大地測量系統(tǒng)與參考框架

1、大地測量系統(tǒng)與參考框架第1頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二大地測量系統(tǒng)與參考框架一大地測量時空基準(zhǔn)的基本概念二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)三大地測量參考框架四高程系統(tǒng)和框架五重力參考系統(tǒng)和重力參考框架六時間系統(tǒng)與時間參考框架第2頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二一大地測量時空基準(zhǔn)的基本概念1大地測量時空基準(zhǔn) 大地測量時空基準(zhǔn)，就是指大地測量基準(zhǔn)和時間基準(zhǔn)，它由相應(yīng)的大地測量系統(tǒng)和時間系統(tǒng)及它們相應(yīng)的參考框架所構(gòu)成。 大地測量系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是總體概念，大地測量參考框架和時間參考框架是大地測量系統(tǒng)和時間參考系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。2大地測量系統(tǒng)與大地測量

2、參考框架 （1）大地測量系統(tǒng) 大地測量系統(tǒng)規(guī)定了大地測量的起算基準(zhǔn)和尺度標(biāo)準(zhǔn)及其實現(xiàn)方式（包括理論、模型和方法）。 大地測量系統(tǒng)包括坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)/深度基準(zhǔn)和重力參考系統(tǒng)。第3頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二一大地測量時空基準(zhǔn)的基本概念 2大地測量系統(tǒng)與大地測量參考框架 （2）大地測量參考框架 大地測量參考框架，就是按大地測量系統(tǒng)的規(guī)定的原則，采用大地測量技術(shù)，在全球或局域范圍內(nèi)所測定的、固定在地面上的點所構(gòu)成的大地網(wǎng)（點）或其他實體（靜止或運動的物體）。是對大地測量系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。 與大地測量系統(tǒng)相對應(yīng)，大地測量參考框架有坐標(biāo)（參考）框架、高程（參考）框架和重力

3、測量（參考）框架三種。 （4）大地測量基準(zhǔn)建設(shè)的任務(wù) 大地測量基準(zhǔn)建設(shè)的任務(wù)是，確定或定義坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)/深度基準(zhǔn)和重力參考系統(tǒng)。建立和維持坐標(biāo)框架、高程框架和重力框架。第4頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二一大地測量時空基準(zhǔn)的基本概念3時間系統(tǒng)與時間參考框架（1）時間系統(tǒng) 時間系統(tǒng)規(guī)定了時間測量的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括時刻得參考標(biāo)準(zhǔn)和時間間隔的尺度標(biāo)準(zhǔn)。（2）時間參考框架 時間參考框架就是在全球或局域范圍內(nèi)，通過守時、授時和時間頻率測量技術(shù)，實現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。 守時 為了隨時獲得世界時，要用精密的天文時計將天文測時結(jié)果記錄下來，并根據(jù)天文時計運行的規(guī)律隨時指示外推

4、的世界時，這種工作稱為守時，也就是時間的保持。 最初用來保持時間的時計為天文擺鐘。第二次世界大戰(zhàn)后，石英鐘擔(dān)負(fù)起了守時的任務(wù)。目前各國都用原子鐘來保持時間。 授時系統(tǒng) 是確定和發(fā)播精確時刻的工作系統(tǒng) 我國的多座天文臺均參加測時工作，陜西天文臺定時發(fā)播時號，供全國校正時間使用。 第5頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng) 大地測量系統(tǒng)包括兩個方面的概念：一是大地測量系統(tǒng)所采用的大地測量常數(shù)的確定；二是大地測量應(yīng)滿足的條件。1.大地測量常數(shù) 大地測量常數(shù)是指與地球一起旋轉(zhuǎn)且和地球表面最佳吻合的旋轉(zhuǎn)橢球（即地球橢球）幾何和物理參數(shù)。 分為基本常數(shù)和

5、導(dǎo)出常數(shù)。 基本常數(shù)唯一定義了大地測量系統(tǒng)。導(dǎo)出常數(shù)是由基本常數(shù)導(dǎo)出，便于大地測量應(yīng)用。第6頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)1.大地測量常數(shù)（1）大地測量基本常數(shù) 地球橢球的幾何和物理屬性可由四個基本常數(shù)完全確定，這四個基本常數(shù)就是大地測量基本常數(shù)。它們是 赤道半徑a； 地心引力常數(shù)（包含大氣質(zhì)量）GM； 地球動力學(xué)形狀因子J2； 地球自轉(zhuǎn)角速度，如圖第7頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)1.大地測量常數(shù)（2）主要的大地測量導(dǎo)出常數(shù)橢球短半軸b：橢球第一偏心率e：橢球第二偏心率e：

6、橢球幾何扁率f：第8頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)1.大地測量常數(shù)（3）屬于旋轉(zhuǎn)橢球物理常數(shù)方面的有橢球的正常重力位U0：橢球的正常重力位：橢球正常重力扁率f：第9頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)1.大地測量常數(shù)（4）國際測量和地球物理聯(lián)合會（IUGG）推薦的大地測量常數(shù) IUGG分別于1971年、1975年、1979年推薦了3組大地測量常數(shù)，它們對應(yīng)于大地測量參考系統(tǒng)1967（GRS67）、IUGG75、GRS80。 我國西安80坐標(biāo)系統(tǒng)采用的是IUGG75的大地測量常數(shù)。目

