第三章地球参考系与参考框架
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坐标系基础知识
笛卡儿坐标系笛卡儿坐标系又称为平面直角坐标系，由一个原点（坐标为(0,0)）和两个通过原点的、相互垂直的坐标轴构成（见图2-11）。
其中，水平方向的坐标轴为X轴，以向右为其正方向；垂直方向的坐标轴为Y轴，以向上为其正方向。
平面上任何一点P 都可以由X轴和Y轴的坐标所定义，即用一对有序实数对（x,y）来定义并定位一个点。
例如，图中P点的坐标为（3,4）。
大地坐标大地测量中以参考椭球面为基准面的坐标。
地面点P的位置用大地经度L、大地纬度B和大地高H表示。
当点在参考椭球面上时，仅用大地经度和大地纬度表示。
大地经度是通过该点的大地子午面与起始大地子午面之间的夹角，大地纬度是通过该点的法线与赤道面的夹角，大地高是地面点沿法线到参考椭球面的距离。
大地测量坐标系常用大地测量坐标系统大地坐标系由大地纬度、大地经度和大地高所构成的坐标系统为大地坐标系。
空间直角坐标系其为坐标原点位于总地球椭球质心，X轴，Y轴，Z轴所组成的笛卡儿坐标系。
Z轴于地球平均自转轴重合，X轴指向平均自转轴于平均格林尼治天文台所决定的子午面与赤道面的焦点，Y轴方向与X轴和Z轴所组成的平面垂直，且指向为东。
天文坐标系以铅垂线为依据，由天文纬度和天文经度所构成的坐标系统。
子午面直角坐标系以一点的所在的子午圈椭圆中心为原点，建立，x、y平面直角坐标系。
则该点坐标用该点的大地经度与其在上述的平面直角坐标系中的x、y坐标表示。
地心纬度坐标系以一点的大地经度、地心纬度和向径所组成的坐标系。
归化纬度坐标系以一点的大地经度、归化纬度所组成的坐标系。
站心地平坐标系以测站法线和子午线方向为依据建立的坐标系。
建筑物坐标系以建筑物的两条相互垂直的标志线的起点为零点，建立的坐标系。
坐标系统概念1推荐一：需要用到的几个基本概念-------- 球面坐标系1. 几个常涉及到的名词的中英文对照：地形面（Topography）；大地水准面（Geoid）；参考椭球面（Reference Ellipsoid）；基准（Datum）；2. 基准：就是一组用于描述其他量的量，比如，描述空间位置的基准为位置基准；描述时间的基准为时间基准。
地球参考系
GCRS Qt CIRS
CIRS R3 TIRS
GCRS Q t R3 W t ITRS
TIRS W t ITRS
天体力学与天体测量基础
19
地球自转角 ERA
Tu 2 0.7790572732640 1.00273781191135448Tu
讲课内容
复习 国际地球参考系 地球的轴、极和极移 ITRS-TIRS变换 ITRS-GCRS变换 地球自转参数 观测站的坐标
天体力学与天体测量基础
1
复习
中间赤道上的参考系 TIRS-CIRS 变换 CIO变换（CIRS-GCRS） 用直角坐标表示变换矩阵
天体力学与天体测量基础
天体力学与天体测量基础
14
极移量
极移量 xp和 yp 是 CIP 在ITRS 内的“极坐 标”，亦即向量 e3 的第一和第二坐标，但第二坐 标沿标架向量的负方向度量.
极移x分量的 组成和变化， 单位为角秒
天体力学与天体测量基础
15
2001－2006年期间的 CIP 的轨迹
天体力学与天体测量基础
16
xy z2 x2 zy
xz yz dm x 2 y2
8
天体力学与天体测量基础
地球椭球体：形状轴
主转动惯量和惯量主轴
，
A 0 0 I0 B 0 0 0 C
地球的动力学扁率 形状轴和形状极
A B C ,
A 304 C AC A Nhomakorabea.0032729 C
(T 0,i 1 UT C T 0i , 13 i 39)
地球参考系与参考框架课件
中国地球参考框架的建立
方法
通过全球定位系统（GPS）观测和数据处理，结合 天文测量和重力测量等多种手段，建立中国地球参 考框架。
过程
收集和处理大量观测数据，进行数据分析和处理， 确定中国范围内的地球坐标和地球动力学参数，形 成中国地球参考框架。
中国地球参考框架的应用
地理信息系统
中国地球参考框架是地理信息系统的基础，为各种地理信 息数据的采集、处理、分析和应用提供统一的坐标和参数 。
资源调查与环境监测
中国地球参考框架在资源调查、环境监测等领域也具有广 泛应用，为相关工作的开展提供了重要的技术支持。
城市计划与建设
在城市计划、建设和管理工作中，需要使用中国地球参考 框架提供的地理坐标和参数，以确保各项工作的精度和准 确性。
科学研究
在地球科学、地质学、气象学等领域，中国地球参考框架 为科学研究提供了重要的基础数据和参数，促进了相关学 科的发展。
建立国际地球参考框架需要使用高精度的测量技术和先 进的算法，以确保其精度和可靠性。
国际地球参考框架的应用
国际地球参考框架是全球导航卫星系 统（GNSS）的基础，用于定位和导 航。
国际地球参考框架还应用于地球科学 、气象学、地震学和环境监测等领域 ，为相关研究和应用提供统一的参考 系统和数据基础。
它也是地理信息系统（GIS）的重要 参考，用于地图制作、地理信息分析 和可视化。
04
地球参考系与导航定位
Chapter
导航定位系统的基本原理
导航定位系统的概念
导航定位系统是一种能够确定物体位置、速度和姿态的系统，广泛 应用于军事、交通、气象等领域。
导航定位系统的组成
导航定位系统通常由信号发射器、信号接收器和数据处理系统三部 分组成。
地球参考系
R 3 s . 2
sin d cos E sin d sin E R 3 s . cos d
1 aX 2 aX Y X Q t aX Y 1 aY 2 Y 2 X Y 1 a X Y
2
真/平赤道系、天球中间系和 地球中间系
基本平面：中间赤道面
基本方向：
春分点 CIO TIO 真/平赤道系 CIRS TIRS 时角坐标系（左手系） J2000.0 时，CIRS和平赤道系与 ICRS 基本相合.
