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第二十讲 协议地球参考系 经典椭球定位的定义 内容 条件 方法大地起算数据包括哪些量 深刻理解椭球定位与建立大地坐标系 确定大地起算数据之间的关系 7 4协议地球参考系 一 地心坐标系及其应用需求 地心坐标系在地球动力学 物理大地测量学和空间技术中的应用需求1 无论地球内部质量怎么迁移 地球形状发生怎样的变化 地球质心都沿着一条确定的轨道运行 2 物理大地测量需要一个与全球大地水准面最为密和的正常椭球体 其几何中心应与地球质心一致 3 人造地球卫星和弹道导弹在围绕地球飞行时 其轨道平面通过地球质心 因此轨道计算和测定应该在地心坐标系中进行 7 4协议地球参考系 一 地心坐标系及其应用需求 地心坐标系在测绘工程中的应用需求1 导航等集成应用的要求 以地心基准作为地图的数学基础 能使GPS等技术的空间导航结果直接在地图平台上定位 2 地理信息的应用在空间域上的整体性要求 导航系统与地图平台 海图与地形图 跨国界洲际GIS 遥感信息等 3 地理信息的应用在时间域上的整体性要求 参心基准时静态基准 而地心基准则可长期维持 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 极移地球极点是地球自转轴与地球表面的交点 由于地球自转轴在地球本体内的运动 地球极点在地球表面上的位置随时间而变化 这种现象叫做地极移动 简称极移 随时间而变化的地球自转轴为瞬时轴 相应的极点叫瞬时极 地极坐标系 1 极移和国际协议原点 ConventionalInternationalOrigin 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 国际协议原点 CIO 1967年IAU和IUGG建议平极的位置用5个台站1900至1905年的平均纬度来确定 平极的这个位置相对于1900至1905年平均历元 1903 0 叫做国际协议原点 简称CIO 协议赤道面 协议地极 1 极移和国际协议原点 ConventionalInternationalOrigin 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 1 极移和国际协议原点 ConventionalInternationalOrigin 协议地球参考系与瞬时地球参考系的关系 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2 协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系是以某种确定的方式联系到地球的坐标系 理想的地球参考系 相对于它地壳只存在形变 不存在整体的旋转和平移 而它相对于惯性参考系只包含地球的公转和自转等整体运动 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2 协议地球参考系和协议地球参考框架 理想地球参考框架的Tisserand条件 第一个条件表示相对于所定义的参考系 地球的线动量为0 表明地球不存在整体的平移 第二个条件表示相对于所定义的参考系 地球的角动量为0 表明地球不存在整体的旋转 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2 协议地球参考系和协议地球参考框架 参考系的建立 一是指物理基准 即原点 尺度 定向等 的选择 二是指实现的方法 对特定的理论和模型的选择 即CTRS 对实现系统所采用方法的选择 即CTRF 协议约定 即相对于理想情况 当表达理想情况有不同方式时 要约定 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2 协议地球参考系和协议地球参考框架 协议地球参考系CTRS的定义原点在地心 地心定义为包括海洋和大气的整个地球的质量中心 尺度单位为米 国际单位制 即在引力相对论意义下的局部地球框架内定义的米 定向由BIH1984 0给出 定向的时间演化相对于地壳不产生残余的全球性旋转 如采用近似满足这个条件的绝对板块运动模型NNR NUVEL1 7 4协议地球参考系 二 协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2 协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系CTRS的具体化 给出若干地面点坐标第一 必须详细定义基本物理基准构形和其坐标间关系的模型 CTRS 此时 坐标要能完全定义 但不必考虑实现的途径 第二 一旦协议地球参考系选定了 便使之能为各类用户可用 就要通过许多实际的地面点具体化 