1、大地测量学全册配套完整课件大地测量学全册配套完整课件2 2 2 第一章 绪 论1大地测量学的定义和作用大地测量学的定义和作用 1.1大地测量学的定义大地测量学的定义 大地测量学大地测量学 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。一门学科。v 经典大地测量经典大地测量：地球刚体不变、均匀旋转的球体或椭球体；：地球刚体不变、均匀旋转的球体或椭球体；范围小。范围小。v 现代大地测量现代大地测量：空间测绘技术：空间测绘
2、技术(人造地球卫星、空间探测器人造地球卫星、空间探测器)，空间大地测量为特征，范围大。空间大地测量为特征，范围大。 3 3 31.2大地测量学的作用大地测量学的作用v 大地测量学是一切测绘科学技术的基础，在国民经济大地测量学是一切测绘科学技术的基础，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。建设和社会发展中发挥着决定性的基础保证作用。如如 交通運輸、工程建設、土地管理、城市建設等交通運輸、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、交通事保护中发挥着特殊作用。
3、如地震、山体滑坡、交通事故等的監測與救援。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、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。跟踪、返回工作都需要大地测量作保证。4 4 42大地测量学基本体系和内容大地测量学基本体系和内容 2.1大地测量学的基本体系大地测量学的基本体系 应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地应用大地测量、椭球大地测量、天文大地测量、大地重力测量、测量平差等；新分支：重力测量、测量平差等；新分支： 海样大地测量
4、、行星大海样大地测量、行星大地测量、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。地测量、卫星大地测量、地球动力学、惯性大地测量。 几何大地测量学（即天文大地测量学）几何大地测量学（即天文大地测量学） 基本任务：基本任务：是确定地球的形状和大小及确定地面点的是确定地球的形状和大小及确定地面点的几何位置。几何位置。 主要内容：主要内容：国家大地测量控制网国家大地测量控制网(包括平面控制网和高包括平面控制网和高程控制网程控制网)建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测建立的基本原理和方法，精密角度测量，距离测量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量计算，量，水准测量；地球椭球数学性质，椭球面上测量
5、计算，椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。椭球数学投影变换以及地球椭球几何参数的数学模型等。5 5 5 物理大地测量学：即理论大地测量学物理大地测量学：即理论大地测量学 基本任务：基本任务：是用物理方法是用物理方法(重力测量重力测量)确定地球形状确定地球形状及其外部重力场。及其外部重力场。 主要内容：主要内容：包括位理论，地球重力场，重力测量及包括位理论，地球重力场，重力测量及其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。其归算，推求地球形状及外部重力场的理论与方法。 空间大地测量学空间大地测量学： 主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器为代主要研究以人造地球卫星及其他空间探测器
6、为代表的空间大地测量的理论、技术与方法。表的空间大地测量的理论、技术与方法。 6 6 62.2 大地测量学的基本内容大地测量学的基本内容 vvv 确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立确定地球形状及外部重力场及其随时间的变化，建立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，研究地壳形变统一的大地测量坐标系，研究地壳形变统一的大地测量坐标系，研究地壳形变统一的大地测量坐标系，研究地壳形变统一的大地测量坐标系，研究地壳形变统一的大
7、地测量坐标系，研究地壳形变( ( (包括垂直升降及包括垂直升降及包括垂直升降及包括垂直升降及包括垂直升降及包括垂直升降及水平位移水平位移水平位移水平位移水平位移水平位移) ) )，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。，测定极移以及海洋水面地形及其变化等。 研究月球及太阳系行星的形状及重力场。研究月球及太阳系行星的形状及重力场。研究月球及太阳系行星的形状及重力场。研究月球及太阳系行星的形状及重力场。研究月球及太阳系行星的形状及重力场。研究月球及太
8、阳系行星的形状及重力场。vvv 建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程建立和维持国家和全球的天文大地水平控制网、工程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，以满足国民控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民控制网和精密水准网以及海洋大地控制网，以满足国民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
9、和国防建设的需要。经济和国防建设的需要。经济和国防建设的需要。经济和国防建设的需要。经济和国防建设的需要。经济和国防建设的需要。vvv 研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地研究为获得高精度测量成果的仪器和方法等。研究地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球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地
