大地测量基础知识总结

我国的授时无线电电台有上海天文台和陕西天文台。每天8：00-22： 00以10MC、15MC频率播发加了极移改正的世界时UT1和协议世界时UTC 时号。而22：00-8：00则以10MC和5MC播发。
第四节 地球重力场基本理论
地球重力场对大地测量有重要的意义：
•地球外部重力场是大地测量中绝大多数观测量的参考系，因此为了 将观测量归算到由几何定义的参考系中，就必须要知道这个重力场。
第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
特点：地表起伏不平、地壳内部物质密度分布不均匀， 使得重力方向产生不规则变化。由于大地水准面处处与铅 垂线正交，所以大地水准面是一个无法用数学公式表示的 不规则曲面。故大地水准面不能作为大地测量计算的基准 面。
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
为了有一个共同的基准，选择十分接近地球表面又能代 表地球形状和大小的水准面，即大地水准面
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
设想海洋处于静止平衡状态时，将它延伸到大陆下面且 保持处处与铅垂线正交的包围整个地球的封闭的水准面，我 们称它为大地水准面。 大地体
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黄道 第二天 太阳 地球 春分点
1个恒星日等于23h56m04s • GPS卫星绕地球一周，按照 世界时计算是11h58min，按照
恒星时计算是12h
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第三节 时间系统
三、守时和授时
将正确的时间保存下来叫守时； 用精确的无线电信号播发时间信号，叫授时；
各种钟表即为守时仪器；
守时仪器接收无线电信号然后与其时间进行比对，叫时间比对（对 表）；
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第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球
从全球着眼，必须寻求一个和整个大地体最为接近、 密合最好的椭球，这个椭球又称为总地球椭球或平均椭球。 总地球椭球满足以下条件： 1 、椭球质量等于地球质量，两者的旋转角速度相等。 2、椭球体积与大地体体积相等，它的表面与大地水 准面之间的差距平方和为最小。 3、椭球中心与地心重合，椭球短轴与地球平自转轴 重合，大地起始子午面与天文起始子午面平行。
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
1.天文坐标系 天文经度λ和天文纬度φ。 正高H正。 天文方位角
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
2.大地坐标系 大地经度L和大地纬度B 大地高H大 大地方位角
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
陆地最高点－珠穆朗玛峰：峰顶岩面海拔高8844.43米
海洋最低点－马里亚纳海沟：－10911米
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第一节 大地测量的基准面和基准线
一、水准面与大地水准面
重力：地心引力与离心力的合理
铅垂线：重力的方向 铅垂线是野外测量的基准线 水准面：静止的液体表面，有无穷多个
水准面是野外工作的基准面：水平角、高差、距离
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第二章 大地测量 基础知识
江苏师范大学大学测绘学院
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
本节重点研究以下四个表面
地球自然表面
大地水准面
参考椭球面 总地球椭球
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第一节 大地测量的基准面和基准线
地球的自然表面
大地测量是在地球自然表面上进行的，这个表面高低起 伏、很不规则，不能用数学公式描述。
第三节 时间系统
6、协调世界时(Coodinated Universal Time)
以原子时秒长定义的世界时为协调世界时（UTC）。协调世界时秒长 为原子时，但表示时间的年月日时分秒仍是世界时。由于原子时快于世 界时，UTC每年要跳秒，才能保证时分秒与世界时一致。
7、GPS时间系统（GPSTime）
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第三节 时间系统
在卫星定位中，时间系统有着重要的意义。作为观测 目标的 GPS 卫星以每秒几千米的速度运动。对观测者而言， 卫星的位置和速度都在不断地迅速变化。因此，在对卫星 的观测和跟踪定轨测量中，每给出卫星位置的同时，必须 给出相应的瞬间时刻。
天文观测中，因地球自转的原因，天体的瞬间位置都 与时间有关。 时间系统与坐标系统一样，应有其尺度（时间单位） 与原点（历元）。把尺度与原点结合起来，才能给出时刻 的概念。
一、天球与天球坐标系
Pn En
Pn
黄道
s
d
O
O

