大地测量(期末复习材料)

1、 第一章 绪 论1大地测量学的定义和基本内容 1.1大地测量学的定义 大地测量学 是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球形状及其重力场并监测其变化，为人类活动提供关于地球的空间信息的一门学科。 1.3 大地测量学的基本内容 v 确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立统一的大地测量坐标系，研究地壳形变(包括垂直升降及水平位移)，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。v 建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民经济和国防建设的需要。v 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量计算。v 研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其联合网的数据处理的理论和方法，测量数据库建立及应用等。2 大地测量学的作用2.1大地测量是一切测绘科学技术的基础 通过研究地球形状及其动力学规律，建立国家和全球空间定位基准（空间参考系），主要包括：大地基准定义和实现方法，为人们获取地球空间信息提供可操作性的参考框架。v 平面基准：全球或国家的大地平面坐标系。v 高程基准 ：国家高程基准。v 重

2、力基准 ：国际绝对重力基准（1987年IUGG第19次会议决定）。 2.2大地测量学的作用v 在国民经济建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。如：交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等 v 大地测量学在防灾，减灾，救灾及环境监测、评价与保护中发挥着特殊作用。如地震、山体滑坡、交通事故等的監測與救援。v 大地测量是发展空间技术和国防建设的重要保障。如: 卫星、导弹、航天飞机、宇宙探测器等发射、制导、跟踪、返回工作都需要大地测量作保证。 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。图21 天球的概念 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。 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

3、。 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。 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 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。 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） 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，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角=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

4、差使春分点每年向西移动50.3v 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。v 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。v 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。 恒星时(ST)v 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。v 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。 v 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： 平太阳时MTv 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。v 假设以平太阳作为参考点，

5、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v 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=UT20.0039(s) 地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。2.3.1、大地基准 所谓基准是指为建立空间参考系而采用的点、线、面、体等。 测量常用的基准包括： 平面基准、高程基准、重力基准 等 1）平面基准：在大地测量中，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。 参考椭球: 具有确定参数(长半径 a和扁率)，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. 地图投影：实际应用时，往往那将椭球表面按一定的数学方法投影到平面上。2.

6、3.2、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!2.3.4 惯性坐标系(CIS)与协议坐标系v 惯性坐标系：是指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。v 协议惯性坐标系的建立： 由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻 t0 作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后的指向作为 Z 轴，以对应的春分点为 X 轴的指向点，以 XOY 的垂直方向为 Y 轴建立天球坐标系，称为协议天球坐标系 或协议惯性坐标系 CIS (CIS= Conventional Inertial System) 2.3.5 地固坐标系（地球坐标系）1、概念v 以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标系,又称为参心地固坐标系。v 以总地球椭球为基准的坐标系.与地球体固连在一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系,又称为地心地固坐标系。 特点：地面上点坐标在地固坐

7、标系中不变（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的(地球自转).2.3.3、大地测量坐标系的具体实现 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。v 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。v 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。v 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 。v “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，

8、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.v 大地原点和大地起算数据 参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标志。 1、大地原点（也叫大地基准点或大地起算点） 2、水准原点 为了长期、牢固地表示出高程基准面的位置，作为传递高程的起算点，必须建立稳固的水准起算点，用精密水准测量方法将它与验潮站的水准标尺进行联测，以高程基准面为零推求水准原点的高程。3、重力原点2) WGS-84世界大地坐标系WGS-84是CTS, 坐标系的原点是地球的质心，Z 轴指向 BIH1984.0 CTP方向，X轴指向 BIH1984.0零子午面和 CTP 赤道的交点，Y 轴和 Z、X 轴构成右手坐标系。 5个基本参数 a =6 378 137m e2=0.0066943799013 GM =3 986 005108m3s-2 C2,0=-484.166 8510-6 =7 292 11510-11rad/s v 1954年北京坐标系 1954年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系的延伸。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。 1954年北京坐标系的缺限: 椭球参数有较大误差。 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，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。 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19001909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是不一致的，这给实际工作带来了麻烦。 定向不明确 。v 1980年国家大地坐标系 采用1975年国际大地测量与地球物理联合会 IUGG第16届大会上推荐的5个椭球基本参数。 长半径 a=6378140m, 地球的扁率为 1/298.257 地心引力常数 GM=3.986 0051014m

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