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1、 2.1 地球的运动地球的运动 从不同的角度，地球的运转可分为四类：从不同的角度，地球的运转可分为四类：天文学的基本概念（预备学问）天文学的基本概念（预备学问）与银河系一起在宇宙中运动与银河系一起在宇宙中运动 在银河系内与太阳一起旋转在银河系内与太阳一起旋转 与其它行星一起绕太阳旋转（公转）与其它行星一起绕太阳旋转（公转）地球的自转（周日视运动地球的自转（周日视运动）其次章其次章 坐标与时间系统坐标与时间系统1预备学问预备学问l天球的基本概念天球的基本概念l 所谓天球，是指以地球质心所谓天球，是指以地球质心O为中为中心，半径心，半径 r为随意长度的一个假想的球为随意长度的一个假想的球体。在天文
2、学中，通常均把天体投影到体。在天文学中，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天球的球面上，并利用球面坐标来表达或探讨天体的位置及天体之间的关系。或探讨天体的位置及天体之间的关系。l 建立球面坐标系统，如图建立球面坐标系统，如图21所所示示.l 参考点、线、面和园参考点、线、面和园2图图2 21 1 天球的概念天球的概念3 天轴与天极天轴与天极 地球自转轴的延长直线为天轴，天轴与天球的交点地球自转轴的延长直线为天轴，天轴与天球的交点 PN 和和 PS 称为天极，其中称为天极，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
3、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。天球赤道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。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤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。道。天球子午面与子午圈天球子午面与子午圈 含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面.天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。4 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
4、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，靠近南天极的交点称为天极的交点称为南黄极南黄极。5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春分点和秋分点。视黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。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，黄道与天球赤道的交点称为春分点
5、，用球赤道的交点称为春分点，用 表示。表示。在天文学中和探讨卫星运动时，春分点和天球赤在天文学中和探讨卫星运动时，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面道面，是建立参考系的重要基准点和基准面 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地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬为赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面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。的夹角为赤经。6 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
6、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。7 地球的自转 的特征：(1)地轴方向相对于空间的变更（岁差和章动）地球自转轴在空间的变更，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,由于日、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（见下图），其锥角等于黄赤交角=23.5 ，旋转周期为26000年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每年向西移动50.389 月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道与月的之
7、间距离是不断变更的，使得月球引力产生的大小和方向不断变更，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，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振幅为9.21的短周期运动。这种现象称为章动。考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。10 (2)地轴相对于地球本身相对位置变更（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置变更，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变更，这种现象称为极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为
8、平极。地球极点的变更，导致地面点的纬度发生变更。天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议接受国际上5个纬度服务(ILS)站以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO(Conventional International Origin)11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。12 (3)地球自转速度变更（日长变更）地球自转不是匀整的，存在着多
9、种短周期变更和长期变更，短周期变更是由于地球周期性潮汐影响，长期变更表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变更，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产生变更。描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数(EOP)，描述地球自转速度变更的参数和描述极移的参数称为地球自转参数(ERP)，EOP 即为 ERP 加上岁差和章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站(iers )上得到。13v时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。时间的描述包括时间原点、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
10、择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、匀整，故一种物质的运动也应当连续、匀整。连续、匀整，故一种物质的运动也应当连续、匀整。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。v 运动是连续的；运动是连续的；v 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；v 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:v 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.
