1、第二章第二章 坐标与时间系统坐标与时间系统l天文学的基本概念天文学的基本概念地球运转可分为四类：地球运转可分为四类：1 1）与银河系一起在宇宙中运动；与银河系一起在宇宙中运动；2)2)在银河在银河系内与太阳一起旋转；系内与太阳一起旋转；3)3)与其它行星一起绕太阳旋转与其它行星一起绕太阳旋转( (地球公转地球公转- -周周年视运动）；年视运动）；4)4)地球的自转（周日视运动）。地球的自转（周日视运动）。2.1 地球的运动地球的运动所谓天球，是指以地球质心所谓天球，是指以地球质心O O为中心，为中心，半径半径 r r为任意长度的一个假想的球体。为任意长度的一个假想的球体。在天文学中，通常把天体
2、投影到天球在天文学中，通常把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或的球面上，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。研究天体的位置及天体之间的关系。天球的概念天球的概念l地球的运转地球的运转2.1 2.1 地球的运动地球的运动 天轴与天极天轴与天极: 地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点 PN 和和 PS 称为称为天极天极，其中，其中 PN 称为北天极，称为北天极， PS 为南天极。为南天极。 天球赤道面与天球赤道天球赤道面与天球赤道: 通过地球质心通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天
3、球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球天球赤道面。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。相交的大圆称为天球赤道。天球的参考点、线、面天球的参考点、线、面2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）天球子午面与子午圈天球子午面与子午圈: 含天轴并通过任含天轴并通过任一点铅垂线的平面，称为天球子午面，一点铅垂线的平面，称为天球子午面，天球子午面与天球相交的大园称为天球天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。子午圈。时圈时圈: 通过天轴的平面与天球相交的大通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。圆均称为时圈。 黄道黄道: 地球公转的轨道面地球公转的轨道面(黄道面
4、黄道面)与天球相交的大园称为与天球相交的大园称为黄道黄道。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。度。 黄极黄极: 通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为称为黄极黄极。其中靠近北天极的交点称为。其中靠近北天极的交点称为北黄极北黄极，靠近南天极的，靠近南天极的交点称为交点称为南黄极南黄极。 春分点与秋分点春分点与秋分点: 黄道与赤道的两个交点称为黄道与赤道的两个交点称为春分点春分点和和秋分点秋分点。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的视太阳在黄道上从南半球向北半球运动
5、时，黄道与天球赤道的交点称为春分点，用交点称为春分点，用 表示。表示。 在天文学中和研究卫星运动时，在天文学中和研究卫星运动时，春分点春分点和和天球赤道面天球赤道面，是建立，是建立参考系的重要参考系的重要基准点基准点和和基准面基准面 赤经与赤纬赤经与赤纬: 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬赤纬, 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赤经。2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）北天极北天极南黄极南黄极北黄极北黄极天球子午圈天球子午圈天轴天轴南天极南天极春分点春分点赤纬赤纬
6、赤经赤经黄赤交角黄赤交角天球的参考点、线、面和园天球的参考点、线、面和园 1、地球的公转地球的公转 开普勒三大运动定律：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；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；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。运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）开普勒三大定律决定了地球绕太阳旋转的特征：开普勒三大定律决定了地球绕太阳旋转的特征：1 1）椭圆轨道（黄道）椭圆轨道（黄道）2 2）轨道上运动速度，近日点）轨道上运动
7、速度，近日点14710km,14710km,远日点远日点15210km.15210km.3)3)运行时间由长半轴大小决定，一恒星年。运行时间由长半轴大小决定，一恒星年。 2、地球的自转、地球的自转 (1) 地轴方向相对于空间变化岁差和章动地轴方向相对于空间变化岁差和章动 地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。使得地球地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。使得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，形成一个倒圆锥体成一个倒圆锥体(见图见图),其锥角等于黄赤交角其锥角等于黄赤交角=23.5 ，旋转周，旋转周期为期
