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1、第二十讲协议地球参考系协议地球参考系经典椭球定位的定义、内容、条件、方法大地起算数据包括哪些量？深刻理解椭球定位与建立大地坐标系、确定大地起算数据之间的关系7.4 协议地球参考系协议地球参考系一、地心坐标系及其应用需求一、地心坐标系及其应用需求n 地心坐地心坐标系在地球系在地球动力学、物理大地力学、物理大地测量学和空量学和空间技技术中中的的应用需求用需求1 1）无）无论地球内部地球内部质量怎么迁移，地球形状量怎么迁移，地球形状发生怎生怎样的的变化，化，地球地球质心都沿着一条确定的心都沿着一条确定的轨道运行。道运行。2 2）物理大地）物理大地测量需要一个与全球大地水准面最量需要一个与全球大地水准
2、面最为密和的正常密和的正常椭球体，其几何中心球体，其几何中心应与地球与地球质心一致。心一致。3 3）人造地球）人造地球卫星和星和弹道道导弹在在围绕地球地球飞行行时，其，其轨道平面道平面通通过地球地球质心，因此心，因此轨道道计算和算和测定定应该在地心坐在地心坐标系中系中进行。行。7.4 协议地球参考系协议地球参考系一、地心坐标系及其应用需求一、地心坐标系及其应用需求n 地心坐地心坐标系在系在测绘工程中的工程中的应用需求用需求1 1）导航等集成航等集成应用的要求，以地心基准作用的要求，以地心基准作为地地图的数学基的数学基础，能使能使GPSGPS等技等技术的空的空间导航航结果直接在地果直接在地图平台
3、上定位；平台上定位；2 2）地理信息的）地理信息的应用在空用在空间域上的整体性要求，域上的整体性要求，导航系航系统与地与地图平台、海平台、海图与地形与地形图、跨国界洲、跨国界洲际GISGIS、遥感信息等；、遥感信息等；3 3）地理信息的）地理信息的应用在用在时间域上的整体性要求，参心基准域上的整体性要求，参心基准时静静态基准，而地心基准基准，而地心基准则可可长期期维持。持。7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义n 极移极移地球极点地球极点是地球自是地球自转轴与地球表面与地球表面的交点。由于地球自的交点。由于地球自
4、转轴在地球本在地球本体内的运体内的运动，地球极点在地球表面，地球极点在地球表面上的位置随上的位置随时间而而变化，化，这种种现象象叫做地极移叫做地极移动，简称称极移极移。随。随时间而而变化的地球自化的地球自转轴为瞬瞬时轴，相，相应的极点叫的极点叫瞬瞬时极极。地极坐标系地极坐标系 1、极移和国际协议原点（、极移和国际协议原点（Conventional International Origin） 7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义n 国国际协议原点（原点（CIO）：）：1967年年IAU和和IUGG建建议平极的平极
5、的位置用位置用5个台站个台站1900至至1905年的年的平均平均纬度来确定，平极的度来确定，平极的这个位个位置相置相对于于1900至至1905年平均年平均历元元（1903.0），叫做），叫做国国际协议原点，原点，简称称CIO。协议赤道面、赤道面、协议地地极。极。1、极移和国际协议原点（、极移和国际协议原点（Conventional International Origin） 7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义1、极移和国际协议原点（、极移和国际协议原点（Conventional International O
6、rigin） 协议地球参考系与瞬时协议地球参考系与瞬时地球参考系的关系：地球参考系的关系： 7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义2、协议地球参考系和协议地球参考框架、协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系地球参考系是以某种确定的方式是以某种确定的方式联系到地球的系到地球的坐坐标系。系。理想的地球参考系理想的地球参考系：相：相对于它地壳只存在于它地壳只存在形形变，不存在整体的旋，不存在整体的旋转和平移；而它相和平移；而它相对于于惯性性参考系只包含地球的公参考系只包含地球的公转和自和自转等整体运等整体运动。7