天体力学与天体测量基础
3
TIRS-CIRS 变换
e1
e1
e1
e 2 e3
e1
e1
e 2 e3
e 2 e3
GCRS CIRS
e1
e2 e3 e1 e2 e3 Q(t )
GCRS Qt CIRS
Q(t ) R3 E R2 d R3 E R3 s
天体力学与天体测量基础
5
用直角坐标表示变换矩阵
e 2 e3
e 2 e3
CIRS
TIRS
e1
e2 e3 e1 e2 e3 R 3
CIRS R TIRS
3
ERA 试写出 CIRS-真赤道系变换.
练习：试写出 TIRS-真赤道系变换.
天体力学与天体测量基础
4
CIO变换（CIRS-GCRS）
的周日运动在空间中一起旋转的空间参考系.
动量矩（角动量）
2 T d H r rdm r U rr Ωdm
练习1：证明
H r 2 U rrT dm Ω IΩ
sin d cos E sin d sin E R 3 s . cos d
1 aX 2 aX Y X Q t aX Y 1 aY 2 Y 2 X Y 1 a X Y
2
真/平赤道系、天球中间系和 地球中间系
基本平面：中间赤道面
基本方向：
春分点 CIO TIO 真/平赤道系 CIRS TIRS 时角坐标系（左手系） J2000.0 时，CIRS和平赤道系与 ICRS 基本相合.
天体力学与天体测量基础
3
TIRS-CIRS 变换
e1
e1
e1
e 2 e3
e1
e1
e 2 e3
e 2 e3
GCRS CIRS
e1
e2 e3 e1 e2 e3 Q(t )
GCRS Qt CIRS
Q(t ) R3 E R2 d R3 E R3 s
天体力学与天体测量基础
5
用直角坐标表示变换矩阵
e 2 e3
e 2 e3
CIRS
TIRS
e1
e2 e3 e1 e2 e3 R 3
CIRS R TIRS
3
ERA 试写出 CIRS-真赤道系变换.
练习：试写出 TIRS-真赤道系变换.
天体力学与天体测量基础
4
CIO变换（CIRS-GCRS）
的周日运动在空间中一起旋转的空间参考系.