10、测量球表面向椭球面或平面的投影数学变换及有关大地测量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。计算。计算。计算。计算。计算。7 7 7v 研究大规模、高精度和多类别的地面网、空间网及其研究大规模、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。应用等。 现代大地测量的特征：现代大地测量的特征： 研究范围大（全球：如地球两极、海洋）研究范围大（全球：如地球两极、海洋） 从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。从静态到动态，从地球内部结构到动力过程。 观测精度越高，相对精度达到观测精度越高，相对精度达
11、到10-810-9，绝对精度，绝对精度 可到达毫米。可到达毫米。 测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。测量与数据处理周期短，但数据处理越来越复杂。8 8 83大地测量学发展简史及展望大地测量学发展简史及展望 3.1大地测量学的发展简史大地测量学的发展简史 v第一阶段：地球圆球阶段第一阶段：地球圆球阶段 从远古至从远古至17世纪，人们用天文方法得到地面上同一子世纪，人们用天文方法得到地面上同一子午线上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧午线上两点的纬度差，用大地法得到对应的子午圈弧长，从而推得地球半径（弧度测量长，从而推得地球半径（弧度测量 ）v 第二阶段：地球椭球阶段第二阶段：地球
12、椭球阶段 从从17世纪至世纪至19世纪下半叶，在这将近世纪下半叶，在这将近200年期间，人年期间，人们把地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。们把地球作为圆球的认识推进到向两极略扁的椭球。 9 9 9 大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器；大地测量仪器：望远镜，游标尺，十字丝，测微器； 大地测量方法：大地测量方法：1615年荷兰斯涅耳年荷兰斯涅耳(W.Snell)首创三角测首创三角测量法量法; 行星运动定律：行星运动定律：1619年德国的开普勒年德国的开普勒(J.Kepler)发表了行发表了行星运动三大定律；星运动三大定律； 重力测量：重力测量：1673年荷兰的惠更斯年荷兰的惠更斯
13、(C.Huygens)提出用摆进提出用摆进行重力测量的原理；行重力测量的原理； 英国物理学家牛顿英国物理学家牛顿(L.Newton)提出地球特征：提出地球特征：1）是两极）是两极扁平的旋转椭球，其扁率等于扁平的旋转椭球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由）重力加速度由赤道向两极与赤道向两极与sin(地理纬度地理纬度)成比例地增加。成比例地增加。101010几何大地测量标志性成果：几何大地测量标志性成果：1)1)长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作为长长度单位的建立：子午圈弧长的四千万分之一作为长度单位，称为度单位，称为1 1m m。2)2)最小二乘法的提出：法国的勒让德最小二乘法的提
14、出：法国的勒让德( (A.M.Legendre)A.M.Legendre)，德国的高斯德国的高斯( (C.F.Gauss)C.F.Gauss)。3)3)椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质与测量椭球大地测量学的形成：解决了椭球数学性质与测量计算，正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及计算，正形投影方法。在这个领域，高斯、勒让德及贝塞尔（贝塞尔（Bessel)Bessel)作出了巨大贡献。作出了巨大贡献。4)4)弧度测量大规模展开。在这期间主要有以英、法、西弧度测量大规模展开。在这期间主要有以英、法、西班牙为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、美国班牙为代表的西欧弧度测量，以及德国、俄国、
15、美国等为代表的三角测量。等为代表的三角测量。5)5)推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、克拉克椭球推算了不同的地球椭球参数。如贝赛尔、克拉克椭球参数。参数。 111111物理大地测量标志性成就：物理大地测量标志性成就：1)1)克莱罗定理的提出：法国学者克莱罗克莱罗定理的提出：法国学者克莱罗( (A.C.Clairaut)A.C.Clairaut)假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭假设地球是由许多密度不同的均匀物质层圈组成的椭球体，这些椭球面都是重力等位面球体，这些椭球面都是重力等位面( (即水准面即水准面) )。该椭。该椭球面上纬度球面上纬度的一点的重力加速度按下式计算：的一点的重
16、力加速度按下式计算：)sin1 (2eq25eaq21212122)2)重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，重力位函数的提出：为了确定重力与地球形状的关系，法国的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即法国的勒让德提出了位函数的概念。所谓位函数，即是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位是有这种性质的函数：在一个参考坐标系中，引力位对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方对被吸引点三个坐标方向的一阶导数等于引力在该方向上的分力。研究地球形状可借助于研究等位面。因向上的分力。研究地球形状可借助于研究等位面。因此，位函数把地球形状和重力场紧密地联系在一起。此，位函数把地球形
