大地测量系统与参考框架

大地测量系统与参考框架第一页，共二十四页，2022年，8月28日大地测量系统与参考框架一．大地测量时空基准的基本概念二．大地测量常数和大地测量坐标系统三．大地测量参考框架四．高程系统和框架五．重力参考系统和重力参考框架六．时间系统与时间参考框架第二页，共二十四页，2022年，8月28日一．大地测量时空基准的基本概念1．大地测量时空基准大地测量时空基准，就是指大地测量基准和时间基准，它由相应的大地测量系统和时间系统及它们相应的参考框架所构成。大地测量系统和时间系统是总体概念，大地测量参考框架和时间参考框架是大地测量系统和时间参考系统的具体实现。2．大地测量系统与大地测量参考框架

（1）大地测量系统大地测量系统规定了大地测量的起算基准和尺度标准及其实现方式（包括理论、模型和方法）。大地测量系统包括坐标系统、高程系统/深度基准和重力参考系统。第三页，共二十四页，2022年，8月28日一．大地测量时空基准的基本概念

2．大地测量系统与大地测量参考框架（2）．大地测量参考框架大地测量参考框架，就是按大地测量系统的规定的原则，采用大地测量技术，在全球或局域范围内所测定的、固定在地面上的点所构成的大地网（点）或其他实体（静止或运动的物体）。是对大地测量系统的具体实现。与大地测量系统相对应，大地测量参考框架有坐标（参考）框架、高程（参考）框架和重力测量（参考）框架三种。

（4）．大地测量基准建设的任务

大地测量基准建设的任务是，确定或定义坐标系统、高程系统/深度基准和重力参考系统。建立和维持坐标框架、高程框架和重力框架。第四页，共二十四页，2022年，8月28日一．大地测量时空基准的基本概念3．时间系统与时间参考框架（1）时间系统时间系统规定了时间测量的参考标准，包括时刻得参考标准和时间间隔的尺度标准。（2）时间参考框架

时间参考框架就是在全球或局域范围内，通过守时、授时和时间频率测量技术，实现和维持统一的时间系统。

守时为了随时获得世界时，要用精密的天文时计将天文测时结果记录下来，并根据天文时计运行的规律随时指示外推的世界时，这种工作称为守时，也就是时间的保持。最初用来保持时间的时计为天文摆钟。第二次世界大战后，石英钟担负起了守时的任务。目前各国都用原子钟来保持时间。授时系统是确定和发播精确时刻的工作系统

我国的多座天文台均参加测时工作，陕西天文台定时发播时号，供全国校正时间使用。

第五页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统大地测量系统包括两个方面的概念：一是大地测量系统所采用的大地测量常数的确定；二是大地测量应满足的条件。1.大地测量常数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（即地球椭球）几何和物理参数。分为基本常数和导出常数。基本常数唯一定义了大地测量系统。导出常数是由基本常数导出，便于大地测量应用。第六页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统1.大地测量常数（1）大地测量基本常数地球椭球的几何和物理属性可由四个基本常数完全确定，这四个基本常数就是大地测量基本常数。它们是赤道半径a；地心引力常数（包含大气质量）GM；地球动力学形状因子J2；地球自转角速度ω，如图第七页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统1.大地测量常数（2）主要的大地测量导出常数椭球短半轴b：椭球第一偏心率e：椭球第二偏心率e′：椭球几何扁率f：第八页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统1.大地测量常数（3）属于旋转椭球物理常数方面的有椭球的正常重力位U0：椭球的正常重力位γ：椭球正常重力扁率f′：第九页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统1.大地测量常数（4）国际测量和地球物理联合会（IUGG）推荐的大地测量常数IUGG分别于1971年、1975年、1979年推荐了3组大地测量常数，它们对应于大地测量参考系统1967（GRS67）、IUGG75、GRS80。我国西安80坐标系统采用的是IUGG75的大地测量常数。目前广泛使用的是相应于GRS80的大地测量常数。几何常数物理常数a6378137mGM3986005*108m3*s-2J2108263*10-8ω7292115*10-11rad*s-2B6356752.3141mU062636860.850m2*s-21/f298.257222101J4-0.00000237091222第十页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统2.大地测量坐标系统和应满足的条件（1）大地坐标系统的类别大地测量坐标系统是一种固定在地球上，随地球一起转动的非惯性坐标系统，也称地固坐标系统。

根据其原点位置不同，分为地心坐标系统和参心坐标系统。前者的原点与地球质心重合，后者的原点与参考椭球中心重合（参考椭球是指与某一地区或国家地球表面最佳吻合的地球椭球）。

从表现形式上分，常用的大地测量坐标系统有空间直角坐标系统、大地坐标系统二种形式。

（2）地（参）心坐标系应满足的条件第十一页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统2.大地测量坐标系统和应满足的条件（2）地（参）心坐标系应满足的条件Ⅰ：地心坐标系地心坐标系统应满足以下四个条件。①原点位于整个地球（合海洋和大气）的质心；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（CTP）和零子午线，称为地球定向参数EOP；（如BIH1984.0是指z轴和x轴指向分别为BIH历元1984.0年的CTP和零子午线）④定向随时间的演变满足地壳无整体运动的约束条件。

