大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架

1、《高等應(yīng)用測(cè)量》講稿之10大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架西安科技大學(xué)測(cè)繪學(xué)院史經(jīng)儉,大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架,一．大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)的基本概念二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)三．大地測(cè)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(shí)間系統(tǒng)與時(shí)間參考框架,一．大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)的基本概念,1．大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn) 大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)，就是指大地測(cè)量基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)，它由相應(yīng)的大地測(cè)量系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)及它們相應(yīng)

2、的參考框架所構(gòu)成。 大地測(cè)量系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)是總體概念，大地測(cè)量參考框架和時(shí)間參考框架是大地測(cè)量系統(tǒng)和時(shí)間參考系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。2．大地測(cè)量系統(tǒng)與大地測(cè)量參考框架 （1）大地測(cè)量系統(tǒng) 大地測(cè)量系統(tǒng)規(guī)定了大地測(cè)量的起算基準(zhǔn)和尺度標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)方式（包括理論、模型和方法）。 大地測(cè)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)。,一．大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)的基本概念,2．大地測(cè)量系統(tǒng)與大地測(cè)量參考框架

3、 （2）．大地測(cè)量參考框架 大地測(cè)量參考框架，就是按大地測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)定的原則，采用大地測(cè)量技術(shù)，在全球或局域范圍內(nèi)所測(cè)定的、固定在地面上的點(diǎn)所構(gòu)成的大地網(wǎng)（點(diǎn)）或其他實(shí)體（靜止或運(yùn)動(dòng)的物體）。是對(duì)大地測(cè)量系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。 與大地測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，大地測(cè)量參考框架有坐標(biāo)（參考）框架、高程（參考）框架和重力測(cè)量（參考）框架三種。 （4）．大地測(cè)量基準(zhǔn)建設(shè)的任務(wù) 大地測(cè)量基準(zhǔn)建設(shè)的任務(wù)是，確定或定義

4、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。,一．大地測(cè)量時(shí)空基準(zhǔn)的基本概念,3．時(shí)間系統(tǒng)與時(shí)間參考框架（1）時(shí)間系統(tǒng) 時(shí)間系統(tǒng)規(guī)定了時(shí)間測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括時(shí)刻得參考標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間間隔的尺度標(biāo)準(zhǔn)。（2）時(shí)間參考框架 時(shí)間參考框架就是在全球或局域范圍內(nèi)，通過(guò)守時(shí)、授時(shí)和時(shí)間頻率測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)。 守時(shí) 為了隨時(shí)獲得世界時(shí)，要用精密的天文

5、時(shí)計(jì)將天文測(cè)時(shí)結(jié)果記錄下來(lái)，并根據(jù)天文時(shí)計(jì)運(yùn)行的規(guī)律隨時(shí)指示外推的世界時(shí)，這種工作稱為守時(shí)，也就是時(shí)間的保持。 最初用來(lái)保持時(shí)間的時(shí)計(jì)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(shí)的任務(wù)。目前各國(guó)都用原子鐘來(lái)保持時(shí)間。 授時(shí)系統(tǒng) 是確定和發(fā)播精確時(shí)刻的工作系統(tǒng) 我國(guó)的多座天文臺(tái)均參加測(cè)時(shí)工作，陜西天文臺(tái)定時(shí)發(fā)播時(shí)號(hào)，供全國(guó)校正時(shí)間使用。,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),大地測(cè)量系統(tǒng)包括兩個(gè)方面的概念：一是大地測(cè)量

6、系統(tǒng)所采用的大地測(cè)量常數(shù)的確定；二是大地測(cè)量應(yīng)滿足的條件。1.大地測(cè)量常數(shù) 大地測(cè)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)和導(dǎo)出常數(shù)。 基本常數(shù)唯一定義了大地測(cè)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(cè)量應(yīng)用。,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),1.大地測(cè)量常數(shù)（1）大地測(cè)量基本常數(shù) 地球橢球的幾何和物理屬性可由四個(gè)基