这样一组协议选定的使系统具体化的地面点及其坐标 三维 就定义了协议地球参考框架 CTRF 7 4协议地球参考系 三 协议地球参考框架的建立和维持 1 建立和维持步骤 1 给出地球参考系的理论定义和协议约定 2 建立地面观测台站 并进行空间大地测量 3 根据对协议地球参考系的约定 采用国际推荐的一组模型和常数 对观测数据进行数据处理 解算出各观测台站在某一历元的站坐标 即建立协议地球参考框架 4 对于影响地面台站稳定的各种形变因素进行分析处理 建立相应的时变模型 以维持协议地球参考框架的稳定 7 4协议地球参考系 三 协议地球参考框架的建立和维持 1 建立和维持步骤 地球质心位置的确定 协议地球参考框架原点 通过激光测卫 SLR 等卫星动力学方法确定了地面n n大于3 个点至地球质心的距离 然后再采用GPS VLBI等测量方法把这几个点之间的距离确定下来 于是通过几何约束条件即可确定地心的位置 考虑到地球的粘弹性 需要长期监测这些点的变化 以改善地心位置 该方法确定的地心位置与地面台站的个数及图形结构有关 7 4协议地球参考系 三 协议地球参考框架的建立和维持 1 建立和维持步骤 协议地球参考框架坐标轴向的确定地球瞬时自转轴必定通过质心 由于极移运动 瞬时自转轴运动轨道构成了一个近似的圆锥面 以地球质心为其锥顶 取平均自转轴 即圆锥面的对称轴 为Z轴 将X轴限定在格林尼治天文台的子午面内 再选定Y轴 使O XYZ构成右手直角坐标系 这样我们就建立了地球质心坐标系 实用中参考系的三轴指向由BIH IERS提供的地球自转参数 ERP 确定 7 4协议地球参考系 三 协议地球参考框架的建立和维持 2 数据处理 几种空间技术在确定CTRF中的作用SLR技术可以独立地完成地球参考架的建立和维持 VLBI技术可以高精度地确定参考坐标系的定向和尺度 LLR网 GPS网也可按各自的技术特点建立地球参考架 对上述全球各个SLR网 VLBI网 LLR网和GPS网联合平差 即可建立CTRF 7 4协议地球参考系 三 协议地球参考框架的建立和维持 2 数据处理 形变位移 误差方程 各观测技术的转换坐标 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考框架ITRF和WGS84 1 ITRF 建立 通过一组站的坐标和速度来完成的 这些站的坐标和速度通过VLBI SLR LLR GPS 起于1991年 和DORIS 起于1994年 等空间大地测量手段得到 计算的ITRF解发表在IERS的年度报告上 已有的ITRF解有ITRF0 ITRF88 ITRF89 ITRF90 ITRF91 ITRF92 ITRF93 ITRF94 ITRF96 ITRF97和ITRF2000 目前ITRF2005也已经建立 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考框架ITRF和WGS84 1 ITRF 大地坐标的获得 IERS推荐采用全球通用的GRS GeodeticReferenceSystem 的大地测量基本常数 目前采用的GRS80是IUGG1979年推荐的 其椭球参数是 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考框架ITRF和WGS84 1 ITRF ITRF与IGS关系 随着国际GPS服务 IGS 的建立 ITRF与GPS的关系变得更加密切 IGS同ITRF紧密合作 一方面IERS负责建立和维持ITRF的测站坐标 速度和地球自转参数 另一方面IGS提供全球GPS观测数据并改进ITRF解 GPS数据处理中人们可能会遇到两种精密星历 一种是基于WGS84坐标系的星历 另一种是基于ITRF的星历 如IGS精密星历 使用坐标系不同的精密星历 得到的测站坐标将属于不同的坐标系 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考框架ITRF和WGS84 1 ITRF ITRF在建立和维持地区性大地坐标系中的作用首先 地区坐标系建立时用到了IGS的精密星历和地球定向参数 EOP 而IGS精密星历的参考框架是属于ITRF的 其次 地区坐标系建立所用的起始站为ITRF框架中的站点 计算时大多给这些站以很强的约束 这样建立的坐标系应与ITRF有很好的一致性 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考框架ITRF和WGS84 2 WGS WGS84坐标系是一个协议地球参考系 此外 WGS84还包括参考椭球 基本常数 地球重力场模型和全球大地水准面模型 所以实际上WorldGeodeticSystem WGS 应直译为世界大地测量系统 实现 WGS84参考框架是由一组全球分布的监测站坐标系实现的 7 4协议地球参考系 四 国际地球参考