武汉大学大地测量学ppt2

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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!
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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
2.1 地球的运动
第二章 坐标与时间系统
从不同的角度，地球的运转可分为四类： – 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）
天文学的基本概念（预备知识）
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预备知识

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。
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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)。 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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§2.3 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。
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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局部定位 ： 要求在一定范围内椭球面与大地水准面 有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求； 地心定位 ： 要求在全球范围内椭球面与大地水准面 最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致。 • 椭球的定向 指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心 定位，都应满足两个平行条件： ① 椭球短轴平行于地球自转轴； ② 大地起始子午面平行于天文起始子午面。
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。
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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。
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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； 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+ζ H=H正高+N
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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。 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。
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2.2 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。 – 运动是连续的； – 运动的周期具有足够的稳定性； – 运动是可观测的。 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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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.
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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 。
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(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。
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• 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=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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• 平太阳时MT
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。 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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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。
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椭球定位和定向概念
• 椭球的类型: 参考椭球: 具有确定参数(长半径 a和扁率α )，经过 局部定位和定向，同某一地区大地水准面最佳拟合的 地球椭球. 总地球椭球: 除了满足地心定位和双平行条件外，在 确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合 的地球椭球.
• 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。
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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。 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：
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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 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。
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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+Δλ, UT2=UT1+ΔT
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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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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 γ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。
建立球面坐标系统，如图2－1所示.
ห้องสมุดไป่ตู้
参考点、线、面和园
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图2－1 天球的概念
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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。
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。