第二章坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)(修)

第二章坐標(biāo)與時(shí)間系統(tǒng)天文學(xué)的基本概念從不同的角度，地球運(yùn)轉(zhuǎn)可分為四類：1）與銀河系一起在宇宙中運(yùn)動(dòng)；2)在銀河系內(nèi)與太陽一起旋轉(zhuǎn)；3)與其它行星一起繞太陽旋轉(zhuǎn)(地球公轉(zhuǎn)-周年視運(yùn)動(dòng)）；4)地球的自轉(zhuǎn)（周日視運(yùn)）2.1地球的運(yùn)動(dòng)圖2－1天球的概念所謂天球，是指以地球質(zhì)心O為中心，半徑r為任意長度的一個(gè)假想的球體。在天文學(xué)中，通常均把天體投影到天球的球面上，并利用球面坐標(biāo)來表達(dá)或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。建立球面坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖2－1所示.天球的概念地球的運(yùn)轉(zhuǎn)2.1地球的運(yùn)動(dòng)

天軸與天極:地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點(diǎn)PN和PS稱為天極，其中PN稱為北天極，PS為南天極。

天球赤道面與天球赤道:通過地球質(zhì)心O與天軸垂直的平面稱為天球赤道面。天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相交的大圓稱為天球赤道。天球子午面與子午圈:含天軸并通過任一點(diǎn)鉛垂線的平面，稱為天球子午面.天球子午面與天球相交的大園稱為天球子午圈。時(shí)圈:通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時(shí)圈。天球的參考點(diǎn)、線、面和園2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）黃道:地球公轉(zhuǎn)的軌道面(黃道面)與天球相交的大園稱為黃道。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5度。黃極:通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點(diǎn)，稱為黃極。其中靠近北天極的交點(diǎn)稱為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)稱為南黃極。春分點(diǎn)與秋分點(diǎn):黃道與赤道的兩個(gè)交點(diǎn)稱為春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)。視太陽在黃道上從南半球向北半球運(yùn)動(dòng)時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)稱為春分點(diǎn)，用γ表示。在天文學(xué)中和研究衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，春分點(diǎn)和天球赤道面，是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面赤經(jīng)與赤緯:

地球的中心至天體的連線與天球赤道面的夾角稱為赤緯,春分點(diǎn)的天球子午面與過天體的天球子午面的夾角為赤經(jīng)。2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）

1、地球的公轉(zhuǎn)：開普勒三大運(yùn)動(dòng)定律：

—運(yùn)動(dòng)的軌跡是橢圓，太陽位于其橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上；—在單位時(shí)間內(nèi)掃過的面積相等；

—運(yùn)動(dòng)的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）

2、地球的自轉(zhuǎn)

(1)地軸方向相對(duì)于空間變化歲差和章動(dòng)

地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化，是日月引力的共同結(jié)果。假設(shè)月球的引力及其運(yùn)行軌道是固定不變的,由于日月引力的影響，使得地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)，類似于旋轉(zhuǎn)陀螺，形成一個(gè)倒圓錐體(見右圖),其錐角等于黃赤交角ε=23.5o

，旋轉(zhuǎn)周期為26000年，這種運(yùn)動(dòng)稱為日月歲差，其它行星對(duì)地球的微小引力，雖不足以改變地軸的方向，但使黃道面產(chǎn)生微小變化，導(dǎo)致春分點(diǎn)位置產(chǎn)生微小變化，這種現(xiàn)象為行星歲差，統(tǒng)稱為歲差，是地軸方向相對(duì)于空間的長周期運(yùn)動(dòng)。歲差使春分點(diǎn)每年向西移動(dòng)50.3″2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）

月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，月球運(yùn)行的軌道以及月地之間距離是不斷變化的，使得月球引力產(chǎn)生的大小和方向不斷變化，從而導(dǎo)致北天極在天球上繞黃極旋轉(zhuǎn)的軌道不是平滑的小園，而是類似園的波浪曲線向西運(yùn)動(dòng)，即地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加周期為18.6年，且振幅為9.21″的短周期運(yùn)動(dòng)。這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。

考慮歲差和章動(dòng)的共同影響：

真（瞬時(shí)）旋轉(zhuǎn)軸

真（瞬時(shí)）天極

真（瞬時(shí)）天球赤道

真（瞬時(shí)）春分點(diǎn)

考慮歲差的影響：瞬時(shí)平天極。2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）

(2)地軸相對(duì)于地球本身相對(duì)位置變化（極移）

地球自轉(zhuǎn)軸存在相對(duì)于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置變化，從而導(dǎo)致極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象稱為極移。某一觀測(cè)瞬間地球極所在的位置稱為瞬時(shí)極，某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置稱為平極。地球極點(diǎn)的變化，導(dǎo)致地面點(diǎn)的緯度發(fā)生變化。1967年天文聯(lián)合會(huì)(IAU)和大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)(IUGG)建議采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)(ILS)站以1900～1905年的平均緯度所確定的平極作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通常稱為國際協(xié)議原點(diǎn)CIO

(ConventionalInternationalOrigin)

2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）國際極移服務(wù)(IPMS,1962)和國際時(shí)間局(BIH,1919)等機(jī)構(gòu)分別用不同的方法得到協(xié)議地球極（CTP），以1984.0為參考?xì)v元的CPT被廣泛使用，如GPS采用的WGS1984、IERS采用的ITRF框架采用的BIH1984.0的CPT作為Z軸的指向。與CIO相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。2.1地球的運(yùn)動(dòng)（續(xù)）

(3)地球自轉(zhuǎn)速度變化（日長變化）地球自轉(zhuǎn)不是均勻的，存在著多種短周期變化和長期變化，短周期變化是由于地球周期性潮汐影響，長期變化表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)速度緩慢變小。地球的自轉(zhuǎn)速度變化，導(dǎo)致日長的視擾動(dòng)和緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時(shí)間尺度產(chǎn)生變化。描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的參數(shù)稱為地球定向參數(shù)(EOP)，描述地球自轉(zhuǎn)速度變化的參數(shù)和描述極移的參數(shù)稱為地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(ERP)，EOP即為ERP加上歲差和章動(dòng)，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)網(wǎng)站()上得到。2.2時(shí)間系統(tǒng)大地測(cè)量學(xué)研究的對(duì)象是隨時(shí)間變化的，其觀測(cè)量與時(shí)間密切相關(guān)。在衛(wèi)星導(dǎo)航與定位中時(shí)間是重要參數(shù)。時(shí)間的描述包括時(shí)間原點(diǎn)、單位（尺度）兩大要素。時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測(cè)量時(shí)間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。時(shí)間的特點(diǎn)是連續(xù)、均勻。2.2

