一坐標(biāo)分量的符合精度已達(dá)1 cm。

CGCS2000坐標(biāo)系的定義包含坐標(biāo)系的原點(diǎn)、3個(gè)坐標(biāo)軸的指向、尺度以及地球橢球的4個(gè)基本參數(shù)的定義，在定義上，CGCS2000坐標(biāo)系與WGS－84坐標(biāo)系是一致的，即關(guān)于坐標(biāo)系原點(diǎn)、尺度、定向及定向演變的定義都是相同的。兩個(gè)坐標(biāo)系使用的參考橢球也非常相近，具體地說(shuō)，在4個(gè)橢球常數(shù)a、f、GM、ω中，唯有扁率f有微小差異，在赤道上只引起1 mm誤差［10］。

兩坐標(biāo)系的定義參數(shù)上比較如表1所示。

表1 WGS-84坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系比較

3.2 WGS-84和CGCS2000框架實(shí)現(xiàn)

WGS－84坐標(biāo)系通過(guò)GPS監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)站坐標(biāo)用來(lái)計(jì)算GPS的精密星歷。為了維持框架的精確性和穩(wěn)定性，1994年、1996年和2001年WGS84先后進(jìn)行3次精化［11－12］，即對(duì)GPS監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)進(jìn)行3次更新，以使框架對(duì)準(zhǔn)國(guó)際大地參考框架（ITRF），最新的WGS84（G1150）坐標(biāo)系與ITRF2000的坐標(biāo)分量互差為每分量1 cm，參考于WGS84（G1150）坐標(biāo)系的美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局GPS精密星歷與參考于ITRF2000的國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)精密星歷的隨后比較，證實(shí)兩個(gè)參考系是一致的。

CGCS2000坐標(biāo)系是通過(guò)2000國(guó)家GPS大地控制網(wǎng)的ITRF97、2000歷元下坐標(biāo)（和速度）實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)精度約為3 cm［10］。

3.3 WGS-84和CGCS2000兩者的差異

盡管CGCS2000坐標(biāo)系與WGS84坐標(biāo)系在坐標(biāo)系定義及坐標(biāo)參考框架實(shí)現(xiàn)上基本一致，但是它們兩者之間還是存在以下差異。

（1）WGS8（G1150）坐標(biāo)系等同于ITRF2000，CGCS2000坐標(biāo)參考框架與ITRF97一致。同一點(diǎn)在CGCS 2000橢球和WGS 84橢球下經(jīng)度相同，緯度的最大差值約為3．6×10－6″，相當(dāng)于0．11 mm。這里主要是指橢球參數(shù)的不同而引起的同一點(diǎn)經(jīng)緯度的差異，給定點(diǎn)位在某一框架和某一歷元下的空間直角坐標(biāo)，投影到CGCS 2000橢球和WGS 84橢球上所得的緯度的最大差異相當(dāng)于0．11 mm［12］。

（2）坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)上，WGS84坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系在時(shí)間尺度存在差異，WGS84坐標(biāo)系為某一歷元下的坐標(biāo)，CGCS2000坐標(biāo)系為2000歷元下的坐標(biāo)。當(dāng)歷元相同時(shí)，兩者之間只存在框架轉(zhuǎn)換差；當(dāng)歷元不同時(shí)，兩者之間存在歷元轉(zhuǎn)換差，具體坐標(biāo)差異大小與測(cè)點(diǎn)速度場(chǎng)信息及WGS84坐標(biāo)的歷元信息有關(guān)。在某些速度變化較大的地區(qū)，同一點(diǎn)的WGS－84坐標(biāo)值和CGCS2000坐標(biāo)值相差20～30 cm，隨著時(shí)間的推移，差值會(huì)越來(lái)越大。

4 海籍調(diào)查采用坐標(biāo)系的建議

目前，有些測(cè)量單位在進(jìn)行海籍調(diào)查時(shí)，直接采用各地建立的連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS）獲取宗海的界址點(diǎn)坐標(biāo)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為CGCS2000，而有些單位則采用交通運(yùn)輸部建立的沿海信標(biāo)站或商業(yè)用的廣域差分獲取界址點(diǎn)坐標(biāo)，其坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS－84。無(wú)論是海洋管理部門(mén)，還是海籍調(diào)查測(cè)量單位，經(jīng)常將WGS－84坐標(biāo)系和CGCS2000坐標(biāo)系混淆使用。暫且不說(shuō)其測(cè)量精度是否滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)范，即便精度達(dá)到了也會(huì)出現(xiàn)宗海拼接錯(cuò)誤現(xiàn)象。鑒于以上討論和實(shí)際情況，在海籍調(diào)查中有關(guān)坐標(biāo)系使用的問(wèn)題建議如下。