17、状和重力场紧密地联系在一起。3)3)地壳均衡学说的提出：英国的普拉特地壳均衡学说的提出：英国的普拉特( (J.H.Pratt)J.H.Pratt)和艾和艾黎黎( (G.B.Airy)G.B.Airy)几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳几乎同时提出地壳均衡学说，根据地壳均衡学说可导出均衡重力异常以用于重力归算均衡学说可导出均衡重力异常以用于重力归算。4)4)重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量重力测量有了进展。设计和生产了用于绝对重力测量以及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了以及用于相对重力测量的便携式摆仪。极大地推动了重力测量重力测量的发展。的发展。131313几何大地测量学
18、进展：几何大地测量学进展：几何大地测量学进展：几何大地测量学进展：几何大地测量学进展：几何大地测量学进展： 天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地天文大地网的布设有了重大发展。全球三大天文大地网的建立（网的建立（网的建立（网的建立（网的建立（网的建立（180018001800190019001900印度，一等三角网印度，一等三角网印度，一等三角网印度，一等三角网印度，一等三角网印度，一等三角网2 2 2万
19、公里，平万公里，平万公里，平万公里，平万公里，平万公里，平均边长均边长均边长均边长均边长均边长454545公里；公里；公里；公里；公里；公里；191119111911193519351935美国一等美国一等美国一等美国一等美国一等美国一等7 7 7万公里；万公里；万公里；万公里；万公里；万公里；1924-1924-1924-195019501950苏联，苏联，苏联，苏联，苏联，苏联，7 7 7万多公里万多公里万多公里万多公里万多公里万多公里) ) ) 因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦因瓦基
20、线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦因瓦基线尺出现，平行玻璃板测微器的水准仪及因瓦水准尺使用。水准尺使用。水准尺使用。水准尺使用。水准尺使用。水准尺使用。 l l l第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段第三阶段：大地水准面阶段 从从从从从从191919世纪下半叶至世纪下半叶至世纪下半叶至世纪下半叶至世纪下半叶至世纪下半叶至202020世纪世纪世纪世纪世纪世纪404040年代，人们将对椭球的认年代，人们将对椭球的认年代，人们将对椭球的认年代，人们将对椭球的认年代，
21、人们将对椭球的认年代，人们将对椭球的认识发展到是大地水准面包围的大地体。识发展到是大地水准面包围的大地体。识发展到是大地水准面包围的大地体。识发展到是大地水准面包围的大地体。识发展到是大地水准面包围的大地体。识发展到是大地水准面包围的大地体。 141414物理大地测量在这阶段的进展：物理大地测量在这阶段的进展： 1.大地测量边值问题理论的提出：大地测量边值问题理论的提出： 英国学者斯托克司英国学者斯托克司( (G.G.Stokes)G.G.Stokes)把真正的地球重把真正的地球重力位分为正常重力位和扰动位两部分，实际的重力分力位分为正常重力位和扰动位两部分，实际的重力分为正常重力和重力异常两
22、部分，在某些假定条件下进为正常重力和重力异常两部分，在某些假定条件下进行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面行简化，通过重力异常的积分，提出了以大地水准面为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。为边界面的扰动位计算公式和大地水准面起伏公式。后来，荷兰学者维宁后来，荷兰学者维宁曼尼兹曼尼兹(F.A.Vening Meinesz)根据根据斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏斯托克司公式推出了以大地水准面为参考面的垂线偏差公式。差公式。 2.2.提出了新的椭球参数：提出了新的椭球参数： 赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球赫尔默特椭球、海福特椭球、克拉索夫斯基椭球等。等
23、。151515 第四阶段：现代大地测量新时期 202020世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫世纪下半叶，以电磁波测距、人造地球卫星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新星定位系统及甚长基线干涉测量等为代表的新的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了的测量
24、技术的出现，给传统的大地测量带来了的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了的测量技术的出现，给传统的大地测量带来了革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量革命性的变革，大地测量学进入了以空间测量技术为代表的现代大地测量发展的新时期。技术为代表的现代大地测量发展的新时期。技术为代表的现代大地测量发展的新时期。技术为代表的现代大地测量发展的新时期。技术为代表的现代大地测量发展的新时期。技术为代表的现代
25、大地测量发展的新时期。 161616 我国高精度天文大地网的建立我国高精度天文大地网的建立 1951-1975年：一等三角点年：一等三角点5万多个，全长万多个，全长7.5多万公里，二多万公里，二等锁，一等导线等，等锁，一等导线等，19721982年平差数据处理，建立年平差数据处理，建立1980国家大地坐标系。国家大地坐标系。 我国高精度重力网的建立我国高精度重力网的建立 1981年开始绝对重力测量与相对重力测量，年开始绝对重力测量与相对重力测量，11个绝对重力个绝对重力点（基准点），点（基准点），40多个（基本点），重力网的平差，多个（基本点），重力网的平差，1985年国家重力基本网形成。年国