7、前廣泛使用的是相應(yīng)于GRS80的大地測量常數(shù)。幾何常數(shù)物理常數(shù)a6378137mGM3986005*108m3*s-2J2108263*10-87292115*10-11rad*s-2B6356752.3141mU062636860.850m2*s-21/f298.257222101J4-0.00000237091222第10頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)2.大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)和應(yīng)滿足的條件（1）大地坐標(biāo)系統(tǒng)的類別 大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)是一種固定在地球上，隨地球一起轉(zhuǎn)動的非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)，也稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)。 根據(jù)其原點位置不同，分為地心坐標(biāo)系

8、統(tǒng)和參心坐標(biāo)系統(tǒng)。前者的原點與地球質(zhì)心重合，后者的原點與參考橢球中心重合（參考橢球是指與某一地區(qū)或國家地球表面最佳吻合的地球橢球）。 從表現(xiàn)形式上分，常用的大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)有空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)、大地坐標(biāo)系統(tǒng)二種形式。 （2）地（參）心坐標(biāo)系應(yīng)滿足的條件第11頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)2.大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)和應(yīng)滿足的條件（2）地（參）心坐標(biāo)系應(yīng)滿足的條件：地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四個條件。原點位于整個地球（合海洋和大氣）的質(zhì)心；尺度是廣義相對論意義下某一局部地球框架內(nèi)的尺度；定向為國際時間局（）測定的某一歷元的協(xié)議地極（CTP）

9、和零子午線，稱為地球定向參數(shù)EOP；（如BIH1984.0是指z軸和x軸指向分別為BIH歷元1984.0年的CTP和零子午線）定向隨時間的演變滿足地殼無整體運動的約束條件。 第12頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)2.大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)和應(yīng)滿足的條件（2）地（參）心坐標(biāo)系應(yīng)滿足的條件：地心坐標(biāo)系 地心空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)從幾何方面通俗的定義也可以作如下表述：坐標(biāo)系的原點位于地球質(zhì)心，z軸和x軸的定向由某一歷元的EOP確定，y與x、z構(gòu)成空間右手直角坐標(biāo)系。地心大地坐標(biāo)系統(tǒng)的原點與總地球橢球中心（即地球質(zhì)心）重合，橢球旋轉(zhuǎn)軸與協(xié)議地極重合，起始大

10、地子午面與零子午面重合。P(B,L,H;X,Y,Z)ESGyzxOPBNLHW圖2-1 地心坐標(biāo)系示意圖第13頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二二大地測量常數(shù)和大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)2.大地測量坐標(biāo)系統(tǒng)和應(yīng)滿足的條件（2）地（參）心坐標(biāo)系應(yīng)滿足的條件： 地心坐標(biāo)系 ：參心坐標(biāo)系 參心坐標(biāo)系統(tǒng)的原點位于參考橢球中心，z軸（橢球旋轉(zhuǎn)軸）與地球自轉(zhuǎn)軸平行，x軸在參考橢球的赤道面并平行于天文起始子午面。第14頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二三大地測量參考框架1.大地測量坐標(biāo)框架建立的基本方法（1）地心坐標(biāo)框架 地心坐標(biāo)框架是地心坐標(biāo)系統(tǒng)的具體實現(xiàn)。 全球性地

11、心坐標(biāo)框架一般以甚長基線干涉測量（VLBI）、衛(wèi)星激光測距（SLR）、激光測月（LLR）、全球定位系統(tǒng)（GNSS）和衛(wèi)星多普勒定軌定位（DORIS）等空間大地測量技術(shù)構(gòu)成全球或局域的大地測量坐標(biāo)框架，也可稱為大地測量控制網(wǎng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到這些控制網(wǎng)點（地面觀測站）的坐標(biāo)和速度等，由此具體體現(xiàn)地心坐標(biāo)系。 第15頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二三大地測量參考框架1.大地測量坐標(biāo)框架建立的基本方法（1）地心坐標(biāo)框架 區(qū)域性地心坐標(biāo)框架一般由三級構(gòu)成。 第一級為GNSS連續(xù)運行站構(gòu)成的動態(tài)地心坐標(biāo)框架，它是區(qū)域性地心坐標(biāo)框架的主控制； 第二級是與第一級GNSS連續(xù)運行站定

12、期聯(lián)測的大地控制點構(gòu)成的準(zhǔn)動態(tài)地心坐標(biāo)框架； 第三級是與第一、二級GNSS連續(xù)運行參考站聯(lián)測的加密大地控制點。（2）參心坐標(biāo)框架 傳統(tǒng)的參心坐標(biāo)框架是由以經(jīng)典大地測量技術(shù)所測定的天文大地網(wǎng)實現(xiàn)和維持的，一般定義在參心坐標(biāo)系統(tǒng)中，是一種區(qū)域性、二維、靜態(tài)的參心坐標(biāo)框架，是參心坐標(biāo)系統(tǒng)的實現(xiàn)。 20世紀(jì)，世界上絕大部分國家或地區(qū)都采用天文大地網(wǎng)來實現(xiàn)和維持各自的參心坐標(biāo)框架。第16頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二四高程系統(tǒng)和框架1.高程系統(tǒng)（1）高程系統(tǒng)的概念 采用不同的基準(zhǔn)面表示地面點的高低所產(chǎn)生的幾種不同的高程表示法。有正高、正常高、力高和大地高程等系統(tǒng)。 （2）高程