11、2 时间系统时间系统14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尼治平恒星时之间的关系：之间的关系：1
12、5平太阳时平太阳时MT以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动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。一个真太阳日确定的时间，称为真太阳时。一个真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经验的时间。子午圈）所经验的时间。地球绕太阳公转的速度不匀整。近日点地球绕太阳公转的速度不匀整。近日点快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短。日点最短。假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太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。平太阳连续两次经阳周年运动的平均速度。平太阳
13、连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日日16 平太阳日是以平半夜的瞬时作为时间的起算零点，假如LAMT 表示平太阳时角，则某地的平太阳时 MT=LAMT+12 (平半夜与平正午差12小时）世界时UT：以格林尼治平半夜为零时起算的平太阳时称为世界时。UT=GAMT+12 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。17v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。v UT
14、1=UT0+,UT2=UT1+Tv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匀整，导致用其测得的时间不匀由于地球自转速度不匀整，导致用其测得的时间不匀整。整。1958年第年第10届届IAU确定，自确定，自1960年起起先以地球年起起先以地球公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统公转运动为基准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时整回来年长度时整回来年长度的的131556925.974718v在天文学中，天体的星历是依据天体动力学理论建立的在天文学中，天体的星历是依据天体动力学理论建立
15、的运动方程而编写的，其中接受的独立变量是时间参数运动方程而编写的，其中接受的独立变量是时间参数T,其变量被定义为力学时，力学时是匀整的。其变量被定义为力学时，力学时是匀整的。v参考点不同，力学时分为两种：参考点不同，力学时分为两种：v 1)太阳系质心力学时太阳系质心力学时TDBv 2)地球质心力学时地球质心力学时TDTvTDT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ETv地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度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。相同。IGU规定：规定：1977年年1月月1日原
16、子时（日原子时（TAI)0时与地时与地球力学时严格对应为：球力学时严格对应为：v TDT=TAI+32.184 19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。原子时的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，定义为：在零磁场下，位于海基本单位是原子时秒，定义为：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平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际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。单位制中的时间单位。原子时的原点定义：原子时的原点定义：1958年年1月月1日日UT2的的
17、0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。20 协调世界时协调世界时(UTC)原子时与地球自转没有干脆联系，由于地球自原子时与地球自转没有干脆联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将渐渐变大，秒长不等，大约每年相差差异将渐渐变大，秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常运用，协调好两者的关系，建秒，便于日常运用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平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太阳时之差小于0.9秒的时间
18、系统，称之为世秒的时间系统，称之为世界协调时界协调时(UTC)。当大于当大于0.9秒，接受秒，接受12月月31日或日或6月月30日调秒。日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。调秒由国际计量局来确定公布。世界各国发布的时号均以世界各国发布的时号均以UTC为准。为准。TAI=UTC+1n(秒）秒）21GPS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。的重要组成部分。GPS的时间系统接受基于美国海军观测试验室的时间系统接受基于美国海军观测试验室US