時(shí)間系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)滿足如下三項(xiàng)要求，可以作為計(jì)量時(shí)間的方法。

運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的；

運(yùn)動(dòng)的周期具有足夠的穩(wěn)定性；

運(yùn)動(dòng)是可觀測(cè)的。選取的物理對(duì)象不同，時(shí)間的定義不同:地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動(dòng)等都可作為計(jì)量時(shí)間的方法。根據(jù)選取的定義時(shí)間的對(duì)象不同，介紹以下幾種較常用時(shí)間系統(tǒng)：恒星時(shí)（ST=SiderealTime)；平太陽時(shí)(MT)世界時(shí)；歷書時(shí)與力學(xué)時(shí)；原子時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)GPS時(shí)間系統(tǒng)2.2時(shí)間系統(tǒng)恒星時(shí)(ST=SiderealTime)以春分點(diǎn)作為基本參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間，稱為恒星時(shí)。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時(shí)間間隔為一個(gè)恒星日，分為24個(gè)恒星時(shí)，某一地點(diǎn)的地方恒星時(shí)，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于這一地方子午圈的時(shí)角。

上中天：天體經(jīng)過某地子午圈為天體中天，過上子午圈為上中天。

地方真恒星時(shí)、平恒星時(shí)、格林尼治真恒星時(shí)、格林尼治平恒星時(shí)之間的關(guān)系：在天文測(cè)量中廣泛采用恒星時(shí)。2.2時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))

由于歲差與章動(dòng)的影響，春分點(diǎn)分為真春分點(diǎn)與平春分點(diǎn)，恒星時(shí)分為真恒星時(shí)(LAST)與平恒星時(shí)(LMST)。式中：為黃經(jīng)章動(dòng)為黃赤交角為J2000.0至計(jì)算歷元之間的儒略世紀(jì)數(shù)時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))世界時(shí)UT以真太陽作為基本參考點(diǎn)，由其周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間，稱為真太陽時(shí)。一個(gè)真太陽日就是真太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上中天（上子午圈）所經(jīng)歷的時(shí)間。真太陽的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的。地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度不均勻。近日點(diǎn)快、遠(yuǎn)日點(diǎn)慢。真太陽日在近日點(diǎn)最長、遠(yuǎn)日點(diǎn)最短。真太陽日不均勻。太陽的周年視運(yùn)動(dòng)

地球的公轉(zhuǎn)速度不斷變化，在軌道的任何地方真太陽日彼此都不相等。假設(shè)以平太陽作為參考點(diǎn)，其速度等于真太陽周年運(yùn)動(dòng)的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時(shí)間間隔，稱為一個(gè)平太陽日時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))

1回歸年長＝365.2422平太陽日＝366.2422恒星日1平太陽日＝（1＋1/365.2422)恒星日

民用中采用：整年為365天，閏年為366天平太陽日：是以平子夜的瞬時(shí)作為時(shí)間的起算零點(diǎn)。

平太陽兩次經(jīng)過春分點(diǎn)的時(shí)間間隔為一回歸年

。

儒略日J(rèn)D=JulianDay:一種不用年﹑月的長期計(jì)日法﹐記為JD。如果計(jì)算相隔若干年兩個(gè)日期之間的天數(shù)﹐利用儒略日就比較方便。儒略日的定義的起點(diǎn)是公元前4713年1月1日格林尼治時(shí)間平午(世界時(shí)12:00)，以平太陽日連續(xù)計(jì)算.其計(jì)算方法很多，參考相關(guān)教材。J2000.0相應(yīng)的儒略日為2451545.0。時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))

儒略歷公元前46年，羅馬執(zhí)政官儒略·凱撒頒布儒略歷，平年365天，閏年366天。除2月外，單數(shù)月份31天，偶數(shù)月份30天。2月份平年29天，閏年30天。每隔3年置一閏年，每年的平均長度是365.25天.

缺點(diǎn)：(365.25-365.2422)*400=3.1244（天）

奧古斯都?xì)v

儒略·凱撒的侄子屋大維修改儒略歷。將8月改成31天，將9、10、11、12月的大小月對(duì)換，并從2月份扣去一天，成為平年28天，閏年29天。

格里高利歷（格利歷）—公歷

公元1582年3月1日，羅馬教皇格里高利十三世頒布了格里高利歷，規(guī)定凡是不能被4整除的世紀(jì)年（即年末尾數(shù)字為兩個(gè)零的年份，如1600、1700）都不能算作閏年，則正好每400年去掉3天，在公歷中，每400年有97個(gè)閏年。格利歷是目前全世界通用的公歷，我國從1912起采用。

歷書的來歷：時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))1900年3月以后的格林尼治午正的儒略日計(jì)算方法

由于儒略日數(shù)字很大，通常采用簡(jiǎn)化儒略日

MJD=JD-2400000.5MJD相應(yīng)的起點(diǎn)是1858年11月17日世界時(shí)0時(shí)。36525個(gè)平太陽日稱為一個(gè)儒略世紀(jì)。特點(diǎn)：平均年長度：(365*400+97)/400=365.2425天。

與回歸年差：(365.2425-365.242189)*400=0.1244.

3300年內(nèi)：(365.2425-365.242189)*3300=1

時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))歷書時(shí)ET=Ephemeristime與力學(xué)時(shí)DT=Dynamicaltine

在天文年歷中，計(jì)算與觀測(cè)采用時(shí)間單位不同，觀測(cè)所得天體位置與計(jì)算出來的天體位置有差異。1958年第10屆IAU決定，自1960年起開始以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的歷書時(shí)來量度時(shí)間，用歷書時(shí)系統(tǒng)代替世界時(shí)。歷書時(shí)的秒長規(guī)定為1900年1月1日12時(shí)整回歸年長度的1／31556925.9747，86400個(gè)歷書秒為一歷書日。世界時(shí)UT=UniversalTime：以格林尼治平子夜為零時(shí)起算的平太陽時(shí)稱為世界時(shí)。未經(jīng)任何改正的世界時(shí)表示為UT0，經(jīng)過極移改正的世界時(shí)表示為UT1，進(jìn)一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正后的世界時(shí)表示為UT1=UT0+Δλ,UT2=UT1+ΔT

時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動(dòng)力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程而編寫的，根據(jù)廣義相對(duì)論，太陽質(zhì)心系與地球質(zhì)心系的時(shí)間不相同，1976年IAU定義了兩坐標(biāo)系的時(shí)間，其中采用的獨(dú)立變量是時(shí)間參數(shù)T,其變量被定義為力學(xué)時(shí)，力學(xué)時(shí)是均勻的。參考點(diǎn)不同，力學(xué)時(shí)分為兩種：

