第2章-空间大地测量的时空框架

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中南大学测绘与国土信息工程系
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空间大地测量时空框架
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中南大学测绘与国土信息工程系
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内容要点
大地测量时空基准相关定义 时间系统 坐标系统
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。目前提供使用的国家平面控 制网含三角点、导线点共154348个。
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。
•授时系统 是确定和发播精确时刻的工作系统 。
时间系统
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。
周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方 法。 – – – 运动是可观测的。
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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 。
“2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精 度GPS 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.
–协议天球坐标系 –瞬时平天球标系 –瞬时真天球标系
协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系
协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁
差导致的 Z 轴方向发生变化产生的，通过对协议
天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的
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坐标变换
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x
x
测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准 等。
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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!
AT=UT2－0.0039(s) 地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。
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• 协调世界时(UTC)
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)。
瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转轴的 章动造成的，两者之间的相互转换可以通过章动旋转矩阵来实现.
x x

y

N

y
z t z Mt
N R1( )R3( )R1( )
. 为黄赤交交、交角章动、黄经章动
TDT和TDB可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现
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 13
• 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。
(CIS= Conventional Inertial System)
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国际大地测量协会IAG和国际天文学联合会IAU决 定，从1984年1月1日起采用以J2000.0 (2000年 1月15日)的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐 标系.
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天球直角坐标系 球面坐标系：赤经、赤纬、向径
图2－8 天球坐标系
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图2－10 大地坐标系与空间直角坐标
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3、高程参考系统
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；
与大地测量系统相对应，大地测量参考框架有坐标（参考）框架、高 程（参考）框架和重力测量（参考）框架三种。
大地测量基准建设的任务
大地测量基准建设的任务是，确定或定义坐标系统、高程系统和重力 参考系统。建立和维持坐标框架、高程框架和重力框架。
时间系统与时间参考框架
（1）时间系统
时间系统规定了时间测量的参考标准，包括时刻的参考标准和时间 间隔的尺度标准。
大地测量系统
大地测量系统规定了大地测量的起算基准和尺度标准及其实现方式（ 包括理论、模型和方法）。
大地测量系统包括坐标系统、高程系统和重力参考系统。
大地测量参考框架
大地测量参考框架，就是按大地测量系统的规定的原则，采用大地测 量技术，在全球或局域范围内所测定的、固定在地面上的点所构成的大 地网（点）或其他实体（静止或运动的物体），是对大地测量系统的具 体实现。
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、物质的振动等。
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• 恒星时(ST)
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。
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。
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惯性坐标系(CIS)与协议坐标系 惯性坐标系：是指在空间固定不动或做匀速直线运
动的坐标系。
协议惯性坐标系的建立：
由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻 t0 作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁 差和章动改正后的指向作为 Z 轴，以对应的春分点 为 X 轴的指向点，以 XOY 的垂直方向为 Y 轴建立 天球坐标系，称为协议天球坐标系 或协议惯性坐标 系 CIS
A 2004 .3109 "T 0.42665 "T 2 0.041833 "T 3
T (JD(t) 2451545.0) / 36525
JD(t) 为观测历元 t 的儒略日。
P：岁差旋转矩阵
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瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标
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
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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
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。
世界各国发布的时号均以UTC为准。 TAI=UTC+1×n(秒）
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• GPS时间系统
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。
GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室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： TAI－GPST=19(s)
GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。
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内容要点
大地测量时空基准相关定义 时间系统 坐标系统
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坐标系统
1、大地基准
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。
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
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时角t
天体的时圈面与测站 子午面间的二面角 QOT称为天体的时角， 以t表示。也可用在北 天极P上所相应的球 面角QP σ或在赤道 上由上点Q至T点的 弧距QT来量度。
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• 平太阳时MT和世界时UT
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、远日点最短。
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：