大地測量學(xué)全冊配套完整課件2

大地測量學(xué)全冊配套完整課件2第一章緒論§1大地測量學(xué)的定義和作用1.1大地測量學(xué)的定義

大地測量學(xué)是指在一定的時間與空間參考系中，測量和描繪地球形狀及其重力場并監(jiān)測其變化，為人類活動提供關(guān)于地球的空間信息的一門學(xué)科。經(jīng)典大地測量：地球剛體不變、均勻旋轉(zhuǎn)的球體或橢球體；范圍小?，F(xiàn)代大地測量：空間測繪技術(shù)(人造地球衛(wèi)星、空間探測器)，空間大地測量為特征，范圍大。

31.2大地測量學(xué)的作用大地測量學(xué)是一切測繪科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展中發(fā)揮著決定性的基礎(chǔ)保證作用。如交通運(yùn)輸、工程建設(shè)、土地管理、城市建設(shè)等

大地測量學(xué)在防災(zāi)，減災(zāi)，救災(zāi)及環(huán)境監(jiān)測、評價與保護(hù)中發(fā)揮著特殊作用。如地震、山體滑坡、交通事故等的監(jiān)測與救援。大地測量是發(fā)展空間技術(shù)和國防建設(shè)的重要保障。如:

衛(wèi)星、導(dǎo)彈、航天飛機(jī)、宇宙探測器等發(fā)射、制導(dǎo)、跟蹤、返回工作都需要大地測量作保證。4§2大地測量學(xué)基本體系和內(nèi)容2.1大地測量學(xué)的基本體系

應(yīng)用大地測量、橢球大地測量、天文大地測量、大地重力測量、測量平差等；新分支：海樣大地測量、行星大地測量、衛(wèi)星大地測量、地球動力學(xué)、慣性大地測量。幾何大地測量學(xué)（即天文大地測量學(xué)）

基本任務(wù)：是確定地球的形狀和大小及確定地面點(diǎn)的幾何位置。

主要內(nèi)容：國家大地測量控制網(wǎng)(包括平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng))建立的基本原理和方法，精密角度測量，距離測量，水準(zhǔn)測量；地球橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)，橢球面上測量計(jì)算，橢球數(shù)學(xué)投影變換以及地球橢球幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)模型等。5物理大地測量學(xué)：即理論大地測量學(xué)

基本任務(wù)：是用物理方法(重力測量)確定地球形狀及其外部重力場。

主要內(nèi)容：包括位理論，地球重力場，重力測量及其歸算，推求地球形狀及外部重力場的理論與方法。空間大地測量學(xué)：主要研究以人造地球衛(wèi)星及其他空間探測器為代表的空間大地測量的理論、技術(shù)與方法。62.2大地測量學(xué)的基本內(nèi)容

確定地球形狀及外部重力場及其隨時間的變化，建立統(tǒng)一的大地測量坐標(biāo)系，研究地殼形變(包括垂直升降及水平位移)，測定極移以及海洋水面地形及其變化等。研究月球及太陽系行星的形狀及重力場。建立和維持國家和全球的天文大地水平控制網(wǎng)、工程控制網(wǎng)和精密水準(zhǔn)網(wǎng)以及海洋大地控制網(wǎng)，以滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的需要。研究為獲得高精度測量成果的儀器和方法等。研究地球表面向橢球面或平面的投影數(shù)學(xué)變換及有關(guān)大地測量計(jì)算。7研究大規(guī)模、高精度和多類別的地面網(wǎng)、空間網(wǎng)及其聯(lián)合網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理的理論和方法，測量數(shù)據(jù)庫建立及應(yīng)用等。

現(xiàn)代大地測量的特征：

⑴研究范圍大（全球：如地球兩極、海洋）⑵從靜態(tài)到動態(tài)，從地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)到動力過程。

⑶觀測精度越高，相對精度達(dá)到10-8~10-9，絕對精度可到達(dá)毫米。⑷測量與數(shù)據(jù)處理周期短，但數(shù)據(jù)處理越來越復(fù)雜。8§3大地測量學(xué)發(fā)展簡史及展望

3.1大地測量學(xué)的發(fā)展簡史

第一階段：地球圓球階段

從遠(yuǎn)古至17世紀(jì)，人們用天文方法得到地面上同一子午線上兩點(diǎn)的緯度差，用大地法得到對應(yīng)的子午圈弧長，從而推得地球半徑（弧度測量）第二階段：地球橢球階段

從17世紀(jì)至19世紀(jì)下半葉，在這將近200年期間，人們把地球作為圓球的認(rèn)識推進(jìn)到向兩極略扁的橢球。9大地測量儀器：望遠(yuǎn)鏡，游標(biāo)尺，十字絲，測微器；大地測量方法：1615年荷蘭斯涅耳(W.Snell)首創(chuàng)三角測量法;行星運(yùn)動定律：1619年德國的開普勒(J.Kepler)發(fā)表了行星運(yùn)動三大定律；重力測量：1673年荷蘭的惠更斯(C.Huygens)提出用擺進(jìn)行重力測量的原理；英國物理學(xué)家牛頓(L.Newton)提出地球特征：1）是兩極扁平的旋轉(zhuǎn)橢球，其扁率等于1/230；2）重力加速度由赤道向兩極與sin２φ(φ——地理緯度)成比例地增加。10幾何大地測量標(biāo)志性成果：長度單位的建立：子午圈弧長的四千萬分之一作為長度單位，稱為1m。最小二乘法的提出：法國的勒讓德(A.M.Legendre)，德國的高斯(C.F.Gauss)。橢球大地測量學(xué)的形成：解決了橢球數(shù)學(xué)性質(zhì)與測量計(jì)算，正形投影方法。在這個領(lǐng)域，高斯、勒讓德及貝塞爾（Bessel)作出了巨大貢獻(xiàn)。弧度測量大規(guī)模展開。在這期間主要有以英、法、西班牙為代表的西歐弧度測量，以及德國、俄國、美國等為代表的三角測量。推算了不同的地球橢球參數(shù)。如貝賽爾、克拉克橢球參數(shù)。