动量矩（角动量）
2 T d H r rdm r U rr Ωdm
练习1：证明
H r 2 U rrT dm Ω IΩ
浙教版七年级科学上第三章人类的家园地球完整知识点总结
第三章地球与宇宙知识要点第一节：1.地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的不规则球体。
地球的赤道半径是6378千米，两极方向的半径（即极半径）是6357千米，两极半径比赤道半径短21千米，仅差0.33%（所以地球仪制成了正球体），平均半径是6371千米；赤道长约4万千米。
2.有些什么事例可以证明地球是球体的呢？（1）月食时的阴影是圆形（注意：日食不能证明地球是球体）。
（2）登高望远发现地平圈越来越大。
（3）轮船的远去和返回。
（4）麦哲伦环球航行。
（5）人造卫星拍摄的地球的照片。
等3.地球由外到内分为地壳、地幔、地核三层。
地壳最薄，平均厚度17千米；地核最厚，4.地壳和上地幔的顶部(软流层以上部分)共同组成了岩石圈。
地核可以分为内地核和外地核。
外地核呈液态或熔融状态，内地核呈固态。
第二节1. 地球仪是地球的模型，是一个正球体。
地球仪上的基本元素：（1）地轴：地球自转的旋转轴，穿过地心；是假想的轴；（2）两极：地轴与地球表面相交于两点，指向北极星附近的一点叫北极；与北极相反的一点叫南极。
（3）经线：在地球仪上，连接南北两极的线，也叫子午线。
（4）赤道：在南北两极中间，与两极等距，并且与经线垂直的线。
（5）纬线：在地球仪上，与赤道平行、同经线垂直相交的线。
赤道是最长的纬线。
2.3. 东半球包括：0°——160°E和0°——20°W；西半球包括：160°E——180°E和20°W——180°W4.地图是以各种图式符号,将地球的地理事物按照一定比例缩小表现在平面纸上的图形。
5.地图的类型：政区图、旅游图、平面示意图等。
6. 地图的三要素：比例尺、方向、图例和注记（1）比例尺：表示图上距离比实地距离缩小的程度。
比例尺=图上距离/实地距离（2）比例尺的表示方法（形式）：线段式、数字式、文字式。
（3）表示方向的三种方法：①指向标定向法：用一个指向北的方向标表示北方。
地球参考系与参考框架
Geodetic network of China (horizontal datum)
Triangulation and traverse points
48433
Laplacian points
458
Starting lines
467
Geodetic origin,PR China
新1954北京坐标系 将C80大地坐标系的空间直角坐标经过三个平移参 数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，椭球参数保 持与1954年北京坐标系相同。
地心地固大地坐标系
地球椭球的中心与地球质心 重合，椭球面与大地水准面在 全球范围内最佳符合，椭球短 轴与地球自转轴重合（过地球 质心并指向北极），大地纬度， 大地经度，大地高。
地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴 方向的变化。
协议地球坐标系
以协议地极CIP(Conventional Terrestrial Pole)为指 向点的地球坐标系称为协议地球坐标系 CTS(Conventional Terrestrial System),而以瞬时 极为指向点的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。在大 地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原 点CIO(国际协议原点)为指向点,因而也是协议地球坐 标系,一般情况下协议地球坐标系和地心地固坐标系 代表相同的含义。
问题：Geodetic Reference System 1980 (GRS80 ）与C80有何不同？
Geodetic Reference System 1980 (GRS80)
Adopted by the International Association of Geodesy (IAG) during the General Assembly 1979
地球参考框架与坐标系
天球参考系和参考框架（1）
• 天球参考系CRS(Celestial Reference System)是一种 于动态定义的系统，也就是使宇宙中遥远的目标与某一 固定的轴方向保持一致。天球参考系是通过河外星系、 大多数类星体、较少的活动的银河系核的精确坐标来定 义的天球参考框架CRF(Celestial Reference Frame)来 实现的 。 • 国际天球参考系ICRS(International Celestial Reference System)由国际天文联合会 IAU(International Astronomical Union)于1997年正 接受，从1989年到1995年，国际地球自转服务 IERS(International Earth Rotation Service)每年对 天球参考系CRS 进行观测计算，计算采用相同的IERS河 外星系天球参考系 。
极位置和赤经原点
•
Location of the poles and the origin of right ascensions of the FK5 and that of the celestial pole and equinox at J2000.0 with respect to the ICRS.
•
•
ICRS、ICRF的定义
• International Celestial Reference System and Frame (ICRS, ICRF) • A reference system can be defined as a « set of prescriptions and conventions together with the modelling required to define, at any time, a triad of axes ». To complete this definition, we should not forget also the fundamental choice of the origin. • The ICRS is defined in the following way : its origin is located at the barycentre of the solar system, and the directions of its three axes are fixed relative to the distant extragalactic sources . • A reference frame can be defined as a « practical realization with given fiducial directions agreeing with the concepts introduced in the corresponding Reference System » .