8、为26000年，这种运动称为年，这种运动称为日月岁差日月岁差，其它行星对地球的微，其它行星对地球的微小引力，不足以改变地轴的方向，但使黄道面产生微小变化，小引力，不足以改变地轴的方向，但使黄道面产生微小变化，导致春分点位置产生微小变化，这种现象为导致春分点位置产生微小变化，这种现象为行星岁差行星岁差，统称为，统称为岁差岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每。岁差使春分点每年向西移动年向西移动50.32.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续） 月球绕地球旋转的轨道称为月球绕地球旋转的轨道称为白道白道，月
9、球运行的轨道以，月球运行的轨道以及月地之间距离是不断变化的，使得月球引力产生的大小及月地之间距离是不断变化的，使得月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线向西运动，轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线向西运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年且振幅为年且振幅为9.21的的短周期运动短周期运动。这种现象称为这种现象称为章动章动。 考虑岁差和章动的共同影响：考虑岁差和章动的共同影响： 真（瞬时）旋转轴真（瞬时）旋转轴 真（瞬时）
10、天极真（瞬时）天极 真（瞬时）天球赤道真（瞬时）天球赤道 真（瞬时）春分点真（瞬时）春分点 考虑岁差的影响：考虑岁差的影响：瞬时平天极瞬时平天极。2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续） (2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）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，这种现象称为极移极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称。某一观测瞬间地球极所在的位置称为为瞬时极瞬时极，某段时间内地极
11、的平均位置称为，某段时间内地极的平均位置称为平极平极。 1967年天文联合会年天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 采用国际上采用国际上5个纬度服务个纬度服务(ILS)站以站以19001905年年的观测结果，定义一个的观测结果，定义一个1903.0平极，通常称为平极，通常称为国际协议原国际协议原点点CIO (Conventional International Origin) 2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续） 国际极移服务国际极移服务 ( IPMS,1962 ) 和国际时间局和国际时间局( BIH ,1919)等等机构分别用不同的方法
12、得到协议地球极（机构分别用不同的方法得到协议地球极（CTP），），1984.0为为参考历元的参考历元的CPT被广泛使用，被广泛使用，WGS1984、ITRF框架采用框架采用BIH1984.0的的CPT作为作为Z轴的指向。轴的指向。 与与CIO相应的地球赤道相应的地球赤道面称为面称为协议赤道面协议赤道面 。2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）(3)地球自转速度变化（日长变化）地球自转速度变化（日长变化） 地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化表现化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响
13、，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致日长为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。产生变化。Y (West)X (Greenwich)pxpy12()()()ppM CTITRyRx 2.1 2.1 地球的运动地球的运动（续续）2.2 2.2 时间系统时间系统 大地测量学研究的对象是随时间变化的，其观测量与时间密切大地测量学研究的对象是随时间变化的，其观测量与时间密切相关。在卫星导航与定位中时间是重要参数。相关。在卫星导航与定位中时间是重要参数。
14、 时间的描述包括时间时间的描述包括时间原点、单位（尺度）原点、单位（尺度）两大要素两大要素。时间是物。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。种物质的运动。时间的特点是连续、均匀。地球定向参数地球定向参数EOP): 描述地球自转运动规律描述地球自转运动规律(岁差、章动、极移岁差、章动、极移、自转速度变化、自转速度变化)的参数。的参数。地球自转参数地球自转参数(ERP)：描述地球自转速度变化的参数和描述极移描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数。的参数。 EOP = ER