19、NO维持的原子时称为维持的原子时称为GPST，它与国际原子，它与国际原子的原点不同，瞬时相差一常量：的原点不同，瞬时相差一常量：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。222.3 坐标系统坐标系统 1、大地基准、大地基准所谓基准是指为描述空间位置而定义所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形态的参考椭球的是指用以描述地球形态的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以参数（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，及参考椭球在空间
20、中的定位及定向，还有在描述这些位置时所接受的单位还有在描述这些位置时所接受的单位长度的定义。长度的定义。v 测量常用的基准包括测量常用的基准包括平面基准平面基准、高程基准高程基准、重力基准重力基准 等。等。23 2 2、大地测量坐标系、大地测量坐标系天球坐标系：用于探讨天体和人造卫星的定位与运动。天球坐标系：用于探讨天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：地球坐标系：用于探讨地球上物体的定位与运动，是用于探讨地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式，和空间直角坐标系两种形式，基准基准和和坐
21、标系坐标系两方面要素构成了完整的两方面要素构成了完整的坐标参考系统坐标参考系统!24 图图28 天球坐标系天球坐标系25 图图2 210 10 大地坐标系与空间直角坐标大地坐标系与空间直角坐标26 3、高程参考系统、高程参考系统v以大地水准面为参照面的高程以大地水准面为参照面的高程系统称为系统称为正高正高 以似大地水准面以似大地水准面为参照面的高程系统称为为参照面的高程系统称为正常正常高；高；v大地水准面相对于旋转椭球面大地水准面相对于旋转椭球面的起伏如图所示，正常高及正的起伏如图所示，正常高及正高与大地高有如下关系：高与大地高有如下关系：H=H正常正常+H=H正高正高+N 27v国家平面限制
22、网是全国进行测量工作的平面位置的参国家平面限制网是全国进行测量工作的平面位置的参考框架，国家平面限制网是按限制等级和施测精度分考框架，国家平面限制网是按限制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前供应运用的国家平面限为一、二、三、四等网。目前供应运用的国家平面限制网含三角点、导线点共制网含三角点、导线点共154348个。个。v国家高程限制网是全国进行测量工作的高程参考框架，国家高程限制网是全国进行测量工作的高程参考框架，按限制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目按限制等级和施测精度分为一、二、三、四等网，目前供应运用的前供应运用的1985国家高程系统共有水准点成果国家高程系统共有水准点成
23、果114041个，水准路途长度为个，水准路途长度为4166191公里。公里。v 大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段大地测量参考系统的具体实现，是通过大地测量手段确定的固定在地面上的限制网确定的固定在地面上的限制网(点点)所构建坐标参考架、所构建坐标参考架、高程参考框架、重力参考框架。高程参考框架、重力参考框架。28 v国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框架，目前供应运用的架，目前供应运用的2000国家重力基本网包括国家重力基本网包括21个重个重力基准点和力基准点和126个重力基本点个重力基本点。v“2000国家国家GPS限制网
24、限制网”由国家测绘局布设的高精度由国家测绘局布设的高精度GPS A、B级网，总参布设的级网，总参布设的GPS 一、二级网，地震局一、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、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成，该限制网整合了上述三个大型的有运动观测网组成，该限制网整合了上述三个大型的有重要影响力的重要影响力的GPS观测网的成果，共观测网的成果，共2609个点，通过个点，通过联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测联合处理将其归于一个坐标参考框架，可满足现代测量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的地心坐标量技术对地心坐标的需求，是我国新一代的地心
25、坐标系统的基础框架系统的基础框架.29v椭球定位和定向概念椭球定位和定向概念 v椭球的类型椭球的类型:v 参考椭球参考椭球:具有确定参数具有确定参数(长半径长半径 a和扁率和扁率)，经过局部定位和定向，同某一地区大地水，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准面最佳拟合的地球椭球.v 总地球椭球总地球椭球:除了满足地心定位和双平行条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内与大地体最密合的地球椭球.v椭球定位椭球定位:v 是指确定椭球中心的位置，可分为两类：局是指确定椭球中心的位置，可分
26、为两类：局部定位和地心定位。部定位和地心定位。30 局部定位局部定位：要求在确定范围内椭球面与大地要求在确定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置水准面有最佳的符合，而对椭球的中心位置无特殊要求；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水准面最佳的符合，同时要求椭球中心与地球质心一样。地球质心一样。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，都应满足两个平行条件：是地心定位，都应满足两个平行条件：椭球短轴平行于地球自转轴；椭
