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1、第三章第三章 地球重力场及形状的基本理论地球重力场及形状的基本理论3.1.1 地球的概说（略）地球的概说（略）3.1.2 地球运动概说地球运动概说 地球是太阳系中的一颗行星，它有自转和公转运动。1、地球的自转、地球的自转 地球的自转即地球绕地轴由西向东旋转。地球的绕地轴旋转360度的时间：太阳日、恒星日。地球的自转速度：2023/1/101Fundation of Geodesy2、地球的公转、地球的公转 地球的公转满足开普勒三大行星运动定律 (1)行星运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；直角坐标方程：极坐标方程：f真近点角，p为焦参数（半通径）2023/1/102Fundation
2、 of Geodesy(2)行星运动在单位时间内扫过的面积相等；在时间 t 内扫过的面积 s 相等，则面速度 可根据能量守恒定律导出。(3)行星运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。设a 和a1,T 和 T1分别表示两行星轨道的长半径与轨道运行周期。2023/1/103Fundation of Geodesy则第三定律表达为：一般可以用来计算行星或卫星的质量。牛顿万有引力定律：牛顿万有引力定律：开普勒定律是牛顿万有引力定律的基础。天体力学2023/1/104Fundation of Geodesy宇宙空间任意两质点，彼此相互吸引，其引力大小与他们宇宙空间任意两质点，彼此相互吸引，其引
3、力大小与他们的质量成积成正比，与他们之间的距离平方成反比。的质量成积成正比，与他们之间的距离平方成反比。在相对运动中，行星相对于太阳运动的相对加速度：2023/1/105Fundation of Geodesy考虑到Mm 注意：f 、G、k2 在不同的教材都表示引力常数。2023/1/106Fundation of Geodesy3.2 地球重力场的基本原理地球重力场的基本原理 3.2.1 引力与离心力引力与离心力 其它作用力（太阳、月亮）大多数情况下可忽略。2023/1/107Fundation of Geodesy3.2.2 引力位和离心力位 由理论力学可知，如果某一空间（有限或无限）的任
4、意一点都有一定力的作用，而力的大小与方向只与该点的位置有关，则这一空间称为力场。就力场而言，具有共同的特性，即力场所做的功与路径无关，只与起点与终点有关。这样的力称为保守力。引力与离心力都是保守力。引力位：单位质点受物质M的引力作用产生的位能称为引力位，或者说将单位质点从无穷远处移动到该点引力所做的功。即：2023/1/108Fundation of Geodesy推导如下:万有引力定律：假设沿力线方向做功为 ，则有：此功等于位能的减少，积分则有 因为r,V=0。所以 C=0，则有 ,取 m=1，2023/1/109Fundation of Geodesy地球总体的位函数：1、由牛顿第二定律可
5、知：2、对位函数求导：,则有2023/1/1010Fundation of Geodesy结论：单位质点的物体在引力场中的加速度等于引力位的导数，方向与径向方向相反。推论：位对被吸引点各坐标轴的偏导数等于相应坐标轴上的加速度(或引力)向量的负值。2023/1/1011Fundation of Geodesy离心力位 在离心力场中，2023/1/1012Fundation of Geodesy3.2.3 重力位 重力是引力和离心力的合力，重力位W是引力位V和离心力位Q之和：对三坐标轴求偏导数求得重力的分力或重力加速度分量：2023/1/1013Fundation of Geodesy各分力的模：
6、方向余弦：重力位在任意方向的偏导数等于重力在该方向上的分力：2023/1/1014Fundation of Geodesy 当g g与l l相垂直时，那么d=0，常数 当给出不同的常数值，就得到一簇曲面，称为重力等位面，也就是我们通常说的水准面。可见水准面有无穷多个。其中，我们把完全静止的海水面所形成的重力等位面，专称它为大地水准面。如果令g与l夹角等于，则有：水准面之间既不平行，也不相交和相切。2023/1/1015Fundation of Geodesy 对于某一单位质点而言，作用其上的重力在数值上等于使它产生的重力加速度的数值，所以重力即采用重力加速度的量纲，单位是：伽(Gal=cms)
7、，毫伽(mGal=Gal/1000=10ms)微伽(Gal=mGal/1000=10m s)1、地面点重力近似值980Gal，赤道重力值978Gal，两极重力值983Gal。由于地球的极曲率及周日运动的原因，重力有从赤道向两极增大的趋势。2、地球上重力的大小与方向只与被吸引点的位置有关，理论上应该是常数，但重力是随时间变化而变化，即相同的点在不同的时刻所观测到的重力不相同。2023/1/1016Fundation of Geodesy3.2.4 地球的正常重力位和正常重力 要精确计算出地球重力位，必须知道地球表面的形状及内部物质密度，但前者正是我们要研究的，后者分布极其不规则，目前也无法知道，