11物理大地測量標(biāo)志性成就：克萊羅定理的提出：法國學(xué)者克萊羅(A.C.Clairaut)假設(shè)地球是由許多密度不同的均勻物質(zhì)層圈組成的橢球體，這些橢球面都是重力等位面(即水準(zhǔn)面)。該橢球面上緯度φ的一點(diǎn)的重力加速度按下式計(jì)算：12重力位函數(shù)的提出：為了確定重力與地球形狀的關(guān)系，法國的勒讓德提出了位函數(shù)的概念。所謂位函數(shù)，即是有這種性質(zhì)的函數(shù)：在一個參考坐標(biāo)系中，引力位對被吸引點(diǎn)三個坐標(biāo)方向的一階導(dǎo)數(shù)等于引力在該方向上的分力。研究地球形狀可借助于研究等位面。因此，位函數(shù)把地球形狀和重力場緊密地聯(lián)系在一起。地殼均衡學(xué)說的提出：英國的普拉特(J.H.Pratt)和艾黎(G.B.Airy)幾乎同時提出地殼均衡學(xué)說，根據(jù)地殼均衡學(xué)說可導(dǎo)出均衡重力異常以用于重力歸算。重力測量有了進(jìn)展。設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了用于絕對重力測量以及用于相對重力測量的便攜式擺儀。極大地推動了重力測量的發(fā)展。13幾何大地測量學(xué)進(jìn)展：天文大地網(wǎng)的布設(shè)有了重大發(fā)展。全球三大天文大地網(wǎng)的建立（1800－1900印度，一等三角網(wǎng)2萬公里，平均邊長45公里；1911－1935美國一等7萬公里；1924-1950蘇聯(lián)，7萬多公里)因瓦基線尺出現(xiàn)，平行玻璃板測微器的水準(zhǔn)儀及因瓦水準(zhǔn)尺使用。

第三階段：大地水準(zhǔn)面階段從19世紀(jì)下半葉至20世紀(jì)40年代，人們將對橢球的認(rèn)識發(fā)展到是大地水準(zhǔn)面包圍的大地體。

14物理大地測量在這階段的進(jìn)展：

1.大地測量邊值問題理論的提出：英國學(xué)者斯托克司(G.G.Stokes)把真正的地球重力位分為正常重力位和擾動位兩部分，實(shí)際的重力分為正常重力和重力異常兩部分，在某些假定條件下進(jìn)行簡化，通過重力異常的積分，提出了以大地水準(zhǔn)面為邊界面的擾動位計(jì)算公式和大地水準(zhǔn)面起伏公式。后來，荷蘭學(xué)者維寧·曼尼茲(F.A.VeningMeinesz)根據(jù)斯托克司公式推出了以大地水準(zhǔn)面為參考面的垂線偏差公式。

2.提出了新的橢球參數(shù)：赫爾默特橢球、海福特橢球、克拉索夫斯基橢球等。15第四階段：現(xiàn)代大地測量新時期

20世紀(jì)下半葉，以電磁波測距、人造地球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及甚長基線干涉測量等為代表的新的測量技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的大地測量帶來了革命性的變革，大地測量學(xué)進(jìn)入了以空間測量技術(shù)為代表的現(xiàn)代大地測量發(fā)展的新時期。

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●我國高精度天文大地網(wǎng)的建立

1951-1975年：一等三角點(diǎn)5萬多個，全長7.5多萬公里，二等鎖，一等導(dǎo)線等，1972－1982年平差數(shù)據(jù)處理，建立1980國家大地坐標(biāo)系。

●我國高精度重力網(wǎng)的建立

1981年開始絕對重力測量與相對重力測量，11個絕對重力點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)），40多個（基本點(diǎn)），重力網(wǎng)的平差，1985年國家重力基本網(wǎng)形成。

主要技術(shù)：EDM：ElectronicDistanceMeasure;

GPS:GlobalPositioningSystem;

VLBI:VeryLongBaselineInterferometry;SLR：SatelliteLaserRanging;INS:InertialNavigationSystem173.2大地測量的展望全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)，激光測衛(wèi)(SLR)以及甚長基線干涉測量(VLBI),慣性測量統(tǒng)(INS)是主導(dǎo)本學(xué)科發(fā)展的主要的空間大地測量技術(shù)

用衛(wèi)星測量、激光測衛(wèi)及甚長基線干涉測量等空間大地測量技術(shù)建立大規(guī)模、高精度、多用途的空間大地測量控制網(wǎng)，是確定地球基本參數(shù)及其重力場，建立大地基準(zhǔn)參考框架，監(jiān)測地殼形變，保證空間技術(shù)及戰(zhàn)略武器發(fā)展的地面基準(zhǔn)等科技任務(wù)的基本技術(shù)方案。精化地球重力場模型是大地測量學(xué)的重要發(fā)展目標(biāo)。

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2.1地球的運(yùn)動

從不同的角度，地球的運(yùn)轉(zhuǎn)可分為四類：天文學(xué)的基本概念（預(yù)備知識）

與銀河系一起在宇宙中運(yùn)動

在銀河系內(nèi)與太陽一起旋轉(zhuǎn)

與其它行星一起繞太陽旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)）

地球的自轉(zhuǎn)（周日視運(yùn)動）第二章坐標(biāo)與時間系統(tǒng)19預(yù)備知識天球的基本概念

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.

參考點(diǎn)、線、面和園20圖2－1天球的概念21

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

含天軸和天頂、天底的平面，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。22

時圈通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。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。23春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)

黃道與赤道的兩個交點(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)動時，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)動時，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,過春分點(diǎn)的天球時圈與過天體的天球時圈的夾角稱為赤經(jīng)。24天球坐標(biāo)系

在大地天文學(xué)中，天球坐標(biāo)系是用來確定天體在天球上的位置，它是由兩個相互垂直的參考面與天球相交的大圈基圈和主圈以及它們的交點(diǎn)主點(diǎn)所組成。由于所選取不同的基圈和主圈就有不同的天球坐標(biāo)系。一般有四種，分別是：

①地平坐標(biāo)系②赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系

③時角赤道坐標(biāo)系

④黃道坐標(biāo)系25赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系

以天球赤道作為基圈，過春分點(diǎn)的天球時圈為主圈和春分點(diǎn)為主點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系叫赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系。用赤經(jīng)和赤緯表示天體位置。26時角赤道坐標(biāo)系