26、家重力基本网形成。 l l l主要技术：主要技术：主要技术：主要技术：主要技术：主要技术： EDM EDM EDM：Electronic Distance Measure;Electronic Distance Measure;Electronic Distance Measure; GPS: Global Positioning System; GPS: Global Positioning System; GPS: Global Positioning System; VLBI: Very Long Baseline Interferometry; VLBI: Very Long Base
27、line Interferometry; VLBI: Very Long Baseline Interferometry; SLR SLR SLR：Satellite Laser Ranging; Satellite Laser Ranging; Satellite Laser Ranging; INS: Inertial Navigation System INS: Inertial Navigation System INS: Inertial Navigation System1717173.2 大地测量的展望大地测量的展望 全球卫星定位系统全球卫星定位系统( (GPS)GPS)，激光测
28、卫激光测卫( (SLR)SLR)以及甚长基线以及甚长基线干涉测量干涉测量( (VLBI),VLBI),惯性测量统惯性测量统( (INS)INS)是主导本学科发展的是主导本学科发展的主要的主要的空间大地测量技术空间大地测量技术 用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地用卫星测量、激光测卫及甚长基线干涉测量等空间大地测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量测量技术建立大规模、高精度、多用途的空间大地测量控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基控制网，是确定地球基本参数及其重力场，建立大地基准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术及战略武器准参考框架，监测地壳形变，保证空间技术
29、及战略武器发展的地面基准等科技任务的发展的地面基准等科技任务的基本技术方案基本技术方案。 精化地球重力场模型是大地测量学的精化地球重力场模型是大地测量学的重要发展目标重要发展目标。 181818 2.1 地球的运动地球的运动 从不同的角度，地球的从不同的角度，地球的从不同的角度，地球的从不同的角度，地球的从不同的角度，地球的从不同的角度，地球的运转可分为四类：运转可分为四类：运转可分为四类：运转可分为四类：运转可分为四类：运转可分为四类：天文学的基本概念天文学的基本概念天文学的基本概念天文学的基本概念天文学的基本概念天文学的基本概念（预备知识）（预备知识）（预备知识）（预备知识）（预备知识）（
30、预备知识） 与银河系一起在与银河系一起在与银河系一起在与银河系一起在与银河系一起在与银河系一起在宇宙中运动宇宙中运动宇宙中运动宇宙中运动宇宙中运动宇宙中运动 在银河系内与太阳在银河系内与太阳在银河系内与太阳在银河系内与太阳在银河系内与太阳在银河系内与太阳一起旋转一起旋转一起旋转一起旋转一起旋转一起旋转 与其它行星一起绕太与其它行星一起绕太与其它行星一起绕太与其它行星一起绕太与其它行星一起绕太与其它行星一起绕太阳旋转（公转）阳旋转（公转）阳旋转（公转）阳旋转（公转）阳旋转（公转）阳旋转（公转） 地球的自转（周日视运动地球的自转（周日视运动地球的自转（周日视运动地球的自转（周日视运动地球的自转（周
31、日视运动地球的自转（周日视运动）第二章第二章第二章第二章第二章第二章 坐标与时间系统坐标与时间系统坐标与时间系统坐标与时间系统坐标与时间系统坐标与时间系统191919预备知识预备知识l天球的基本概念天球的基本概念 所谓天球，是指以地球质心所谓天球，是指以地球质心O为中心，半为中心，半径径 r为任意长度的一个假想的球体。在天文学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。体之间的关系。 建立球面坐标系统，如图建立球面坐标系统，如图21所示所
32、示.l 参考点、线、面和园参考点、线、面和园202020图图图图图图2 2 2 2 2 21 1 1 1 1 1 天球的概念天球的概念天球的概念天球的概念天球的概念天球的概念212121 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天球赤道面。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。该赤道面与天球相天球赤道面
33、与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为交的大圆称为天球赤道天球赤道。 天球子午面与子午圈天球子午面与子午圈 含天轴和天顶、天底的平面，称为含天轴和天顶、天底的平面，称为天球子午面天球子午面. 天球子午面与天球相交的大园称为天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈天球子午圈。222222 时圈时圈 通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 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