7、本常數(shù)完全確定，這四個(gè)基本常數(shù)就是大地測(cè)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(dòng)力學(xué)形狀因子J2； 地球自轉(zhuǎn)角速度ω，如圖,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),1.大地測(cè)量常數(shù)（2）主要的大地測(cè)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′：橢球幾何扁率f：,,,,,,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),1.大地測(cè)量

8、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γ：橢球正常重力扁率f′：,,,,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),1.大地測(cè)量常數(shù)（4）國(guó)際測(cè)量和地球物理聯(lián)合會(huì)（IUGG）推薦的大地測(cè)量常數(shù) IUGG分別于1971年、1975年、1979年推薦了3組大地測(cè)量常數(shù)，它們對(duì)應(yīng)于大地測(cè)量參考系統(tǒng)1967（GRS67）、IUGG75、GRS80。 我國(guó)西安80坐標(biāo)系統(tǒng)

9、采用的是IUGG75的大地測(cè)量常數(shù)。目前廣泛使用的是相應(yīng)于GRS80的大地測(cè)量常數(shù)。,,,,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),2.大地測(cè)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(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)是一種固定在地球上，隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)位置不同，分為地心坐標(biāo)系統(tǒng)和參心坐標(biāo)系統(tǒng)。前者的原點(diǎn)與地球質(zhì)心重合，后者的原點(diǎn)與參考橢球中心重合（參考橢球是指與某一地區(qū)或

10、國(guó)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(cè)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,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),2.大地測(cè)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Ⅰ：地心坐標(biāo)系地心坐標(biāo)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四個(gè)條件。①原點(diǎn)位于整個(gè)地球（合海洋和大氣）的質(zhì)心；②尺度是廣義相對(duì)論意義下某一局部地球框架內(nèi)的尺度；③定向?yàn)閲?guó)際時(shí)間

11、局（）測(cè)定的某一歷元的協(xié)議地極（CTP）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）④定向隨時(shí)間的演變滿足地殼無(wú)整體運(yùn)動(dòng)的約束條件。,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),2.大地測(cè)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Ⅰ：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(diǎn)位于地球質(zhì)心，z

12、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(diǎn)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，起始大地子午面與零子午面重合。,二．大地測(cè)量常數(shù)和大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng),2.大地測(cè)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Ⅰ： 地心坐標(biāo)系Ⅱ ：參心坐標(biāo)系 參心坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)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

13、并平行于天文起始子午面。,三．大地測(cè)量參考框架,1.大地測(cè)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(shí)現(xiàn)。 全球性地心坐標(biāo)框架一般以甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）、衛(wèi)星激光測(cè)距（SLR）、激光測(cè)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(cè)量技術(shù)構(gòu)成全球或局域的大地測(cè)量坐標(biāo)框架，也可稱為大地測(cè)量控制網(wǎng)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，得到這些控制網(wǎng)點(diǎn)（地面觀測(cè)

14、站）的坐標(biāo)和速度等，由此具體體現(xiàn)地心坐標(biāo)系。,三．大地測(cè)量參考框架,1.大地測(cè)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(jí)構(gòu)成。 第一級(jí)為GNSS連續(xù)運(yùn)行站構(gòu)成的動(dòng)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(jí)是與第一級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行站定期聯(lián)測(cè)的大地控制點(diǎn)構(gòu)成的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)地心坐標(biāo)框架； 第三級(jí)是與第一、二級(jí)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站聯(lián)測(cè)的加密大地控制點(diǎn)。（2）參心坐標(biāo)框

15、架 傳統(tǒng)的參心坐標(biāo)框架是由以經(jīng)典大地測(cè)量技術(shù)所測(cè)定的天文大地網(wǎng)實(shí)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(shí)現(xiàn)。 20世紀(jì)，世界上絕大部分國(guó)家或地區(qū)都采用天文大地網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)和維持各自的參心坐標(biāo)框架。,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(diǎn)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