15、P + 岁差岁差 + 章动章动其数值可以在国际地球旋转服务其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站网站( )上得上得到。到。p周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。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；运动是连续的； 运动的周期具有足够的稳定性；运动的周期具有足够的稳定性； 运动是可观测的。运动是可观测的。p选取的物理对象不同，时间的定义不同选取的物理对象不同，时间的定义不同: 地球自转、公转、物质的振动等都可作为计量时间的方法。地球自转、公转、物质的振动等都可作为计量时间的方法。 p几种较常用时间系统：几种较常用时间系统： 恒星时（恒星时（ST=S
16、idereal Time)；平太阳时；平太阳时(MT) 世界时；历书时与力学时世界时；历书时与力学时 ； 原子时原子时 协调世界时协调世界时 GPS时间系统时间系统2.2 时间系统时间系统n恒星时恒星时(ST=Sidereal Time)以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时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，称为间，称为恒星时恒星时。 春分点连续两次经过同一子午圈春分点连续两次经过同一子午圈上中天上中天的时间间隔为一个的时间间隔为一个恒星日恒星日，分为，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数个恒星时，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
17、午圈的时角。值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。上中天：上中天：天体经过某地子午圈为天体中天，过上子午圈为天体经过某地子午圈为天体中天，过上子午圈为上中天。上中天。 地方真恒星时地方真恒星时(LAST)、地方、地方平恒星时平恒星时(LMST)、格林尼治格林尼治真恒星时真恒星时(GAST)、 格林尼治平恒星时格林尼治平恒星时(GMST)之间的关之间的关系：系： 2.2 时间系统时间系统2.2 时间系统时间系统(续续)2.2 时间系统时间系统(续续) cosGMSTGASTLMSTLASTGMSTLMSTASTG LAST 由于岁差与章动的影响，春分点分为真春分点与平春分点，由于岁差与章动的
18、影响，春分点分为真春分点与平春分点，恒星时分为真恒星时恒星时分为真恒星时(LAST)(LAST)与平恒星时与平恒星时(LMST)(LMST)。1UTGMSTGMST0h UT1r3620h UT1102 . 6093104. 0 812866.864018454841.24110GMSTTTTsss21511109 . 5109006. 5507950027379093. 1TTr式中：式中：为黄经章动为黄经章动; ;为黄赤交角为黄赤交角T为为J2000.0J2000.0至计算历元间的儒略世纪数至计算历元间的儒略世纪数。2.2时间系统时间系统(续续)n世界时世界时UT （Universal T
19、ime） 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，称为真太阳时真太阳时。真太阳日真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天（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。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、远日点最短日在近日点最长、远日点最短。太阳的周年视运动太阳的周年视运动BAABBA 地球的公转速度不断变化，在轨地球的公转速度不断变化，在轨道的任何地方真太阳日彼此都不道的任何地方真太阳日彼此都不相等。
20、相等。假设以平太阳为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。假设以平太阳为参考点，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AB时间系统时间系统( (续续) ) 1回归年长回归年长365.2422平太阳日平太阳日366.2422恒星日恒星日 1平太阳日（平太阳日（11/365.2422) 恒星日恒星日 民用中采用：整年为民用中采用：整年为365天，闰年为天，闰年为366天（每天（每4年闰一年）年闰一年） 平太阳日：平太阳日：以平子夜的瞬时作为时间的起算零点。以平子夜的瞬时作为时间的起算
21、零点。平太阳两次经过春分点的时间间隔为平太阳两次经过春分点的时间间隔为一回归年一回归年 。以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时世界时。未经任何改正的世界时表示为未经任何改正的世界时表示为UT0UT0，经过极移改正的世界，经过极移改正的世界时表示为时表示为UT1UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改正后，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为的世界时表示为UT2UT2。 UT1=UT0+, UT2=UT1+T UT1=UT0+, UT2=UT1+T 儒略日儒略日JD=Julian Day: 一种不用年一种不用年月的长期计日法。月的长