7、.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义2、协议地球参考系和协议地球参考框架、协议地球参考系和协议地球参考框架理想地球参考框架的理想地球参考框架的TisserandTisserand条件：条件： 第一个条件表示相第一个条件表示相对于所定于所定义的参考系，地球的的参考系，地球的线动量量为0 0，表明地球不存在整体的平移；，表明地球不存在整体的平移；第二个条件表示相第二个条件表示相对于所定于所定义的参考系，地球的角的参考系，地球的角动量量为0 0，表明地球不存在整体的旋，表明地球不存在整体的旋转 7.4 协议地球参考系协
8、议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义2、协议地球参考系和协议地球参考框架、协议地球参考系和协议地球参考框架参考系的建立：参考系的建立：一是指物理基准（即原点、尺度、定向等）的一是指物理基准（即原点、尺度、定向等）的选择；二是指二是指实现的方法。的方法。对特定的理特定的理论和模型的和模型的选择，即，即CTRS ；对实现系系统所采用方法的所采用方法的选择，即，即CTRF 。协议约定，即相定，即相对于理想情况，当表达理想情况有不于理想情况，当表达理想情况有不同方式同方式时，要，要约定。定。7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考
9、系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义2、协议地球参考系和协议地球参考框架、协议地球参考系和协议地球参考框架 协议地球参考系地球参考系CTRSCTRS的定的定义n 原点在地心，地心定原点在地心，地心定义为包括海洋和大气的整个地球包括海洋和大气的整个地球的的质量中心；量中心；n 尺尺度度单位位为米（国米（国际单位制），即在引力相位制），即在引力相对论意意义下的局部地球框架内定下的局部地球框架内定义的米；的米；n 定向由定向由BIH1984.0BIH1984.0给出；出；n 定向的定向的时间演化相演化相对于地壳不于地壳不产生残余的全球性旋生残余的全球性旋转，如采用近似
10、如采用近似满足足这个条件的个条件的绝对板板块运运动模型模型NNRNNRNUVEL1NUVEL1。7.4 协议地球参考系协议地球参考系二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义2、协议地球参考系和协议地球参考框架、协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系地球参考系CTRS的具体化：的具体化：给出若干地面点坐出若干地面点坐标第一，必第一，必须详细定定义基本物理基准构形和其坐基本物理基准构形和其坐标间关系关系的模型（的模型（CTRSCTRS）。此）。此时，坐，坐标要能完全定要能完全定义，但不必考，但不必考虑实现的途径；的途径；第二，一旦第二，一旦协议地球
11、参考系地球参考系选定了，便使之能定了，便使之能为各各类用用户可用，就要通可用，就要通过许多多实际的地面点具体化。的地面点具体化。这样一一组协议选定的使系定的使系统具体化的地面点及其坐具体化的地面点及其坐标（三（三维）就）就定定义了了协议地球参考框架（地球参考框架（CTRFCTRF）。7.4 协议地球参考系协议地球参考系三、协议地球参考框架的建立和维持三、协议地球参考框架的建立和维持1、建立和维持步骤、建立和维持步骤1 1）给出地球参考系的理出地球参考系的理论定定义和和协议约定；定；2 2）建立地面）建立地面观测台站，并台站，并进行空行空间大地大地测量；量；3 3）根据）根据对协议地球参考系的地
