1.基本概念

坐标系统是地理空间数据组织管理、显示、分析和应用的基础，是对现实世界的一种空间抽象，是描述地理空间点位的一个参照。一个完整的坐标系统是由坐标系和特定基准所构成。坐标系是描述空间位置的表现形式，是定义坐标如何实现的一套理论方法，包括定义原点、基本平面和坐标轴的指向，同时还包括基本的数学和物理模型。而基准指的是描述空间位置而定义的一序列点、线、面。在大地测量中，基准一般指的是确定点在空间中的位置而采用的地球椭球或参考椭球的几何参数、物理参数及其在空间的定位、定向方式，以及在描述空间位置时所采用的单位长度定义，是一种作为测量计算的参考依据和大地坐标计算的起算数据。大地基准是建立国家大地坐标系统和推算国家大地控制网中各点大地坐标的基本依据，也是国土测绘和地理空间研究的重要基础框架。在当代大地测量领域，目前应用着三种不同类型的大地基准，即传统大地基准、现代大地基准和卫星大地基准。

1.1.坐标系

坐标系根据原点位置的不同可分为参心坐标系、地心坐标系、站心（测站中心）坐标系。

坐标系从其表现形式上可以分为空间直角坐标系、空间大地坐标系、站心直角坐标系、极坐标系和曲面坐标系等。从维数上可分为二维坐标系、三维坐标系等。

坐标框架是实现一个特定坐标系而设置的参考点及其坐标属性的集合。考虑坐标变化时，还需要一个时间历元，故时间尺度也是坐标参考框架的一部分。在参考框架下，其他点的坐标可以通过其相对于这些参考点位置的观测量来确定。

1.2.大地基准

(1).传统大地基准

基于一些物理因素及决定地球形状的历史性发展，传统大地控制测量通常是把建立水平控制网和垂直控制网分开进行，分别以参考椭球面和大地水准面为参考面确定地面点的坐标和高程。因此，作为计算依据的大地基准也被分开为水平（平面）基准和垂直（高程）基准两部分来分别定义。也就是说，传统大地基准应涵盖水平基准与垂直基准两部分。

传统大地基准又称参心大地基准或局部大地基准，由天文测量和地面测量定义。定义传统大地基准的关键在于如何对所选择的椭球进行定位和定向。确定椭球中心的位置叫定位，确定椭球轴的方向叫定向。传统大地基准由椭球参数、坐标原点的位置和坐标轴的方位等三个基本要素构成。

(2).现代大地基准

现代大地基准又称全球大地基准或地心大地基准，由空间测量定义。

现代大地基准的定义国际上已基本趋于一致，国际地球自传服务（IERS）关于协议地球参考系的定义已被学术界所普遍接受。按照IERS的定义，现代大地基准的原点为包括海洋和大气的整个地球质量的中心；尺度为在引力相对论意义下局部地球框架的尺度；定向的初始值由1984.0时国际时间局（BIH）定向给定；定向的时间演化遵循相对地壳不产生残余全球旋转。

现代大地基准包含一个坐标系及其定义，还包括一整套几何和物理常数，椭球重力公式，地球重力场模型，地极运动模型，板块运动模型，大地水准面，同时还涉及到卫星跟踪站的数量和分布，以及一批体现该基准的地面点坐标（和速度）。

(3).卫星大地基准

卫星大地基准是卫星导航和定位的起算标准。卫星大地基准是三维、全球、地心、高精度、动态的。它和现代大地基准的定义一致，都符合定义地心大地基准的基本原理，实现的方法也相同，都由参考框架实现。卫星大地基准与现代大地基准的区别，主要表现在以下几个方面。一是卫星大地基准侧重于导航应用，而现代大地基准则主要应用于测量与制图。二是卫星大地基准的地面参考框架点数较少，只有廖廖可数的几个或十几个，而现代大地基准的地面参考框架点数较多，可能达数百或数千个。三是卫星大地基准具有动态的性质，框架点坐标随着时间的变化，需经常更新，而现代大地基准则具有半动态或准动态的性质，框架点坐标可以在一段较长的时间内保持不变。四是卫星大地基准由精密星历或广播星历计算的卫星位置组成的空间参考框架实现，而现代大地基准则由实现它的一组参考框架点坐标隐含。

2.测绘常用坐标系统

2.1.参心坐标系

(1).1954年北京坐标系

当时的历史条件，采用的是克拉索夫斯基椭球参数，并与前苏联1942年坐标系进行了联测，通过计算建立了我国的大地坐标系，定名为1954年北京坐标系。其中高程异常是以前苏联1955年大地水准面差距重新平差结果为依据，按我国的天文水准路线换算过来的。因此，1954北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃，相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。