22、期计日法。儒略日的定义的起点：儒略日的定义的起点：公元前公元前47134713年年1 1月月1 1日格林尼治时间日格林尼治时间平午平午( (世界时世界时12:00)12:00)，以平太阳日连续计算，以平太阳日连续计算. .其计算方法很其计算方法很多，参考相关教材。多，参考相关教材。J2000.0（2000年年1月月1日日112时）相应的儒略日为时）相应的儒略日为2451545.0。 1900年年3月以后的格林尼治午正的儒略日计算方法月以后的格林尼治午正的儒略日计算方法 ： 通常采用简化儒略日通常采用简化儒略日MJD：MJD=JD-2400000.5 MJD相应的起点相应的起点是是1858年年1
23、1月月17日世界时日世界时0时。时。 36525个平太阳日称为个平太阳日称为一个儒略世纪一个儒略世纪。 1721014 9/2754/ 12/ )9(7367DMMYYJD时间系统时间系统( (续续) )时间系统时间系统(续续) 儒略历儒略历: 公元前公元前46年，罗马执政官儒略年，罗马执政官儒略凯撒颁布儒略历凯撒颁布儒略历，平年，平年365天，闰年天，闰年366天。除天。除2月外，单数月份月外，单数月份31天，偶数天，偶数月份月份30天。天。2月份平年月份平年29天，闰年天，闰年30天。每隔天。每隔3年置一闰年年置一闰年，每年的平均长度是，每年的平均长度是365.25天天 . 缺点：缺点：(
24、365.25-365.2422)*400 = 3.1244（天）（天） 奥古斯都历奥古斯都历: 儒略儒略凯撒的侄子屋大维修改儒略历。将凯撒的侄子屋大维修改儒略历。将8月改成月改成31天，将天，将9、10、11、12月的大小月对换，并从月的大小月对换，并从2月份扣去一天，成为平年月份扣去一天，成为平年28天，闰年天，闰年29天。天。 历书的来历：历书的来历：时间系统时间系统(续续)公历的特点：公历的特点： 平均年长度：平均年长度：(365*400+97)/400 = 365.2425 天。天。 与回归年差：与回归年差：(365.2425-365.242189)*400 = 0.1244。 330
25、0年内：年内：(365.2425-365.242189)*3300 = 1 天。天。 格里高利历（格利历）格里高利历（格利历）公历公历 公元公元1582年年3月月1日，日，罗马教皇格里高利十三世颁布了格里罗马教皇格里高利十三世颁布了格里高利历高利历 ，规定凡是不能被，规定凡是不能被4整除的世纪年（即年末尾数字整除的世纪年（即年末尾数字为两个零的年份，如为两个零的年份，如1600、1700）都不能算作闰年，则正）都不能算作闰年，则正好每好每400年去掉年去掉3天，在公历中，每天，在公历中，每400年有年有97个闰年个闰年 。格利历是目前全世界通用的公历，我国从格利历是目前全世界通用的公历，我国从
26、1912起采用。起采用。 时间系统时间系统(续续)n历书时历书时ET=Ephemeris time 在天文年历中，计算与观测采用时间单位不同，观测所在天文年历中，计算与观测采用时间单位不同，观测所得天体位置与计算出来的天体位置有差异。得天体位置与计算出来的天体位置有差异。1958年第年第10届届IAU决定，自决定，自1960年起开始年起开始以地球公转运动为基准以地球公转运动为基准的历书时的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。来量度时间，用历书时系统代替世界时。 定义地球两次通过春分点的时间间隔为定义地球两次通过春分点的时间间隔为1 1回归年，等于回归年，等于365.2422365.242
27、2平太阳日，起始历元定为平太阳日，起始历元定为19001900年年1 1月月1 1日日1212时，秒长时，秒长规定为规定为19001900年年1 1月月1 1日日1212时整回归年长度的时整回归年长度的1 131556925.974731556925.9747，据此描述天体运动及编制天体年历表。，据此描述天体运动及编制天体年历表。 时间系统时间系统(续续) 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程编写，根据广义相对论，太阳质心系与地球质心系动方程编写，根据广义相对论，太阳质心系与地球质心系的时间不相同，的时间不相同，1976年年
28、IAU定义了两坐标系的时间定义了两坐标系的时间TDB与与TDT。其独立变量是以时间为参数。其独立变量是以时间为参数, 定义为力学时。定义为力学时。 TDT和和TDB可以看作是可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现，分别在两个坐标系中的实现，TDT代替了过去的代替了过去的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同,TDT的计量采用原子钟实现。的计量采用原子钟实现。 IAU规定：规定：1977年年1月月1日原子时（日原子时（TAI） 0时与地球力学时与地球力学时严格对应，两者的起点不同，其关系式为时严格对应，两者的起点不同，其关
