地心坐標

地心坐標，也稱地心坐標系、地心位置，指確定某一點的位置相對於地心的坐標。它可用?>直角坐標(x，y，z)或球面坐標(經度，緯度，徑向高)來表示。地心坐標系指以地球質心為原點建立的空間直角坐標系，或以球心與地球質心重合的地球橢球面為基準面所建立的大地坐標系。

基本介紹

• 中文名：地心坐標
• 外文名：geocentric coordinate system
• 別稱：地心坐標系、地心位置
• 類型：空間直角坐標系
• 釋義：確定某點的位置相對於地心的坐標
• 表示方法：直角坐標或球面坐標

由來

以地球的質心作為坐標原點的空間直角坐標系稱之為地心坐標系，或以球心與地球質心重合的地球橢球面為基準面所建立的大地坐標系，即要求橢球體的中心與地心重合。人造地球衛星繞地球運行時，軌道平面時時通過地球的質心，同樣對於遠程武器和各種宇宙飛行器的跟蹤觀測也是以地球的質心作為坐標系的原點，參考坐標系已不能滿足精確推算軌道與跟蹤觀測的要求。因此建立精確的地心坐標系對於衛星大地測量、全球性導航和地球動態研究等都具有重要意義。

以地球質心(總橢球的幾何中心)為原點的大地坐標系。通常分為地心空間直角坐標系(以x，y，z為其坐標元素)和地心大地坐標系(以B，L，H為其坐標元素)。

地心坐標系是在大地體內建立的O-XYZ坐標系。原點O設在大地體的質量中心，用相互垂直的X，Y，Z三個軸來表示，X軸與首子午面與赤道面的交線重合，向東為正。Z軸與地球旋轉軸重合，向北為正。Y軸與XZ平面垂直構成右手系。

產生原因

20世紀50年代之前，一個國家或一個地區都是在使所選擇的參考橢球與其所在地區的大地水準面最佳擬合的條件下，按弧度測量方法來建立各自的局部大地坐標系的。由於當時除海洋上只有稀疏的重力測量外，大地測量工作只能在各個大陸上進行，而各大陸的局部大地坐標系間幾乎沒有聯繫。不過在當時的科學發展水平上，局部大地坐標系已能基本滿足各國大地測量和製圖工作的要求。但是，為了研究地球形狀的整體及其外部重力場以及地球動力現象；特別是50年代末，人造地球衛星和遠程彈道武器出現後，為了描述它們在空間的位置和運動，以及表示其地面發射站和跟蹤站的位置，都必須採用地心坐標系。因此，建立全球地心坐標系（也稱為世界坐標系）已成為大地測量所面臨的迫切任務。

建立方法

重力測量方法

它是利用重力測量資料，按斯托克斯公式和韋寧-邁內茲公式全球積分，聯同天文坐標得出大地原點或若干地麵點的地心大地坐標(L,B,H)。但由於重力資料在全球分布還很不均勻，多數地區還相當稀疏，按此法所得地心大地坐標精度目前僅約為10米以內。

衛星大地測量

它又可分為衛星動力法和衛星定位法。衛星動力法是單獨利用人造衛星觀測資料或綜合人造衛星和地面大地測量觀測資料，按動力法原理同時解算出地球重力場模型和全球分布的若干地面跟蹤站的地心坐標。例如，美國戈達德空間飛行中心(GSFC)的地球重力場模型GEM-10至GEM-10C等，都包括全球146個跟蹤站的地心大地坐標，法國和聯邦德國聯合研究的地球重力場模型GRIM-3，包括95個跟蹤站的地心大地坐標。這兩種模型地心坐標的精度約為1～5米。衛星定位法是利用地面站接收機接收某種導航衛星的信息，直接測定地面接收站的地心大地坐標。例如美國海軍導航衛星系統(NNSS)或全球定位系統(GPS)所測定的地心坐標。

第三類方法

該類方法是綜合利用全球地面大地測量資料和人造衛星觀測資料組成新型弧度測量方程，推求局部坐標系對地心坐標系的轉換參數。根據轉換參數就可把局部坐標系換算為地心坐標系。換算公式是：

式中，r是測點的地心坐標矢量； 是局部坐標系原點的地心坐標矢量；r′是測點在局部坐標系中的位置矢量；m是尺度改正數；R是一個旋轉矩陣,它的元素是獨立的歐拉角、 、 ，表示圍繞局部坐標系x、y、z軸的旋轉。計算這些轉換參數至少要有3個公共點,它們在兩種坐標系中的位置都是已知的。由此法所得地心坐標轉換參數的精度可達1～3米。

建立地心坐標系的第一類經典重力測量方法，由於目前全球重力資料還不足，故所得坐標精度還較低，但隨著全球重力資料的增加，其精度還會提高。第二類方法可以直接得出跟蹤站或接收站的地心坐標。第三類則可利用轉換參數將局部大地坐標系中任一大地點的坐標換算為地心坐標系中的相應數值。

確定技術

GPS、VLBI和SLR是目前精度最高的3種空間大地測量技術，這3種技術實現的地心坐標的標稱精度均在1～ 3 cm之內。3種空間技術的原始觀測數據由各自的數據處理中心解算出地心坐標。由於數據處理中初始方差的選擇不同，單一技術所得地心坐標的標稱精度只是一種內符精度，不能反映地心坐標的真正實現精度。任意2種技術實現的地心坐標之間的比較才能反映地心坐標的真正實現精度。通過2種技術的並置觀測，在消除了2種坐標之間的系統差，也即把它們變換至同一參考框架後，各個並置站2種技術實現的地心坐標不符值的中誤差，就反映了2種技術測定的站坐標的真正精度。Ray等(1991年)採用觀測至1990年的17對VLBI和SLR並置站的地心坐標進行比較，發現兩者的符合度在3 cm之內。

中國實現

地心坐標系的實現可以通過一組給定的衛星軌道或給定的地麵點位置完成。為了與地面各種類型實測數據直接關聯，減少對衛星依賴，按照ITRF2000實現方法，中國地心坐標系擬通過精確測定的一組地面基準點位置及速度實現。ITRF2000的原點為地球質心，坐標軸指向與BIH 1984.0定義的方向一致，其速度場參考零點採用NNR-NUVEL-1A模型。在ITRF2000坐標實現中，地心位置是由一組SLR觀測資料確定，尺度參數由SLR和VLBI觀測資料聯合確定， GPS主要用於加密框架點。考慮到我國目前穩定的SLR及VLBI測站有效觀測資料少的情況，擬採用以國內GPS連續運行基準站與IGS用於ITRF2000框架維持的GPS核心站聯合組網平差的方法，將我國地心坐標系統一到ITRF2000框架中。因此，維持我國地心坐標係數據處理的目標是，通過對“中國地殼運動觀測網路”工程1999-2005年共7年GPS連續運行基準站觀測數據的處理，獲得這些點於特定曆元在ITRF2000框架中的位置及速度，以此作為維持我國地心坐標系的基準點。基準點的位置及速度應定期於ITRF2000統一。