2000国家大地坐标系资料
24
影响瞬时点位的因素
固体地球表面的一点的瞬时位置包含： 各种短期或短周期时变影响； 长周期因素的影响 各种短期或短周期时变影响： 固体潮位移(包括长期位移) 海洋负载位移 大气负载位移
25
影响瞬时点位的因素
长周期因素： 板块运动引起的点位变化速度，主要沿水平方 向； 冰期后地壳均衡回弹引起的点位变化速度，主要 沿垂直方向； 地壳构造形变引起的点位变化速度。 实际顾及的改正 基准的运动 板块的运动
13
框架间的关系
14
WGS84与ITRF框架的关系
15
WGS84与ITRF框架的关系
如果采用GPS广播星历（WGS84）, 则测站坐 标同任一ITRFyy的一致性在1米以内, 利用 精化了的WGS84(G1150)星历, 则两者的一 致性在1厘米以内。
16
ITRF 和IGS 的关系
—ITRF91 1992年至1993年底; —ITRF92 1994年期间; —ITRF93 1995年初至1996年中期; —ITRF94 1996年中期至1998年3 月; —ITRF96 1998年3月至1999年8月; —ITRF97 1999年8月至2000年10月； —ITRF2000 2003年10月至2006年10月； —ITRF2005 2006年10月至今。
9
ITRF在建立和维持地区性大地坐标 系中的作用
利用具有精确ITRF框架精确坐标的IGS站作 为基准站 采用GPS相对定位技术, 在某一地区进行 GPS同步观测,并进行数据处理 获得该地区的高精度的测站坐标, 即在当 地建立了基于GPS技术的地心参考系
10
ITRF在建立和维持地区性大地坐标 系中的作用
一种是将该地区内和其周围ITRF点给以强约 束, 如南美洲参考框架SIRGAS; 一种是选择全球稳定的部分ITRF点给以强约 束, 如EUREF
影响瞬时点位的因素
固体地球表面的一点的瞬时位置包含： 各种短期或短周期时变影响； 长周期因素的影响 各种短期或短周期时变影响： 固体潮位移(包括长期位移) 海洋负载位移 大气负载位移
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影响瞬时点位的因素
长周期因素： 板块运动引起的点位变化速度，主要沿水平方 向； 冰期后地壳均衡回弹引起的点位变化速度，主要 沿垂直方向； 地壳构造形变引起的点位变化速度。 实际顾及的改正 基准的运动 板块的运动
13
框架间的关系
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WGS84与ITRF框架的关系
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WGS84与ITRF框架的关系
如果采用GPS广播星历（WGS84）, 则测站坐 标同任一ITRFyy的一致性在1米以内, 利用 精化了的WGS84(G1150)星历, 则两者的一 致性在1厘米以内。
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ITRF 和IGS 的关系
—ITRF91 1992年至1993年底; —ITRF92 1994年期间; —ITRF93 1995年初至1996年中期; —ITRF94 1996年中期至1998年3 月; —ITRF96 1998年3月至1999年8月; —ITRF97 1999年8月至2000年10月； —ITRF2000 2003年10月至2006年10月； —ITRF2005 2006年10月至今。
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ITRF在建立和维持地区性大地坐标 系中的作用
利用具有精确ITRF框架精确坐标的IGS站作 为基准站 采用GPS相对定位技术, 在某一地区进行 GPS同步观测,并进行数据处理 获得该地区的高精度的测站坐标, 即在当 地建立了基于GPS技术的地心参考系
10
ITRF在建立和维持地区性大地坐标 系中的作用
一种是将该地区内和其周围ITRF点给以强约 束, 如南美洲参考框架SIRGAS; 一种是选择全球稳定的部分ITRF点给以强约 束, 如EUREF
浙教版七年级科学上册第三章地球第2节_地球仪和地图讲解
东
东经160度
半
球
与
西
半
球
东西半球的划分
以西经20 和东经160 为分界线。
为什么要这样来分？
2、东西半球划分的依据：
以20°W、160°E经线圈为界，将地球划分为东 半球和西半球。20°W、160°E经线圈，纵贯大 西洋、北冰洋、太平洋和南极洲大陆，最大限度地 避免了将某一大陆、某一地区或国家人为地划分在 两个半球上。在此划分方案中，亚、欧、非三大洲 及大洋洲的主体部分在东半球，南北美洲则在西半 球。事实上，地球上任何一个经线圈都是大圆，都 可以均分地球，同时，地球又是不停地自转着的， 因而，东西也是相对的。所以，东西半球界线的选 择，东西半球的称谓，是在自然地理特征的基础上， 较充分地考虑到了地球上不同地域人们的社会、历 史、文化传统等人文因素。
高纬区 中纬区
4-1、高中低纬
北半球
低纬区
中纬区 南半球
高纬区
纬线是半径不同的同心圆：赤道半径最大
经度与纬度的划分及判断
A
B
自南往北，纬度数升高的为北纬 自西往东，经度数升高的为东经
