第2章大地测量

1、第第2章章 大地测量学大地测量学郭金运办公室：J6-453E-mail: 手机:地测量系海岛(礁)测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室2主要内容主要内容 概述概述 大地测量系统与参考框架大地测量系统与参考框架 实用大地测量学实用大地测量学 椭球大地测量学椭球大地测量学 物理大地测量学物理大地测量学 卫星大地测量学卫星大地测量学 大地测量进展大地测量进展32.1 概述大地测量学的定义、分类和任务：定义：大地测量学是为人类活动提供空间信息的科大地测量学是为人类活动提供空间信息的科学，着重研究精密定位、地球（包括其他天体）学，着重研究精密定位、地球（包括其他天体）的几何特征

2、（形状和大小）和基本物理特性（重的几何特征（形状和大小）和基本物理特性（重力场）及其变化。力场）及其变化。分类：空间大地测量、物理大地测量、几何大地测空间大地测量、物理大地测量、几何大地测量、海洋大地测量、动力大地测量、实用大地测量、海洋大地测量、动力大地测量、实用大地测量、月球大地测量、行星大地测量等量、月球大地测量、行星大地测量等4大地测量学的任务1 建立和维护高精度全球和区域性大地测量建立和维护高精度全球和区域性大地测量系统与大地测量参考框架系统与大地测量参考框架2 获取空间点位置的静态和动态信息获取空间点位置的静态和动态信息3 测定和研究地球形状大小、地球外部重力测定和研究地球形状大小

3、、地球外部重力场及其随时间的变化场及其随时间的变化4 测定和研究全球和区域性地球动力学现象，测定和研究全球和区域性地球动力学现象，包括地球自转、极移、潮汐、板块运动、包括地球自转、极移、潮汐、板块运动、地壳形变以及全球变化地壳形变以及全球变化5大地测量学的任务（Cont）5 研究地球表面观测量向椭球面和平面的投研究地球表面观测量向椭球面和平面的投影变换及相关的大地测量计算问题影变换及相关的大地测量计算问题6 研究新型的大地测量仪器和大地测量方法研究新型的大地测量仪器和大地测量方法7 研究空间大地测量理论和方法研究空间大地测量理论和方法8 研究月球和行星大地测量理论和方法，研研究月球和行星大地测

4、量理论和方法，研究月球或者行星探测器定位、定轨和导航究月球或者行星探测器定位、定轨和导航技术，构建月球或行星坐标参考系和框架，技术，构建月球或行星坐标参考系和框架，探测月球和行星重力场。探测月球和行星重力场。6大地测量学的特点1 长距离，大范围长距离，大范围2 高精度高精度3 实时，快速实时，快速4 时间维时间维5 地心地心6 学科融合学科融合7大地测量学的作用与服务对象1 经济建设经济建设2 资源与环境发展资源与环境发展3 空间技术与航天工程空间技术与航天工程4 地球自转与地球动力学地球自转与地球动力学5 国防安全与军事信息化国防安全与军事信息化6 地球科学地球科学82.2 大地测量系统与参

5、考框架大地测量系统与参考框架 大地测量系统规定了大地测量起算基准、大地测量系统规定了大地测量起算基准、尺度基准及其实现方式（包括理论、模型尺度基准及其实现方式（包括理论、模型和方法）。和方法）。坐标系统，高程系统，深坐标系统，高程系统，深度基准，重力基准度基准，重力基准 大地测量参考框架是通过大地测量手段，大地测量参考框架是通过大地测量手段，由固定在地面上的点所构成的大地网（点）由固定在地面上的点所构成的大地网（点）或其他实体（静止或运动物体）按相应于或其他实体（静止或运动物体）按相应于大地测量系统的规定模式构建的，是对大大地测量系统的规定模式构建的，是对大地测量系统的具体实现。地测量系统的具