8、故根据上式不能精确地求得地球的重力位，为此引进一个与其近似的地球重力位正常重力位。2023/1/1017Fundation of Geodesy 正常重力位是一个函数简单、不涉及地球形状和密度便可直接计算得到的地球重力位的近似值的辅助重力位。当知道了地球正常重力位，又想法求出它同地球重力位的差异(又称扰动位)，便可求出大地水准面与这已知形状（即正常位水准面）的差异，最后解决确定地球重力位和地球形状的问题。1 地球引力位的数学表达式 地球惯性矩表达引力位(方法1）设：地球上的点坐标为：与 地球表面点坐标为：与2023/1/1018Fundation of Geodesy建立空间直角坐标系与球面极
9、坐标系2023/1/1019Fundation of Geodesy由于2023/1/1020Fundation of Geodesy理论力学可知：物体的重心为定义坐标系：，则有：2023/1/1021Fundation of Geodesy用球谐函数表达地球引力位（方法2）勒让德多项式2023/1/1022Fundation of Geodesy2023/1/1023Fundation of Geodesy 勒让德多项式中：称为n阶主球函数(或带球函数)，称为n阶K级的勒让德缔合函数(或伴随函数)。称为缔合球函数(其中，当k=n时称为扇球函数，当kn时称为田球函数)2023/1/1024Fu
10、ndation of Geodesy用球谐函数表示的地球引力位的公式 2 地球正常重力位 2023/1/1025Fundation of Geodesy当选取前3项时，将重力位W写成U 2023/1/1026Fundation of Geodesy现在需要求系数：若地球是旋转椭球体，则有转动惯量 ，将系数代入则有：式中：2023/1/1027Fundation of Geodesy设赤道的离心力与重力之比为：设赤道的离心力与重力之比为：令：则有：2023/1/1028Fundation of Geodesy注意：如果正常重力位已知，则对应的正常水准面已知，注意：如果正常重力位已知，则对应的正常
11、水准面已知，不同的正常重力位对应不同的正常位水准面，我们寻找不同的正常重力位对应不同的正常位水准面，我们寻找的是与大地水准面相近的正常位水准面的形状，的是与大地水准面相近的正常位水准面的形状，上式中，上式中，对对r r和和 取不同的常数值，就得到一簇正常位水准面，取不同的常数值，就得到一簇正常位水准面，取取 ，求得与大地水准面相近的正常位水，求得与大地水准面相近的正常位水准面方程：准面方程：取：，则有2023/1/1029Fundation of Geodesy另外，旋转椭球面的方程：另外，旋转椭球面的方程：则有：4.4.3正常重力公式 因为：2023/1/1030Fundation of G
12、eodesy特例：，赤道正常重力：，极点处正常重力：令：则有：上述正常重力公式称为克莱罗定理。2023/1/1031Fundation of Geodesy顾及到扁率的二次项的正常重力公式式中：2023/1/1032Fundation of Geodesy19011909年赫尔默特公式：1930年卡西尼公式：1975年国际地球正常重力公式：GS84坐标系中的椭球重力公式：2023/1/1033Fundation of Geodesy高出水准椭球面H米的正常重力计算公式2023/1/1034Fundation of Geodesy 4 正常重力场参数在物理大地测量中,正常椭球重力场可用4个基本参
13、数决定,即：地球正常(水准)椭球的基本参数，又称地球大地基准常数地球大地基准常数是：其中：2023/1/1035Fundation of Geodesy3.2.5 正常椭球、水准椭球、总地球椭球与参考椭球 正常椭球面正常椭球面 是大地水准面的规则形状（一般指旋转椭球面）。因此引入正常椭球后，地球重力位被分成正常重力位和扰动位两部分，实际重力也被分成正常重力和重力异常两部分。正常椭球的确定：正常椭球的确定：1、除了确定其M和值外，其规则形状可以任意选择。但考虑到实际使用的方便，又顾及几何大地测量中采用旋转椭球的实际情况，目前都采用水准椭球作为正常椭球。2、对于正常椭球，除了确定其4个基本参数：a
14、,J，fM和外，也要定位和定向。正常椭球的定位是使其中心和地球质心重合，正常椭球的定向是使其短轴与地轴重合，起始子午面与起始天文子午面重合。2023/1/1036Fundation of Geodesy总的地球椭球：总的地球椭球：一个和整个大地体最为密合的。总地球椭球中心和地球质心重合，总的地球椭球的短轴与地球地轴相重合，起始大地子午面和起始天文子午面重合，总地球椭球和大地体最为密合。从几何和物理两个方面来研究全球性问题，我们可把总地球椭球定义为最密合于大地体的正常椭球。正常椭球参数是根据天文大地测量，重力测量及人卫观测资料一起处理确定的，并由国际组织发布。参考椭球：参考椭球：其大小及定位定向最接近于本国或本地区的地球椭球。这种最接近，表现在两个面最接近及同点的法线和垂线最接近。2023/1/1037Fundation of Geodesy