13、基準(zhǔn)面的種類 高程基準(zhǔn)面基本上有兩種： 一是大地水準(zhǔn)面，它是正高和力高的基準(zhǔn)面； 二是橢球面，它是大地高程的基準(zhǔn)面。 此外，為了克服正高不能精確計算的困難還采用正常高，以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面，它非常接近大地水準(zhǔn)面。第17頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二四高程系統(tǒng)和框架2.高程基準(zhǔn) 高程基準(zhǔn)定義了陸地上高程測量的起算點。 區(qū)域性高程基準(zhǔn)可以用驗潮站的長期平均海面來確定，通常定義該平均海面的高程為零。在地面預(yù)先設(shè)置好一固定點（組），利用精密水準(zhǔn)測量方法測量固定點與該平均海面的高差，從而確定固定點（組）的海拔高程。這個固定點就稱為水準(zhǔn)原點，其高程就是區(qū)域性水準(zhǔn)測量的起算高程

14、。3.高程框架 高程框架是高程系統(tǒng)的實現(xiàn)。 一般采用高程控制網(wǎng)的方法實現(xiàn)和維持。第18頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二五重力參考系統(tǒng)和重力參考框架1.重力基準(zhǔn)和重力參考系統(tǒng)重力是重力加速度的簡稱。重力測量就是測定空間一點的重力加速度。重力基準(zhǔn)就是標(biāo)定一個國家或地區(qū)的（絕對）重力值的標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)5070年代，我國采用波茨坦重力基準(zhǔn)，而我國重力參考系統(tǒng)采用克拉索夫斯基橢球常數(shù)。20世紀(jì)80年代，我國重力基準(zhǔn)用經(jīng)過國際比對的高精度相對重力儀自行測定，而重力參考系統(tǒng)則采用IUGG75橢球常數(shù)及其相應(yīng)的正常重力場。2.重力框架重力測量框架由分布在全國的若干絕對重力點和相對重

15、力點構(gòu)成的重力控制網(wǎng)、以及用作相對重力尺度標(biāo)準(zhǔn)的若干條長短基線構(gòu)成。 第19頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二六時間系統(tǒng)與時間參考框架 時間系統(tǒng)規(guī)定了時間測量的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括時刻得參考標(biāo)準(zhǔn)和時間間隔的尺度標(biāo)準(zhǔn)。 時間系統(tǒng)也稱為時間基準(zhǔn)或時間標(biāo)準(zhǔn)。 頻率基準(zhǔn)規(guī)定了“秒長”的尺度，任何一種時間基準(zhǔn)都必須建立在某個頻率基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，因此，時間基準(zhǔn)又稱為時間頻率基準(zhǔn)。 時間參考框架就是在全球或局域范圍內(nèi)，通過守時、授時和時間頻率測量技術(shù)，實現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時間系統(tǒng)。1.作為時間基準(zhǔn)的條件 凡能滿足穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的要求，并能得到廣泛承認(rèn)的時間參考標(biāo)準(zhǔn)都有可能成為測量時間的標(biāo)準(zhǔn)。一般

16、來說，凡是周期性的運動都可以作為測量時間的標(biāo)準(zhǔn)。例如：地球自轉(zhuǎn)、地球繞太陽公轉(zhuǎn)、月球繞地球運轉(zhuǎn)、單擺振動、原子內(nèi)部超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷輻射或吸收的電磁波等。第20頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二六時間系統(tǒng)與時間參考框架 1.作為時間基準(zhǔn)的條件 在上述周期運動中，能公認(rèn)稱為時間系統(tǒng)的只有地球自轉(zhuǎn)、地球繞太陽公轉(zhuǎn)、月球繞地球運轉(zhuǎn)、和銫原子內(nèi)部超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷輻射的電磁波。 前三種是唯一的自然現(xiàn)象，沒有復(fù)現(xiàn)性問題，雖然近代發(fā)現(xiàn)它們穩(wěn)定性有問題，但長期來能滿足應(yīng)用要求，所以它們一度成為公認(rèn)的時間測量標(biāo)準(zhǔn)。 現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn)，銫原子內(nèi)部超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級躍遷輻射的電磁波的穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性是最高的，因此在近代已經(jīng)代替前三種作為時間測量的基準(zhǔn)。第21頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31分，星期二六時間系統(tǒng)與時間參考框架 2.常見的幾種時間系統(tǒng)（1）世界時（UT）（2）歷書時（ET）（3）動力學(xué)時（UT）（4）原子時（AT）（5）協(xié)調(diào)時（UTC）（6）GPS時（UT）第22頁，共24頁，2022年，5月20日，14點31