27、球短轴平行于地球自转轴；大地起始子午面平行于天文起始子午面。大地起始子午面平行于天文起始子午面。31 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：是指在空间固定不动或做匀速直线运动的惯性坐标系：是指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。坐标系。协议惯性坐标系的建立：协议惯性坐标系的建立：由于地球的旋转轴是不断变更的，通常约定某一刻由于地球的旋转轴是不断变更的，通常约定某一刻 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
28、X 轴轴的指向点，以的指向点，以 XOY 的垂直方向为的垂直方向为 Y 轴建立天球坐标轴建立天球坐标系，称为协议天球坐标系系，称为协议天球坐标系 或协议惯性坐标系或协议惯性坐标系 CIS (CIS=Conventional Inertial System)32 v国际大地测量协会国际大地测量协会IAG和国际天文学联合会和国际天文学联合会IAU确确定，从定，从1984年年1月月1日起接受以日起接受以J2000.0(2000年年1月月15日日)的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系.v协议天球坐标系协议天球坐标系v瞬时平天球标系瞬时平天球标系v瞬时真天球标
29、系瞬时真天球标系v协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系v 协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差导致的差导致的 Z 轴方向发生变更产生的，通过对协议天轴方向发生变更产生的，通过对协议天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐标变换标变换。33 为观测历元为观测历元 t t 的的儒略日儒略日。34 l 瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转
30、轴的章动造成的，两者之间的相互转换是地球自转轴的章动造成的，两者之间的相互转换可以通过章动旋转矩阵来实现可以通过章动旋转矩阵来实现.为黄赤交交、交角章动、黄经章动为黄赤交交、交角章动、黄经章动.35 合并上述两式：合并上述两式：36 2.3.3 地固坐标系（地球坐标系）地固坐标系（地球坐标系）以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标系原点的坐标系,又称为参心地固坐标系。又称为参心地固坐标系。以总地球椭球为基准的坐标系以总地球椭球为基准的坐标系.与地球体固连在与地球体固连
31、在一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系系,又称为地心地固坐标系。又称为地心地固坐标系。特点：地面上点坐标在地固坐标系中不变特点：地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变更的中是变更的(地球自转地球自转).37v坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中心或地心，坐标轴的指向具有确定的选择性，国际上心或地心，坐标轴的指向具有确定的选择性，国际上
32、通用的坐标系一般接受协议地极方向通用的坐标系一般接受协议地极方向CTP)CTP)作为作为 Z Z 轴指轴指向，因而称为协议向，因而称为协议(地固）坐标系。与其相对应坐标系地固）坐标系。与其相对应坐标系瞬时地球坐标系称为瞬时瞬时地球坐标系称为瞬时(地固）坐标系地固）坐标系.v协议协议(地固）坐标系与瞬时坐标系的转换地固）坐标系与瞬时坐标系的转换v极移的影响极移的影响v极移参数的确定极移参数的确定 38坐标系统坐标系统(续续)国际地球自转服务组织国际地球自转服务组织IERSIERS依据所属台站的观测资依据所属台站的观测资料推算得到并以公报形式发布，由此可以实现两种坐标料推算得到并以公报形式发布，由
33、此可以实现两种坐标系之间的相互变换。系之间的相互变换。39 40 l 协议地球坐标系与协议天球坐标系的关系协议地球坐标系与协议天球坐标系的关系41 42 3.3.地球参心坐标系地球参心坐标系 建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：建立地球参心坐标系，需如下几个方面的工作：选择或求定椭球的几何参数选择或求定椭球的几何参数(半径半径a a和扁率和扁率)。确定椭球中心的位置确定椭球中心的位置(椭球定位椭球定位)。确定椭球短轴的指向确定椭球短轴的指向(椭球定向椭球定向)。建立大地原点。建立大地原点。广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程：广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程：43 44v一点定位一点定位
34、v 假如选择大地原点：假如选择大地原点：v 则大地原点的坐标为：则大地原点的坐标为：v多点定位多点定位v 接受广义弧度测量方程接受广义弧度测量方程 45坐标系统坐标系统(续续)广义弧度测量方程广义弧度测量方程:设设垂线偏差与大地水准面公式垂线偏差与大地水准面公式:46 47 48 49 上式称为上式称为广义弧度测量方程广义弧度测量方程特殊状况下：特殊状况下：50 v 多点定位的过程：多点定位的过程：1)1)由广义弧度测量方程接受最小二乘法求由广义弧度测量方程接受最小二乘法求 椭球参数椭球参数:旋转参数旋转参数:新的椭球参数：新的椭球参数：2)2)由广义弧度测量方程计算由广义弧度测量方程计算大地
