大地測量系統(tǒng)與參考框架.ppt

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大地測量系統(tǒng)與參考框架贛 工測 書童 大地測量系統(tǒng)與參考框架 一 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng)二 大地測量參考框架三 高程系統(tǒng)和框架四 重力參考系統(tǒng)和重力參考框架五 時間系統(tǒng)與時間參考框架 1 大地測量時空基準大地測量時空基準 就是指大地測量基準和時間基準 它由相應的大地測量系統(tǒng)和時間系統(tǒng)及它們相應的參考框架所構成 大地測量系統(tǒng)和時間系統(tǒng)是總體概念 大地測量參考框架和時間參考框架是大地測量系統(tǒng)和時間參考系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 2 大地測量系統(tǒng)與大地測量參考框架 1 大地測量系統(tǒng)大地測量系統(tǒng)規(guī)定了大地測量的起算基準和尺度標準及其實現(xiàn)方式 包括理論 模型和方法 大地測量系統(tǒng)包括坐標系統(tǒng) 高程系統(tǒng) 深度基準和重力參考系統(tǒng) 2 大地測量系統(tǒng)與大地測量參考框架 2 大地測量參考框架大地測量參考框架 就是按大地測量系統(tǒng)的規(guī)定的原則 采用大地測量技術 在全球或局域范圍內所測定的 固定在地面上的點所構成的大地網(wǎng) 點 或其他實體 靜止或運動的物體 是對大地測量系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 與大地測量系統(tǒng)相對應 大地測量參考框架有坐標 參考 框架 高程 參考 框架和重力測量 參考 框架三種 3 大地測量基準建設的任務大地測量基準建設的任務是 確定或定義坐標系統(tǒng) 高程系統(tǒng) 深度基準和重力參考系統(tǒng) 建立和維持坐標框架 高程框架和重力框架 3 時間系統(tǒng)與時間參考框架 1 時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)規(guī)定了時間測量的參考標準 包括時刻得參考標準和時間間隔的尺度標準 2 時間參考框架時間參考框架就是在全球或局域范圍內 通過守時 授時和時間頻率測量技術 實現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時間系統(tǒng) 守時為了隨時獲得世界時 要用精密的天文時計將天文測時結果記錄下來 并根據(jù)天文時計運行的規(guī)律隨時指示外推的世界時 這種工作稱為守時 也就是時間的保持 最初用來保持時間的時計為天文擺鐘 第二次世界大戰(zhàn)后 石英鐘擔負起了守時的任務 目前各國都用原子鐘來保持時間 授時系統(tǒng)是確定和發(fā)播精確時刻的工作系統(tǒng)我國的多座天文臺均參加測時工作 陜西天文臺定時發(fā)播時號 供全國校正時間使用 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 大地測量系統(tǒng)包括兩個方面的概念 一是大地測量系統(tǒng)所采用的大地測量常數(shù)的確定 二是大地測量應滿足的條件 1 大地測量常數(shù)大地測量常數(shù)是指與地球一起旋轉且和地球表面最佳吻合的旋轉橢球 即地球橢球 幾何和物理參數(shù) 分為基本常數(shù)和導出常數(shù) 基本常數(shù)唯一定義了大地測量系統(tǒng) 導出常數(shù)是由基本常數(shù)導出 便于大地測量應用 習題 119 下列系統(tǒng)中 屬于大地測量參照系統(tǒng)的是 A 坐標系統(tǒng)B 高程系統(tǒng)C 深度基準D 重力參考系統(tǒng)E 時間系統(tǒng) 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 1 大地測量常數(shù) 1 大地測量基本常數(shù)地球橢球的幾何和物理屬性可由四個基本常數(shù)完全確定 這四個基本常數(shù)就是大地測量基本常數(shù) 它們是赤道半徑a 地心引力常數(shù) 包含大氣質量 GM 地球動力學形狀因子J2 地球重力場二階帶球諧系數(shù) 地球自轉角速度 如圖 習題 120 通常所說的大地測量基本常數(shù)指的是 A 赤道半徑aB 地心引力常數(shù) 包含大氣質量 GMC 地球動力學形狀因子J2D 地球自轉角速度 E 扁率f121 