1)太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDB2)地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)TDTTDT和TDB可以看作是ET分別在兩個(gè)坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)，TDT代替了過去的ET地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)的基本單位國際秒制，與原子時(shí)的尺度相同。IAU規(guī)定：1977年1月1日原子時(shí)（TAI)0時(shí)與地球力學(xué)時(shí)嚴(yán)格對(duì)應(yīng)為：TDT=TAI+32.184時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))原子時(shí)(AT)

原子時(shí)是一種以原子諧振信號(hào)周期為標(biāo)準(zhǔn)。原子時(shí)的基本單位是原子時(shí)秒，定義為：在零磁場(chǎng)下，位于海平面的銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射192631770周所持續(xù)的時(shí)間為原子時(shí)秒，規(guī)定為國際單位制中的時(shí)間單位。

原子時(shí)的原點(diǎn)定義：1958年1月1日UT2的0時(shí)。

AT=UT2－0.0039(s)地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時(shí)與世界時(shí)的誤差逐年積累。時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)原子時(shí)與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢(shì)，原子時(shí)與世界時(shí)的差異將逐漸變大，秒長不等，大約每年相差1秒，便于日常使用，協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，建立以原子時(shí)秒長為計(jì)量單位、在時(shí)刻上與平太陽時(shí)之差小于0.9秒的時(shí)間系統(tǒng)，稱之為世界協(xié)調(diào)時(shí)(UTC)。當(dāng)大于0.9秒，采用12月31日或6月30日調(diào)秒。調(diào)秒由國際計(jì)量局來確定公布。世界各國發(fā)布的時(shí)號(hào)均以UTC為準(zhǔn)。

TAI=UTC+1×n(秒）時(shí)間系統(tǒng)(續(xù))GPS時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間的計(jì)量對(duì)于衛(wèi)星定軌、地面點(diǎn)與衛(wèi)星之間距離測(cè)量至關(guān)重要，精確定時(shí)設(shè)備是導(dǎo)航定位衛(wèi)星的重要組成部分。GPS的時(shí)間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室USNO維持的原子時(shí)稱為GPST，它與國際原子的原點(diǎn)不同，瞬時(shí)相差一常量：

TAI－GPST=19(s)GPST的起點(diǎn)，規(guī)定1980年1月6日0時(shí)GPS與UTC相等。GPST與UTC的關(guān)系：

GPST=UTC+1×n-19

1987年：n=23;1992年：n=26;2005年：n=32

2.3坐標(biāo)系統(tǒng)

所謂基準(zhǔn)是指為描述空間位置而定義的點(diǎn)、線、面，在大地測(cè)量中，基準(zhǔn)是指用以描述地球形狀的參考橢球的參數(shù)（如參考橢球的長短半軸），以及參考橢球在空間中的定位及定向，還有在描述這些位置時(shí)所采用的單位長度的定義。測(cè)量常用的基準(zhǔn)包括平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)等。

2.3.1基本概念1、大地基準(zhǔn)2、天球(見前面補(bǔ)充內(nèi)容）坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))大地測(cè)量坐標(biāo)系：天球坐標(biāo)系：用于研究天體和人造衛(wèi)星的定位與運(yùn)動(dòng)。地球坐標(biāo)系：用于研究地球上物體的定位與運(yùn)動(dòng)。是一種固定在地球上，隨地球一起旋轉(zhuǎn)的非慣性坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)其原點(diǎn)的位置不同，分為地心坐標(biāo)系統(tǒng)與參心坐標(biāo)系統(tǒng)，分大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式，3、大地測(cè)量參考系統(tǒng)與大地測(cè)量參考框架坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

圖2－10大地坐標(biāo)系圖2－11與空間直角坐標(biāo)大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架大地測(cè)量系統(tǒng)與參考框架的描述

大地測(cè)量系統(tǒng)：

規(guī)定了大地測(cè)量的起算基準(zhǔn)、尺度標(biāo)準(zhǔn)及其實(shí)現(xiàn)方式（理論、模型與方法）。大地測(cè)量參考系統(tǒng)是通過大地測(cè)量參考框架實(shí)現(xiàn)的。

大地測(cè)量參考框架：是通過大地測(cè)量手段，由固定在地面上的點(diǎn)所構(gòu)成的大地網(wǎng)(點(diǎn)）按大地測(cè)量系統(tǒng)所規(guī)定的模式構(gòu)建的，是大地測(cè)量系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。大地測(cè)量系統(tǒng)是總體概念，大地測(cè)量參考框架是大地測(cè)量系統(tǒng)的具體的應(yīng)用形式。大地測(cè)量系統(tǒng)包括：坐標(biāo)系統(tǒng)、高程系統(tǒng)與重力參考系統(tǒng)。大地測(cè)量參考框架包括：坐標(biāo)參考框架、高程參考框架和重力參考框架。

坐標(biāo)系統(tǒng)與坐標(biāo)參考框架(后續(xù)介紹)

高程系統(tǒng)與參考框架高程基準(zhǔn)

區(qū)域性高程基準(zhǔn)可以由驗(yàn)潮站的長期平均海水面來確定，通常定義該平均海水面的高程為零。平均海水面通常稱為高程的基準(zhǔn)面在地面上預(yù)先設(shè)置一固定點(diǎn)（組），利用精密水準(zhǔn)測(cè)量聯(lián)測(cè)固定點(diǎn)與該平均海水面的高差，從而確定該固定點(diǎn)（組)的海拔高程。該固定點(diǎn)稱為水準(zhǔn)原點(diǎn)。水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程就是區(qū)域性水準(zhǔn)測(cè)量的起算點(diǎn)。國家高程基準(zhǔn)：

黃海平均海水面

1987年以前,“1956年國家高程基準(zhǔn)”.水準(zhǔn)原點(diǎn)高程為72.289m

1988年1月1日起,“1985國家高程基準(zhǔn)”,水準(zhǔn)原點(diǎn)的高程為72.260.“1985國家高程基準(zhǔn)”的平均海水面比“1956年國家高程基準(zhǔn)”的平均海水面高0.029m。

高程系統(tǒng)與參考框架在測(cè)量中常用的高程系統(tǒng)有大地高系統(tǒng)、正高系統(tǒng)和正常高系統(tǒng)。

大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高，大地高一般用符號(hào)H表示。同一個(gè)點(diǎn)，在不同的基準(zhǔn)下，具有不同的大地高。正高系統(tǒng)是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正高是該點(diǎn)的鉛垂線與大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)。某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離。

高程系統(tǒng)國家高程系統(tǒng):

正常高高程系統(tǒng)