以天球赤道作為基圈，子午圈為主圈和上赤道點(diǎn)為主點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系叫時角赤道坐標(biāo)系。用時角和赤緯表示天體位置。赤緯與上式相同，時角是過天體的時圈和子午圈之間的兩面角。27天文經(jīng)緯度與天球坐標(biāo)系的關(guān)系測站緯度等于天北極的高度或天頂?shù)某嗑?。兩地的?jīng)度差等于兩地同時觀測某天體所得的時角之差。28

地球的公轉(zhuǎn)：開普勒三大運(yùn)動定律：

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

—運(yùn)動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。29

地球的自轉(zhuǎn)的特征：

(1)地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動）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、月等天體的影響，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，形成一個倒圓錐體（見下圖），其錐角等于黃赤交角ε=23.5″，旋轉(zhuǎn)周期為26000年，這種運(yùn)動稱為歲差，是地軸方向相對于空間的長周期運(yùn)動。歲差使春分點(diǎn)每年向西移動50.3″

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月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，由于白道對于黃道有約5°的傾斜，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運(yùn)動，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。這種現(xiàn)象稱為章動?？紤]歲差和章動的共同影響：真旋轉(zhuǎn)軸、瞬時真天極、真天球赤道、瞬時真春分點(diǎn)?？紤]歲差的影響：瞬時平天極、瞬時平天球赤道、瞬時平春分點(diǎn)。32

(2)地軸相對于地球本身相對位置變化（極移）

地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化，從而導(dǎo)致極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象稱為極移。某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時極，某段時間內(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。天文聯(lián)合會(IAU)和大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)建議采用國際上5個緯度服務(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)

33國際極移服務(wù)(IPMS)和國際時間局(BIH)等機(jī)構(gòu)分別用不同的方法得到地極原點(diǎn)。

與CIO相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。34

(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)致日長的視擾動和緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時間尺度產(chǎn)生變化。描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動規(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，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)網(wǎng)站()上得到。35時間的描述包括時間原點(diǎn)、單位（尺度）兩大要素。時間是物質(zhì)運(yùn)動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運(yùn)動。時間的特點(diǎn)是連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運(yùn)動也應(yīng)該連續(xù)、均勻。周期運(yùn)動滿足如下三項(xiàng)要求，可以作為計(jì)量時間的方法。

運(yùn)動是連續(xù)的；

運(yùn)動的周期具有足夠的穩(wěn)定性；

運(yùn)動是可觀測的。選取的物理對象不同，時間的定義不同:地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。2.2時間系統(tǒng)36恒星時(ST)

以春分點(diǎn)作為基本參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)周日視運(yùn)動確定的時間，稱為恒星時。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時間間隔為一個恒星日，分為24個恒星時，某一地點(diǎn)的地方恒星時，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于這一地方子午圈的時角。地方真恒星時、平恒星時、格林尼治真恒星時、格林尼治平恒星時之間的關(guān)系：

37平太陽時MT以真太陽作為基本參考點(diǎn)，由其周日視運(yùn)動確定的時間，稱為真太陽時。一個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)歷的時間。

①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。②太陽周年視遠(yuǎn)動的軌道與赤道不在一個平面，真太陽日在近日點(diǎn)最長、遠(yuǎn)日點(diǎn)最短。不符合測量時間的要求，可在日常生活中，人們都習(xí)慣用太陽來確定時刻，安排工作和休息，它和人們的生產(chǎn)勞動有著密切關(guān)系。38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)動的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔，稱為一個平太陽日平太陽日是以平子夜的瞬時作為時間的起算零點(diǎn)，如果LAMT表示平太陽時角，則某地的平太陽時MT=LAMT+12(平子夜與平正午差12小時）世界時UT：

以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為世界時。

UT=GAMT+12

GAMT代表格林尼治平太陽時角。39未經(jīng)任何改正的世界時表示為UT0，經(jīng)過極移改正的世界時表示為UT1，進(jìn)一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正后的世界時表示為UT2。UT1=UT0+Δλ,UT2=UT1+ΔT歷書時ET與力學(xué)時DT由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導(dǎo)致用其測得的時間不均勻。1958年第10屆IAU決定，自1960年起開始以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動為基準(zhǔn)的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)代替世界時。歷書時的秒長規(guī)定為1900年1月1日12時整回歸年長度的1／31556925.974740在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學(xué)理論建立的運(yùn)動方程而編寫的，其中采用的獨(dú)立變量是時間參數(shù)T,其變量被定義為力學(xué)時，力學(xué)時是均勻的。參考點(diǎn)不同，力學(xué)時分為兩種：

1)太陽系質(zhì)心力學(xué)時TDB2)地球質(zhì)心力學(xué)時TDTTDT和TDB可以看作是ET分別在兩個坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)，TDT代替了過去的ET地球質(zhì)心力學(xué)時的基本單位國際秒制，與原子時的尺度相同。IGU規(guī)定：1977年1月1日原子時（TAI)0時與地球力學(xué)時嚴(yán)格對應(yīng)為：TDT=TAI+32.18441原子時(AT)

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

原子時的原點(diǎn)定義：1958年1月1日UT2的0時。

AT=UT2－0.0039(s)地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累。42

協(xié)調(diào)世界時(UTC)原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，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，建立以原子時秒長為計(jì)量單位、在時刻上與平太陽時之差小于0.9秒的時間系統(tǒng)，稱之為世界協(xié)調(diào)時(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)布的時號均以UTC為準(zhǔn)。

TAI=UTC+1×n(秒）43GPS時間系統(tǒng)時間的計(jì)量對于衛(wèi)星定軌、地面點(diǎn)與衛(wèi)星之間距離測量至關(guān)重要，精確定時設(shè)備是導(dǎo)航定位衛(wèi)星的重要組成部分。GPS的時間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測實(shí)驗(yàn)室USNO維持的原子時稱為GPST，它與國際原子的原點(diǎn)不同，瞬時相差一常量：

TAI－GPST=19(s)GPST的起點(diǎn)，規(guī)定1980年1月6日0時GPS與UTC相等。44§2.3坐標(biāo)系統(tǒng)