29、系式为 TDT=TAI+32.184 。n力学时力学时 DT=Dynamical tine时间系统时间系统(续续)n原子时原子时(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。的基本单位是原子时秒。 定义：定义：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原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。子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。 原子时原点定义：原子时原点定义：1958年年1月月1日日UT2的的0
30、时。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。地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。时间系统时间系统(续续)n协调世界时协调世界时(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，大约每年相差长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调好两秒，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平太阳
31、时之差小于0.9秒的时间系统，秒的时间系统，称之为世界协调时称之为世界协调时(UTC)。 当大于当大于0.9秒，采用秒，采用12月月31日或日或6月月30日调秒。调秒由国日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。世界各国发布的时号均以际计量局来确定公布。世界各国发布的时号均以UTC为为准。准。 TAI=UTC+1n(秒）秒）时间系统时间系统(续续)nGPS时间系统时间系统 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。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
32、海军观测实验室的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持维持的原子时称为的原子时称为GPST，它与国际原子的原点不同，瞬时相，它与国际原子的原点不同，瞬时相差一常量：差一常量： TAIGPST=19(s) GPST的起点规定的起点规定1980年年1月月6日日0时时GPS与与UTC相等。相等。 GPST=UTC+1n-19 GPST与与UTC的关系：的关系： 1cm点位误差时间的精度要求：点位误差时间的精度要求：dT1 2 x 10-5 SdT2 1 x 10-6 SdT3 1 x 10-10S时间系统时间系统(续续) 基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭基准是指用以描述地球
33、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，球的长短半轴），以及参考椭球在空间中的定位及定向，还包括描述这些位置时所采用的单位长度的定义。还包括描述这些位置时所采用的单位长度的定义。测量常用的基准包括测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准平面基准、高程基准、重力基准 等等。 2.3.1 基本概念基本概念1 1、大地基准、大地基准2、天球、天球(见前面补充内容）见前面补充内容）2.3 坐标系统坐标系统大地测量系统与参考框架大地测量系统与参考框架 大地测量系统：大地测量系统：地测量起算基准、尺度标准及其实现方式（地测量起算基准、尺度标准及其实现方式（理论
34、、模型与方法）构成大地测量系统。理论、模型与方法）构成大地测量系统。大地测量参考系统大地测量参考系统是通过大地测量参考框架实现。是通过大地测量参考框架实现。 大地测量参考框架：大地测量参考框架：通过大地测量手段，由固定在地面上的通过大地测量手段，由固定在地面上的点所构成的大地网点所构成的大地网(点）按大地测量系统所规定的模式构建点）按大地测量系统所规定的模式构建的，是大地测量系统的具体实现。大地测量系统是总体概念的，是大地测量系统的具体实现。大地测量系统是总体概念，大地测量参考框架是大地测量系统的具体的应用形式。，大地测量参考框架是大地测量系统的具体的应用形式。 大地测量系统包括：大地测量系统
35、包括：坐标系统、高程系统、重力参考系统。坐标系统、高程系统、重力参考系统。 大地测量参考框架包括：大地测量参考框架包括：坐标参考框架、高程参考框架、坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。重力参考框架。3 3、大地测量参考系统与大地测量参考框架、大地测量参考系统与大地测量参考框架n 坐标参考系统与坐标参考框架坐标参考系统与坐标参考框架坐标参考系统：坐标参考系统：天球坐标系：天球坐标系：用于用于研究天体和人造卫星的定位与运动研究天体和人造卫星的定位与运动。2.3 坐标系统坐标系统(续续)天球坐标系天球坐标系地球坐标系地球坐标系地球坐标系：地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动。用于研究地球