12、球参考系的约定，采用国定，采用国际推荐的一推荐的一组模模型和常数，型和常数，对观测数据数据进行数据行数据处理，解算出各理，解算出各观测台站台站在某一在某一历元的站坐元的站坐标，即，即建立建立协议地球参考框架地球参考框架；4 4）对于影响地面台站于影响地面台站稳定的各种形定的各种形变因素因素进行分析行分析处理，理，建立相建立相应的的时变模型，以模型，以维持持协议地球参考框架地球参考框架的的稳定。定。7.4 协议地球参考系协议地球参考系三、协议地球参考框架的建立和维持三、协议地球参考框架的建立和维持1、建立和维持步骤、建立和维持步骤 地球地球质心位置的确定（心位置的确定（协议地球参考框架原点）地球
13、参考框架原点） 通通过激光激光测卫（SLRSLR）等）等卫星星动力学方法确定了地面力学方法确定了地面 n n( n( n大于大于3)3)个点至地球个点至地球质心的距离，然后再采用心的距离，然后再采用GPSGPS、VLBIVLBI等等测量方法把量方法把这几个点之几个点之间的距离确定下来，于是通的距离确定下来，于是通过几几何何约束条件即可确定地心的位置，考束条件即可确定地心的位置，考虑到地球的粘到地球的粘弹性，性，需要需要长期期监测这些点的些点的变化化，以改善地心位置。，以改善地心位置。 该方法确定的地心位置与地面台站的个数及方法确定的地心位置与地面台站的个数及图形形结构构有关。有关。7.4 协议
14、地球参考系协议地球参考系三、协议地球参考框架的建立和维持三、协议地球参考框架的建立和维持1、建立和维持步骤、建立和维持步骤协议地球参考框架坐地球参考框架坐标轴向的确定向的确定 地球地球瞬瞬时自自转轴必定通必定通过质心，心，由于极移运由于极移运动，瞬，瞬时自自转轴运运动轨道构成了一个近似的道构成了一个近似的圆锥面，以地球面，以地球质心心为其其锥顶。取平均自。取平均自转轴，即，即圆锥面的面的对称称轴，为Z Z轴，将，将X X轴限定在格林尼治天文台的子午面内，再限定在格林尼治天文台的子午面内，再选定定Y Y轴，使，使O-O-XYZXYZ构成右手直角坐构成右手直角坐标系。系。这样我我们就建立了地球就建
15、立了地球质心坐心坐标系。系。实用中参考系的三用中参考系的三轴指向由指向由BIH/IERSBIH/IERS提供的地球自提供的地球自转参数（参数（ERPERP）确定。）确定。7.4 协议地球参考系协议地球参考系三、协议地球参考框架的建立和维持三、协议地球参考框架的建立和维持2、数据处理、数据处理几种空几种空间技技术在确定在确定CTRFCTRF中的作用中的作用nSLRSLR技技术可以独立地完成地球参考架的建立和可以独立地完成地球参考架的建立和维持。持。nVLBIVLBI技技术可以高精度地确定参考坐可以高精度地确定参考坐标系的定向和尺度。系的定向和尺度。nLLRLLR网、网、GPSGPS网也可按各自的
16、技网也可按各自的技术特点建立地球参考架。特点建立地球参考架。 对上述全球各个上述全球各个SLRSLR网、网、VLBIVLBI网、网、LLRLLR网和网和GPSGPS网网联合平合平差，即可建立差，即可建立CTRFCTRF。 7.4 协议地球参考系协议地球参考系三、协议地球参考框架的建立和维持三、协议地球参考框架的建立和维持2、数据处理、数据处理形变位移形变位移（误差方程）（误差方程）各观测技术的转换坐标各观测技术的转换坐标7.4 协议地球参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS841、ITRF建立建立：通：通过一一组站的坐站的坐标和速度来完成的，和速度来完成
17、的，这些站的坐些站的坐标和速度通和速度通过VLBIVLBI、SLRSLR、LLRLLR、GPSGPS（起于（起于19911991年）和年）和DORISDORIS（起于（起于19941994年）等空年）等空间大地大地测量手段得到。量手段得到。计算的算的ITRFITRF解解发表在表在IERSIERS的年度的年度报告上，已有的告上，已有的ITRFITRF解有解有ITRF0ITRF0、ITRF88ITRF88、ITRF89ITRF89、ITRF90ITRF90、ITRF91ITRF91、ITRF92ITRF92、ITRF93ITRF93、ITRF94ITRF94、ITRF96ITRF96、ITRF97