6、体实现。9大地测量坐标系统和大地测量常数大地测量坐标系统和大地测量常数 地心坐标系统地心坐标系统 参心坐标系统参心坐标系统1 原点位于整个地球质心2 尺度是广义相对论意义下某一局部地球框架内的尺度3 定向为国际时间局测定的某一历元的协议地极和零子午线，称为地球定向参数EOP4 定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件10 大地测量常数：是指与地球一起旋转且和大地测量常数：是指与地球一起旋转且和地球表面最佳吻合的旋转椭球的几何和物地球表面最佳吻合的旋转椭球的几何和物理参数。包括基本常数和导出常数。理参数。包括基本常数和导出常数。 基本常数惟一定义了大地测量系统，赤道基本常数惟一定义了大地测量

7、系统，赤道半径半径a，地心引力常数，地心引力常数GM，地球动力学形，地球动力学形状因子状因子J2，地球自转角速度，地球自转角速度w。 导出常数由基本常数导出，便于大地测量导出常数由基本常数导出，便于大地测量应用应用11三、参考椭球面三、参考椭球面部分参考椭球参数一览表部分参考椭球参数一览表 参参 考考 椭椭 球球 名名 称称推求年代推求年代长半径长半径a扁率扁率f贝塞尔贝塞1551：299.1528128克拉克克拉41：294.9786982赫尔墨特赫尔墨特190663781401：298.3海福特海福特190963783881：297.0克

8、拉索夫斯基克拉索夫斯基194063782451：298.31967年大地坐标系年大地坐标系197163781601：298.247167427国际大地测量与地球物理联合会国际大地测量与地球物理联合会IUGG十六届大会推荐值十六届大会推荐值197563781401：298.257IUGG十七届大会推荐值十七届大会推荐值197963781371：298.257IUGG十八届大会推荐值十八届大会推荐值198363781361：298.257WGS-84198463781371：298.25722356312大地测量坐标框架大地测量坐标框架 参心坐标框架参心坐标框架 地心坐标框架地心坐标框架 高程系统

9、和高程框架高程系统和高程框架 深度基准深度基准 重力系统和重力测量框架重力系统和重力测量框架13陕西泾阳县永乐镇陕西泾阳县永乐镇 大地经纬度的概略值是： L10855， B3432152.3 实用大地测量学实用大地测量学 实用大地测量学基本任务实用大地测量学基本任务：建立地面大地：建立地面大地控制网，即以精确可靠的地面点坐标、高控制网，即以精确可靠的地面点坐标、高程和重力来实现大地测量系统。程和重力来实现大地测量系统。 地面大地控制网地面大地控制网：平面控制网、高程控制：平面控制网、高程控制网和重力控制网网和重力控制网 地面大地控制网布设基本原则地面大地控制网布设基本原则：从大到小，：从大到小

10、，逐级控制逐级控制16国家平面控制网国家平面控制网 目的：完成点位（坐标）的传递和控制目的：完成点位（坐标）的传递和控制17平面控制测量技术平面控制测量技术 水平角测量：经纬仪水平角测量：经纬仪角度测量、目标角度测量、目标照准和归心置平照准和归心置平181920 距离测量：钢尺、铟瓦基线尺、测距仪距离测量：钢尺、铟瓦基线尺、测距仪ABD21全站仪参数设置全站仪参数设置 气象改正气象改正 棱镜常数改正棱镜常数改正 仪器加常数改正仪器加常数改正 测距模式的设置测距模式的设置22 三角高程测量三角高程测量 卫星定位测量：卫星定位测量：GPSGLONASSGALILEOCOMPASS23大地天文测量大

11、地天文测量 方法：是指用天文方法测定天文经纬度和方法：是指用天文方法测定天文经纬度和天文方位角。天文方位角。（1）津格尔（星对）测时法，又称东西星等）津格尔（星对）测时法，又称东西星等高测时法；高测时法；（2）塔尔科特测纬度法；）塔尔科特测纬度法；（3）多星等高法）多星等高法（4）北极星任意时角法）北极星任意时角法（5）中天法）中天法l作用：控制作用：控制24国家平面控制网的布网方案国家平面控制网的布网方案25国家高程控制网国家高程控制网 目的和任务：目的和任务：（1）在全国范围内建立统一的高程控制网，）在全国范围内建立统一的高程控制网，为地形测图和工程建设提供必要的高程控为地形测图和工程建设