35、原点大地原点:3)3)广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程计算广义垂线偏差公式与广义拉普拉斯方程计算大地原点坐标大地原点坐标:51v大地原点和大地起算数据大地原点和大地起算数据v大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数大地原点也叫大地基准点或大地起算点，参考椭球参数和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建和大地原点上的起算数据的确立是一个参心大地坐标系建成的标记成的标记.52v1954年北京坐标系年北京坐标系v 1954年北京坐标系可以认为是前苏联年北京坐标系可以认为是前苏联1942年坐标系年坐标系的延长。它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。的延长。它的原点不在北京，而在前
36、苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。v 1954年北京坐标系的缺限年北京坐标系的缺限:v 椭球参数有较大误差。椭球参数有较大误差。v 参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达达+68m。v 53 几何大地测量和物理大地测量应用的参考几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。我国在处理重力数据时接受赫尔面不统一。我国在处理重力数据时接受赫尔默特默特1900190019091909年正常重力公式，与这个公年正常重力公式
37、，与这个公式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与式相应的赫尔默特扁球不是旋转椭球，它与克拉索夫斯基椭球是不一样的，这给实际工克拉索夫斯基椭球是不一样的，这给实际工作带来了麻烦。作带来了麻烦。定向不明确定向不明确 。54 v 1980年国家大地坐标系年国家大地坐标系 v特点特点v 接受接受1975年国际大地测量与地球物理联合会年国际大地测量与地球物理联合会v IUGG第第16届大会上举荐的届大会上举荐的5个椭球基本参数。个椭球基本参数。v 长半径长半径 a=6378140m,v 地球的扁率为地球的扁率为 1/298.257v 地心引力常数地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,
38、v 重力场二阶带球谐系数重力场二阶带球谐系数J2=1.082 6310-8v 自转角速度自转角速度=7.292 11510-5 rad/sv 在在1954年北京坐标系基础上建立起来的。年北京坐标系基础上建立起来的。v 椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。是多点定位。55 定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点 的方向的方向 大地原点地处我国中部，位于西安市以北大地原点地处我国中部，位于西安市以北60 km 60 km 处的处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。泾阳县永乐镇，简称西安原点。大地高程
39、基准接受大地高程基准接受19561956年黄海高程系年黄海高程系 19801980大地坐标系建立的方法大地坐标系建立的方法56按按最最小小二二乘乘法法求求:，在在进进一一步步求求大大地地原原点点的起算数据的起算数据.平平差差后后供供应应的的大大地地点点成成果果属属于于19801980年年西西安安坐坐标标系系，它它和和原原19541954年年北北京京坐坐标标系系的的成成果果是是不不同同的的。这这个个差差异异除除了了由由于于它它们们各各属属不不同同椭椭球球与与不不同同的的椭椭球球定定位位、定定向向外外，还还因因为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平差。为前者是经过整体平差，而后者只是作了局部平
40、差。不不同同坐坐标标系系统统的的限限制制点点坐坐标标可可以以通通过过确确定定的的数数学学模模型型，在在确确定定的的精精度度范范围围内内进进行行相相互互转转换换，运运用用时时必必需需留留意意所所用成果相应的坐标系统。用成果相应的坐标系统。57 v新新19541954年北京坐标系年北京坐标系(BJ54(BJ54新新)v 新新19541954年北京坐标系年北京坐标系,是在是在GDZ80GDZ80基础上，变更基础上，变更GDZ80GDZ80相对应的相对应的IUGG1975IUGG1975椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球椭球几何参数为克拉索夫斯基椭球参数，并将坐标原点参数，并将坐标原点(椭球中心椭球中心)
41、平移平移,使坐标轴保持使坐标轴保持平行而建立起来的。平行而建立起来的。v 按按 ，求解，求解58 59 60 BJ54新的特点是：接受克拉索夫斯基椭球参数。是综合GDZ80和BJ建立起来的参心坐标系。接受多点定位，但椭球面与大地水准面在我国 境内不是最佳拟合。定向明确，坐标轴与GDZ80相平行，椭球短轴平行 于地球质心，指向1968.0地极原点的方向。地原点与GDZ80相同，但大地起算数据不同。高程基准接受1956年黄海高程系。与BJ54相比，所接受的椭球参数相同，其定位相近，但定向不同。61 v 地心坐标系地心坐标系v原点原点O O与地球质心重合，与地球质心重合，Z Z轴指向地球北极，轴指向
42、地球北极，X X轴指向格轴指向格 林尼治平均子午面与地球赤道的林尼治平均子午面与地球赤道的交点，交点，Y Y轴垂直于轴垂直于XOZXOZ平面构成右手坐标系。平面构成右手坐标系。v地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地地球北极是地心地固坐标系的基准指向点，地球北极点的变动将引起坐标轴方向的变更。球北极点的变动将引起坐标轴方向的变更。基准指向点的指向不同，可分为瞬时地心坐基准指向点的指向不同，可分为瞬时地心坐标系与协议地心坐标系。标系与协议地心坐标系。v在大地测量中接受的地心地固坐标系大多接受在大地测量中接受的地心地固坐标系大多接受协议地极原点协议地极原点CIOCIO为指向点。为指向点。621)
