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title: WGS 84 椭球与大地坐标
tags: 大地测量, wgs84, 纬度, 椭球
summary: 纬度、经度与椭球高,以及到直角坐标的闭式转换。
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# WGS 84 椭球与大地坐标
地球表面或近地点的位置通常以纬度、经度和高表示。要将其转换为直角坐标,必须先选定地球的形状。内核使用 WGS 84 椭球。
## 定义
WGS 84 椭球是由两个数定义的旋转扁椭球:
| 参数 | 符号 | 数值 | 单位 |
|------|------|------|------|
| 长半轴 | $a$ | 6 378 137.0 | m |
| 扁率倒数 | $1/f$ | 298.257 223 563 | 无量纲 |
| 扁率 | $f$ | 1 / 298.257 223 563 | 无量纲 |
| 短半轴 | $b = a(1 - f)$ | 6 356 752.314 245 | m |
| 第一偏心率平方 | $e^2 = 2f - f^2$ | 0.006 694 379 990 13 | 无量纲 |
其余所有量都由这两个定义数导出,因此导出的数值与已发布值在定义精度内一致,而不是各自独立舍入的结果。
三个坐标描述一个点:
- **大地纬度** $\phi$,该点处椭球法线与赤道面的夹角。
- **经度** $\lambda$,本初子午线以东为正。
- **椭球高** $h$,沿椭球法线量取,向外为正。
大地纬度不是地心纬度。地心纬度是到该点的矢径与赤道面的夹角。二者在赤道与两极一致,在中纬度最大相差约 0.19 度,约合地面 21 公里。
## 数学含义
从大地坐标到直角坐标是闭式的。令
$$
e^2 = 2f - f^2, \qquad
N = \frac{a}{\sqrt{1 - e^2 \sin^2 \phi}}
$$
则地固系中的直角坐标为
$$
\begin{aligned}
x &= (N + h) \cos\phi \cos\lambda \\
y &= (N + h) \cos\phi \sin\lambda \\
z &= \left( N (1 - e^2) + h \right) \sin\phi
\end{aligned}
$$
$N$ 是零高点在赤道面内到自转轴的距离,从赤道的 $a$ 增至极点的 $a / \sqrt{1 - e^2}$。
反向转换,即从直角坐标求大地纬度与高,没有初等闭式解,需迭代或级数求解。实现采用在固定步数内收敛到双精度表示精度的方法。当点恰好位于自转轴上时,经度无定义,转换返回空值。
子午圈曲率半径(在子午面内)为
$$
M = \frac{a (1 - e^2)}{\left(1 - e^2 \sin^2 \phi\right)^{3/2}}
$$
它是在该纬度处椭球沿南北方向的曲率半径,出现在沿子午线积分的计算中。
## 单位约定
- 接口中纬度与经度单位为**弧度**,工具中以**度**表示,在边界处转换。
- 高为椭球面以上的**米**,可为负值,表示位于椭球面以下。
- 椭球参数单位为**米**,比值为无量纲量。
## 适用边界
WGS 84 椭球是全球平均值。地球实际表面与其相差可达约 100 米,即大地水准面起伏。因此椭球高不是海拔高。二者之差是该位置处的大地水准面起伏,需要正高时调用方必须依据大地水准面模型施加该改正,而这些内核不包含此类模型。
椭球定义的是一个光滑曲面,对其而言转换是精确的。它不建模地形、大气或垂线偏差。垂线偏差是椭球法线与真实重力方向之间的夹角,小于约 0.01 度,在一万公里量程上约合 1 公里,对精确定向有影响。
## 地球模型对比
| 模型 | 长半轴 | 扁率倒数 | 用途 | 此处采用 |
|------|--------|----------|------|----------|
| WGS 84 | 6 378 137.0 m | 298.257 223 563 | GPS 与现代大地测量 | 是 |
| WGS 72 | 6 378 135.0 m | 298.26 | 早期卫星工作;SGP4 的拟合 | 用于传播器 |
| GRS 80 | 6 378 137.0 m | 298.257 222 101 | 大地参考 | 否 |
| 球体 | 任意半径 | 不适用 | 粗略估算 | 否 |
WGS 84 与 GRS 80 只在扁率上相差约 0.0001%,两者算出的位置在米级上无法区分。WGS 72 与 WGS 84 在长半轴上相差 2 米,这已足以产生影响,而 SGP4 正是针对 WGS 72 拟合的。
## 来源
- 美国国家影像与测绘局,*Department of Defense World Geodetic System 1984*,技术报告 TR8350.2,第三版,2000。
## 另见
- [[reference-frames]]:坐标所表示的参考系
- 传播器只在报告高度时使用 WGS 84;传播本身使用 [[sgp4]] 中的引力模型
- 在线工具试用:*大地坐标转地固坐标*