12、提供必要的高程控制制（2）为地壳垂直运动、海面地形及其变化和）为地壳垂直运动、海面地形及其变化和大地水准面起伏等地球科学研究提供精确大地水准面起伏等地球科学研究提供精确的高程数据。的高程数据。l布网原则：从高到低、从整体到局部、逐布网原则：从高到低、从整体到局部、逐级控制、逐级加密级控制、逐级加密26国家高程控制网国家高程控制网27徕卡NA2/NAK2 SZ1032+DFS1 自动安平水准仪 Trimble DiNi 拓普康DL-101C/102C 2829国家重力控制网国家重力控制网 绝对重力和相对重力绝对重力和相对重力 重力基准网重力基准网30312.4 椭球面大地测量学椭球面大地测量学

13、椭球面大地测量是实用大地测量数据处理椭球面大地测量是实用大地测量数据处理的数学基础，这是因为：的数学基础，这是因为：（1）由于地球表面的弯曲，不同海拔高度处）由于地球表面的弯曲，不同海拔高度处的地面几何观测量存在不同程度的变形的地面几何观测量存在不同程度的变形（2）由于地球形状复杂，不同地理位置上的）由于地球形状复杂，不同地理位置上的铅垂线之间的关系非常复杂，实用大地测铅垂线之间的关系非常复杂，实用大地测量都是以铅垂线为依据的站心地平坐标系量都是以铅垂线为依据的站心地平坐标系中进行的。中进行的。32椭球面大地测量的基本任务椭球面大地测量的基本任务 基本任务基本任务：研究旋转椭球面的数学性质，：

14、研究旋转椭球面的数学性质，以及以该面为参考的大地测量计算问题。以及以该面为参考的大地测量计算问题。 主要研究内容主要研究内容：大地控制网的地面数据向：大地控制网的地面数据向椭球面的归算问题；椭球面法截线和大地椭球面的归算问题；椭球面法截线和大地线的性质，以及椭球面三角形的解算方法；线的性质，以及椭球面三角形的解算方法；大地测量主题及其解算方法；椭球面投影大地测量主题及其解算方法；椭球面投影到平面上的问题，以及不同形式的地球坐到平面上的问题，以及不同形式的地球坐标系之间的转换问题。标系之间的转换问题。33法截面法截面包含曲面一点法线的平面。包含曲面一点法线的平面。法截线法截线法截面与曲面的截线。

15、法截面与曲面的截线。斜截线斜截线-不包含法线的平面与曲面的截线不包含法线的平面与曲面的截线子午圈子午圈包含短轴的平面与椭球面的交线。包含短轴的平面与椭球面的交线。卯酉圈卯酉圈与椭球面上一点子午圈相垂直的法截线，与椭球面上一点子午圈相垂直的法截线，为该点的卯酉圈。为该点的卯酉圈。平行圈平行圈垂直于短轴的平面与椭球面的交线。垂直于短轴的平面与椭球面的交线。34大地问题正解大地问题正解已知已知P1P1点大点大地坐标（地坐标（B1B1，L1L1）、）、P1P2P1P2大地大地线长线长S S和大地方位角和大地方位角A1A1，推求，推求P2P2点大地坐标（点大地坐标（B2B2，L2L2）和大）和大地方位角

16、地方位角A2A2。 大地问题反解大地问题反解已知已知P1P2P1P2两点的大地坐标（两点的大地坐标（B1B1，L1L1）、（）、（B2B2，L2L2）反算）反算P1P2P1P2的的大地线长大地线长S S和大地方位角和大地方位角A1A1、A2A2。大地元素：大地纬度、大地经度、大地线长度、正反大地方位角大地测量主题大地测量主题35 横轴椭圆柱相切等角投影横轴椭圆柱相切等角投影 高斯高斯- -克吕格投影克吕格投影SONyxSONGauss平面直角坐标系X轴向西平移500KM36 高斯投影基本要求：高斯投影基本要求：（1）椭球面上的角度投影到平面上后保持不）椭球面上的角度投影到平面上后保持不变变（2