高程框架是高程系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。我國高程框架由全國高精度水準(zhǔn)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，以黃海高程基準(zhǔn)為起算基準(zhǔn),以正常高系統(tǒng)為水準(zhǔn)高差的傳遞方式。水準(zhǔn)高程框架分為四個(gè)等級(jí),為國家一、二、三、四等水準(zhǔn)控制網(wǎng)。框架點(diǎn)的正常高采用逐級(jí)控制布設(shè),其現(xiàn)勢(shì)性通過一等水準(zhǔn)網(wǎng)的定期復(fù)測(cè)和二等網(wǎng)的部分復(fù)測(cè)來維護(hù)。①第一期主要是1976年以前完成的,以1956年黃海高程基準(zhǔn)起算的各等級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)；②第二期主要是1976年至1990年完成,以“1985國家高程基準(zhǔn)”起算的國家一、二等水準(zhǔn)網(wǎng);③第三期是1990年以后國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測(cè)和局部地區(qū)二等水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測(cè),現(xiàn)已完成外業(yè)觀測(cè)和內(nèi)業(yè)平差計(jì)算工作,成果已提供使用。

高程框架的另一種形式可以通過似大地水準(zhǔn)面來實(shí)現(xiàn)。高程系統(tǒng)與參考框架高程框架廣東省一二等水準(zhǔn)路線略圖重力參考系統(tǒng)與重力測(cè)量框架重力基準(zhǔn)和參考系統(tǒng)

重力基準(zhǔn)是標(biāo)定一個(gè)國家或地區(qū)重力值的標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)70年代以前我國采用波茨坦重力基準(zhǔn)，重力參考系統(tǒng)采用克拉索夫斯基橢球常數(shù)。80年我國重力基準(zhǔn)采用經(jīng)國際比對(duì)的高精度相對(duì)重力儀自行測(cè)定，參考系統(tǒng)是IUGG75橢球常數(shù)。21世紀(jì)初，我國采用高精度絕對(duì)和相對(duì)重力儀測(cè)定我國新的重力基準(zhǔn)，目前重力基準(zhǔn)的參考系統(tǒng)采用GRS80橢球常數(shù)。重力參考框架

重力參考框架由分布在我國的若干絕對(duì)重力點(diǎn)和相對(duì)重力點(diǎn)構(gòu)成的重力網(wǎng)，以及用做相對(duì)重力尺度標(biāo)準(zhǔn)的若干重力長短基線構(gòu)成。

重力參考框架的現(xiàn)狀

國家重力基本網(wǎng)是確定我國重力加速度數(shù)值的參考框架，目前提供使用的2000國家重力基本網(wǎng)包括21個(gè)重力基準(zhǔn)點(diǎn)和126個(gè)重力基本點(diǎn)與基本點(diǎn)引點(diǎn)112個(gè)。重力參考系統(tǒng)與框架重力測(cè)量基本概念（補(bǔ)充）重力基準(zhǔn)點(diǎn)：用高精度絕對(duì)重力儀測(cè)定其重力值，國家重力控制網(wǎng)的起算基準(zhǔn)點(diǎn)。重力基準(zhǔn)：國家重力控制網(wǎng)中的基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成國家重力基準(zhǔn)。重力基本點(diǎn)；以基準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)，通過相對(duì)重力儀聯(lián)測(cè)與整體平差確定的重力控制點(diǎn)。引點(diǎn)：從基本點(diǎn)、一等點(diǎn)按同等級(jí)聯(lián)測(cè)精度以支線聯(lián)測(cè)的重力點(diǎn)。段差：重力測(cè)量中，相鄰兩個(gè)點(diǎn)間的重力差。測(cè)線：閉合測(cè)線與附合測(cè)線。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))4、橢球定位和定向概念

橢球的類型:

參考橢球:具有確定參數(shù)(長半徑a和扁率α)，經(jīng)過局部定位和定向，同某一地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳擬合的地球橢球.

總地球橢球:

除了滿足地心定位和雙平行條件外，在確定橢球參數(shù)時(shí)能使它在全球范圍內(nèi)與大地體最密合的地球橢球.橢球定位:

是指確定橢球中心的位置，可分為兩類：局部定位和地心定位。局部定位：要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，而對(duì)橢球的中心位置無特殊要求；地心定位：要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面最佳的符合，同時(shí)要求橢球中心與地球質(zhì)心一致。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))2.3.2慣性坐標(biāo)系(CIS)與協(xié)議坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系：是指在空間固定不動(dòng)或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。協(xié)議慣性坐標(biāo)系的建立：由于地球的旋轉(zhuǎn)軸是不斷變化的，通常約定某一刻t0作為參考?xì)v元，把該時(shí)刻對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸經(jīng)歲差和章動(dòng)改正后的指向作為Z軸，以對(duì)應(yīng)的春分點(diǎn)為X軸的指向點(diǎn)，以XOY的垂直方向?yàn)閅軸建立天球坐標(biāo)系，稱為協(xié)議天球坐標(biāo)系或協(xié)議慣性坐標(biāo)系CIS(CIS=ConventionalInertialSystem)

橢球的定向指確定橢球旋轉(zhuǎn)軸的方向，不論是局部定位還是地心定位，都應(yīng)滿足兩個(gè)平行條件：①橢球短軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸；②大地起始子午面平行于天文起始子午面。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))國際大地測(cè)量協(xié)會(huì)IAG和國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)IAU決定，從1984年1月1日起采用以J2000.0(2000年1月1日12時(shí))的平赤道和平春分點(diǎn)為依據(jù)的協(xié)議天球坐標(biāo)系.協(xié)議天球坐標(biāo)系瞬時(shí)平天球標(biāo)系瞬時(shí)真天球標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的差異是歲差導(dǎo)致的Z軸方向發(fā)生變化產(chǎn)生的，通過對(duì)協(xié)議天球坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，就可以實(shí)現(xiàn)兩者之間的坐標(biāo)變換。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))為觀測(cè)歷元t的儒略日。P為歲差旋轉(zhuǎn)矩陣，為歲差參數(shù)。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

瞬時(shí)平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)真天球坐標(biāo)瞬時(shí)真天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系的差異主要是地球自轉(zhuǎn)軸的章動(dòng)造成的，兩者之間的相互轉(zhuǎn)換可以通過章動(dòng)旋轉(zhuǎn)矩陣來實(shí)現(xiàn).為黃赤交交、交角章動(dòng)、黃經(jīng)章動(dòng).合并上述兩式：協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時(shí)天球坐標(biāo)系：坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))2.3.3地固坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系）以參考橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo)系，與地球體固連在一起且與地球同步運(yùn)動(dòng)，參考橢球的中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,又稱為參心地固坐標(biāo)系。以總地球橢球?yàn)榛鶞?zhǔn)的坐標(biāo)系.與地球體固連在一起且與地球同步運(yùn)動(dòng)，地心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系,又稱為地心地固坐標(biāo)系。