1、大地基準(zhǔn)所謂基準(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所采用的單位長度的定義。測量常用的基準(zhǔn)包括平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)等。45

2、大地測量坐標(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。地球坐標(biāo)系：

用于研究地球上物體的定位與運(yùn)動，是以旋轉(zhuǎn)橢球?yàn)閰⒄阵w建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，分為大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式，基準(zhǔn)和坐標(biāo)系兩方面要素構(gòu)成了完整的坐標(biāo)參考系統(tǒng)!上面介紹的兩種坐標(biāo)系，在大地測量、地形測圖及制圖學(xué)的理論研究得到廣泛應(yīng)用。此外，它們是由地心、旋轉(zhuǎn)軸、赤道以及地球橢球法線確定的，因此，它們對地球自然形狀及大地水準(zhǔn)面的研究、高程的確定以及解決大地測量及其他學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)踐問題也是最方便的。46

圖2－8天球坐標(biāo)系47

圖2－10大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)483、高程參考系統(tǒng)以大地水準(zhǔn)面為參照面的高程系統(tǒng)稱為正高以似大地水準(zhǔn)面為參照面的高程系統(tǒng)稱為正常高；大地水準(zhǔn)面相對于旋轉(zhuǎn)橢球面的起伏如圖所示，正常高及正高與大地高有如下關(guān)系：H=H正常+ζ

H=H正高+N

49國家平面控制網(wǎng)是全國進(jìn)行測量工作的平面位置的參考框架，國家平面控制網(wǎng)是按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網(wǎng)。目前提供使用的國家平面控制網(wǎng)含三角點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)共154348個。國家高程控制網(wǎng)是全國進(jìn)行測量工作的高程參考框架，按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網(wǎng)，目前提供使用的1985國家高程系統(tǒng)共有水準(zhǔn)點(diǎn)成果114041個，水準(zhǔn)路線長度為4166191公里。大地測量參考系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，是通過大地測量手段確定的固定在地面上的控制網(wǎng)(點(diǎn))所構(gòu)建平面坐標(biāo)參考框架、高程參考框架、重力參考框架。50

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個重力基準(zhǔn)點(diǎn)和126個重力基本點(diǎn)。“2000國家GPS控制網(wǎng)”由國家測繪局布設(shè)的高精度GPSA、B級網(wǎng)，總參布設(shè)的GPS一、二級網(wǎng)，地震局、總參測繪局、科學(xué)院、國家測繪局共建的中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)組成，該控制網(wǎng)整合了上述三個大型的有重要影響力的GPS觀測網(wǎng)的成果，共2609個點(diǎn)，通過聯(lián)合處理將其歸于一個坐標(biāo)參考框架，可滿足現(xiàn)代測量技術(shù)對地心坐標(biāo)的需求，是我國新一代的地心坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架.51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。52

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，同時要求橢球中心與地球質(zhì)心一致。

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。53

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或做勻速直線運(yùn)動的坐標(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，把該時刻對應(yīng)的瞬時自轉(zhuǎn)軸經(jīng)歲差和章動改正后的指向作為Z軸，以對應(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)

54

國際大地測量協(xié)會IAG和國際天文學(xué)聯(lián)合會IAU決定，從1984年1月1日起采用以J2000.0(2000年1月15日)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)系瞬時平天球標(biāo)系瞬時真天球標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時平天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時平天球坐標(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。55

為觀測歷元t的儒略日。56

瞬時平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時真天球坐標(biāo)瞬時真天球坐標(biāo)系與瞬時平天球坐標(biāo)系的差異主要是地球自轉(zhuǎn)軸的章動造成的，兩者之間的相互轉(zhuǎn)換可以通過章動旋轉(zhuǎn)矩陣來實(shí)現(xiàn).為黃赤交交、交角章動、黃經(jīng)章動.57

合并上述兩式：58

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，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，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），在天球坐標(biāo)系中是變化的(地球自轉(zhuǎn)).59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。與其相對應(yīng)坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系稱為瞬時(地固）坐標(biāo)系.協(xié)議(地固）坐標(biāo)系與瞬時坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換極移的影響極移參數(shù)的確定

60坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS根據(jù)所屬臺站的觀測資料推算得到并以公報形式發(fā)布，由此可以實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系之間的相互變換。61

62

協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的關(guān)系過真春分點(diǎn)的格林尼時角63

64

3.地球參心坐標(biāo)系

建立地球參心坐標(biāo)系，需如下幾個方面的工作：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)。

廣義垂線偏差公式與廣義拉普拉斯方程：65

66一點(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量方程

67坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))廣義弧度測量方程:設(shè)垂線偏差與大地水準(zhǔn)面公式:68

69

70

71

上式稱為廣義弧度測量方程特殊情況下：72

多點(diǎn)定位的過程：1)由廣義弧度測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)坐標(biāo):73大地原點(diǎn)和大地起算數(shù)據(jù)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)的確立是一個參心大地坐標(biāo)系建成的標(biāo)志.

741954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:①

橢球參數(shù)有較大誤差。

②

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。

75

③

幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。我國在處理重力數(shù)據(jù)時采用赫爾默特1900～1909年正常重力公式，與這個公式相應(yīng)的赫爾默特扁球不是旋轉(zhuǎn)橢球，它與克拉索夫斯基橢球是不一致的，這給實(shí)際工作帶來了麻煩。④定向不明確。76

1980年國家大地坐標(biāo)系

特點(diǎn)

①

采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會

IUGG第16屆大會上推薦的5個橢球基本參數(shù)。

·長半徑a=6378140m,

·地球的扁率為1/298.257

·地心引力常數(shù)GM=3.986005×1014m3/s2,

·重力場二階帶球諧系數(shù)J2=1.08263×10-8

·自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s②

在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。③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。

77

④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

⑤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)，簡稱西安原點(diǎn)。

⑥

大地高程基準(zhǔn)采用1956年黃海高程系

1980大地坐標(biāo)系建立的方法78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。不同坐標(biāo)系統(tǒng)的控制點(diǎn)坐標(biāo)可以通過一定的數(shù)學(xué)模型，在一定的精度范圍內(nèi)進(jìn)行互相轉(zhuǎn)換，使用時必須注意所用成果相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。