3、经纬网
在地球 仪上， 经线和 纬线相 互交织 ，构成 了经纬 网。
意义：
可以准 确表示 地球表 面上任 何一个 地点的 位置。
中国政区图：小比例尺 湖州市区图：中比例尺 平面示意图：大比例尺
指示地图上的方向。 通常有三种表示方法。
一般定向法
北
ห้องสมุดไป่ตู้
①
西北
东北 一
地球公转的路线叫公转轨 道。
一、地球仪上的基本元素
地轴 两极 经线 赤道 纬线
1、地轴：是从地球内部穿过地心的固
定轴线，它是地球自转运动的轴线。
东经160度
半
球
与
西
半
球
东西半球的划分
以西经20 和东经160 为分界线。
为什么要这样来分？
2、东西半球划分的依据：
以20°W、160°E经线圈为界，将地球划分为东 半球和西半球。20°W、160°E经线圈，纵贯大 西洋、北冰洋、太平洋和南极洲大陆，最大限度地 避免了将某一大陆、某一地区或国家人为地划分在 两个半球上。在此划分方案中，亚、欧、非三大洲 及大洋洲的主体部分在东半球，南北美洲则在西半 球。事实上，地球上任何一个经线圈都是大圆，都 可以均分地球，同时，地球又是不停地自转着的， 因而，东西也是相对的。所以，东西半球界线的选 择，东西半球的称谓，是在自然地理特征的基础上， 较充分地考虑到了地球上不同地域人们的社会、历 史、文化传统等人文因素。
高纬区 中纬区
4-1、高中低纬
北半球
低纬区
中纬区 南半球
高纬区
纬线是半径不同的同心圆：赤道半径最大
经度与纬度的划分及判断
A
B
自南往北，纬度数升高的为北纬 自西往东，经度数升高的为东经
3、经纬网
在地球 仪上， 经线和 纬线相 互交织 ，构成 了经纬 网。
意义：
可以准 确表示 地球表 面上任 何一个 地点的 位置。
中国政区图：小比例尺 湖州市区图：中比例尺 平面示意图：大比例尺
指示地图上的方向。 通常有三种表示方法。
一般定向法
北
ห้องสมุดไป่ตู้
①
西北
东北 一
地球公转的路线叫公转轨 道。
一、地球仪上的基本元素
地轴 两极 经线 赤道 纬线
1、地轴：是从地球内部穿过地心的固
定轴线，它是地球自转运动的轴线。
浙教版科学七年级新教材第三章人类家园地球复习
特征
岩浆岩 沉积岩
岩浆喷出地表侵入 地壳冷却凝固而成
地表碎屑物一层层堆 积、压实、固化而成
明显矿物晶体颗粒 、气孔或柱状结构 。
有明显层状结构特 征或化石。
地壳中的岩石在岩浆、
变质岩 地壳运动产生的高温、
高压条件下形成的
片状的结构
浙教版科学七年级新教材第三章人类家 园地球复习
岩石圈的物质循环示意图
第三章：人类家园---地球
第一节：地球形状和内部结构 第二节：地球仪和地图 第三节：组成地壳的岩石
第四节：地壳变动和火山地震
第五节：泥石流 第六节：地球表面的板块 第七节：地形和地形图
浙教版科学七年级新教材第三章人类家 园地球复习
地球一个两极稍扁赤道略鼓的球体。
它的赤道半径为6378千米，
两极方向比赤道短21千米左右。仅差0.33%。
南北
0°的确定 赤道
本初子午线
度数的变化 规律
划分半球的 界线
从赤道向两极递增 向西向东各180° 90°
赤道
20°W
160°E
浙教版科学七年级新教材第三章人类家 园地球复习
W E
国际上规定，通过英国伦敦格林尼治天文台原址
的那条经线为0
度经线，也叫本初子午线。 浙教版科学七年级新教材第三章人类家 园地球复习
比较
0°线
度数划分
代号 半球划分
经度 本初子午线
纬度 赤道
9。0 北纬：N
180。 0。 180。
西经：W 东经：E 20。W和160。E经线圈
0。
90。南纬：S 赤道把地球分
作为划分东西半球的界线 为南北半球
浙教版科学七年级新教材第三章人类家 园地球复习
七年级科学上册第三章人类的家园——地球知识点
第三章人类的家园——地球提纲第一节地球的形状和内部结构1.地球的形状：地球是一个（两极稍扁）、（赤道略鼓）的球体。
2.地球的大小：地球的平均半径为6371千米；赤道半径为6378千米；两极半径为6357千米（两极半径比赤道半径短21千米）；赤道周长约为4万千米。
3.海面上远去的船只为什么船身比桅杆先消失？答：因为地球是个球体，地球表面是个曲面，所以海面上远去的船只船身比桅杆先消失。
4.那些现象能证明地球是个球体？答：（1）1519—1522年，葡萄牙航海家（麦哲伦）率领的船队，首先实现了人类环绕地球一周的航行，证实了地球是一个球体。
（2）20世纪，人造地球卫星拍摄的地球照片，确证地球是一个球体。
（3）在海边看到有帆船从远方驶来，总是先看到（桅杆），再看到（船身）。
这说明海面是曲面。
（4）站得越高看得越远，说明大地也是曲面。
（5）（月食）是地球的影子遮挡了月亮，从月食的过程可以判断地球是球体。
5.地球内部的结构特点：地球内部结构具有同心圆的特点，从外向内结构层次分别地壳、地幔、地核，地壳和地幔的顶部（软流层以上部分）共同组成了岩石圈。
第二节地球仪和地图一.地球仪：0.地轴：地球自转的旋转轴，穿过地心；两极：地轴与地球表面相交于两点，指向北极星附近的一点叫北极；与北极相反的一点叫南极。
赤道：在南北两极中间，与两极等距，并且与经线垂直的线。
1.纬线和纬度：（1）纬线：纬线都是（圆形），也称为纬线圈，长度（不等），与赤道平行。
（赤道）最长，由赤道向两极逐渐缩短，最后成一点。
纬线指示（东西）方向。
（2）纬度：（赤道）是零度纬线。