34、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，靠近南天极的交点称为天极的交点称为南黄极南黄极。232323 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。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球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，用赤道的交点称为春分点，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
35、球赤道天球赤道面面，是建立参考系的重要，是建立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,过过春分点的天球时圈与过天体的天球时圈的夹春分点的天球时圈与过天体的天球时圈的夹角称为角称为赤经赤经。242424天球坐标系天球坐标系 在大地天文学中，天球坐标系是用来确定天在大地天文学中，天球坐标系是用来确定天体在天球上的位置，它是由两个相互垂直的参体在天球上的位置，它是由两个相互垂直的参考面与天球相交的大圈考面与天球相交的大圈基圈基圈和和主圈主圈以及它们的以及它们的交点交点主点主点所组
36、成。由于所选取不同的基圈和主所组成。由于所选取不同的基圈和主圈就有不同的天球坐标系。一般有四种，分别圈就有不同的天球坐标系。一般有四种，分别是：是： 地平坐标系地平坐标系 赤经赤道坐标系赤经赤道坐标系 时角赤道坐标系时角赤道坐标系 黄道坐标系黄道坐标系252525赤经赤道坐标系赤经赤道坐标系 以天球赤道作为以天球赤道作为基圈基圈，过，过春分点的天球时圈为春分点的天球时圈为主圈和春分点为主点所建立的坐标系叫主圈和春分点为主点所建立的坐标系叫赤赤经赤经赤道坐标系。用道坐标系。用赤经和赤经和赤纬赤纬表示天体位置表示天体位置。262626时角赤道坐标系时角赤道坐标系 以天球赤道作为以天球赤道作为基圈基
37、圈，子午圈为主圈和上赤道子午圈为主圈和上赤道点为主点所建立的坐标系叫时角赤道坐标系。点为主点所建立的坐标系叫时角赤道坐标系。用用时角和时角和赤纬赤纬表示天体位置。赤纬与上式相同，表示天体位置。赤纬与上式相同，时角是过天体的时圈和子午圈之间的两面角。时角是过天体的时圈和子午圈之间的两面角。272727 天文经纬度与天球坐标系的关系天文经纬度与天球坐标系的关系 测站纬度等于天北极的高度或天顶的赤测站纬度等于天北极的高度或天顶的赤纬。纬。 两地的经度差等于两地同时观测某天体两地的经度差等于两地同时观测某天体所得的时角之差。所得的时角之差。282828 地球的公转：地球的公转：开普勒三大运动定律开普勒
38、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。292929 地球的自转地球的自转 的特征：的特征： (1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）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果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于由于日、月等天体的影响
39、，地球的旋转轴在空间围绕黄极日、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（见下图），其锥角等于黄赤交角=23.5 ，旋转周，旋转周期为期为26000年，这种运动称为年，这种运动称为岁差岁差，是地轴方向相对，是地轴方向相对于空间的于空间的长周期运动长周期运动。岁差使春分点每年向西移动。岁差使春分点每年向西移动50.3303030313131 月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄月球绕地球旋转的轨道称为白道，由于白道对于黄道有约道有约5的倾斜，使得月球引力产生的大小和
40、方向不的倾斜，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轨道断变化，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运动，即地不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，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：真旋转轴、瞬时真天真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。极、真天球赤道、瞬时真春分点。 考虑岁差的影响：考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球
41、赤道、瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。瞬时平春分点。323232 (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，这种现象称为变化，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为某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极瞬时极，某段，某段时间内地极的平均位置称为时间内地极的平均位置称为平极平极。地球极点的变化，导。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。
42、致地面点的纬度发生变化。 天文联合会天文联合会(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) 建议采用国际上建议采用国际上5个纬度服务个纬度服务(ILS)站以站以19001905年的年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议国际协议原点原点CIO (Conventional International Origin) 333333 国际极移服务国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局和国际时间局( BIH )等机构等机构分别用不同的方法得到地极原点。分别用不同的方法得到地极原点。 与与CIO相应的地相应的地球赤道