79

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。

按，求解80

81

82

BJ54新的特點(diǎn)是：采用克拉索夫斯基橢球參數(shù)。是綜合GDZ80和BJ54新建立起來的參心坐標(biāo)系。采用多點(diǎn)定位，但橢球面與大地水準(zhǔn)面在我國境內(nèi)不是最佳擬合。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。

83

地心空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)O與地球質(zhì)心重合，Z軸指向地球北極，X軸指向格林尼治平均子午面與地球赤道的交點(diǎn)，Y軸垂直于XOZ平面構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

地球北極是地心地固坐標(biāo)系的基準(zhǔn)指向點(diǎn)，地球北極點(diǎn)的變動將引起坐標(biāo)軸方向的變化。基準(zhǔn)指向點(diǎn)的指向不同，可分為瞬時地心坐標(biāo)系與協(xié)議地心坐標(biāo)系。在大地測量中采用的地心地固坐標(biāo)系大多采用協(xié)議地極原點(diǎn)CIO為指向點(diǎn)。84地心地固坐標(biāo)系的建立方法·直接法:·間接法:

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資料(如天文、重力資料、衛(wèi)星觀測資料等)，直接求得點(diǎn)的地心坐標(biāo)的方法，如天文重力法和衛(wèi)星大地測量動力法等。852)WGS-84世界大地坐標(biāo)系WGS-84是協(xié)議地球參考系CTS,坐標(biāo)系的原點(diǎn)是地球的質(zhì)心，Z軸指向1984年國際時間局定義的協(xié)議地球極方向，X軸指向1984國際時間局（BIH1984.0）提供的零子午面和協(xié)議地球極（CTP）赤道的交點(diǎn)，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

4個基本參數(shù)

·a=6378137m

·GM=3986005×108m3s-2

·C2,0=-484.16685×10-6

·ω=7292115×10-11rad/s

86

75橢球基本參數(shù)·長半徑a=6378140m,·地球的扁率為1/298.257·地心引力常數(shù)GM=3.986005×1014m3/s2,·重力場二階帶球諧系數(shù)J2=1.08263×10-8·自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s87

WGS-84坐標(biāo)系是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS衛(wèi)星所發(fā)布的廣播星歷參數(shù)就是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)的全稱是WorldGeodicalSystem-84（世界大地坐標(biāo)系-84），它是一個地心地固坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)由美國國防部制圖局建立，于1987年取代了當(dāng)時GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)―WGS-72坐標(biāo)系統(tǒng)而成為GPS的所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)。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的起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。883)國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）與國際地球參考框架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)；提供及時準(zhǔn)確的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(EOP)。ICRS(F)=InternationalCelestrialreferencesystemITRS(F)=InternationalTerrestrialreferencesystemEOP=EarthOrbitParameter

89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)的整個地球的質(zhì)心；CTRS的長度單位為米(m)，并且是在廣義相對論框架下的定義；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的定向的隨時演變滿足地殼無整體旋轉(zhuǎn)NNR條件的板塊運(yùn)動模型，坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))-國際地球參系統(tǒng)ITRS90

國際地球參考框架（ITRF）是國際地球參考系統(tǒng)（ITRS）的具體實(shí)現(xiàn)，是由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)IERS(InternationalEarthRotationService)中心局IERSCB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空間大地測量技術(shù)的觀測數(shù)據(jù)分析得到的一組全球站坐標(biāo)和速度。自1988年起，國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS）已經(jīng)發(fā)布國際地球參考框架ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF2000等全球參考框架。國際地球參考框架（ITRF）是通過框架的定向、原點(diǎn)、尺度和框架時間演變基準(zhǔn)的明確定義來實(shí)現(xiàn)的。

915、站心坐標(biāo)系

以測站為原點(diǎn)，測站上的法線(垂線)為Z軸方向，北方向?yàn)閄軸，東方向?yàn)閅軸的坐標(biāo)系就稱為法線(或垂線)站心坐標(biāo)系，是左手系。垂線站心坐標(biāo)系法線站心坐標(biāo)系用來描述參照于測站的相對空間位置關(guān)系，或作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過度坐標(biāo)系。圖中O-XYZ為地心直角坐標(biāo)系

92站心極坐標(biāo)系與站心直角坐標(biāo)系的關(guān)系93第一步:第二步:第三步:

為了導(dǎo)出垂線站心直角坐標(biāo)與地心(參心)直角坐標(biāo)的關(guān)系，過程如下94旋轉(zhuǎn)矩陣:

95T是正交矩陣

96法線站心直角坐標(biāo)系

97

站心直角坐標(biāo)與地心(參心)直角坐標(biāo)的關(guān)系:98

按坐標(biāo)原點(diǎn)的不同分類地心坐標(biāo)系統(tǒng)（地心空間直角坐標(biāo)系、地心大地直角坐標(biāo)系）參心坐標(biāo)系統(tǒng)（參心空間直角坐標(biāo)系、參心大地直角坐標(biāo)系）站心坐標(biāo)系統(tǒng)（站心直角坐標(biāo)系、站心極坐標(biāo)系）99

2.3.4坐標(biāo)系換算

1)歐勒角與旋轉(zhuǎn)矩陣

兩個直角坐標(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)

100

三維空間直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)

O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通過三次旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的變換

101

102

103

不同空間直角坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換104

105

106

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)。當(dāng)利用3個以上的公共點(diǎn)求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時存在多余觀測，由于公共點(diǎn)誤差的影響而使得轉(zhuǎn)換的公共點(diǎn)的坐標(biāo)值與已知值不完全相同，而實(shí)際工作中又往往要求所有的已知點(diǎn)的坐標(biāo)值保持固定不變。為了解決這一矛盾，可采用配置法，將公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值改正為已知值，對非公共點(diǎn)的轉(zhuǎn)換值進(jìn)行相應(yīng)的配置。

107①計(jì)算公共點(diǎn)轉(zhuǎn)換值的改正數(shù)V=已知值-轉(zhuǎn)換值，公共點(diǎn)的坐標(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)

