大地测量学2 (1).

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1、 2.1 地球的运动 从不同的角度，地球的运转可分为四类： 天文学的基本概念（预备知识） 与银河系一起在宇宙中运动 在银河系内与太阳一起旋转 与其它行星一起绕太阳旋转（公转） 地球的自转（周日视运动） 第二章 坐标与时间系统 1 预备知识 l天球的基本概念 所谓天球，是指以地球质心O为中心，半 径 r为任意长度的一个假想的球体。在天文学中 ，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用 球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间 的关系。 建立球面坐标系统，如图21所示. l 参考点、线、面和园 2 图21 天球的概念 3 天轴与天极 地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点 PN 和 PS 称为

2、天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。 天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。 天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的 大圆称为天球赤道。 天球子午面与子午圈 含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面. 天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。 4 时圈 通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 黄道 地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大园称为黄道 。 黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。 黄极 通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点， 称为黄极。其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南天 极的交点称为南黄极。

3、 5 春分点与秋分点 黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太 阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤 道的交点称为春分点，用 表示。 在天文学中和研究卫星运动时，春分点和天球赤道 面，是建立参考系的重要基准点和基准面 赤经与赤纬 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为 赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹 角为赤经。 6 地球的公转：开普勒三大运动定律： 运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上； 在单位时间内扫过的面积相等； 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数 。 7 地球的自转 的特征： (1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） 地球自

4、转轴在空间的变化，是日月引力的共同结 果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于日 、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生 缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下 图），其锥角等于黄赤交角=23.5 ，旋转周期为26000 年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周 期运动。岁差使春分点每年向西移动50.3 8 9 月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道 与月的之间距离是不断变化的，使得月球引力产生的大小 和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的 轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地 球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振

5、幅为 9.21的短周期运动。这种现象称为章动。 考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天 极、真天球赤道、瞬时真春分点。 考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、 瞬时平春分点。 10 (2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对 位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变 化，这种现象称为极移。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段 时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致 地面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以19001905

6、年的平 均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 CIO (Conventional International Origin) 11 国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构 分别用不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤 道面称为平赤道面或协议赤道面 。 12 (3)地球自转速度变化（日长变化） 地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长 期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化 表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致 日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间 尺度产生变化。 描述上述三种地球自转运动规律的参数

7、称为地球定向 参数 (EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参 数称为地球自转参数(ERP)，EOP 即为 ERP 加上岁差和章 动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站( )上得到。 13 v 时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。 时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位 的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续 、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。 v 周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方 法。 运动是连续的； 运动的周期具有足够的稳定性； 运动是可观测的。 v 选取的物理对象不同，时间的定义不同: 地球的自转运动、地球的公转、物

8、质的振动等。 2.2 时间系统 14 恒星时(ST) v 以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定 的时间，称为恒星时。 v 春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为 一个恒星日，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星时 ，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。 v 地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、 格林 尼治平恒星时之间的关系： 15 平太阳时MT v 以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时 间，称为真太阳时。一个真太阳日就是真太阳连续两次 经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。 地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日 点慢。真太阳日在近日点最长、

9、远日点最短。 v 假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运 动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间 间隔，称为一个平太阳日 16 平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如 果LAMT 表示平太阳时角，则某地的平太阳时 MT = LAMT + 12 (平子夜与平正午差12小时） 世界时UT： 以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时 。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。 17 v 未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的 世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改 正后的世界时表示为UT2。 UT1=UT0+, UT2

10、=UT1+T 历书时ET与力学时 DT v 由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均 匀。1958年第10届IAU决定，自1960年起开始以地球公转 运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代替世 界时。 v 历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度 的131556925.9747 18 v 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的 运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数T,其 变量被定义为力学时，力学时是均匀的。 v 参考点不同，力学时分为两种： 1) 太阳系质心力学时TDB 2) 地球质心力学时TDT v TDT和TDB可以看作是ET分别在两个坐标系中

11、的实现 ，TDT代替了过去的ET v 地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度 相同。IGU规定：1977年1月1日原子时（TAI) 0时与地球 力学时严格对应为： TDT=TAI+32.184 19 原子时(AT) 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的 基本单位是原子时秒，定义为：在零磁场下，位于海平 面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770 周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的时 间单位。 原子时的原点定义：1958年1月1日UT2的0时。 AT=UT20.0039(s) 地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累 。 20 协调世界时(UT

12、C) v 原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度 长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大， 秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调好 两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上 与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，称之为世界协调 时(UTC)。 v 当大于0.9秒，采用12月31日或6月30日调秒。调秒由 国际计量局来确定公布。 v 世界各国发布的时号均以UTC为准。 v TAI=UTC+1n(秒） 21 GPS时间系统 v 时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量 至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分 。 v GPS的时间系统采用基于美国

13、海军观测实验室USNO维 持的原子时称为GPST，它与国际原子的原点不同，瞬时相 差一常量： TAIGPST=19(s) v GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。 22 2.3 坐标系统 1、大地基准 v 所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在 大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参 数（如参考椭球的长短半轴），以及参考椭球在空间中的 定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的 定义。 v 测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准 等。 23 2、大地测量坐标系 天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动 。 地球坐标系： 用于

14、研究地球上物体的定位与运动，是 以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标 系和空间直角坐标系两种形式， 基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统 ! 24 图28 天球坐标系 25 图210 大地坐标系与空间直角坐标 26 3、高程参考系统 v 以大地水准面为参照面的高程 系统称为正高 以似大地水准面为 参照面的高程系统称为正常高； v 大地水准面相对于旋转椭球面 的起伏如图所示，正常高及正高 与大地高有如下关系： H=H正常+ H=H正高+N 27 v 国家平面控制网是全国进行测量工作的平面位置的参 考框架，国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为 一、二、三、四等网。目前提供使

15、用的国家平面控制网 含三角点、导线点共154348个。 v 国家高程控制网是全国进行测量工作的高程参考框架 ，按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目 前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041 个，水准路线长度为4166191公里。 v 大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段 确定的固定在地面上的控制网(点)所构建坐标参考架、 高程参考框架、重力参考框架。 28 v 国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框 架，目前提供使用的2000国家重力基本网包括21个重力 基准点和126个重力基本点 。 v “2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度 GP

16、S A、B级网，总参布设的GPS 一、二级网，地震局、 总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动 观测网组成，该控制网整合了上述三个大型的有重要影 响力的GPS观测网的成果，共2609个点，通过联合处理 将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测量技术对地 心坐标的需求，是我国新一代的地心坐标系统的基础框 架. 29 v椭球定位和定向概念 椭球的类型: 参考椭球: 具有确定参数(长长半径 a和扁率)，经过经过 局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟拟合的地 球椭椭球. 总地球椭球: 除了满满足地心定位和双平行条件外，在 确定椭椭球参数时时能使它在全球范围围内与大地体最密合的 地球椭椭球. 椭球定位: 是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和 地心定位。 30 局部定位 ： 要求在一定范围内椭球面与大