17、）中央子午线的投影是一条直线，并且是）中央子午线的投影是一条直线，并且是投影点的对称轴投影点的对称轴（3）中央子午线投影后没有长度变形，在中）中央子午线投影后没有长度变形，在中央子午线方向上满足等长的条件。央子午线方向上满足等长的条件。37为限制长度投影变形，投影分带有为限制长度投影变形，投影分带有6 6度分带和度分带和3 3度分带两种方法。度分带两种方法。 321L0NLn454341393735333129272523222120191817161514132113813212612011410810296908478721260135129123117111105999387817593

18、382.5 物理大地测量学物理大地测量学 任务任务：研究利用地球的重力等物理观测量：研究利用地球的重力等物理观测量确定地球形状、地球外部重力场及其变化确定地球形状、地球外部重力场及其变化等问题。等问题。 内容内容（1）研究地球形状及其外部重力场；）研究地球形状及其外部重力场；（2）发展重力场探测设备及探测方法；）发展重力场探测设备及探测方法；（3）研究利用地球重力场理论和信息解决）研究利用地球重力场理论和信息解决大地测量科学问题大地测量科学问题391 1、重力、重力 地面空间任意一质点地面空间任意一质点K K（质量为（质量为m m）的重力）的重力g g等于等于 引力引力F F与离心力与离心力P

19、 P的合力的合力 （1 1）地球引力）地球引力 （2 2）离心力）离心力 （3 3）重力）重力 g=F+Pg=F+PFPgrOxyzK2rMmfF 2mp 40 大地水准面：与静止状态海水面相重合的大地水准面：与静止状态海水面相重合的重力等位面。重力等位面。Geoid 大地水准面高，大地水准面起伏大地水准面高，大地水准面起伏41重力测量技术重力测量技术 地面重力测量地面重力测量42 海洋和航空重力测量海洋和航空重力测量43卫星重力测量卫星重力测量 地面跟踪卫星测定重力场地面跟踪卫星测定重力场 卫星跟踪卫星测量重力场卫星跟踪卫星测量重力场（1）高低卫星跟踪）高低卫星跟踪（2）低低卫星跟踪）低低卫

20、星跟踪l卫星重力梯度卫星重力梯度44452.6 空间大地测量学空间大地测量学 内容内容1）建立和维持全球和区域大地测量）建立和维持全球和区域大地测量系统与大地测量框架；（系统与大地测量框架；（2）快速、精确测）快速、精确测定全球、区域或局部空间点的三维位置和定全球、区域或局部空间点的三维位置和相互位置关系；（相互位置关系；（3）利用地面站观测数据）利用地面站观测数据确定卫星轨道；（确定卫星轨道；（4）探测地球重力场及其）探测地球重力场及其时变，测定地球潮汐；（时变，测定地球潮汐；（5）监测和研究地）监测和研究地球动力学；（球动力学；（6）监测和研究电离层、对流）监测和研究电离层、对流层、海洋环

21、流、海平面变化、冰川、冰原层、海洋环流、海平面变化、冰川、冰原的时变。的时变。46空间大地测量技术空间大地测量技术 卫星地面跟踪观测：卫星地面跟踪观测：SLR，DORIS，PRARE 卫星对地观测：卫星对地观测：SA，SGG，InSAR、GPS，GLONASS，GALILEO，COMPASS 卫星对卫星观测：高低卫星跟踪，低低卫卫星对卫星观测：高低卫星跟踪，低低卫星跟踪，高高卫星跟踪星跟踪，高高卫星跟踪47卫星激光测距卫星激光测距SLR484950卫星测高技术卫星测高技术51卫星测高应用卫星测高应用 精确重定平均海面高，实现海洋深度基准精确重定平均海面高，实现海洋深度基准的垂向定位的垂向定位

22、测定高分辨率的海洋重力场测定高分辨率的海洋重力场 反演高分辨率的海洋潮汐模型反演高分辨率的海洋潮汐模型 监测海平面变化与厄尔尼诺现象监测海平面变化与厄尔尼诺现象 研究和监测海洋动力环境研究和监测海洋动力环境52星载多普勒定轨定位技术星载多普勒定轨定位技术DORIS5354Map of the current DORIS network(2008.02) International DORIS Service (IDS) http:/ids.cls.fr/55精密测距测速技术精密测距测速技术PRARE PRARE是德国发展的双频双程微波是德国发展的双频双程微波卫星跟踪系统，精确测定卫星和地面卫星