108不同大地坐標(biāo)系換算空間大地直角坐標(biāo)（X,Y,Z）與空間大地坐標(biāo)（B,L,H）是屬于同一個坐標(biāo)系統(tǒng)下的兩種不同的坐標(biāo)表示方式，它們之間存在著唯一的數(shù)學(xué)”換算“關(guān)系。一、由（B,L,H）求（X,Y,Z）109二、由（X,Y,Z）求（B,L,H）110不同大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換是指橢球元素及其定位不同的兩個大地坐標(biāo)系統(tǒng)之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換?？臻g一點(diǎn)P對于第一個參考橢球其大地坐標(biāo)為（B1，L1，H1），當(dāng)橢球元素及其定位變化后，P點(diǎn)的大地坐標(biāo)變化了（dB,dL,dH），對于變化后的第二個參考橢球P點(diǎn)的大地坐標(biāo)為（B2，L2，H2）。顯然，不同大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公式為111只要求出大地坐標(biāo)的變化量，就可以按上式進(jìn)行不同大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。根據(jù)橢球元素和定位的變化推求點(diǎn)的大地經(jīng)緯度和大地高的變化的公式，叫做大地坐標(biāo)微分公式。

對上式公式取全微分可得：112113114115116117稱為廣義大地坐標(biāo)微分公式或廣義變換橢球微分公式，在新舊坐標(biāo)變換時，通常采用最小二乘法求利用空間直角坐標(biāo)作介質(zhì)進(jìn)行不同大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換流程（B1,L1,H1）（X1,Y1,Z1）Brusa七參數(shù)公式（X2,Y2,Z2（B2,L2,H2）1182000國家大地坐標(biāo)系2000國家大地坐標(biāo)系的原點(diǎn)為包括海洋和大氣的整個地球的質(zhì)心中心，它的Z軸由原點(diǎn)指向歷元2000.0地球參考極的方向，該歷元的指向由國際時間局給定的歷元為1984.0作為初始指向來推算，X軸由原點(diǎn)指向格林尼治參考子午線與地球赤道面的交點(diǎn)，Y軸與Z軸，X軸構(gòu)成右手系。橢球基本參數(shù)·長半徑a=6378137m,·地球的扁率為1/298.257222101·地心引力常數(shù)GM=3.986004418×1014m3/s2,·自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s119為什么要采用2000國家大地坐標(biāo)系現(xiàn)行的北京54坐標(biāo)系和西安80坐標(biāo)系均為參心坐標(biāo)系，所采用的坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)軸的方向等由于當(dāng)時科技水平的限制，均與采用現(xiàn)代科技手段測定的結(jié)果存在較大差異，而且現(xiàn)行參心坐標(biāo)系只能提供二維的點(diǎn)位坐標(biāo)。同時兩坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換造成測繪成果的精度損失，不同坐標(biāo)系下相鄰地形圖的拼接誤差較大。因此，現(xiàn)行參心大地坐標(biāo)系已不適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。20世紀(jì)80至90年代以來，隨著空間技術(shù)的興起和發(fā)展，地心坐標(biāo)系的應(yīng)用日益流行。以地球質(zhì)心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系可以大幅度提高測量精度（比現(xiàn)行參心坐標(biāo)系下的精度提高10倍左右），并且可以快速獲取精確的三維地心坐標(biāo)。120什么時候開始采用2000國家大地坐標(biāo)系我國自2008年7月1日起，啟用2000國家大地坐標(biāo)系。2000國家大地坐標(biāo)系與現(xiàn)行國家大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、銜接的過度期為8至10年。現(xiàn)有各類測繪成果，在過度期可沿用現(xiàn)行國家大地坐標(biāo)系；2008年7月1日后新生產(chǎn)的各類測繪成果應(yīng)采用2000國家大地坐標(biāo)系。121采用2000國家大地坐標(biāo)系對現(xiàn)有地形圖有什么影響大地坐標(biāo)系是測制地形圖的基礎(chǔ)，大地坐標(biāo)系的改變必不將引起地形圖要素產(chǎn)生位置變化。計(jì)算結(jié)果表明，北京54坐標(biāo)系改變?yōu)?000國家大地坐標(biāo)系，若不考慮橢球的差異，圖幅平移量為：X平移量為-29m至-62m，y方向的平移量為-56m至+84m。80坐標(biāo)系下的X平移量為-9m至+43m，y方向的平移量為+76m至+119m122GPSC級網(wǎng)如何轉(zhuǎn)換到2000國家大地坐標(biāo)系123

2.1地球的運(yùn)動

從不同的角度，地球的運(yùn)轉(zhuǎn)可分為四類：天文學(xué)的基本概念（預(yù)備知識）

與銀河系一起在宇宙中運(yùn)動

在銀河系內(nèi)與太陽一起旋轉(zhuǎn)

與其它行星一起繞太陽旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)）

地球的自轉(zhuǎn)（周日視運(yùn)動）第二章坐標(biāo)與時間系統(tǒng)124預(yù)備知識天球的基本概念

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.

參考點(diǎn)、線、面和園125圖2－1天球的概念126

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

含天軸和天頂、天底的平面，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。127

時圈通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。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。128春分點(diǎn)與秋分點(diǎn)

黃道與赤道的兩個交點(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)動時，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)動時，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,過春分點(diǎn)的天球時圈與過天體的天球時圈的夾角稱為赤經(jīng)。129天球坐標(biāo)系

在大地天文學(xué)中，天球坐標(biāo)系是用來確定天體在天球上的位置，它是由兩個相互垂直的參考面與天球相交的大圈基圈和主圈以及它們的交點(diǎn)主點(diǎn)所組成。由于所選取不同的基圈和主圈就有不同的天球坐標(biāo)系。一般有四種，分別是：

①地平坐標(biāo)系②赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系

③時角赤道坐標(biāo)系

④黃道坐標(biāo)系130赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系

以天球赤道作為基圈，過春分點(diǎn)的天球時圈為主圈和春分點(diǎn)為主點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系叫赤經(jīng)赤道坐標(biāo)系。用赤經(jīng)和赤緯表示天體位置。131時角赤道坐標(biāo)系

以天球赤道作為基圈，子午圈為主圈和上赤道點(diǎn)為主點(diǎn)所建立的坐標(biāo)系叫時角赤道坐標(biāo)系。用時角和赤緯表示天體位置。赤緯與上式相同，時角是過天體的時圈和子午圈之間的兩面角。132天文經(jīng)緯度與天球坐標(biāo)系的關(guān)系測站緯度等于天北極的高度或天頂?shù)某嗑暋傻氐慕?jīng)度差等于兩地同時觀測某天體所得的時角之差。133