36、上物体的定位与运动。是以旋转椭球是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，为参照体建立的坐标系统，根据其原点的位置不同，分为根据其原点的位置不同，分为参心坐参心坐标系统标系统与与地心坐标系统地心坐标系统，分为，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种大地坐标系和空间直角坐标系两种形式。形式。坐标参考框架：坐标参考框架：2.3 坐标系统坐标系统(续续) 传统测量坐标参考框架是由传统测量坐标参考框架是由天文大地网天文大地网来实现的，一般定来实现的，一般定义在参心坐标系中，是一种区域、二维、静态的地球参考框架义在参心坐标系中，是一种区域、二维、静态的地球参考框架。5080年代，建立了北京年代，建立了北京1954
37、参心坐标参考框架、西安参心坐标参考框架、西安1980参参心坐标参考框架。国家平面坐标参考框架按控制网的等级和施心坐标参考框架。国家平面坐标参考框架按控制网的等级和施测精度分为一、二、三、四等网，包含三角点、导线点共计测精度分为一、二、三、四等网，包含三角点、导线点共计15万多个。万多个。 新一代坐标参考框架为新一代坐标参考框架为2000国家国家GPS控制网控制网。该网。该网国家测国家测绘局布设的高精度绘局布设的高精度GPS A、B级网，总参布设的级网，总参布设的GPS 一、二级网一、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，地震局、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地
38、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力的GPS观测网的成果，共观测网的成果，共2609个点，通过联合处理建立了个点，通过联合处理建立了CGCS2000，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的一代的地心坐标系统的基础框架。地心坐标系统的基础框架。高程参考系统与参考框架高程参考系统与参考框架高程基准：高程基准： 区域性高程基准可以由验潮站的长期平均海水面来区域性高程基准可以由验潮站的长期平均海水面来确定，通常定义该平均海水面的高程为零。平均海水面通常称确定，通常定
39、义该平均海水面的高程为零。平均海水面通常称为为高程的基准面高程的基准面。 高程基准面的确定：高程基准面的确定：在地面上预先设置一固定点（组），利用在地面上预先设置一固定点（组），利用精密水准测量联测固定点与该平均海水面的高差，从而确定该精密水准测量联测固定点与该平均海水面的高差，从而确定该固定点（组固定点（组)的海拔高程。该固定点称为的海拔高程。该固定点称为水准原点水准原点。水准原点的。水准原点的高程就是区域性水准测量的起算点。高程就是区域性水准测量的起算点。国家高程基准：国家高程基准： 1987年以前年以前, “1956年国家高程基准年国家高程基准”. 水准原点高程为水准原点高程为72.28
40、9m 1988年年1月月1日日, “1985国家高程基准国家高程基准”, 水准原点的高程为水准原点的高程为72.260. “1985国家高程基准国家高程基准”的平均海水面比的平均海水面比“1956年国家高程基准年国家高程基准”的平均海水面高的平均海水面高0.029m。 高程系统与参考框架高程系统与参考框架 高程系统与参考框架高程系统与参考框架 常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统常用的高程系统有大地高系统、正高系统和正常高系统。 大地高系统：大地高系统：是以参考椭球面为基准面的高程系统。大地高是以参考椭球面为基准面的高程系统。大地高也称为椭球高，大地高一般用符号也称为椭球高，大地高
41、一般用符号H H表示。同一个点，在不表示。同一个点，在不同的基准下，具有不同的大地高。同的基准下，具有不同的大地高。正高系统：正高系统：是以大地水准面为基准面的高程系统。点的正是以大地水准面为基准面的高程系统。点的正高是该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。高是该点的铅垂线与大地水准面的交点之间的距离。 正常高系统：正常高系统：是以似大地水准面为基准的高程系统。点的是以似大地水准面为基准的高程系统。点的正正常高常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。的距离。 高程参考系统高程参考系统国家高程系统国家高程系统: 正常高系统正
42、常高系统 。Geodetic HeightOrthometricHeightGeoidHeight37NHH正正常HHl高程框架是高程系统的实现。我国高程框架由全国高精高程框架是高程系统的实现。我国高程框架由全国高精度水准网实现，以黄海高程基准为起算基准度水准网实现，以黄海高程基准为起算基准, 以正常高以正常高系统为水准高差的传递方式。系统为水准高差的传递方式。l水准高程框架分为四个等级水准高程框架分为四个等级, 为国家一、二、三、四等为国家一、二、三、四等水准控制网。框架点的正常高采用逐级控制布设水准控制网。框架点的正常高采用逐级控制布设, 其现其现势性通过一等水准网的定期复测和二等网的部分
43、复测来势性通过一等水准网的定期复测和二等网的部分复测来维护。维护。 第一期主要是第一期主要是1976年以前完成的年以前完成的, ,以以1956年黄海年黄海高程基准起算的各等级水准网；高程基准起算的各等级水准网； 第二期主要是第二期主要是1976年至年至1990年完成年完成, , 以以“1985国家高程基准国家高程基准”起算的国家一、二等水准网起算的国家一、二等水准网; ; 高程系统与参考框架高程系统与参考框架高程参考框架高程参考框架第三期是第三期是1990年以后国家一等水准网的复测和局部地年以后国家一等水准网的复测和局部地区二等水准网的复测区二等水准网的复测,现已完成外业观测和内业平差计算现已