下列大地測量常數(shù)中 屬于物理常數(shù)的是 A 長半徑aB 地心引力常數(shù) 包含大氣質量 GMC 地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2D 地球自轉角速度 E 扁率 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 1 大地測量常數(shù) 2 主要的大地測量導出常數(shù)橢球短半軸b 橢球第一偏心率e 橢球第二偏心率e 橢球幾何扁率f 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 1 大地測量常數(shù) 3 屬于旋轉橢球物理常數(shù)方面的有橢球的正常重力位U0 橢球的正常重力位 橢球正常重力扁率f 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 1 大地測量常數(shù) 4 國際測量和地球物理聯(lián)合會 IUGG 推薦的大地測量常數(shù)IUGG分別于1971年 1975年 1979年推薦了3組大地測量常數(shù) 它們對應于大地測量參考系統(tǒng)1967 GRS67 IUGG75 GRS80 我國西安80坐標系統(tǒng)采用的是IUGG75的大地測量常數(shù) 目前廣泛使用的是相應于GRS80的大地測量常數(shù) 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 2 大地測量坐標系統(tǒng)和應滿足的條件 1 大地坐標系統(tǒng)的類別大地測量坐標系統(tǒng)是一種固定在地球上 隨地球一起轉動的非慣性坐標系統(tǒng) 也稱地固坐標系統(tǒng) 根據(jù)其原點位置不同 分為地心坐標系統(tǒng)和參心坐標系統(tǒng) 前者的原點與地球質心重合 后者的原點與參考橢球中心重合 參考橢球是指與某一地區(qū)或國家地球表面最佳吻合的地球橢球 從表現(xiàn)形式上分 常用的大地測量坐標系統(tǒng)有空間直角坐標系統(tǒng) 大地坐標系統(tǒng)二種形式 2 地 參 心坐標系應滿足的條件 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 2 大地測量坐標系統(tǒng)和應滿足的條件 2 地 參 心坐標系應滿足的條件 地心坐標系地心坐標系統(tǒng)應滿足以下四個條件 原點位于整個地球 合海洋和大氣 的質心 尺度是廣義相對論意義下某一局部地球框架內的尺度 定向為國際時間局 測定的某一歷元的協(xié)議地極 CTP 和零子午線 稱為地球定向參數(shù)EOP 如BIH1984 0是指z軸和x軸指向分別為BIH歷元1984 0年的CTP和零子午線 定向隨時間的演變滿足地殼無整體運動的約束條件 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 2 大地測量坐標系統(tǒng)和應滿足的條件 2 地 參 心坐標系應滿足的條件 地心坐標系地心空間直角坐標系統(tǒng)從幾何方面通俗的定義也可以作如下表述 坐標系的原點位于地球質心 z軸和x軸的定向由某一歷元的EOP確定 y與x z構成空間右手直角坐標系 地心大地坐標系統(tǒng)的原點與總地球橢球中心 即地球質心 重合 橢球旋轉軸與協(xié)議地極重合 起始大地子午面與零子午面重合 二 大地測量常數(shù)和大地測量坐標系統(tǒng) 2 大地測量坐標系統(tǒng)和應滿足的條件 2 地 參 心坐標系應滿足的條件 地心坐標系 參心坐標系參心坐標系統(tǒng)的原點位于參考橢球中心 z軸 橢球旋轉軸 與地球自轉軸平行 x軸在參考橢球的赤道面并平行于天文起始子午面 三 大地測量參考框架 1 大地測量坐標框架建立的基本方法 1 地心坐標框架地心坐標框架是地心坐標系統(tǒng)的具體實現(xiàn) 全球性地心坐標框架一般以甚長基線干涉測量 VLBI 衛(wèi)星激光測距 SLR 激光測月 LLR 全球定位系統(tǒng) GNSS 和衛(wèi)星多普勒定軌定位 DORIS 等空間大地測量技術構成全球或局域的大地測量坐標框架 也可稱為大地測量控制網(wǎng) 經(jīng)數(shù)據(jù)處理 得到這些控制網(wǎng)點 地面觀測站 的坐標和速度等 由此具體體現(xiàn)地心坐標系 三 大地測量參考框架 1 大地測量坐標框架建立的基本方法 1 地心坐標框架區(qū)域性地心坐標框架一般由三級構成 第一級為GNSS連續(xù)運行站構成的動態(tài)地心坐標框架 它是區(qū)域性地心坐標框架的主控制 