特點(diǎn)：地面上點(diǎn)坐標(biāo)在地固坐標(biāo)系中不變（不考慮潮汐、板塊運(yùn)動(dòng)），在天球坐標(biāo)系中是變化的(地球自轉(zhuǎn)).坐標(biāo)系統(tǒng)是由坐標(biāo)原點(diǎn)位置、坐標(biāo)軸的指向和尺度所定義的，對(duì)于地固坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)選在參考橢球中心或地心，坐標(biāo)軸的指向具有一定的選擇性，國際上通用的坐標(biāo)系一般采用協(xié)議地極方向CTP)作為Z軸指向，因而稱為協(xié)議(地固）坐標(biāo)系。與其相對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系瞬時(shí)地球坐標(biāo)系稱為瞬時(shí)(地固）坐標(biāo)系.協(xié)議地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

——極移的影響；——極移參數(shù)的確定；坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))極移參數(shù)國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS根據(jù)所屬臺(tái)站的觀測(cè)資料推算得到并以公報(bào)形式發(fā)布，由此可以實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系之間的相互變換。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

瞬時(shí)地球坐標(biāo)系與瞬時(shí)天球坐標(biāo)系的關(guān)系坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))1.協(xié)議地球坐標(biāo)與瞬時(shí)地球坐標(biāo)的關(guān)系3.瞬時(shí)天球坐標(biāo)與協(xié)議天球坐標(biāo)的關(guān)系2.瞬時(shí)地球坐標(biāo)與瞬時(shí)天球坐標(biāo)的關(guān)系

協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的關(guān)系

定義：參心坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)位于參考橢球體的中心，Z軸即橢球的旋轉(zhuǎn)軸與地球的自轉(zhuǎn)軸平行，X軸指向平行于天文起始子午面的大地子午面與赤道面的交點(diǎn)，Y軸與X和Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)1）參心坐標(biāo)系統(tǒng)參心坐標(biāo)系的建立：建立地球參心坐標(biāo)系，需如下幾個(gè)方面的工作：選擇或求定橢球的幾何參數(shù)(半徑a和扁率α)。確定橢球中心的位置(橢球定位)。確定橢球短軸的指向(橢球定向)。建立大地原點(diǎn)。1、坐標(biāo)系統(tǒng)

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))橢球的類型:

參考橢球:

具有確定參數(shù)(長半徑a和扁率α)，經(jīng)過局部定位和定向，同某一地區(qū)大地水準(zhǔn)面最佳擬合的地球橢球.

總地球橢球:

除了滿足地心定位和雙平行條件外，在確定橢球參數(shù)時(shí)能使它在全球范圍內(nèi)與大地體最密合的地球橢球.橢球定位:

確定橢球中心的位置，可分為兩類：局部定位和地心定位。橢球定位和定向概念局部定位：

要求在一定范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面有最佳的符合，而對(duì)橢球的中心位置無特殊要求；地心定位：

要求在全球范圍內(nèi)橢球面與大地水準(zhǔn)面最佳的符合，同時(shí)要求橢球中心與地球質(zhì)心一致。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

廣義垂線偏差公式與廣義拉普拉斯方程：

橢球的定位橢球的定向確定橢球旋轉(zhuǎn)軸方向，不論是局部定位還是地心定位，都應(yīng)滿足兩個(gè)平行條件：①橢球短軸平行于地球自轉(zhuǎn)軸；②

大地起始子午面平行于天文起始子午面。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))一點(diǎn)定位

如果選擇大地原點(diǎn)：

則大地原點(diǎn)的坐標(biāo)為：多點(diǎn)定位采用廣義弧度測(cè)量方程

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))廣義弧度測(cè)量方程:設(shè)垂線偏差與大地水準(zhǔn)面公式:坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))上式稱為廣義弧度測(cè)量方程特殊情況下：坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

多點(diǎn)定位的過程：1)由廣義弧度測(cè)量方程采用最小二乘法求

橢球參數(shù):

旋轉(zhuǎn)參數(shù):

新的橢球參數(shù)：2)由廣義弧度測(cè)量方程計(jì)算大地原點(diǎn)3)廣義垂線偏差公式與廣義拉普拉斯方程計(jì)算大地原點(diǎn)也叫大地基準(zhǔn)點(diǎn)或大地起算點(diǎn)，參考橢球參數(shù)和大地原點(diǎn)上的起算數(shù)據(jù)的確立是一個(gè)參心大地坐標(biāo)系建成的標(biāo)志.

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))大地原點(diǎn)和大地起算數(shù)據(jù)1954年北京坐標(biāo)系

1954年北京坐標(biāo)系可以認(rèn)為是前蘇聯(lián)1942年坐標(biāo)系的延伸。它的原點(diǎn)不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃。相應(yīng)的橢球?yàn)榭死鞣蛩够鶛E球。

1954年北京坐標(biāo)系的缺限:橢球參數(shù)有較大誤差。

參考橢球面與我國大地水準(zhǔn)面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜，在東部地區(qū)大地水準(zhǔn)面差距最大達(dá)+68m。幾何大地測(cè)量和物理大地測(cè)量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。定向不明確。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

1980年國家大地坐標(biāo)系1980大地坐標(biāo)系建立的方法：按最小二乘法求:，在進(jìn)一步求大地原點(diǎn)的起算數(shù)據(jù).平差后提供的大地點(diǎn)成果屬于1980年西安坐標(biāo)系，它和原1954年北京坐標(biāo)系的成果是不同的。這個(gè)差異除了由于它們各屬不同橢球與不同的橢球定位、定向外，還因?yàn)榍罢呤墙?jīng)過整體平差，而后者只是作了局部平差。

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))1980年國家大地坐標(biāo)系的特點(diǎn)：采用1975年國際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)IUGG第16屆大會(huì)上推薦的4個(gè)橢球基本參數(shù)。長半徑a=6378140m,

地心引力常數(shù)GM=3.986005×1014m3/s2重力場(chǎng)二階帶球諧系數(shù)J2=1.08263×10-8自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。橢球面同似大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)最為密合，是多點(diǎn)定位。定向明確。橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)

的方向

大地原點(diǎn)地處我國中部，位于西安市以北60km處的涇陽縣永樂鎮(zhèn)，簡(jiǎn)稱西安原點(diǎn)。

大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))新1954年北京坐標(biāo)系(BJ54新)