（1）沿海各省、市、自治區(qū)相繼建立起了基于CGCS2000的CORS系統(tǒng)，可以使用現(xiàn)有的GNSS定位設(shè)備實(shí)時(shí)獲得高精度的定位點(diǎn)坐標(biāo)，非常方便與海域使用管理相關(guān)的執(zhí)法和監(jiān)測(cè)測(cè)量，建議修改海籍調(diào)查相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的使用WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)，而采用國(guó)家法定的坐標(biāo)系統(tǒng)，即2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

（2）海洋管理部門(mén)委托技術(shù)力量雄厚的單位，將現(xiàn)有的海籍成果統(tǒng)一轉(zhuǎn)換至CGCS2000坐標(biāo)。

（3）考慮使用的方便，各地大多建有與國(guó)家法定坐標(biāo)系相聯(lián)系的地方坐標(biāo)系，建議在提交有關(guān)海域論證和海籍調(diào)查的成果中，同時(shí)提供地方坐標(biāo)系成果。

5 結(jié)束語(yǔ)

WGS84坐標(biāo)系與CGCS2000坐標(biāo)系在時(shí)間尺度存在差異，WGS－84坐標(biāo)系為觀測(cè)歷元下的坐標(biāo)，CGCS2000坐標(biāo)系為2000歷元下的坐標(biāo)。當(dāng)歷元不同時(shí)，兩者之間存在歷元轉(zhuǎn)換差，具體坐標(biāo)差異大小與測(cè)點(diǎn)速度場(chǎng)信息及WGS－84坐標(biāo)的歷元信息有關(guān)。因此，隨著沿海各地CORS系統(tǒng)陸續(xù)投入使用，以及我國(guó)自主北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用，海籍調(diào)查中采用WGS－84坐標(biāo)系是不方便的，建議采用2000國(guó)家大地坐標(biāo)系。

［1］ 國(guó)家海洋局．HY／T 124－2009，海籍調(diào)查規(guī)范［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009．

［2］ 國(guó)家海洋局．HY 070－2003，海域使用面積測(cè)量規(guī)范［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003．

［3］ 孔祥元，郭際明，劉宗泉．大地測(cè)量學(xué)基礎(chǔ)［M］．武漢，武漢大學(xué)出版社，2010．

［4］ 黨亞民，成英燕，薛樹(shù)強(qiáng)．大地坐標(biāo)系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］．北京：測(cè)繪出版社，2010．

［5］ 程鵬飛，成英燕，文漢江，等．2000國(guó)家大地坐標(biāo)系實(shí)用寶典［M］．北京：測(cè)繪出版社，2008．

［6］ 程鵬飛，文漢江，成英燕，等．2000國(guó)家大地坐標(biāo)系橢球參數(shù)與GRS 80和WGS 84的比較［J］．測(cè)繪學(xué)報(bào)，2009，38（3）：189－194．

［7］ 魏子卿．我國(guó)大地坐標(biāo)系的換代問(wèn)題［J］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2003，28（2）：138－1433．

［8］ 陳俊勇．關(guān)于中國(guó)采用地心三維坐標(biāo)系統(tǒng)的探討［J］．測(cè)繪學(xué)報(bào)．2003，32（4）：283－288．

［9］ 陳俊勇．鄰近國(guó)家大地基準(zhǔn)的現(xiàn)代化［J］．測(cè)繪通報(bào)，2003（10）：1－3．

［10］ 魏子卿．2000中國(guó)大地坐標(biāo)系及其與WGS84的比較［J］．大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，28（5）：1－5．

［11］ Addendum to NIMA TR 8350．2：Implementation of the world geodetic system 1984（WGS 84）reference frame G1150［EB／OL］．［2013－12－27］．http：／／earth－info．Nga．mil／GandG／pub－locations／tr8350．2／Addendum%20NIMA%20TR8350．2．pdf／，National Geospatial-intelligence Agency，23 June 2004．

［12］ National Imagery and Mapping Agency．Department of defenseworld geodetic system 1984：its definition and relationships with local geodetic systems［R］．National Imagery and Mapping Agency technical report8350．2 third editions，3 January 2000．