18、ITRF97和和ITRF2000ITRF2000，目前，目前ITRF2005ITRF2005也已也已经建立。建立。 7.4 协议地球参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS841、ITRF大地坐大地坐标的的获得：得：IERSIERS推荐采用全球通用的推荐采用全球通用的GRSGRS（Geodetic Geodetic Reference SystemReference System）的大地）的大地测量基本常数，目前采用的量基本常数，目前采用的GRS80GRS80是是IUGG1979IUGG1979年推荐的，其年推荐的，其椭球参数是：球参数是：7.4 协议地球
19、参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS841、ITRFITRFITRF与与IGSIGS关系：关系：随着国随着国际GPSGPS服服务（IGSIGS）的建立，）的建立，ITRFITRF与与GPSGPS的关系的关系变得更加密切，得更加密切，IGSIGS同同ITRFITRF紧密合作，一方面密合作，一方面IERSIERS负责建立和建立和维持持ITRFITRF的的测站坐站坐标、速度和地球自、速度和地球自转参参数，另一方面数，另一方面IGSIGS提供全球提供全球GPSGPS观测数据并改数据并改进ITRFITRF解。解。 GPS GPS数据数据处理中人理中人们可能会遇到
20、两种精密星可能会遇到两种精密星历：一种是：一种是基于基于WGS84WGS84坐坐标系的星系的星历，另一种是基于，另一种是基于ITRFITRF的星的星历（如（如IGSIGS精密星精密星历）。使用坐）。使用坐标系不同的精密星系不同的精密星历，得到的，得到的测站站坐坐标将属于不同的坐将属于不同的坐标系。系。7.4 协议地球参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS841、ITRFITRFITRF在建立和在建立和维持地区性大地坐持地区性大地坐标系中的作用系中的作用首首先，地区坐先，地区坐标系建立系建立时用到了用到了IGSIGS的精密星的精密星历和地球定向和地球定向参
21、数（参数（EOPEOP），而），而IGSIGS精密星精密星历的参考框架是属于的参考框架是属于ITRFITRF的。的。其次，地区坐其次，地区坐标系建立所用的起始站系建立所用的起始站为ITRFITRF框架中的站点，框架中的站点，计算算时大多大多给这些站以很些站以很强强的的约束，束，这样建立的坐建立的坐标系系应与与ITRFITRF有很好的一致性有很好的一致性7.4 协议地球参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS842、WGSWGS84WGS84坐坐标系是一个系是一个协议地球参考系地球参考系，此外，此外，WGS84WGS84还包括包括参考参考椭球、基本常数、地球
22、重力球、基本常数、地球重力场模型和全球大地水准面模型和全球大地水准面模型，所以模型，所以实际上上World Geodetic SystemWorld Geodetic System（WGSWGS）应直直译为世界大地世界大地测量系量系统。实现：WGS84WGS84参考框架是由一参考框架是由一组全球分布的全球分布的监测站坐站坐标系系实现的。的。7.4 协议地球参考系协议地球参考系四、国际地球参考框架四、国际地球参考框架ITRF和和WGS842、WGS与与ITRFITRF的关系：的关系：基于基于WGS84WGS84参考框架参考框架计算的算的GPSGPS卫星的星的NIMANIMA的精密星的精密星历与基于与基于ITRF94ITRF94的的IGSIGS精密星精密星历的系的系统差不超差不超过2cm2cm，WGS84WGS84与与ITRF94ITRF94地面点坐地面点坐标分量的一致性在分量的一致性在5cm5cm水平。水平。近似而言，可近似而言，可认为二者是同一参考框架。二者是同一参考框架。WGS84WGS84椭球的球的4 4个个基本常数是：基本常数是：l极移、极移、协议协议地极原点、极移地极原点、极移参数参数l协议协议地球坐地球坐标标系与系与协议协议地球地球参考框架参考框架请思考地心坐标系如何建立？