新1954年北京坐標(biāo)系,是在GDZ80基礎(chǔ)上，改變GDZ80相對(duì)應(yīng)的IUGG1975橢球幾何參數(shù)為克拉索夫斯基橢球參數(shù)，并將坐標(biāo)原點(diǎn)(橢球中心)平移,使坐標(biāo)軸保持平行而建立起來的。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))

BJ54新的特點(diǎn)是：采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)。采用多點(diǎn)定位。定向明確，坐標(biāo)軸與GDZ80相平行，橢球短軸平行于地球質(zhì)心，指向1968.0地極原點(diǎn)的方向。

大地原點(diǎn)與GDZ80相同，但大地起算數(shù)據(jù)不同。高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系。

與BJ54相比，所采用的橢球參數(shù)相同，其定位相近，但定向不同。坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))大地測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)地心坐標(biāo)系統(tǒng)滿足以下四個(gè)條件：原點(diǎn)位于整個(gè)地球的質(zhì)心（包括海洋和大氣）尺度是相對(duì)論意義下某一局部地球框架內(nèi)的尺度。定向?yàn)閲H時(shí)間局測(cè)定的某一歷元的協(xié)議地極和零子午線，稱為地球的定向參數(shù)EOP。定向隨時(shí)間的演變滿足地殼無整體的約束條件。通俗化的定義：原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心;Z軸與X軸的定向某一歷元的EOP參數(shù)確定;Y軸與X、Z構(gòu)成空間右手坐標(biāo)系。2）地心坐標(biāo)系統(tǒng)地心地固坐標(biāo)系的建立方法:坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))通過一定的資料，包括地心系統(tǒng)和參心系統(tǒng)的資料，求得地心和參心坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，然后按其轉(zhuǎn)換參數(shù)和參心坐標(biāo)，間接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法通過一定的觀測(cè)資料(如天文、重力資料、衛(wèi)星觀測(cè)資料等)，直接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測(cè)量動(dòng)力法等。3）大地測(cè)量基準(zhǔn)常數(shù)大地測(cè)量基準(zhǔn)常數(shù)是指與地球一起旋轉(zhuǎn)且和地球表面最佳吻合的旋轉(zhuǎn)橢球（即地球橢球）的幾何與物理參數(shù)?！らg接法·直接法地球橢球的幾何和物理屬性可由四個(gè)基本常數(shù)完全確定赤道半徑（橢球長半徑）地心引力常數(shù)（大氣質(zhì)量）地球重力場(chǎng)二階帶諧系數(shù)地球自轉(zhuǎn)角速度

GRS80橢球的基本常數(shù)為：目前通常采用正?；A帶球諧系數(shù)代替

兩者關(guān)系為：大地測(cè)量常數(shù)國際大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì)(IUGG)分別于1971,1975,1979年推薦了三組大地測(cè)量常數(shù)，對(duì)應(yīng)于大地測(cè)量系統(tǒng)GRS67、IUGG75、GRS80。我國西安1980坐標(biāo)系統(tǒng)采用IUGG75大地測(cè)量常數(shù)，目前廣泛使用的常數(shù)是GRS80大地測(cè)量常數(shù)。其它常數(shù)與基本常數(shù)的關(guān)系大地測(cè)量常數(shù)

1）參心坐標(biāo)參考框架

傳統(tǒng)測(cè)量坐標(biāo)框架是由天文大地網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，一般定義在參心坐標(biāo)系中，是一種區(qū)域、二維、靜態(tài)的地球參考框架。50~80年代，北京1954參心坐標(biāo)參考框架、西安1980參心坐標(biāo)參考框架。

2.坐標(biāo)參考框架我國天文大地網(wǎng)簡(jiǎn)介:

20世紀(jì)50年代初，60年代末基本完成，先后共布設(shè)一等三角鎖401條，一等三角點(diǎn)6182個(gè)，構(gòu)成121個(gè)一等鎖環(huán)，鎖系長達(dá)7.3萬km。一等導(dǎo)線點(diǎn)312個(gè)，構(gòu)成10個(gè)導(dǎo)線環(huán)，總長約1萬km。

1982年完成天文大地網(wǎng)的整體平差工作。網(wǎng)中包括一等三角鎖系，二等三角網(wǎng)，部分三等網(wǎng)，總共約有5萬個(gè)大地控制點(diǎn)，30萬個(gè)觀測(cè)量的天文大地網(wǎng)。平差結(jié)果：網(wǎng)中離大地點(diǎn)最遠(yuǎn)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為±0.9m，一等觀測(cè)方向中誤差為±0.46″。

2）地心坐標(biāo)參考框架國際地面參考框架（ITRF）是國際地面參考系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),它甚長基線干涉（VLBI）、激光測(cè)衛(wèi)SLR、激光測(cè)月LLR、DORIS技術(shù),

GPS技術(shù)等空間大地測(cè)量技術(shù),利用全球觀測(cè)站點(diǎn),經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到ITRF點(diǎn)（地面觀測(cè)站）的站坐標(biāo)和速度場(chǎng)等。目前ITRF是全球公認(rèn)的應(yīng)用最廣泛、精度最高的地心坐標(biāo)框架。（1)國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)

與ITRF國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS(InternationalEarthRotationService)

1988年:IUGG+IAU→IERS（IBH+IPMS）IERS的任務(wù)主要有以下幾個(gè)方面：維持國際天球參考系統(tǒng)(ICRS)和框架(ICRF)；維持國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)和框架(ITRF)；提供及時(shí)準(zhǔn)確的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(EOP)。

IERS觀測(cè)數(shù)據(jù)與分析機(jī)構(gòu)：VLBI分析中心：GSFC:Goddardspaceflightcenter戈達(dá)德空間宇航中心GIUB:波恩大學(xué)大地測(cè)量學(xué)院NOAA:美國海洋大氣局

JPL:Jetpropulsionlaboratory美國噴氣實(shí)驗(yàn)室SLR分析中心:CSR:Centerspaceresearch克薩斯大學(xué)空間研究中心GSFC:Goddardspaceflightcenter戈達(dá)德空間宇航中心坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))DORIS分析中心:GRGS:法國空間大地測(cè)量研究所CSR:Centerspaceresearch克薩斯大學(xué)空間研究中心IGN:法國國家地理研究所

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))GPS分析中心:EMR:加拿大天然能源GFZ:徳國地球科學(xué)研究所CODE:歐洲軌道測(cè)量中心ESA:EuropeanSpaceAgency歐洲空間局NGS:NationalGeodeticSurvey美國大地測(cè)量局JPT:Jetpropulsionlaboratory美國噴氣實(shí)驗(yàn)室SIO:美國斯克里普思海洋研究所國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)