赤道以北的纬度，叫做（北纬），用“N”作代号；赤道以南的纬度叫（南纬），用“S”作代号。
（3）北Array纬、南纬各有90°。
2.经线和经度（1）经线：也叫（子午线）。
经线是（半圆形），所有经线长度（相等）。
经线指示（南北）方向。
（2）经度：零度经线也叫（本初子午线）。
从本初子午线向东、西各分作（180°），以东的180°属于（东经），用“E”作代号；以西的180°属于（西经），用“W”作代号。
协议地球参考系
-1.9 1.1 -1.7 -0.50 2.5 1.1 0.7 0.0 0.0 0.0 0.00 –0.4 0.4 -0.9 -2.9 -1.4 0.3 0.31 –0.3 5.7 -7.3
8
9 10 11
SSC(DGFII)92L01
SSC(DUT)92L01 SSC(GFZ)92L01 SSC(GAOUA)92L01
协议地球参考系
同义词：坐标系、参考系（参照系）、参考坐标系、参考框架
§3 椭球定位的经典方法
—— 1954北京坐标系、1980西安坐标系的建立方法
地面观测量
方向 距离 天文方位角 归算
椭球面观测量
大地线方向 必须量ξ, η, 大地线距离 ζ（由天文 测量和重力 大地方位角
测量获得）
平面观测量
归算
直线方向 直线距离 坐标方位角
四、ITRF和WGS84
2.WGS84 从二十世纪六十年代开始，为建立全球统一的 大地坐标系，原美国国防部制图局（DMA）就曾建 立了WGS60，随后又推出了改进的WGS66和WGS72。 二十世纪八十年代中期，推出了 WGS84 坐标系。 WGS84 坐 标 系 是 一 个 协 议 地 球 参 考 系 ， 此 外 ， WGS84还包括参考椭球、基本常数、地球重力场模 型 和 全 球 大 地 水 准 面 模 型 ， 所 以 实 际 上 World Geodetic System （ WGS ）应直译为世界大地测量 系统。
实现某参考系需要7个参数，其中3个平 移参数规定了参考架的原点、 3 个定向参数 规定了参考架的轴向、 1 个尺度参数规定了 参 考 架 的 尺 度 。 表 7.1 列 出 了 参 加 建 立 ITRF91的全部16个网，表中序号1至5为VLBI 网、 6 至 12 为 SLR 网、 13 至 15 为 LLR 网、 16 为 GPS 网。对全部数据实施联合平差最终建立 ITRF91。
8
9 10 11
SSC(DGFII)92L01
SSC(DUT)92L01 SSC(GFZ)92L01 SSC(GAOUA)92L01
协议地球参考系
同义词：坐标系、参考系（参照系）、参考坐标系、参考框架
§3 椭球定位的经典方法
—— 1954北京坐标系、1980西安坐标系的建立方法
地面观测量
方向 距离 天文方位角 归算
椭球面观测量
大地线方向 必须量ξ, η, 大地线距离 ζ（由天文 测量和重力 大地方位角
测量获得）
平面观测量
归算
直线方向 直线距离 坐标方位角
四、ITRF和WGS84
2.WGS84 从二十世纪六十年代开始，为建立全球统一的 大地坐标系，原美国国防部制图局（DMA）就曾建 立了WGS60，随后又推出了改进的WGS66和WGS72。 二十世纪八十年代中期，推出了 WGS84 坐标系。 WGS84 坐 标 系 是 一 个 协 议 地 球 参 考 系 ， 此 外 ， WGS84还包括参考椭球、基本常数、地球重力场模 型 和 全 球 大 地 水 准 面 模 型 ， 所 以 实 际 上 World Geodetic System （ WGS ）应直译为世界大地测量 系统。
实现某参考系需要7个参数，其中3个平 移参数规定了参考架的原点、 3 个定向参数 规定了参考架的轴向、 1 个尺度参数规定了 参 考 架 的 尺 度 。 表 7.1 列 出 了 参 加 建 立 ITRF91的全部16个网，表中序号1至5为VLBI 网、 6 至 12 为 SLR 网、 13 至 15 为 LLR 网、 16 为 GPS 网。对全部数据实施联合平差最终建立 ITRF91。
地球概论第三章
恒显星区：恒显星在天球上的赤纬范围； 恒显圈：恒显星区的界线，即在北点与地 平圈相切的赤纬圈。
• 纬度越高，恒显（隐）星区愈大，出没星区 愈小：周日圈与地平的交角愈小；
• 纬度越低，恒显（隐）区愈小，出没区愈大： 周日圈与地平的交角愈大。
• 恒显（隐）圈的仰（俯）极距= • 出没星区宽度=2(90－ • 周日圈与地平交角=90
轨道半长轴（a）：149 600 000km；
轨道半短轴（b）：149 580 000km；
半焦距（c）：2 500 000km；
周长（l）：940 000 000km；
偏心率（e）：0.016；
扁 率 （f）：7 000。
太阳在轨道中的位置：两焦点之一
近日点（地球一月初经过） ：
四、 月球同太阳的会合运动 类似于地外行星 同月相变化相联系 朔望（合和冲） 上下弦（东西方照） 始终向东 没有逆行 会合周期（朔望月）： 1/S = 1/M-1/E
图3-30 恒星月与 朔望月的比较
三、 水平运动偏转
偏转方向：北半球偏右，南半球偏左
科里奥利力（地转偏向力）
F Vm· sin
科里奥利力只改变运动方向，不改变速率
影响地球大气环流，对形成行星风带、天 气系统和洋流有重要作用
第七节
地球的公转
地球公转及其证明 一、 恒星周年视差
恒星年视差
