大地测量基础知识

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控制测量学
第二章 大地测量 基础知识
中国矿业大学(北京)地测学院
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第二章 大地测量基础知识
第一节 大地测量的基准面和基准线 第二节 常用大地测量坐标系统(重点) 第三节 时间系统 第四节 地球重力场基本理论 第五节 高程系统(重点) 第六节 测定垂线偏差和大地水准面差距 的基本方法
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第一节 大地测量的基准面和基准线
本节重点研究以下几个问题: 地球自然表面 铅垂线与水准面 大地水准面 地球椭球与参考椭球面 总地球椭球 垂线偏差
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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。 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 一、水准面和大地水准面 1、野外测量的基准线和基准面—铅垂线和水准面4
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系 (一)天文坐标系
地面点在大地水准面上的位置用天文经度λ 和天文纬度φ表示。若地面点不在大地水准面上, 它沿铅垂线到大地水准面的距离称为正高H正。
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系 (二)大地坐标系
地面点在参考椭球面上的位置用大地经度L和 大地纬度B表示。若地面点不在椭球面上,它沿法 线到椭球面的距离称为大地高H大。
七、GPS时间系统
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
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GPS时间系统与各种时间系统
GPS时间系统与各种时间系统之间的关系:
1958.1.1.0h
0s
AT1
19s 1980.1.6
GPS
UTC UT1
与大地坐标系的关系:对于用同一个旋转椭 球定义的地面或空间某一点的大地坐标(B,L,H)
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与空间大地直角坐标(X,Y,Z)之间有如下的关
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
(三)空间大地直角坐标系
X (N H)cosBcosL
Y
(N H)cosBsinL
Z [N(1e2) H]sinB
第一节 大地测量的基准面和基准线
2、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。
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第一节 大地测量的基准面和基准线
3、大地水准面的特点 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。
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。
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第三节 时间系统
六、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。
参考椭球面
u
法 线
铅 垂 线
表示。
垂线偏差
大地水准面差距N—大
垂地线水偏准差和面大与地椭水球准面面在差距某对确定天文坐标与大地坐标
之问一间题点的有上关着系重的、要高地的差球意。椭义球。定位以及研究地球形状和大小等
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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
定义:天球直角坐标系的原点O一般定义为地心, Z轴与地球自转轴重合,XY平面与赤道面重合,12X
第二节 常用大地测量坐标系统
一、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: 用球面坐标(r,α,δ) 或者直角坐标(X,Y,Z)表示。
二者具有唯一的坐标转换关系(公式2-2,23)。
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第二节 常用大地测量坐标系统
四、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
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第二节 常用大地测量坐标系统
四、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




3. 赤 道 投 影 线 为 Y 轴
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
(二)大地坐标系 一般定义:
大地坐标系规定以椭球的赤道为基圈,以起始子 午线(过格林尼治的子午线)为主圈。对于任意 一点P其大地坐标为(L,B,H):
大地经度L—过P点的椭球子午面与格林尼治的起 始子午面之间的夹角。由起始子午面起算,向东 为正,向西为负。
2、参考椭球
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。参考椭球有许多个。适合于一个国家的参考椭7
第一节 大地测量的基准面和基准线
参考椭球面-部分参考椭球参数一览表
参考椭球名称 贝塞尔
推求年代 长半径a
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第二节 常用大地测量坐标系统
三、站心坐标系
站心地平直角坐标系与站心地平极坐标系
二者的转换关系如下页
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第二节 常用大地测量坐标系统
三、站心坐标系
x r cos A cosh
y
r sin
A cosh
z r sinh
r x2 y2 z2
A arctg( y / x)
h arctg(z / x2 y2 )
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第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
(四)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
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第二节 常用大地测量坐标系统
大地纬度B—过P点的椭球面法线与椭球赤道面1的7
第二节 常用大地测量坐标系统
二、地球坐标系
(三)空间大地直角坐标系
建立过程:原点O为椭球中心,Z轴与椭球旋 转轴一致,指向地球北极,X轴与椭球赤道面和格 林尼治平均子午面的交线重合,Y轴与XZ平面正交, 指向东方,X、Y、Z构成右手坐标系,P点的空间 大地直角坐标用(X,Y,Z)表示。
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。
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第三节 时间系统
一、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。
WGS-84
1975
1979 1983 1984
1:298.257
1:298.257 1:298.257 1:298.257223563
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第一节 大地测量的基准面和基准线
三、总地球椭球
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:
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第三节 时间系统
五、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。
1841
6377397.15 5
扁率f 1:299.1528128
克拉克
1866
6378206.4 1:294.9786982
赫尔墨特 海福特 克拉索夫斯基 1967年大地坐标系
1906 1909 1940 1971
1:298.3 1:297.0 1:298.3 1:298.247167427
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
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站心坐标系
第二节 常用大地测量坐标系统
一、天球坐标系
建立过程:地球质心可作为天球中心,地球自转 轴延伸成为天轴,天轴与天球交点为天极,地球 赤道面与天球交线称为天球赤道。地球绕太阳公 转的轨道平面与天球交线为黄道,通过天球中心 且垂直于黄道平面的直线与天球交点叫黄极。太 阳由南半球向北半球运动所经过的天球黄道与天 球赤道的交点叫“春分点”。
三、站心坐标系
站心地平直角坐标系的定义是:原点位于地 面测站点,z轴指向测站点的椭球面法线方向 (又称大地天顶方向),x轴是原点的大地子午 面和包含原点且和法线垂直的平面的交线,指向 北点方向,y轴与x、z轴构成左手坐标系。
类似于球面坐标系和直角坐标系,测站P至 另一点(如卫星)S的距离为r、方位角为A、高 度角为h,构成站心地平极坐标系。
由于地球自转速度不均匀,用其定义的恒星时与平太 阳时不均匀。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。以于上是几,种1时9间76系年统国在际天天文文观联测合中会得定到义了了应太用阳系质心 力学时(TDB)和地球质心力学时(TDT)。
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第四节 地球重力场基本理论
一、地球重力场的基本概念
(一)重力与重力位,大地水准面
重力g—引力F与离心力P的合力。g=F+P
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
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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。
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9转
第一节 大地测量的基准面和基准线
四、垂线偏差
垂线偏差u--同一测站点
大地水准面
N
上铅垂线与椭球面法线 之间的夹角。通常用南 北方向的投影分量ξ和 东西方向的投影分量η
二、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 三、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)。
计算例:地面一点P的大地经度L=45°,大地纬度B=45°,大地高 H=35000m。对于WGS-84椭球,长半径a=6378137m,偏心率e=0.013, N=6388838.2901m,按上式计算得P点的空间大地直角坐标 X=3211919.1451m,Y=3211919.1451m,Z=4512097.1462m。N的计算公式 见本书公式(5-26)。
但大地水准面是野外测量统一的基准面。与其垂直的铅 垂线则是野外测量的基准线。
大地水准面所包围的形体—大地体,则是多年来大地测 量工作者研究的对象,认为它能代表地球的实际形状。
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第一节 大地测量的基准面和基准线
二、地球椭球与参考椭球面
1、地球椭球
大地体接近于一个具有极小扁率的旋转椭球。椭 球面是一个规则的数学曲面。一般用长半径a和扁 率α(或长、短半径a、b)表示椭球的形状和大小。
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。
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第三节 时间系统
四、历书时(ET)与力学时(DT)
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