44、完成外业观测和内业平差计算工作工作,成果已提供使用。成果已提供使用。 高程框架的另一种形式可以通过似大地水准面来实现。高程框架的另一种形式可以通过似大地水准面来实现。高程系统与参考框架高程系统与参考框架广东省一二等水准路线略图广东省一二等水准路线略图重力参考系统与重力测量框架重力参考系统与重力测量框架 重力基准和参考系统重力基准和参考系统 重力基准是标定一个国家或地区重力值的标准。重力基准是标定一个国家或地区重力值的标准。 20世纪世纪70年代以前我国采用波茨坦重力基准，重力参考年代以前我国采用波茨坦重力基准，重力参考系统采用克拉索夫斯基椭球常数。系统采用克拉索夫斯基椭球常数。 80年我国重力
45、基准采用经国际比对的高精度相对重力仪年我国重力基准采用经国际比对的高精度相对重力仪自行测定，参考系统是自行测定，参考系统是IUGG75椭球常数。椭球常数。 21世纪初，我国采用高精度绝对和相对重力仪测定我国世纪初，我国采用高精度绝对和相对重力仪测定我国新的重力基准，目前重力基准的参考系统采用新的重力基准，目前重力基准的参考系统采用GRS80椭球常椭球常数。数。 重力参考框架重力参考框架 重力参考框架由分布在我国的若干绝对重力点和相对重力点重力参考框架由分布在我国的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力网，以及用做相对重力尺度标准的若干重力长短构成的重力网，以及用做相对重力尺度标准的若干重力长短基
46、线构成。基线构成。 重力参考系统与框架重力参考系统与框架 重力测量基本概念（补充）重力测量基本概念（补充）重力基准点：重力基准点：用高精度绝对重力仪测定其重力值，国家重力控用高精度绝对重力仪测定其重力值，国家重力控制网的起算基准点。制网的起算基准点。重力基准：重力基准：国家重力控制网中的基准点构成国家重力基准。国家重力控制网中的基准点构成国家重力基准。重力基本点；重力基本点；以基准点为起算点，通过相对重力仪联测与整体以基准点为起算点，通过相对重力仪联测与整体平差确定的重力控制点。平差确定的重力控制点。引点：引点：从基本点一等点按同等级联测精度以支线联测的重力点。从基本点一等点按同等级联测精度以
47、支线联测的重力点。段差：段差：重力测量中，相邻两个点间的重力差。重力测量中，相邻两个点间的重力差。测线：测线：闭合测线与附合测线。闭合测线与附合测线。 重力参考框架的现状重力参考框架的现状国家重力基本网国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前提供使用的提供使用的2000国家重力基本网包括国家重力基本网包括21个重力基准点和个重力基准点和126个个重力基本点与基本点引点重力基本点与基本点引点112个。个。重力参考系统与框架重力参考系统与框架2.3坐标系统坐标系统(续续)椭球的类型椭球的类型: : 参考椭球参考椭球: : 具有确定参数具有确定参
48、数( (长半径长半径 a a和扁率和扁率)，经过局部定位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。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。参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球。椭球定位椭球定位: 确定椭球中心的位置，可分为两类：局部定位和地心定位。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：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要求在一定范围内椭球面与大地水准面
49、有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求。合，而对椭球的中心位置无特殊要求。地心定位：地心定位：要求在全球范围内椭球面与大地水准面最佳的符合，要求在全球范围内椭球面与大地水准面最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一致。同时要求椭球中心与地球质心一致。4、椭球定位和定向概念、椭球定位和定向概念2.3 坐标系统坐标系统(续续)2.3.2 惯性坐标系惯性坐标系(CIS)与协议坐标系与协议坐标系惯性坐标系：惯性坐标系：指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。协议惯性坐标系：协议惯性坐标系：由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定由于地球的旋转轴是不断变化的，通常约定某一刻某一刻 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章动改正后的指向作为 Z 轴，以对应的春分点为轴，以对应的春分点为 X 轴的指向点轴的指向点，以，以 XOY 的垂直方向为的垂直方向为 Y 轴建立天球坐标系，称为轴建立天球坐标系，称为协议天球协议天球坐标系坐标系 或或协议惯性坐标系协议惯性坐标系 CIS( Conventional Inertial System) 椭球的定向椭球的定向 指确定椭球旋转轴的方向，不论是局部定位还是地心定位，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