地球轨道位置对恒星视位置的影响；
图3-14 不同纬度的天球周日运动 （左）：在北极，只有恒显星和恒隐星，而无出没星；周日 圈平行于地平圈。（中）：在赤道，只有出没星，而无恒显星和 恒隐星；周日圈垂直于地平圈。（右）：在北半球某纬度，南北 天极周围有恒显星和恒隐星，天赤道南北是出没星。北天恒星在 地平以上的时间较长，南天恒星反之。周日圈倾斜与地平圈，倾 角为当地余纬（90-）。
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K ,K , NK
x , y , z
天文坐标
大地坐标
得到K点相应的大地经度 LK ，大地纬度 BK ，至某一 相邻点的大地方位角 AK 和大地高 H K
LK K K sec K BK K K AK K K tgK H K H正K N K
一点定位
Geodetic network of China (horizontal datum)
Triangulation and traver
458
Starting lines
467
Geodetic origin,PR China
新1954北京坐标系 将C80大地坐标系的空间直角坐标经过三个平移参 数平移变换至克拉索夫斯基椭球中心，椭球参数保 持与1954年北京坐标系相同。
equatorial radius of the Earth a 6378137 m
f:=1 : 298.257222101
geocentric gravitational constant GM (including the atmosphere)
3986005 ·108 m3s-2
dynamical form factor (excluding permanent tides)
大地原点和大地起算数据
大地测量基准，也叫 大地测量起算数据
一定的参考椭球和一定的大地原点起算数据， 确定了一定的坐标系。通常就是用参考椭球 和大地原点上的起算数据的确立作为一个参 心大地坐标系建成的标志。
我国大地坐标系 1954年北京坐标系
建国初期，为了迅速开展我国的测绘事业，鉴于当时的实际情况，将我国一等 锁与原苏联远东一等锁相连接，然后以连接处呼玛、吉拉宁、东宁基线网扩大 边端点的原苏联1942年普尔科沃坐标系的坐标为起算数据，平差我国东北及 东部区一等锁，这样传算过来的坐标系就定名为1954年北京坐标系。 1954年北京坐标系归结为： a．属参心大地坐标系； b．采用克拉索夫斯基椭球的两个几何参数； c. 大地原点在原苏联的普尔科沃； d. 采用多点定位法进行椭球定位； e. 高程基准为 1956年青岛验潮站求出的黄海平均海水面； f. 高程异常以原苏联 1955年大地水准面重新平差结果为起算数据。 按我 国天文水准路线推算而得 。
复习
一、建立大地坐标系的基本原理
1、椭球定位、定向的概念
大地坐标系是建立在一定的大地基准上的用于表达地球表面 空间位置及其相对关系的数学参照系，这里所说的大地基准 是指能够最佳拟合地球形状的地球椭球的参数及椭球定位和 定向。 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。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有最佳的符合,同时要求 椭球中心与地球质心一致或最为接近。
椭球定向是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
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,叫做参考椭球。
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,叫做总地球椭球。
在三维空间直角坐标系中，具有相同原点的两坐标系间的变换 一般需要在三个坐标平面上，通过三次旋转才能完成。如图所 示，设旋转次序为：
X , Y , Z 为三维空间直角坐标变换的三个旋转角，也称欧勒角
不同空间直角坐标之间的变换
当两个空间直角坐标系的坐标换算既有旋转又有平移时，则存在 三个平移参数和三个旋转参数，再顾及两个坐标系尺度不尽一致， 从而还有一个尺度变化参数，共计有七个参数 相应的坐标变换公式为：
X2 X 1 0 Z Y X 1 X 0 Y (1 m) Y Y Y 0 X 1 0 2 1 Z Z2 Z1 Y X 0 Z1 Z 0
确定椭球的定位 和定向
多点定位
一点定位的结果在较大范围内往往难以使椭球面与大地水 准面有较好的密合。所以在国家或地区的天文大地测量工作 进行到一定的时候或基本完成后，利用许多拉普拉斯点（即 测定了天文经度、天文纬度和天文方位角的大地点）的测量 成果和已有的椭球参数，按照广义弧度测量方程按 N 2 =最 2 小（或 =最小）这一条件，通过计算进行新的定位和 定向，从而建立新的参心大地坐标系。按这种方法进行参考 椭球的定位和定向，由于包含了许多拉普拉斯点，因此通常 称为多点定位法。 多点定位的结果使椭球面在大地原点不再同大地水准面相 切，但在所使用的天文大地网资料的范围内，椭球面与大 地水准面有最佳的密合。
地心地固大地坐标系
地球椭球的中心与地球质心 重合，椭球面与大地水准面在 全球范围内最佳符合，椭球短 轴与地球自转轴重合（过地球 质心并指向北极），大地纬度， 大地经度，大地高。
