24-协议地球参考系

上节课内容回顾－微分旋转矩阵
1 Z Y
RX ( X )RY (Y )RZ ( Z ) Z
1
X

Y X 1
1
2 Z Y
2 Z
1
X 'X
Y
X

'X


RX
( X
) RY
(Y
)RZ ( Z )RX
3）定向由BIH1984.0给出；
4）定向的时间演化相对于地壳不产生残余的 全球性旋转。
3 、协议地球参考框架的建立和维持
Establishment and Maintenance of CTRF
① 地球参考系的实现步骤：
1）给出地球参考系的理论定义和协议约定； 2）建立地面观测台站，并进行空间大地测量； 3）依据协议模型和方法解算出各观测台站在某 一历元的站坐标，即建立协议地球参考框架； 4）建立相应的时变模型以维持协议地球参考 框架的稳定。
地坐标系WGS-84
1、基本坐标系
Fundamental Coordinate System
地平坐标系、时角 坐标系、赤道坐标 系、黄道坐标系、 银道坐标系、……
天文坐标系、大地坐标系、 大地空间直角坐标系、大 地极坐标系、高斯平面直 角坐标系、……
基本天球坐标系（FCS）：原点在太阳系质心，其 坐标标架相对于遥远的天体背景的整体没有旋转。
y
(CTP) p0
xp
yp p
(CIP)
（TIO） x
X xp Y yp
E'FTS R3 R2 R3
X sin cos Y sin sin Z cos
E'FTS RZ RY RZ
② 在测绘工程中的应用需求；
3）地理信息的应用在时间域上的整体 性要求，参心基准属静态基准，而地心 基准则可长期维持。
3 、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义
Definition of the Conventional Terrestrial Reference System and the Conventional Terrestrial Reference Frame
2）物理大地测量需要一个与全球大地水准面 最为密合的中心在地球质心的正常椭球体。
2、地心坐标系及其应用需求
Requirement of Geocentric Coordinate System and its Application
① 在地球动力学、物理大地测量 学和空间技术中的应用需求；
3）人造地球卫星和弹道导弹在围 绕地球飞行时，其轨道平面通过地 球质心，因此轨道计算和测定应该 在地心坐标系中进行。
参考系的实际建立： 物理基准（即原点、尺度、定向等） 实现的方法
CTRS和CTRF的协议性：对特定的理论和 模型的选择；对实现系统所采用方法的选择。
协议地球参考系CTRS的定义：
1）原点在地球质心，地心定义为包括海洋 和大气的整个地球的质量中心；
2）尺度单位为米（国际单位制），即在引力 相对论意义下的局部地球框架内定义的米；
实用中参考系的三轴指向由IERS提供的地球自 转参数(ERP)确定，它可由VLBI技术精确测得。
④ CTRF的尺度
对于CTRF的尺度，按定义应为引力相对论意 义下的局部地球框架的尺度；
实用中由各分析中心在数据处理时采用的光速 c、地球引力常数 GM 以及某种相对论改正模 型来确定；
新的CTRF的尺度一般是选用某个网的尺度， 或多个网的尺度的带权平均。
建立动力学方程，解算出它们的瞬时位置和
速度，这类历表构成的参考架。
rv

v x(t)i

x(t)
v j

v x(t)k
x f1 t y f2 t z f3 t
f x, y, z 0
射电源参考架：1998年起以IERS提供的射电
源表（707）作为ICRF，精度0.02mas，必要观 测：1个射电源的赤经和赤纬加1个方向；
① 一点定位； L0 0，B0 0，A0 0 H0 H正0
② 多点定位；
Li，Bi
天文、重力
Hi
i
水准求高程
异常
N新 cos B旧 cos L旧X0 cos B旧 sin L旧Y0 sin B旧Z0

N旧（1 a旧
e旧2
sin2
B旧）a

M旧
1 旧
公报A和公报B同时提供天极补偿和UT1。
ftp://maia.usno.navy.mil/ser7，http://maia.usno.navy.mil/ http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/，hpiers.obspm.fr or 145.238.100.28
地球定向参数：
xp , yp , x, y, dUT1
方案。一个参考系包括：一组模型和常数； 一套理论和数据处理方法；一个参考架。
Z' Z
Z Z0
X Y
Z'
O
X'

X
X' Z X0 Y
X
Y
X Z Y0
Y'
X 'Y ' Z ' XYZ RZ ()RX ()RZ ( ) RX (X )RY (Y )RZ (Z )
IAU和IUGG建议平极的位 置用5个台站的“1900— 1905年新系统”的平均纬 度来确定，平极的这个位置 相对于1900-1905年平均 历元（1903.0），叫做国 际协议原点，简称CIO
【注】：IAU2006决议B2 规定不再采用CIO作为国 际协议地球原点的简写。
1971-1975年瞬时极相对于 国际协议原点的运动轨迹
Z Z'

X

X'
x &sin sin &cos
欧拉运动学方程： y &sin cos &sin
z &cos &
A
dx
dt
C

A 23

N1
欧拉动力学方程：
A
dy
dt
C

A 31

N2
C
dz
dt

N3
国际协议原点：1967年
cos2 cos sin2
sin cos cos g sin cos

sin cos
sin cos cos sin cos sin2 cos cos2 sin sin
sin cos
sin
sin

cos
理想的地球参考系：相对于它地壳只存
在形变，不存在整体的旋转和平移；而它 相对于惯性参考系只包含地球的公转和自 转等整体运动。
理想地球参考框 架的Tisserand条件
cvdm 0 c x vdm 0
2 、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义
Definition of the Conventional Terrestrial Reference System and the Conventional Terrestrial Reference Frame
(1
e旧2
sin2
B旧) sin2
B旧