43、地心地固坐标系的建立方法地心地固坐标系的建立方法2)干脆法干脆法:3)间接法间接法:通过确定的资料通过确定的资料(包括地心系统和参心系统的资料包括地心系统和参心系统的资料)，求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转求得地心和参心坐标系之间的转换参数，然后按其转换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法换参数和参心坐标，间接求得点的地心坐标的方法通过确定的观测资料通过确定的观测资料(如天文、重力资料、卫星观测资如天文、重力资料、卫星观测资料等料等)，干脆求得点的地心坐标的方法，如天文重力法，干脆求得点的地心坐标的方法，如天文重力法和卫星大地测量动力法等。和卫星大地测量动力法等。632)W
44、GS-84世界大地坐标系世界大地坐标系WGS-84WGS-84是是CTS,CTS,坐标系的原点是地球的质心，坐标系的原点是地球的质心，Z Z 轴指向轴指向 BIHBIH1984.0 1984.0 CTPCTP方向，方向，X X轴指向轴指向 BIHBIH1984.01984.0零子午面和零子午面和 CTP CTP 赤赤道的交点，道的交点，Y Y 轴和轴和 Z Z、X X 轴构成右手坐标系。轴构成右手坐标系。5 5个基本参数个基本参数 a=6 378 137m a=6 378 137m e e2=2=0.00669437990130.0066943799013 GM=3 986 00510 GM=
45、3 986 005108 8m m3 3s s-2-2 C C2,02,0=-484.166 8510=-484.166 8510-6-6 =7 292 11510 =7 292 11510-11-11rad/srad/s 64 vWGS-84坐标系是目前坐标系是目前GPS所接受的坐标系统，所接受的坐标系统，GPS卫星所发布的广播星历参数就是基于此坐标系统的。卫星所发布的广播星历参数就是基于此坐标系统的。vWGS-84坐标系统的全称是坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地坐标系（世界大地坐标系-84），它是一个地心地固坐标），它是一个地心地固坐标系统。系统。
46、WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，坐标系统由美国国防部制图局建立，于于1987年取代了当时年取代了当时GPS所接受的坐标系统所接受的坐标系统WGS-72坐标系统而成为坐标系统而成为GPS的所运用的坐标系统。的所运用的坐标系统。vWGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指轴指向向BIH1984.0定义的协议地球极方向，定义的协议地球极方向，X轴指向轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，的启始子午面和赤道的交点，Y轴与轴与X轴轴和和Z轴构成右手系。轴构成右手系。653)ITRS与与ITRF 国际地球自转服务国际地球自转服务IERS (I
47、nternational Earth Rotation Service)1988年年:IUGG+IAUIERS（IBH+IPMS）IERS的任务主要有以下几个方面：的任务主要有以下几个方面：维持国际天球参考系统维持国际天球参考系统(ICRS)和框架和框架(ICRF)；维持国际地球参考系统维持国际地球参考系统(ITRS)和框架和框架(ITRF)；供应刚好精确的地球自转参数供应刚好精确的地球自转参数(EOP)。ICRS(F)=International Celestrial reference system ITRS(F)=International Terrestrial reference s
48、ystem EOP=Earth Orbit Parameter 66国际地球参国际地球参 考系统考系统(ITRS)(ITRS)ITRSITRS是是一一种种协协议议地地球球参参考考系系统统(CTRS),(CTRS),定定义义为为CTRSCTRS的的原原点点为为地地心心，并并且且是是指指包包括括海海洋洋和和大大气气在在内内的的整整个个地地球球的的质心；质心；CTRSCTRS的的长长度度单单位位为为米米(m)(m)，并并且且是是在在广广义义相相对对论论框框架架下下的定义；的定义；CTRS CTRS 的的定定向向Z Z 轴轴从从地地心心指指向向BIH1984.0BIH1984.0定定义义的的协协议议地
49、地球球极极(CTP)(CTP)；X X 轴轴从从地地心心指指向向格格林林尼尼治治平平均均子子午午面面与与CTPCTP赤道的交点；赤道的交点；Y Y轴与轴与XOZ XOZ 平面垂直而构成右手坐标系；平面垂直而构成右手坐标系；CTRSCTRS的的定定向向的的随随时时演演化化满满足足地地壳壳无无整整体体旋旋转转NNRNNR条条件件的的板块运动模型，板块运动模型，坐标系统坐标系统(续续)-)-国际地球参系统国际地球参系统ITRSITRS67 vITRFITRF是是ITRS ITRS 的具体实现，是由的具体实现，是由IERS(International IERS(International Earth
50、Rotation Service)Earth Rotation Service)中心局中心局IERS CBIERS CB利用利用VLBIVLBI、LLRLLR、SLRSLR、GPSGPS和和DORISDORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。的一组全球站坐标和速度。v自自19881988年起，年起，IERSIERS已经发布已经发布ITRF88ITRF88、ITRF89ITRF89、ITRF90ITRF90、ITRF91ITRF91、ITRF92ITRF92、ITRF93ITRF93、ITRF94ITRF94、ITRF96ITRF9