第十二页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统2.大地测量坐标系统和应满足的条件（2）地（参）心坐标系应满足的条件Ⅰ：地心坐标系地心空间直角坐标系统从几何方面通俗的定义也可以作如下表述：坐标系的原点位于地球质心，z轴和x轴的定向由某一历元的EOP确定，y与x、z构成空间右手直角坐标系。地心大地坐标系统的原点与总地球椭球中心（即地球质心）重合，椭球旋转轴与协议地极重合，起始大地子午面与零子午面重合。P(B,L,H;X,Y,Z)ESGyzxOP´BNLHW图2-1地心坐标系示意图第十三页，共二十四页，2022年，8月28日二．大地测量常数和大地测量坐标系统2.大地测量坐标系统和应满足的条件（2）地（参）心坐标系应满足的条件Ⅰ：地心坐标系Ⅱ：参心坐标系参心坐标系统的原点位于参考椭球中心，z轴（椭球旋转轴）与地球自转轴平行，x轴在参考椭球的赤道面并平行于天文起始子午面。第十四页，共二十四页，2022年，8月28日三．大地测量参考框架1.大地测量坐标框架建立的基本方法（1）地心坐标框架地心坐标框架是地心坐标系统的具体实现。全球性地心坐标框架一般以甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月（LLR）、全球定位系统（GNSS）和卫星多普勒定轨定位（DORIS）等空间大地测量技术构成全球或局域的大地测量坐标框架，也可称为大地测量控制网，经数据处理，得到这些控制网点（地面观测站）的坐标和速度等，由此具体体现地心坐标系。

第十五页，共二十四页，2022年，8月28日三．大地测量参考框架1.大地测量坐标框架建立的基本方法（1）地心坐标框架区域性地心坐标框架一般由三级构成。第一级为GNSS连续运行站构成的动态地心坐标框架，它是区域性地心坐标框架的主控制；第二级是与第一级GNSS连续运行站定期联测的大地控制点构成的准动态地心坐标框架；第三级是与第一、二级GNSS连续运行参考站联测的加密大地控制点。（2）参心坐标框架传统的参心坐标框架是由以经典大地测量技术所测定的天文大地网实现和维持的，一般定义在参心坐标系统中，是一种区域性、二维、静态的参心坐标框架，是参心坐标系统的实现。20世纪，世界上绝大部分国家或地区都采用天文大地网来实现和维持各自的参心坐标框架。第十六页，共二十四页，2022年，8月28日四．高程系统和框架1.高程系统（1）高程系统的概念采用不同的基准面表示地面点的高低所产生的几种不同的高程表示法。有正高、正常高、力高和大地高程等系统。

（2）高程基准面的种类高程基准面基本上有两种：一是大地水准面，它是正高和力高的基准面；二是椭球面，它是大地高程的基准面。此外，为了克服正高不能精确计算的困难还采用正常高，以似大地水准面为基准面，它非常接近大地水准面。第十七页，共二十四页，2022年，8月28日四．高程系统和框架2.高程基准高程基准定义了陆地上高程测量的起算点。区域性高程基准可以用验潮站的长期平均海面来确定，通常定义该平均海面的高程为零。在地面预先设置好一固定点（组），利用精密水准测量方法测量固定点与该平均海面的高差，从而确定固定点（组）的海拔高程。这个固定点就称为水准原点，其高程就是区域性水准测量的起算高程。3.高程框架高程框架是高程系统的实现。一般采用高程控制网的方法实现和维持。

第十八页，共二十四页，2022年，8月28日五．重力参考系统和重力参考框架1.重力基准和重力参考系统重力是重力加速度的简称。重力测量就是测定空间一点的重力加速度。重力基准就是标定一个国家或地区的（绝对）重力值的标准。在20世纪50～70年代，我国采用波茨坦重力基准，而我国重力参考系统采用克拉索夫斯基椭球常数。20世纪80年代，我国重力基准用经过国际比对的高精度相对重力仪自行测定，而重力参考系统则采用IUGG75椭球常数及其相应的正常重力场。2.重力框架重力测量框架由分布在全国的若干绝对重力点和相对重力点构成的重力控制网、以及用作相对重力尺度标准的若干条长短基线构成。

第十九页，共二十四页，2022年，8月28日六．时间系统与时间参考框架

时间系统规定了时间测量的参考标准，包括时刻得参考标准和时间间隔的尺度标准。时间系统也称为时间基准或时间标准。频率基准规定了“秒长”的尺度，任何一种时间基准都必须建立在某个频率基准的基础上，因此，时间基准又称为时间频率基准。时间参考框架就是在全球或局域范围内，通过守时、授时和时间频率测量技术，实现和维持统一的时间系统。1.作为时间基准的条件凡能满足稳定性和复现性的要求，并能得到广泛承认的时间参考标准都有可能成为测量时间的标准。一般来说，凡是周期性的运动都可以作为测量时间的标准。例如：地球自转、地球绕太阳公转、月球绕地球运转、单摆振动、原子内部超精细结构能级跃迁辐射或吸收的电磁波等。第二十页，共二十四页，2022年，8月28日六．时间系统与时间参考框架

1.作为时间基准的条件在上述周期运动中，能公认称为时间系统的只有地球自转、地球绕太阳公转、月球绕地球运转、和铯原子内部超精细结构能级跃迁辐射的电磁波。前三种是唯一的自然现象，没有复现性问题，虽然近代发现它们稳定性有问题，但长期来能满足应用要求，所以它们一度成为公认的时间测量标准。现在人们发现，铯原子内部超精细结构能级跃迁辐射的电磁波的稳定性和复现性是最高的，因此在近代已经代替前三种作为时间测量的基准。第二十一页，共二十四页，2022年，8月28日六．时间系统与时间参考框架

2.常见的几种时间系统（1）世界时（UT）（2）历书时（ET）（3）动力学时（UT）（4）原子时（AT）（5）协调时（UTC）（6）GPS时（UT）第