第二級是與第一級GNSS連續(xù)運行站定期聯(lián)測的大地控制點構成的準動態(tài)地心坐標框架 第三級是與第一 二級GNSS連續(xù)運行參考站聯(lián)測的加密大地控制點 2 參心坐標框架傳統(tǒng)的參心坐標框架是由以經(jīng)典大地測量技術所測定的天文大地網(wǎng)實現(xiàn)和維持的 一般定義在參心坐標系統(tǒng)中 是一種區(qū)域性 二維 靜態(tài)的參心坐標框架 是參心坐標系統(tǒng)的實現(xiàn) 20世紀 世界上絕大部分國家或地區(qū)都采用天文大地網(wǎng)來實現(xiàn)和維持各自的參心坐標框架 四 高程系統(tǒng)和框架 1 高程系統(tǒng) 1 高程系統(tǒng)的概念采用不同的基準面表示地面點的高低所產(chǎn)生的幾種不同的高程表示法 有正高 正常高 力高和大地高程等系統(tǒng) 2 高程基準面的種類高程基準面基本上有兩種 一是大地水準面 它是正高和力高的基準面 二是橢球面 它是大地高程的基準面 此外 為了克服正高不能精確計算的困難還采用正常高 以似大地水準面為基準面 它非常接近大地水準面 四 高程系統(tǒng)和框架 2 高程基準高程基準定義了陸地上高程測量的起算點 區(qū)域性高程基準可以用驗潮站的長期平均海面來確定 通常定義該平均海面的高程為零 在地面預先設置好一固定點 組 利用精密水準測量方法測量固定點與該平均海面的高差 從而確定固定點 組 的海拔高程 這個固定點就稱為水準原點 其高程就是區(qū)域性水準測量的起算高程 3 高程框架高程框架是高程系統(tǒng)的實現(xiàn) 一般采用高程控制網(wǎng)的方法實現(xiàn)和維持 五 重力參考系統(tǒng)和重力參考框架 1 重力基準和重力參考系統(tǒng)重力是重力加速度的簡稱 重力測量就是測定空間一點的重力加速度 重力基準就是標定一個國家或地區(qū)的 絕對 重力值的標準 在20世紀50 70年代 我國采用波茨坦重力基準 而我國重力參考系統(tǒng)采用克拉索夫斯基橢球常數(shù) 20世紀80年代 我國重力基準用經(jīng)過國際比對的高精度相對重力儀自行測定 而重力參考系統(tǒng)則采用IUGG75橢球常數(shù)及其相應的正常重力場 2 重力框架重力測量框架由分布在全國的若干絕對重力點和相對重力點構成的重力控制網(wǎng) 以及用作相對重力尺度標準的若干條長短基線構成 六 時間系統(tǒng)與時間參考框架 時間系統(tǒng)規(guī)定了時間測量的參考標準 包括時刻得參考標準和時間間隔的尺度標準 時間系統(tǒng)也稱為時間基準或時間標準 頻率基準規(guī)定了 秒長 的尺度 任何一種時間基準都必須建立在某個頻率基準的基礎上 因此 時間基準又稱為時間頻率基準 時間參考框架就是在全球或局域范圍內 通過守時 授時和時間頻率測量技術 實現(xiàn)和維持統(tǒng)一的時間系統(tǒng) 1 作為時間基準的條件凡能滿足穩(wěn)定性和復現(xiàn)性的要求 并能得到廣泛承認的時間參考標準都有可能成為測量時間的標準 一般來說 凡是周期性的運動都可以作為測量時間的標準 例如 地球自轉 地球繞太陽公轉 月球繞地球運轉 單擺振動 原子內部超精細結構能級躍遷輻射或吸收的電磁波等 六 時間系統(tǒng)與時間參考框架 1 作為時間基準的條件在上述周期運動中 能公認稱為時間系統(tǒng)的只有地球自轉 地球繞太陽公轉 月球繞地球運轉 和銫原子內部超精細結構能級躍遷輻射的電磁波 前三種是唯一的自然現(xiàn)象 沒有復現(xiàn)性問題 雖然近代發(fā)現(xiàn)它們穩(wěn)定性有問題 但長期來能滿足應用要求 所以它們一度成為公認的時間測量標準 現(xiàn)在人們發(fā)現(xiàn) 銫原子內部超精細結構能級躍遷輻射的電磁波的穩(wěn)定性和復現(xiàn)性是最高的 因此在近代已經(jīng)代替前三種作為時間測量的基準 六 時間系統(tǒng)與時間參考框架 2 常見的幾種時間系統(tǒng) 1 世界時 UT 2 歷書時 ET 3 動力學時 UT 4 原子時 AT 5 協(xié)調時 UTC 6 GPS時 UT 六 時間系統(tǒng)與時間參考框架 3 時間系統(tǒng)框架描述一個時間系統(tǒng)通常需要設計以下4個方面的問題 1 采用的時間頻率基準時間系統(tǒng)決定了時間系統(tǒng)框架采用的時間頻率基準 2 守時系統(tǒng)授時系統(tǒng)用于建立和維持時間頻率基準 確定時刻 3 授時系統(tǒng)授時系統(tǒng)主要是向用戶授時和時間服務 授時和時間服務可通過電話 網(wǎng)絡 無線電 電視 專用電臺 衛(wèi)星等設施進行 4 覆蓋范圍覆蓋范圍是指區(qū)域或全球