1954年北京坐标系建立以来，我国依据这个坐标系建成了我国天文大地网，完成了大量的测绘任务。随着测绘新理论、新技术的不断发展，人们发现该坐标系存在如下缺点：椭球参数有较大误差；参考椭球和我国大地水准面存在着自西向东的系统性倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达68米；几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一；定向不明确。

(2).1980西安坐标系

1978年4月在西安召开全国天文大地网平差会议，确定重新定位，建立我国新的坐标系。为此有了1980国家大地坐标系。1980国家大地坐标系采用地球椭球基本参数为1975年国际大地测量与地球物理联合会第十六届大会推荐的数据。该坐标系的大地原点设在我国中部的陕西省泾阳县永乐镇，位于西安市西北方向约60公里，故称1980西安坐标系，又简称西安大地原点。

1980西安坐标系采用的是IUGG1975年推荐的椭球参数，根据多点椭球定位方式进行定位，并对全国天文大地网进行整体平差后建立的。1980西安坐标系采用多点定位，在我国按1º×1º间隔，均匀选取922个点，组成弧度测量方程，按高程异常平方和最小原则确定大地原点的垂线偏差和高程异常。椭球短轴平行于地球地轴(由地球质心指向1968.0JYD地极原点方向)；首子午面平行于格林尼治平均天文子午面；椭球面同似大地水准面在我国境内最密合；正常高以1956年青岛验潮站求出的黄海平均水面为基准。

1980年国家大地坐标系建成后，在实用中改称1980西安坐标系。归纳起来该坐标系有以下明显特点：

1)椭球参数与克拉索夫斯基椭球相比精度高。2)椭球有4个参数，是一套完整的数值，既确定了几何形状，又表明了地球的基本物理特征，从而将大地测量学与大地重力学的基本参数统一起来。3) 椭球参数与国际天文学会(IAU)决定从1984年启用的新天文常数系统中的地球椭球参数相一致。4)与1954年北京坐标系相比，轴系与参考基本面明确。5) 通过椭球定位，参考椭球与我国似大地水准符合较好，高程异常的等值线零线有两条穿过我国东部和西部，一般地区高程异常在+20m ~ -20m之间。6) 该坐标系是综合利用我国30年来天文、重力、三角测量资料建成的我国自己的大地坐标系。

(3).新1954北京坐标系

新1954年北京坐标系又称1954年北京坐标系（整体平差转换值）、1954年北京坐标系（整体平差成果）。 该坐标系提供的成果是在在1980西安坐标系的基础上，将基于IUGG1975年椭球参数的1980西安坐标系平差成果整体转换为基于克拉索夫斯基椭球参数的坐标值，并将1980西安坐标系坐标原点空间平移建立起来的。其坐标不但体现了整体平差成果的优越性，它的精度和1980年国家大地坐标系坐标精度一样，克服了原1954年北京坐标系是局部平差的缺点；又由于恢复至原1954年北京坐标系的椭球参数，从而使其坐标值和原1954年北京坐标系局部平差坐标值相差较小。新54北京坐标系提供的新图既达到了使用精度好的整体平差成果作为控制基础，又不必作特殊处理就能和旧图互相拼接，具有明显的经济效益。特别是在军队系统，因为用图量、存图量最多的是1:5万以下比例尺地图，采用这种坐标系作为制图坐标系，对于地图更新、战时快速保障和方便广大指战员用图等方面，具有明显的优点。

2.2.地心坐标系

(1).WGS84世界大地坐标系

WGS84是一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间服务机构）1984.O定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。截止2004年8月WGS84坐标系共进行了三次修订，第一次在1994年，称为“WGS(G730)”，第二次在1996年，称为“WGS(G873)”，第三次在2001年，称为“WGS84(G1150)”。建立WGS-84世界大地坐标系的一个重要目的，是在世界上建立一个统一的地心坐标系。

(2).2000国家大地坐标系

2000国家大地坐标系，是我国当前最新的国家大地坐标系，英文名称为China Geodetic Coordinate System 2000，英文缩写为CGCS2000。

2000国家大地坐标系的原点为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；2000国家大地坐标系的Z轴由原点指向历元2000.0的地球参考极的方向，该历元的指向由国际时间局给定的历元为1984.0的初始指向推算，定向的时间演化保证相对于地壳不产生残余的全球旋转，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，Y轴与Z轴、X轴构成右手正交坐标系。采用广义相对论意义下的尺度。2000国家大地坐标系采用的地球椭球参数数值为：