23、跟踪系统，精确测定卫星和地面之间的距离和距离变化率。之间的距离和距离变化率。56甚长基线干涉测量技术甚长基线干涉测量技术VLBI575859602.7 我国我国50多年的大地测量进展多年的大地测量进展 自习自习61作业作业 大地测量学的基本任务和特点？大地测量学的基本任务和特点？ 大地测量坐标系统和大地测量坐标框架有何异同？大地测量坐标系统和大地测量坐标框架有何异同？ 常用角度、距离、高程、重力等测量的技术？常用角度、距离、高程、重力等测量的技术？ 大地测量主题？大地测量主题？ Gauss投影特点及其分带投影特点及其分带 物理大地测量的内容和任务物理大地测量的内容和任务 主要有哪些空间大地测量

24、技术？主要有哪些空间大地测量技术？ 自自1950s以来，我国采用了哪些平面控制网、高以来，我国采用了哪些平面控制网、高程控制网、重力网？程控制网、重力网？62 谢谢！谢谢！631.2 空间大地测量技术一、原理观测量：站星矢量、卫地距站星矢量、卫地距离、相邻时刻的卫地距离离、相邻时刻的卫地距离差、卫地距离变化率差、卫地距离变化率OPS tPrXYZ tr t tttPrr ttt tttPe 1221,tttt tttt64协议地固坐标系与协议惯性系的关系 协议地固坐标系与协议惯性系之间的坐协议地固坐标系与协议惯性系之间的坐标转换需要加岁差标转换需要加岁差, 章动章动, 地球自转角和极移地球自转

25、角和极移改正改正. ttPTTTTP021rBBNRPRr岁差：A slow gyration of Earths axis around the pole of the ecliptic, caused mainly by the gravitational pull of the sun, moon, and other planets on Earths equatorial bulge. 章动：A small periodic motion of the celestial pole of Earth with respect to the pole of the ecliptic.极

26、移：地球自转轴相对于地球的晃动65空间大地测量的观测方法1、卫星摄影法、卫星摄影法2、卫星多普勒、卫星多普勒3、卫星激光测距、卫星激光测距4、甚长基线干涉测量、甚长基线干涉测量5、卫星测高、卫星测高6、全球定位系统（、全球定位系统（ GPS）66卫星激光测距 测定激光由地面站发射经卫星反射到地面站接收的时间间隔 , 计算观测时刻地面到卫星的距离.C21 目前的距离测量精度已经达到厘米级. Lageos卫星的人卫激光观测资料对目前低阶重力场的确定起到重要作用.67人卫激光仪68装有激光发射棱镜的卫星69甚长基线干涉测量观测对象：河外类星体河外类星体观测仪器：射电望远镜射电望远镜观测量：射电源到同

27、步射电源到同步观测的射电望远镜的观测的射电望远镜的时间差时间差解算量：同步观测的射同步观测的射电望远镜之间的坐标电望远镜之间的坐标差等差等射电源电磁波 射电望远镜射电望远镜70卫星测高卫星测高71hQBPPoZSrhSSSZYXS,H海面椭球面Er卫星测高原理卫星测高原理Hhh thNh72全球定位系统（全球定位系统（GPS）1989年发射工作卫星1994年部署完24颗卫星系统由三大部分组成：1、GPS卫星2、地面控制部分3、用户部分73GPS接收机接收机741.3 地球形状表述的数学模型和物理模型地球形状表述的数学模型和物理模型1.3.1 大地水准面大地水准面具有物理意义的地球形状表述具有物

28、理意义的地球形状表述即贴近于平均海水面的重力等位面。What we call in the geometric sense the surface of the earth is nothing else but that surface which intersects the direction of gravity at right angles and from which the surface of the worlds ocean is a part. C. Gauss 1828We shall call the previously defined mathematical surface of the Earth, of which the ocean surface is a part, geoidal surface of the Earth or the geoid. J.Listing 1873了75大地水