地球的公轉(zhuǎn)：開普勒三大運(yùn)動定律：

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

—運(yùn)動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。134

地球的自轉(zhuǎn)的特征：

(1)地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動）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、月等天體的影響，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，形成一個倒圓錐體（見下圖），其錐角等于黃赤交角ε=23.5″，旋轉(zhuǎn)周期為26000年，這種運(yùn)動稱為歲差，是地軸方向相對于空間的長周期運(yùn)動。歲差使春分點(diǎn)每年向西移動50.3″

135136

月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，由于白道對于黃道有約5°的傾斜，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運(yùn)動，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。這種現(xiàn)象稱為章動?？紤]歲差和章動的共同影響：真旋轉(zhuǎn)軸、瞬時真天極、真天球赤道、瞬時真春分點(diǎn)?？紤]歲差的影響：瞬時平天極、瞬時平天球赤道、瞬時平春分點(diǎn)。137

(2)地軸相對于地球本身相對位置變化（極移）

地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化，從而導(dǎo)致極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象稱為極移。某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時極，某段時間內(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。天文聯(lián)合會(IAU)和大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)建議采用國際上5個緯度服務(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)

138國際極移服務(wù)(IPMS)和國際時間局(BIH)等機(jī)構(gòu)分別用不同的方法得到地極原點(diǎn)。

與CIO相應(yīng)的地球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面。139

(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)致日長的視擾動和緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時間尺度產(chǎn)生變化。描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動規(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，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)網(wǎng)站()上得到。140時間的描述包括時間原點(diǎn)、單位（尺度）兩大要素。時間是物質(zhì)運(yùn)動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運(yùn)動。時間的特點(diǎn)是連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運(yùn)動也應(yīng)該連續(xù)、均勻。周期運(yùn)動滿足如下三項(xiàng)要求，可以作為計(jì)量時間的方法。

運(yùn)動是連續(xù)的；

運(yùn)動的周期具有足夠的穩(wěn)定性；

運(yùn)動是可觀測的。選取的物理對象不同，時間的定義不同:地球的自轉(zhuǎn)運(yùn)動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。2.2時間系統(tǒng)141恒星時(ST)

以春分點(diǎn)作為基本參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)周日視運(yùn)動確定的時間，稱為恒星時。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時間間隔為一個恒星日，分為24個恒星時，某一地點(diǎn)的地方恒星時，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于這一地方子午圈的時角。地方真恒星時、平恒星時、格林尼治真恒星時、格林尼治平恒星時之間的關(guān)系：

142平太陽時MT以真太陽作為基本參考點(diǎn)，由其周日視運(yùn)動確定的時間，稱為真太陽時。一個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)歷的時間。

①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。②太陽周年視遠(yuǎn)動的軌道與赤道不在一個平面，真太陽日在近日點(diǎn)最長、遠(yuǎn)日點(diǎn)最短。不符合測量時間的要求，可在日常生活中，人們都習(xí)慣用太陽來確定時刻，安排工作和休息，它和人們的生產(chǎn)勞動有著密切關(guān)系。143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)動的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔，稱為一個平太陽日平太陽日是以平子夜的瞬時作為時間的起算零點(diǎn)，如果LAMT表示平太陽時角，則某地的平太陽時MT=LAMT+12(平子夜與平正午差12小時）世界時UT：

以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為世界時。

UT=GAMT+12

GAMT代表格林尼治平太陽時角。144未經(jīng)任何改正的世界時表示為UT0，經(jīng)過極移改正的世界時表示為UT1，進(jìn)一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正后的世界時表示為UT2。UT1=UT0+Δλ,UT2=UT1+ΔT歷書時ET與力學(xué)時DT由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導(dǎo)致用其測得的時間不均勻。1958年第10屆IAU決定，自1960年起開始以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動為基準(zhǔn)的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)代替世界時。歷書時的秒長規(guī)定為1900年1月1日12時整回歸年長度的1／31556925.9747145在天文學(xué)中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學(xué)理論建立的運(yùn)動方程而編寫的，其中采用的獨(dú)立變量是時間參數(shù)T,其變量被定義為力學(xué)時，力學(xué)時是均勻的。參考點(diǎn)不同，力學(xué)時分為兩種：

1)太陽系質(zhì)心力學(xué)時TDB2)地球質(zhì)心力學(xué)時TDTTDT和TDB可以看作是ET分別在兩個坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)，TDT代替了過去的ET地球質(zhì)心力學(xué)時的基本單位國際秒制，與原子時的尺度相同。IGU規(guī)定：1977年1月1日原子時（TAI)0時與地球力學(xué)時嚴(yán)格對應(yīng)為：TDT=TAI+32.184146原子時(AT)

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

原子時的原點(diǎn)定義：1958年1月1日UT2的0時。

AT=UT2－0.0039(s)地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累。147

協(xié)調(diào)世界時(UTC)原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，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，建立以原子時秒長為計(jì)量單位、在時刻上與平太陽時之差小于0.9秒的時間系統(tǒng)，稱之為世界協(xié)調(diào)時(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)布的時號均以UTC為準(zhǔn)。

TAI=UTC+1×n(秒）148GPS時間系統(tǒng)時間的計(jì)量對于衛(wèi)星定軌、地面點(diǎn)與衛(wèi)星之間距離測量至關(guān)重要，精確定時設(shè)備是導(dǎo)航定位衛(wèi)星的重要組成部分。GPS的時間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測實(shí)驗(yàn)室USNO維持的原子時稱為GPST，它與國際原子的原點(diǎn)不同，瞬時相差一常量：

TAI－GPST=19(s)GPST的起點(diǎn)，規(guī)定1980年1月6日0時GPS與UTC相等。149§2.3坐標(biāo)系統(tǒng)

1、大地基準(zhǔn)所謂基準(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所采用的單位長度的定義。測量常用的基準(zhǔn)包括平面基準(zhǔn)、高程基準(zhǔn)、重力基準(zhǔn)等。150