43、面称为球赤道面称为平赤道面或协议赤道面平赤道面或协议赤道面 。343434 (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，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的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产生变化。时间尺度产生变化。 描述上述三种地球自转运动规律的
44、参数称为描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向地球定向参数参数 (EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为参数称为地球自转参数地球自转参数(ERP)，EOP 即为即为 ERP 加上岁差加上岁差和章动和章动，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( )上得到。上得到。353535v 时间的描述包括时间时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素原点、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
45、动。时间的特点是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。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周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。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。v 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: 地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 2.2 时间系统时
46、间系统时间系统时间系统时间系统时间系统363636 恒星时恒星时(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，称为的时间，称为恒星时恒星时。v 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的时间间隔为一个一个恒星日恒星日，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时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。角。 v 地方真恒星时地方真恒星时、平恒星时平恒星时、格林尼治真恒星时格林尼治真恒星时、 格林格林尼治平恒星时
47、尼治平恒星时之间的关系：之间的关系：373737 平太阳时平太阳时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，称为时间，称为真太阳时真太阳时。一个。一个真太阳日真太阳日就是真太阳连续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。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、远地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。日点慢。 太阳周年视远动的轨道与赤道不在一个平面，太阳周年视远动的轨道与赤道不在一个平面，真太阳日在近日点最长、远日点最短。真太阳日在近日点最长、远日点最短。 不符
48、合测量时间的要求，可在日常生活中，人们都习不符合测量时间的要求，可在日常生活中，人们都习惯用太阳来确定时刻，安排工作和休息，它和人们惯用太阳来确定时刻，安排工作和休息，它和人们的生产劳动有着密切关系。的生产劳动有着密切关系。383838v 假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运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，称为一个间间隔，称为一个平太阳日平太阳日 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
49、地的平太阳时表示平太阳时角，则某地的平太阳时 MT = LAMT + 12 (平子夜与平正午差平子夜与平正午差12小时）小时） 世界时世界时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。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。代表格林尼治平太阳时角。393939v 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UT0，经过极移改正的，经过极移改正的世界时表示为世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节，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性改正后的世界时表示为UT2。 UT1=UT0+, UT2=UT1+T 历书时历书时ET与力学时与力学时 DTv 由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。匀。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以地球公转运动为基准公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。代替世界时。v 历书时的秒长规定为历书时的秒长规定为1900年年1月月1日日12时整回归年长度时整回归年长度的的131556925.9747404040v 在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立
