第二章大地测量学基础

章动影响
(2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对 位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而 变化，这种现象称为极移。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段 时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导 致地面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的 平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议 原点CIO (Conventional International Origin) 。也称协 议地球极CTP。
H正
N
③重力参考系统：重力观测的参考系统。 3、大地测量的参考框架 大地测量参考系统的具体实现，是通过布设大地控制网(点) 构建坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。 ①、坐标参考框架： 具体实现：国家平面控制网，GPS网 ②、高程参考框架: 具体实现：国家高程控制网（水准网） ③、重力参考框架： 具体实现：国家重力基本（控制）网
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。
点的坐标可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示。 基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统! ②高程参考系统 正高: 以大地水准面为参考面 正常高: 以似大地水准为参考面
H
H H正 N
P
H H 正常
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）
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。
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圆称为天球子午圈。
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)与天球相交的大圆称为黄道。 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。
• 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。
• 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： LAST LMST GAST GMST
③UT2：是由UT1经过季节性改正后得出的世界时间。这是 1972年以前国际公认的时间标准。但是，由于它仍旧存在 着无法预测的长期减慢和不规则变化等因素的影响，所以 在对时间精度提出更高要求的情况下，UT2也就不能作为 均匀的时间标准了。 UT2=UT1+Δ T
• 历书时ET与力学时 DT
由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均 匀。1958年第10届IAU决定，自1960年起开始以地球 公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统 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 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立 的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数T, 其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。 参考点不同，力学时分为两种： 1) 太阳系质心力学时TDB 2) 地球质心力学时TDT
TDT和TDB可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现， TDT代替了过去的ET 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
• 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 9192631770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。
地球的公转：开普勒三大运动定律： — 运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上； — 在单位时间内扫过的面积相等； — 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。
地球的自转 的特征： (1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） ①岁差：地球自转轴在空间的变化，是日月引力 的共同结果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不 变的,由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间 围绕黄极发生缓慢旋转，形成一个倒圆锥体（见下 图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5 ° ，旋转周期为 26000年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空 间的长周期运动。岁差使春分点每年向西移动50.3″
§2.3 坐标系统
一、基本概念
1、大地基准：地球椭球 ①椭球参数:长半径和扁率。 ②椭球定向:椭球旋转轴平行于地球旋转轴,椭球起始 子午面平行于地球起始子午面。 ③椭球定位:确定椭球中心与地球中心的相对位置。
2、大地测量参考系 ①坐标参考系统：天球坐标系、地球坐标系 天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。
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。 国际时间局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0 与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 。 地极坐标系：以CIO为原点， 零子午线方向为X轴，以零 子午线以西为了描述90°子 午线为y轴。 用来描述极移规律。
• 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。 GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。 GPST = UTC + n
③ 地球自转的季节性变化 周期较短，变化周期为一年和半年，变化振幅最大可达 0s.03左右。 原因：科学家们认为是由大气环流的季节性变化造成的。 ④ 地球自转的短周期变换 周期为一个月和半个月，振幅在1毫秒以下，全部积累起来 的影响在最大时也不超过3毫秒。 ⑤ 极移 地球除自转速度不均匀外，地极在地球表面上24米×24米 范围之内作反时针近似圆形螺旋曲线的周期运动，这种现 象称为“极移”。周期约为一年。由于“极移”导致各地 的经、纬度不同，从而各地天文台所测的世界时稍有差异。
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.

参考点、线、面和圈
天球的概念
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。
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
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。 世界时世界时UT可分为以下三类： ①UT0：直接由天文观测得到的世界时。由于极移的影 响使各地测得的UT0有微小的差别，所以不宜作统一的 时间。 ②UT1：是由UT0经过极移改正后得出的时间，称为世 界时。这是真正反映地球自转的统一时间。也是天文 航海所用的时间。 UT1=UT0+Δλ
②北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园， 而是类似圆的波浪曲线运动，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。
真赤道: 某一时刻的赤道。(由于岁差和章动的影响,每一时刻 赤道的位置不同) 平赤道:只有岁差影响时的赤道。 黄经章动:章动引起的黄经变化。即平春分点与真春点的角距。 交角章动:章动引起的黄赤交角的变化。 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。 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。
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 ( www.iers.org )上得到。
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。
cos GMST LMST GAST LAST
s GMST 1.0027379093 UT1 S S 2411054841 8640184812866 T . . s 0.09310Βιβλιοθήκη BaiduT 2 6.2 106 T 3
• 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。
(3)地球自转速度变化（日长变化） 地球自转不但不均匀，而且还有季节性和短期性的变化。 现已弄清的有以下几种原因： ① 地球自转长期减慢的现象 引起长期减慢的原因，一般认为是受潮汐磨擦力的影响。 日长大约在100年内增长0s.0016。 ② 地球自转不规则的变化 地球自转有时快有时慢。在快慢交替的时候，变化相当 显著，变化量将超过地球自转在100年内长期减慢所积累 起的数值。 原因：多方面，Ⅰ内部物质的移动；Ⅱ太阳光斑喷射的 微粒子流与地球磁场耦合而产生得阻尼影响。