N旧
N新2=最小
X
、
0
Y0、
Z 0
、、N

0、
0、N
，
0
坐标系、参考架和参考系：
坐标系：由理论定义给出的用于描述点的
位置和运动的数学工具；
参考架：标定了坐标值的一组物理点组成
的框架，坐标值可以采用不同的坐标系；
参考系：实现理想的基本坐标系的一套整体
(
'X
)RZ ( Z )
1
协议地球参考系
Conventional Terrestrial Reference System
1、基本坐标系 2、地心坐标系及其应用需求 3、协议地球参考系CTRS和协议地球
参考架CTRF的定义 4、协议地球参考框架的建立和维持 5、国际地球参考框架ITRF 和世界大
恒星参考架：1998年起，Hipparcos星表（11
万颗恒星）取代FK5星表作为[FCS]在光学波段 的实现，精度好于1mas；
动力学参考架：近距天体如太阳系行星、卫
星及人造天体的轨道历表，[FCS]的一种实现， 如JPL的DE行星历表、各种卫星的精密历表等。
地球的空间姿态
FTS'FCS FTS'EE'NN'FCS
基本地球坐标系（FTS）：原点在地球质心，其坐 标标架相对于地球岩石圈的整体没有旋转和平移。
基本坐标系的可观测性
不依赖于任何已知坐标框 架的绝对可观测性
自转轴真的可观测吗？
运动学天球参考架：框架点位的变化可以
通过某种运动学多项式来简单描述，例如射 电源参考架和恒星参考架。
动力学参考架：考虑作用于天体的各种力，
② 地球质心位置的确定：
CTRF的坐标原点由 SLR确定。
方法：使参加平差的 某个SLR网的平移参 数为0；或使参加平差 的几个SLR网的平移 参数的加权和为0。
③ 参考系的定向
由于极移运动，瞬时自转轴运动轨道构成了一 个近似的圆锥面，以地球质心为其锥顶；
取平均自转轴，即圆锥面的对称轴，为Z轴，将 X轴限定在格林尼治天文台的子午面内，再选 定Y轴，使O-XYZ构成右手直角坐标系；
1 0 X 1


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0
1
Y



0
0 1
xp yp

X Y 1 xp yp 1
RX yp RY xp
cos 1
X xp
Y yp
FTS'E RY xp RX yp
X sin cos
《大地测量学基础》（FOUNDATION OF GEODESY）
协议地球参考系
测绘学院一系大地测量教研室
上节课内容回顾
椭球定位的条件？
① 椭球的短轴与地球的自 转轴平行； ② 起始大地子午面与起始 天文子午面平行； ③ 椭球面与某一区域的大 地水准面最为密合。
x 0, y 0 z 0
地球的空间姿态
岁差和章动：在
日月和行星引力的 作用下，地球的动 力学平面的空间取 向的变化。可通过 岁差章动模型精确 预测。
地球自转：世界时UT1
1、基本坐标系
Fundamental Coordinate System
、和 分别表示 进动角、自转角和 章动角，根据月球、 太阳和行星对地球 的作用解欧拉方程 可解。
[FTS]'[FCS]代表了平均岩石圈相对于遥远天体整 体背景的“空间绝对姿态”。
[N]'[FCS]代表了瞬时天球坐标系相对与空间背景 的姿态变化，可通过岁差章动和天极补偿来描述。
[E]'[N]代表了瞬时地球坐标系相对与瞬时天球坐 标系的姿态变化，可通过地球自转角来描述。
[FTS]'[E]代表了地球本体相对于瞬时地球坐标系 的姿态变化，可通过极移来描述。
② 在测绘工程中的应用需求
1）导航等集成应用的要求，以地心基准 作为地图的数学基础，能使GPS等技术的 空间导航结果直接在地图平台上定位；
2）地理信息的应用在空间域上的整体性 要求，导航系统与地图平台、海图与地形 图、跨国界洲际GIS、遥感信息等；
2、地心坐标系及其应用需求
Requirement of Geocentric Coordinate System and its Application
2、地心坐标系及其应用需求
Requirement of Geocentric Coordinate System and its Application
① 在地球动力学、物理大地测量学 和空间技术中的应用需求；
1）无论地球内部质量怎么迁移，地球形状发 生怎样的变化，据质点系动力学理论，地球 质心都沿着一条确定的轨道运行。
N2 min
上节课内容回顾
大地起算数据：大地
原点的大地坐标值L0、 B0、H0，以及它对某一 方向的大地方位角A0， 经典大地测量的基准。
L0，B0，H0，A0
大地起算数据
P(L0 , B0 )
M
N
H0
p0 A0 m
S
0，0，0 N0 ，x， y，z
椭球定位
椭球定位的方法？ 0 0，0 0，N0 0
Y sin sin
Z cos
地球定向参数的获得：可从IERS公告A或
公告B中得到以天为间隔极移坐标
公告A提供了极移的当前解及其预报值，用于 实时的观测等用途，可通过匿名ftp获得；
公报B提供了极移的标准解，可用于科学和地 球自转的长期分析等用途，每个月月初通过 匿名ftp和互联网更新发布；