ITRS是一種協(xié)議地球參考系統(tǒng)(CTRS),定義為CTRS的原點(diǎn)為地心，并且是指包括海洋和大氣在內(nèi)的整個(gè)地球的質(zhì)心；CTRS的長度單位為米(m)，并且是在廣義相對(duì)論框架下的定義；CTRS的定向Z軸從地心指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)；X軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點(diǎn)；Y軸與XOZ平面垂直而構(gòu)成右手坐標(biāo)系；CTRS的定向隨時(shí)演變滿足地殼無整體旋轉(zhuǎn)NNR條件的板塊運(yùn)動(dòng)模型國際地球參考系統(tǒng)ITRSITRF是ITRS的具體實(shí)現(xiàn),是由IERS中心局IERSCB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間大地測(cè)量技術(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的一組全球站坐標(biāo)和速度。自1988年起，IERS已經(jīng)發(fā)布ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球參考框架。ITRF是通過框架的定向、原點(diǎn)、尺度和框架時(shí)間演變基準(zhǔn)的明確定義來實(shí)現(xiàn)的。ITRF2000:StationPositions(m)atEpoch1997.0andVelocities(m/y)BJFS-2148743.7844426641.2364044655.935-.0444.0141-.0013WUHN-2267749.1625009154.3253221290.762-.0325-.0077-.0119國際地球參考框架(ITRF)SOLUTIONT1T2T3DR1R2R3EPOCHcmcmcmppb.001“.001“.001".......RATEST1T2T3DR1R2R3cmcmcmppb.001".001“.001“/y--------------------------------------------------------------------ITRF970.670.61-1.851.550.000.000.001997.00.00-0.06-0.140.010.000.000.02ITRF960.670.61-1.851.550.000.000.001997.00.00-0.06-0.140.010.000.000.02ITRF940.670.61-1.851.550.000.000.001997.00.00-0.06-0.140.010.000.000.02國際地球參考框架(ITRF)13241324WGS84地心坐標(biāo)系WGS84的定義：WGS-84坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于地球的質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向BIH1984.0的啟始子午面和赤道的交點(diǎn)，Y軸與X軸和Z軸構(gòu)成右手系。（2)WGS-84世界大地坐標(biāo)系

20世紀(jì)60年代美國蘇聯(lián)等國家利用衛(wèi)星觀測(cè)資料開展建立地心坐標(biāo)的研究，美國國防部先后建立了世界大地坐標(biāo)系WGS60、WGS66、WGS72，從1984年起，經(jīng)過修訂與完善建立較精確的地心坐標(biāo)系統(tǒng)WGS84.WGS84最初是采用美國海軍的TRANSIT導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多普勒觀測(cè)數(shù)據(jù)所建立的（1987年），主要為導(dǎo)航服務(wù)，精度較低，約為1～2m.

5個(gè)基本參數(shù)

a=6378137me2=0.0066943799013GM=3986005×108m3s-2C2,0=-484.16685×10-6ω=7292115×10-11rad/s為改善WGS-84系統(tǒng)的精度，1994年6月，由美國國防制圖局DMA(DefenceMappingAgency)將其和美國空軍(AirForce)在全球的10個(gè)GPS跟蹤站的數(shù)據(jù)加上部分IGS站(InternationalGPSServiceforGeodynamics)的ITRF91數(shù)據(jù)，進(jìn)行聯(lián)合處理，并以IGS站在ITRF91框架下的站坐標(biāo)為固定值，重新計(jì)算了這些全球跟蹤站在1994.0歷元的站坐標(biāo)，得到了精確的WGS84（G730）坐標(biāo)參考框架，G表示GPS，730表示GPS周。

1996年，WGS-84坐標(biāo)框架再次進(jìn)行更新,得到WGS849(G873),坐標(biāo)參考?xì)v元為1997.0。其坐標(biāo)精度與ITRF94框架的差異小于2cm。WGS84最近更新的時(shí)間是2004年1月，更新后的WGS84(G1150)的站坐標(biāo)與ITRF2000框架的站坐標(biāo)差異為幾個(gè)厘米，參考?xì)v元為2001.0.WGS84坐標(biāo)的更新過程：WGS84地心坐標(biāo)系為了加強(qiáng)國際間GPS地學(xué)研究合作應(yīng)用，IAG于1993年成立了IGS組織，于1994年1月正式運(yùn)作。IGS組織主要由全球跟蹤站網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、分析中心和協(xié)作分析中心、協(xié)調(diào)分析中心、中心局及發(fā)布中心等幾部分組成IGS的基本目標(biāo)是通過其一系列的產(chǎn)品為地學(xué)研究提供支持。其最初提供的產(chǎn)品主要包括：—GPS衛(wèi)星精密星歷，—IGS跟蹤站坐標(biāo)及速度，—地球自轉(zhuǎn)參數(shù)，—全球電離層信息。IGS概念：(InternationalGPSServiceforGeodynamics)IGS概念I(lǐng)GS站點(diǎn)分布圖全球IGS站分布圖中國及周邊部分IGS站國家測(cè)繪局跟蹤站網(wǎng)GPS永久跟蹤站技術(shù)在國際GPS應(yīng)用領(lǐng)域即坐標(biāo)框架維持、GPS衛(wèi)星精密星歷及地球自轉(zhuǎn)研究等方面已經(jīng)顯示了其重要作用。國家測(cè)繪局在1992年建立了第一個(gè)GPS跟蹤站—武跟蹤站。隨后的幾年內(nèi)又建立了北京、拉薩、烏魯木齊、哈爾濱、西寧、西安和海南等GPS跟蹤站.我國于2004年完成“2000國家GPS網(wǎng)”的計(jì)算。該網(wǎng)包含國家測(cè)繪局布設(shè)的高精度GPSA、B級(jí)網(wǎng)，總參GPS一、二級(jí)網(wǎng)，地震局、總參測(cè)繪局、科學(xué)院、國家測(cè)繪局共建的中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)網(wǎng)、基本網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)，該控制網(wǎng)整合了上述三個(gè)大型的有重要影響力的GPS觀測(cè)網(wǎng)的成果。2000國家GPS網(wǎng)共有28個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站，2500多個(gè)GPS網(wǎng)點(diǎn)組成，通過聯(lián)合處理將其歸于一個(gè)坐標(biāo)參考框架ITRF97，2000國家GPS網(wǎng)的精度優(yōu)于10-8，是我國新一代地心坐標(biāo)系統(tǒng)基礎(chǔ)框架.（3）2000國家GPS控制網(wǎng)：1、參考框架和歷元的統(tǒng)一2000網(wǎng)的參考框架ITRF97；參考?xì)v元為2000.0。2、參考橢球4個(gè)基本常數(shù)長半軸

a=6378137.0m地球含大氣層引力常數(shù)GM=3986004.418108m3s-2地球動(dòng)力形狀因子J2=1.082629832258地球自轉(zhuǎn)角速度=7292115.010-11rads-1GPS大地控制網(wǎng)概況我國先后建成四個(gè)較大規(guī)模的GPS大地網(wǎng)