天球赤道


r 天球赤道 x
r
y
Ps
Es
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第二节 常用大地测量坐标系统
一、天球与天球坐标系
用途：描述人造卫星的位置采用天球坐标系是方便的。也 可以描述天空中的恒星的坐标。 表示方式：球面坐标（r，α，δ） 或者直角坐标（X,Y,Z） 二者具有唯一的坐标转换关系。
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
5.站心坐标系
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
5.站心坐标系
x r cos A cosh y r sin A cosh z r sinh
2 2 h arctg( z / x y ) r x y z A arctg( y / x )
第三节 时间系统
3、世界时(Universal
Time)
格林尼治的平太阳时（从半夜零点算起）定义为世界时（UT）。 由于地球自转的不稳定性，在UT中加入极移改正即得到UT1。UT1加上 地球自转速度季节性变化后为UT2。以经度15度的倍数的子午线Ln所处 地点定义的民用时叫区时Tn。Tn=UT+n，n为时区号。如北京时间为经 度120度处的民用时（n=8），与世界时相差8小时。
3.空间大地直角坐标系 XYZ
X ( N H ) cos B cos L Y ( N H ) cos B sin L Z [ N (1 e 2 ) H ] sin B
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
4.地心坐标系 定义：建立大地坐标系时，如果选择的旋转椭球为总 地球椭球，椭球中心就是地球质心，再定义坐标轴的指向， 此时建立的大地坐标系叫做地心坐标系。 分类：地心大地坐标系与地心空间直角坐标系 应用：空间技术和卫星大地测量中
第三节 时间系统
4、历书时（ET）与力学时（DT）
由于地球自转速度不均匀，用其定义的恒星时与平太阳时不稳定， 1958年第十届国际天文协会决定，自1960年起开始以地球公转运动为 基准的历书时代替世界时。历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整 回归年长度的1/31556925.9747，起始历元定在1900年1月1日12时。 历书时对应的地球运动理论是牛顿力学，根据广义相对论，太阳质 心系和地心系所定义的历书时间将不相同。于是，1976年国际天文联 合会定义了太阳系质心力学时（TDB）和地球质心力学时（TDT）。
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第三节 时间系统
一、时间系统
1、恒星时(Sidereal Time)
恒星时是以春分点为参照点的时间系统（ST）。春分点（或除太 阳以外的任一恒星）连续两次经过测站子午圈的时间间隔为一恒星日。
2、平太阳时(Mean
Solar
Time)
平太阳时是以平太阳（以平均速度运行的太阳）为参照点的时间 系统（MT）。平太阳连续两次经过测站子午圈的时间间隔为一平太阳 日。平太阳时从半夜零点起算称为民用时。
Hale Waihona Puke Baidu（1）地球引力
大小： F f
M m 方向：指向地心 2 r
f为万有引力常数， fM 3 986 000 108 m3 / s 2
（2）离心力
大小： P m 2 ，方向：指向质点所在平行圈半径的外方向， 在赤道上最大，但也仅是地球引力的1/ 200;w为地球自转角速度，为 7.292115×10-5rad/s。
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第一节 大地测量的基准面和基准线
三、垂线偏差和大地水准面差距
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第二节 常用大地测量坐标系统
本节重点研究下列几个坐标系统：
天球坐标系 地球坐标系
天文坐标系 大地坐标系 空间大地直角坐标系 地心坐标系 站心坐标系
高斯平面直角坐标系
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第二节 常用大地测量坐标系统
第四节 地球重力场基本理论
（3）重力
g=F+P
2.重力位
力位是力学空间位置的一个标量函数，此标量函数称为力的位函数， 而力是力位的梯度。对重力场有重力位，地面空间任意一点的重力位 等于引力位加离心力位。
（1）力位的概念
f f xi f y j f zk 若存在一个标量函数 使 fx , fy , fz x y z
• 假如地面重力值的分布情况是已知的话，那么就可结合大地测量 中的其它观测量一起来确定地球表面的形状。
• 对于高程测量而言，最重要的参考面-------大地水准面，亦即最 理想化的海洋面是重力场中的一个水准面。
第四节 地球重力场基本理论
一、地球的重力和重力位
1.重力
重力g——引力F与离心力P的合力。
设有一个力场
第四节 地球重力场基本理论
或 则称 为力f的力位。
f grad
（2）引力位
①引力位函数 设被吸引质点为单位质点，则引力位函数的形式为：
V f
②引力加速度 引力向量等于引力位的梯度：
M r
F gradV M M g1 f 2 ，将 g1 f 2 和 F f M m 比 因为 F mg1 ，所以， r r r2
以上几种时间系统在天文观测中得到了应用
第三节 时间系统
5、原子时(Intemational Atomic Time)
为了满足卫星定位的精度要求，1967年第13届国际计量大会定义了 更高精度的原子时。
以物质内部原子运动周期（如铯原子133能级辐射震荡频率 9192631170周为一秒）定义原子时（IAT）。原子时起点定在1958年1 月1日0时0分0秒（UT2），即在此时刻原子时与世界时重合。但事后发 现，原子时与世界时此刻之差为0.0039秒，此后，原子时与世界时之 差便逐年积累。原子时时间精度高，可达毫微秒以上。而平太阳时精 度只能达到毫秒量级。力学时TDT的计量已用原子钟实现，因两者的起 点不同，TDT=IAT+32.184
2 2 2
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
三、高斯平面直角坐标系
建立过程：如下图
高斯正形投影又称横轴 等角切椭圆柱投影
应用大地测量学
第二节 常用大地测量坐标系统
三、高斯平面直角坐标系
高斯投影的特点： 1.椭球面上角度投影到平面上后保持不变 2.中央子午线投影后为X轴, 在X轴上投影后长度不变 3.赤道投影线为Y轴 4.中央子午线与赤道交点投影后为坐标原点 5.距中央子午线越远, 投影变形越大, 为减少变形应 分带投影
GPS时间系统为：秒长为IAT，时间起算点为1980.1.6.UTC 0时，启动 后不跳秒，连续运行的时间系统。 GPS时=原子时IAT-19s
第三节 时间系统
二、恒星时与平太阳时的关系
太阳 地球 春分点 第一天
• 平太阳日和恒星日的关系：
1个平太阳日=（1+1/365.25） 恒星日 • 如果以平太阳时尺度计算，
二、地球椭球
把形状和大小与大地体相近，且两者之间相对位置确 定的旋转椭球称为参考椭球。参考椭球面是测量计算的基 准面，椭球面法线则是测量计算的基准线。
应用大地测量学
第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球－部分参考椭球参数一览表
参考椭球名称 贝塞尔 克拉克 赫尔墨特 海福特 克拉索夫斯基 1967年大地坐标系 国际大地测量与地球物理联合会IUGG十六届大会推荐值 IUGG十七届大会推荐值 IUGG十八届大会推荐值 WGS-84 CGCS2000 推求年代 1841 1866 1906 1909 1940 1971 1975 1979 1983 1984 2000 长半径a 6377397.155 6378206.4 6378140 6378388 6378245 6378160 6378140 6378137 6378136 6378137 6378137 扁率f 1：299.152 812 8 1：294.978 698 2 1：298.3 1：297.0 1：298.3 1：298.247 167 427 1：298.257 1：298.257 1：298.257 1：298.257 223 563 1：298.257 222 101