16、等系統(tǒng)。 （2）高程基準(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(jì)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。,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(cè)量的起算點(diǎn)。 區(qū)域性高程基準(zhǔn)可以用驗(yàn)潮站的長(zhǎng)期平均海面來(lái)確定，

17、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(diǎn)（組），利用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法測(cè)量固定點(diǎn)與該平均海面的高差，從而確定固定點(diǎn)（組）的海拔高程。這個(gè)固定點(diǎn)就稱為水準(zhǔn)原點(diǎn)，其高程就是區(qū)域性水準(zhǔn)測(cè)量的起算高程。3.高程框架 高程框架是高程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 一般采用高程控制網(wǎng)的方法實(shí)現(xiàn)和維持。,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(jiǎn)稱。重力測(cè)量就是測(cè)定空間一點(diǎn)的重力加速度。重力基準(zhǔn)就是標(biāo)定

18、一個(gè)國(guó)家或地區(qū)的（絕對(duì)）重力值的標(biāo)準(zhǔn)。在20世紀(jì)50～70年代，我國(guó)采用波茨坦重力基準(zhǔn)，而我國(guó)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(guó)重力基準(zhǔn)用經(jīng)過(guò)國(guó)際比對(duì)的高精度相對(duì)重力儀自行測(cè)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(chǎng)。2.重力框架重力測(cè)量框架由分布在全國(guó)的若干絕對(duì)重力點(diǎn)和相對(duì)重力點(diǎn)構(gòu)成的重力控制網(wǎng)、以及用作相對(duì)重力尺度標(biāo)準(zhǔn)的若干條長(zhǎng)短基線構(gòu)成。,六．時(shí)間系統(tǒng)與時(shí)間參考框架,時(shí)間系統(tǒng)規(guī)定

19、了時(shí)間測(cè)量的參考標(biāo)準(zhǔn)，包括時(shí)刻得參考標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間間隔的尺度標(biāo)準(zhǔn)。 時(shí)間系統(tǒng)也稱為時(shí)間基準(zhǔn)或時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 頻率基準(zhǔn)規(guī)定了“秒長(zhǎng)”的尺度，任何一種時(shí)間基準(zhǔn)都必須建立在某個(gè)頻率基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，因此，時(shí)間基準(zhǔn)又稱為時(shí)間頻率基準(zhǔn)。 時(shí)間參考框架就是在全球或局域范圍內(nèi)，通過(guò)守時(shí)、授時(shí)和時(shí)間頻率測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)。1.作為時(shí)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(shí)間

20、參考標(biāo)準(zhǔn)都有可能成為測(cè)量時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，凡是周期性的運(yùn)動(dòng)都可以作為測(cè)量時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。例如：地球自轉(zhuǎn)、地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)、月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、單擺振動(dòng)、原子內(nèi)部超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷輻射或吸收的電磁波等。,六．時(shí)間系統(tǒng)與時(shí)間參考框架,1.作為時(shí)間基準(zhǔn)的條件 在上述周期運(yùn)動(dòng)中，能公認(rèn)稱為時(shí)間系統(tǒng)的只有地球自轉(zhuǎn)、地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)、月球繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)、和銫原子內(nèi)部超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷輻射的電磁波。 前三種是唯一的自然現(xiàn)象，沒(méi)有復(fù)現(xiàn)性

21、問(wèn)題，雖然近代發(fā)現(xiàn)它們穩(wěn)定性有問(wèn)題，但長(zhǎng)期來(lái)能滿足應(yīng)用要求，所以它們一度成為公認(rèn)的時(shí)間測(cè)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(jí)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(shí)間測(cè)量的基準(zhǔn)。,六．時(shí)間系統(tǒng)與時(shí)間參考框架,2.常見的幾種時(shí)間系統(tǒng)（1）世界時(shí)（UT）（2）歷書時(shí)（ET）（3）動(dòng)力學(xué)時(shí)（UT）（4）原子時(shí)（AT）（5）協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）（6）GPS時(shí)（UT）,六．時(shí)間系統(tǒng)