2、大地測量坐標(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。地球坐標(biāo)系：

用于研究地球上物體的定位與運(yùn)動，是以旋轉(zhuǎn)橢球?yàn)閰⒄阵w建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，分為大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式，基準(zhǔn)和坐標(biāo)系兩方面要素構(gòu)成了完整的坐標(biāo)參考系統(tǒng)!上面介紹的兩種坐標(biāo)系，在大地測量、地形測圖及制圖學(xué)的理論研究得到廣泛應(yīng)用。此外，它們是由地心、旋轉(zhuǎn)軸、赤道以及地球橢球法線確定的，因此，它們對地球自然形狀及大地水準(zhǔn)面的研究、高程的確定以及解決大地測量及其他學(xué)科領(lǐng)域的實(shí)踐問題也是最方便的。151

圖2－8天球坐標(biāo)系152

圖2－10大地坐標(biāo)系與空間直角坐標(biāo)1533、高程參考系統(tǒng)以大地水準(zhǔn)面為參照面的高程系統(tǒng)稱為正高以似大地水準(zhǔn)面為參照面的高程系統(tǒng)稱為正常高；大地水準(zhǔn)面相對于旋轉(zhuǎn)橢球面的起伏如圖所示，正常高及正高與大地高有如下關(guān)系：H=H正常+ζ

H=H正高+N

154國家平面控制網(wǎng)是全國進(jìn)行測量工作的平面位置的參考框架，國家平面控制網(wǎng)是按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網(wǎng)。目前提供使用的國家平面控制網(wǎng)含三角點(diǎn)、導(dǎo)線點(diǎn)共154348個。國家高程控制網(wǎng)是全國進(jìn)行測量工作的高程參考框架，按控制等級和施測精度分為一、二、三、四等網(wǎng)，目前提供使用的1985國家高程系統(tǒng)共有水準(zhǔn)點(diǎn)成果114041個，水準(zhǔn)路線長度為4166191公里。大地測量參考系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，是通過大地測量手段確定的固定在地面上的控制網(wǎng)(點(diǎn))所構(gòu)建坐標(biāo)參考架、高程參考框架、重力參考框架。155

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個重力基準(zhǔn)點(diǎn)和126個重力基本點(diǎn)。“2000國家GPS控制網(wǎng)”由國家測繪局布設(shè)的高精度GPSA、B級網(wǎng)，總參布設(shè)的GPS一、二級網(wǎng)，地震局、總參測繪局、科學(xué)院、國家測繪局共建的中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)組成，該控制網(wǎng)整合了上述三個大型的有重要影響力的GPS觀測網(wǎng)的成果，共2609個點(diǎn)，通過聯(lián)合處理將其歸于一個坐標(biāo)參考框架，可滿足現(xiàn)代測量技術(shù)對地心坐標(biāo)的需求，是我國新一代的地心坐標(biāo)系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架.156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。157

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，同時要求橢球中心與地球質(zhì)心一致。

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。158

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或做勻速直線運(yùn)動的坐標(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，把該時刻對應(yīng)的瞬時自轉(zhuǎn)軸經(jīng)歲差和章動改正后的指向作為Z軸，以對應(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)

159

國際大地測量協(xié)會IAG和國際天文學(xué)聯(lián)合會IAU決定，從1984年1月1日起采用以J2000.0(2000年1月15日)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)系瞬時平天球標(biāo)系瞬時真天球標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到瞬時平天球坐標(biāo)系協(xié)議天球坐標(biāo)系與瞬時平天球坐標(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。160

為觀測歷元t的儒略日。161

瞬時平天球坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到瞬時真天球坐標(biāo)瞬時真天球坐標(biāo)系與瞬時平天球坐標(biāo)系的差異主要是地球自轉(zhuǎn)軸的章動造成的，兩者之間的相互轉(zhuǎn)換可以通過章動旋轉(zhuǎn)矩陣來實(shí)現(xiàn).為黃赤交交、交角章動、黃經(jīng)章動.162

合并上述兩式：163

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，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，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），在天球坐標(biāo)系中是變化的(地球自轉(zhuǎn)).164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。與其相對應(yīng)坐標(biāo)系瞬時地球坐標(biāo)系稱為瞬時(地固）坐標(biāo)系.協(xié)議(地固）坐標(biāo)系與瞬時坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換極移的影響極移參數(shù)的確定

165坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS根據(jù)所屬臺站的觀測資料推算得到并以公報形式發(fā)布，由此可以實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系之間的相互變換。166

167

協(xié)議地球坐標(biāo)系與協(xié)議天球坐標(biāo)系的關(guān)系168

169

3.地球參心坐標(biāo)系

建立地球參心坐標(biāo)系，需如下幾個方面的工作：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)。

廣義垂線偏差公式與廣義拉普拉斯方程：170

171一點(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量方程

172坐標(biāo)系統(tǒng)(續(xù))廣義弧度測量方程:設(shè)垂線偏差與大地水準(zhǔn)面公式:173

174

175

176

上式稱為廣義弧度測量方程特殊情況下：177

多點(diǎn)定位的過程：1)由廣義弧度測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)坐標(biāo):178大地原點(diǎn)和大地起算數(shù)據(jù)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)的確立是一個參心大地坐標(biāo)系建成的標(biāo)志.

1791954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:①

橢球參數(shù)有較大誤差。

②

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。

180

③

幾何大地測量和物理大地測量應(yīng)用的參考面不統(tǒng)一。我國在處理重力數(shù)據(jù)時采用赫爾默特1900～1909年正常重力公式，與這個公式相應(yīng)的赫爾默特扁球不是旋轉(zhuǎn)橢球，它與克拉索夫斯基橢球是不一致的，這給實(shí)際工作帶來了麻煩。④定向不明確。181

1980年國家大地坐標(biāo)系

特點(diǎn)

①

采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會

IUGG第16屆大會上推薦的5個橢球基本參數(shù)?！らL半徑a=6378140m,

·地球的扁率為1/298.257

·地心引力常數(shù)GM=3.986005×1014m3/s2,

·重力場二階帶球諧系數(shù)J2=1.08263×10-8

·自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s②

在1954年北京坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立起來的。③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。

182

④定向明確。橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點(diǎn)