地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极的变动将引起坐标轴 方向的变化。
协议地球坐标系
以协议地极CIP(Conventional Terrestrial Pole)为指 向点的地球坐标系称为协议地球坐标系 CTS(Conventional Terrestrial System),而以瞬时 极为指向点的地球坐标系称为瞬时地球坐标系。在大 地测量中采用的地心地固坐标系大多采用协议地极原 点CIO(国际协议原点)为指向点,因而也是协议地球坐 标系,一般情况下协议地球坐标系和地心地固坐标系 代表相同的含义。
1954年北京坐标系的缺点：
①椭球参数有较大误差。与现代精确的椭球参数相比，长半轴约大109m； ②参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，东部地 区大地水准面差距最大+68m。使得大比例尺地图反映地面的精度受到影响， 也对观测元素的归算提出了严格要求； ③几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时 采用赫尔默特1900年—1909年正常重力公式，与这个公式相应的赫尔默特 扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球不一致，给实际工作带来麻烦； ④定向不明确。椭球短轴的指向既不是国际上较普遍采用的国际协议（习用） 原点CIO（Conventional International Origin）,也不是我国地极原点；起 始大地子午面也不是国际时间局BIH所定义的格林尼治平均天文台子午面， 从而给坐标换算带来一些不便和误差。 另外，该坐标系是按局部平差逐步提供大地点成果的，因而不可避免地出现一 些矛盾和不够合理的地方。
20世纪60年代以来，美苏等国家利用卫星观测等资 料开展了建立地心坐标系的工作。美国国防部(DOD) 曾先后建立过世界大地坐标系（World Geodetic System,简称WGS）WGS-60，WGS-66，WGS-72，并于 1984年开始，经过多年修正和完善，建立起更为精 确的地心坐标系统，称为WGS-84。
（地球）参心坐标系 参考椭球定位与定向的实现方法
建立（地球）参心坐标系，需进行下面几个工作： ①选择或求定椭球的几何参数（长短半径）； ②确定椭球中心位置（定位）； ③确定椭球短轴的指向（定向）； ④建立大地原点。
参考椭球的定位与定向
椭球中 心 O相 对于地 心的平 移参数 三个绕坐标 轴的旋转参 数（表示参 考椭球定向）
坐标系的类型
参心坐标系:以参考椭球为基准的坐标系 地心坐标系:以总地球椭球为基准的坐标系。
无论参心坐标系还是地心坐标系均可分为空间直角坐标 系和大地坐标系两种,它们都与地球体固连在一起,与地球同 步运动,因而又称为地固坐标系,以地心为原点的地固坐标系 则称地心地固坐标系，主要用于描述地面点的相对位置；另 一类是空间固定坐标系与地球自转无关，称为天文坐标系或 天球坐标系或惯性坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行 位置和状态。
上式为两个不同空间直角坐标之间的转换 模型(布尔莎模型)，其中含有7个转换参 数，为了求得7个转换参数，至少需要3个 公共点，当多于3个公共点时，可按最小 二乘法求得7个参数的最或是值。
地心坐标系
地心地固空间直角坐标系
原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向格林尼治 平均子午面与赤道的交点，Y轴垂直于XOZ平面构成右手坐标系。
问题：Geodetic Reference System 1980 (GRS80 ）与C80有何不同？
Geodetic Reference System 1980 (GRS80)
Adopted by the International Association of Geodesy (IAG) during the General Assembly 1979
建立地心坐标系的方法
直接法
所谓直接法，就是通过一定的观测资料，直接求得点的 地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法。
间接法
所谓间接法就是通过一定的资料，求得地心坐标系和 参心坐标系间的转换参数，而后按其转换参数和参心坐标， 间接求得点的地心坐标的方法，如应用全球天文大地水准 面差距法以及利用卫星网与地面网重合点的两套坐标建立 地心坐标转换参数等方法。
LK K K sec K BK K K AK K K tgK H K H正K N K
K 0, K 0, N K 0
LK K , BK K , AK K H K H 正K
x y z 0
表明在大地原点K 处，椭球的法线方 向和铅垂线方向重 合，椭球面和大地 水准面相切
《地壳形变》
第三章 地球参考系与参考框架
武汉大学 许才军
《地壳形变》
1、绪论 2、地壳形变测量 3、地球参考系与参考框架 4、板块构造学说与活动地块学说 5、地壳运动监测与数据处理 6、地壳应力与应变分析 7、连续形变、应变观测与数据处理 8、地震活动的大地测量研究方法