一、二級(jí)網(wǎng)A、B級(jí)網(wǎng)形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)框架：ITRF96歷元：1997.0精度約為：3*10-8框架：ITRF93歷元：1996.365精度約為：10-7框架：ITRF96歷元：1996.582精度約為：10-8框架：ITRF96歷元：1998.680精度優(yōu)于2mm中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)網(wǎng)2000中國GPS大地網(wǎng)

站心坐標(biāo)系以測(cè)站為原點(diǎn)，測(cè)站上的法線(垂線)為Z軸方向的坐標(biāo)系就稱為法線(或垂線)站心坐標(biāo)系坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))站心極坐標(biāo)系與站心直角坐標(biāo)系關(guān)系：

第一步:

第二步:

第三步:坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))垂線站心直角坐標(biāo)與地心(參心)直角坐標(biāo)的關(guān)系:旋轉(zhuǎn)矩陣:T是正交矩陣：法線站心直角坐標(biāo)系與地心(參心)直角坐標(biāo)的關(guān)系坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)換算2.3.4坐標(biāo)系換算

歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣

兩個(gè)直角坐標(biāo)系進(jìn)行相互變換的旋轉(zhuǎn)角稱為歐勒角。

二維直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

平面坐標(biāo)變換平面坐標(biāo)系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換實(shí)際上是一種二維轉(zhuǎn)換。一般而言，兩平面坐標(biāo)系統(tǒng)之間包含四個(gè)原始轉(zhuǎn)換因子，即兩個(gè)平移因子、一個(gè)旋轉(zhuǎn)因子和一個(gè)尺度因子。

1)先旋轉(zhuǎn)、再平移、最后統(tǒng)一尺度2)先平移、再旋轉(zhuǎn)、最后統(tǒng)一尺度平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換3)先旋轉(zhuǎn)、再統(tǒng)一尺度、最后平移空間三維直角坐標(biāo)變換三維空間直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)

X1Y1Z1和X2Y2Z2通過三次旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)X1Y1Z1到X2Y2Z2的變換。空間三維直角坐標(biāo)變換不同空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換空間三維直角坐標(biāo)變換空間三維直角坐標(biāo)變換空間三維直角坐標(biāo)變換

注意:由于公共點(diǎn)的坐標(biāo)存在誤差，求得的轉(zhuǎn)換參數(shù)將受其影響，公共點(diǎn)坐標(biāo)誤差對(duì)轉(zhuǎn)換參數(shù)的影響與點(diǎn)位的幾何分布及點(diǎn)數(shù)的多少有關(guān)，為了求得較好的轉(zhuǎn)換參數(shù)，應(yīng)選擇一定數(shù)量、精度較高、分布較均勻公共點(diǎn)。利用3個(gè)以上的公共點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)存在多余觀測(cè)，轉(zhuǎn)換的公共點(diǎn)坐標(biāo)值與已知值不完全相同，而實(shí)際工作中要求所有已知點(diǎn)的坐標(biāo)值保持固定不變。解決這一矛盾可采用配置法，將公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值改正為已知值，對(duì)非公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值進(jìn)行相應(yīng)的配置。

①計(jì)算公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換值的改正數(shù)=已知值-轉(zhuǎn)換值，公共點(diǎn)坐標(biāo)采用已知值。②

采用配置法計(jì)算非公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換值的改正數(shù)

不同大地坐標(biāo)系換算

坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))稱為廣義大地坐標(biāo)微分公式或廣義變換橢球微分公式ITRF參考框架及其相互轉(zhuǎn)換

自1988年起，IERS已經(jīng)發(fā)布了ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000等全球坐標(biāo)參考框架。最新框架ITRF2005.一個(gè)地球參考框架的定義，是通過對(duì)框架的定向、原點(diǎn)、尺度和框架時(shí)間演變基準(zhǔn)的明確定義來實(shí)現(xiàn)的。不同框架之間滿足如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

ITRF2000與其它框架的轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)變化率。

為站點(diǎn)在框架1、2下的速度。

ITRF框架之間進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換的公式:其中：t0給定的轉(zhuǎn)換參數(shù)歷元，tk是初始框架歷元，t是目標(biāo)始框架歷元。ITRF2000其它框架的轉(zhuǎn)換SOLUTIONT1T2T3DR1R2R3EPOCHcmcmcmppb.001".001".001".......

RATEST1T2T3DR1R2R3cm/ycm/ycm/yppb/y.001"/y.001"/y.001"/yITRF970.670.61-1.851.550001997Rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF960.670.61-1.851.550001997rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF940.670.61-1.851.550001997rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF931.270.65-2.091.95-0.390.8-1.141988rates-0.29-0.02-0.060.01-0.11-0.190.07ITRF921.471.35-1.390.7500-0.181988rates0-0.06-0.140.01000.02SOLUTIONT1T2T3DR1R2R3EPOCH

cmcmcmppb.001".001".001".......RATEST1T2T3DR1R2R3cm/ycm/ycm/yppb/y.001"/y.001"/y.001"/yITRF912.672.75-1.992.1500-0.181988rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF902.472.35-3.592.4500-0.181988rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF892.974.75-7.395.8500-0.181988rates0-0.06-0.140.01000.02ITRF882.471.15-9.798.950.10-0.181988rates0-0.06-0.140.01000.02不同框架之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法1.先同一歷元下框架變換，再不同歷元變換。1）不同框架變換：2）計(jì)算ITRFxx框架在參考?xì)v元t0速度V(t0)：3、同框架歷元變換

已知初始框架ITRFyy,歷元tk的坐標(biāo)與速度，計(jì)算目標(biāo)ITRFxx框架在歷元t的坐標(biāo)與速度，轉(zhuǎn)換參數(shù)的參考?xì)v元為t0.

方法2：先歷元變換后框架變換1、同框架不同歷元變換3、不同框架變換2、計(jì)算ITRFyy框架與ITRFxx框架的轉(zhuǎn)換參數(shù)不同框架之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式的一般化表達(dá)式（略去二次項(xiàng)）：利用ITRF坐標(biāo)計(jì)算CGCS2000坐標(biāo)

已知武漢站的ITRF2000下1997.0參考?xì)v元的坐標(biāo)(m)及變化率(m/y)為：

-2267749.1625009154.3253221290.762-.0325-.0077-.0119求武漢站的CGCS2000框架下的坐標(biāo)(ITRF97,2