大地测量学1绪论

1、1,1/66,主讲:李征航,2,目 录,第一章、绪论 第二章、时间系统 第三章、坐标系统 第四章、VLBI原理及应用 第五章、激光测卫和激光测月 第六章、卫星测高 第七章、重力卫星测量 第八章、卫星导航定位及脉冲星导航定位,3,目 录,第一章、绪论 1.1 传统大地测量的局限性 1.2 空间大地测量的产生 1.3 空间大地测量的定义、任务及几种主要技术,4,绪论,大地测量学经历了一场划时代的革命性的变革，进入了以空间大地测量为主的现代大地测量的新阶段。 空间大地测量所求得的点位精度、地球定向参数（极移、日长变化等）的精度、地球重力场模型的精度和分辨率比以前都有了极大的提高。 空间大地测量已成为

2、建立和维持地球参考框架，测定地球定向参数，研究地壳形变与各种地球动力学现象，监测地质灾害的主要手段之一，并渗透到人类的生产、生活、科研和各种经济活动中去。从而使大地测量处于地球科学多种分支学科的交汇边缘，成为推动地球科学发展的前沿学科之一，加强了大地测量学在地球科学中的战略地位。,5,1.1 传统大地测量的局限性,1）测站间需保持通视： （1）需花费大量人力物力修建觇标。,6,（2）边长受限制： 大陆之间、大陆和远距离海岛之间无法联测，全球形成了100多个大地坐标系，无法建立全球统一的坐标系。 不能联测，数百年来大地测量学家只能采用有限局域大地测量资料来推求地球的形状和大小。差距大、工作缓慢。

3、 首级控制网布设进度慢，无法在短时间内建立坐标框架。 （3）迁站困难。,1.1 传统大地测量的局限性,7,2）无法同时精确确定点的三维坐标 由于平面控制网和高程控制网是分别布设的： （1）点的平面位置时以椭球面为基准面通过三角测量、导线测量得到。 （2）点的高程以大地水准面或似大地水准面为基准面通过水准测量求得。 缺点： （1）增加了工作量。 （2）水准点一般沿道路、河流等高差起伏不大的地带布设，无精确的平面坐标； （3）平面控制点在山区时，位于山头上，起高程使用三角高程测量求得，无准确的高程坐标。这种情况对分析和进一步测量带来困难。,1.1 传统大地测量的局限性,8,3）观测受气候条件影响：

4、 雨天、黑夜、大雾、大风、能见度低时不宜测量。 4）难以避免某些系统误差的影响： 光学仪器的测量值会因为大气密度不同而受到不同的弯曲影响，即旁折光影响。 地球引力由两极到赤道减小，大气密度变化一样。 5）难以建立地心坐标系： 占全球总面积70%的海岸为布设大地控制网，占全球总面积30%的陆地无法进行大地联测，只能区域测量，建立区域参考椭球与区域大地水准面吻合。 无法建立全球参考椭球。,1.1 传统大地测量的局限性,9,1.2 空间大地测量的产生,1）要求提供更精确的地心坐标 非地心参考椭球作为基准面：20世纪50年代前； 20世纪中叶空间技术和远程武器迅猛发展，要求地心坐标。,1.2.1时代对

5、大地测量提出的新要求,10,2）要求提供全球统一的坐标 全球化的航空、航海导航要求全球统一的坐标系统 一些跨地区、跨国家等长距离高精度应用测量项目出现,1.2.1时代对大地测量提出的新要求,11,3）要求在长距离上进行高精度的测量； 4）要求提供精确地（似）大地水准面差距； 5）要求高精度、高分辨率的地球重力场模型； 6）要求出现一种全天候、更为快捷、精确、简便的全新的大地测量方法；,1.2.1时代对大地测量提出的新要求,12,1)空间技术的发展 我们可以按需要设计制造、发射不同功能、不同轨道的卫星，并能精确控制姿态，精确测定卫星轨道并进行预报，为卫星定位技术的产生奠定了基础。 2)计算机技术

6、的发展 对卫星精密定轨和空间定位中对大量资料进行极其复杂的数学处理提供了可能性。,1.2.2 空间大地测量产生的可能性,13,3) 现代电子技术，尤其是超大规模集成电路技术 大量电子元件浓缩在一块小小的芯片上，便携式GPS,VLBI,SLR; 实现低能耗、低价格、小体积、轻便、质量可靠，使空间大地测量实用化。,1.2.2 空间大地测量产生的可能性,14,4）其他技术 多路多址技术、编码技术、扩频技术、加密技术、解码技术等通讯技术，信号和滤波理论，系统和控制理论为卫星通讯、卫星信号处理奠定基础； 大气科学的发展对为卫星轨道计算机信号传播延迟改正提供了基础； 天文学、传统大地测量学、导航学等对空间

7、大地测量学的产生积累了实际经验。,1.2.2 空间大地测量产生的可能性,15,1.3 空间大地测量的定义、任务及几种主要技术,利用自然天体或人造天体来精确测定点的位置，确定地球的形状，大小，外部重力场，以及它们随时间的变化状况的一整套理论和方法称为空间大地测量学。 空间大地测量包含两个要素：一是必须利用空间的自然天体或人造天体所发出的信号来进行观测或将它们作为观测目标；二是所做的工作必须属于大地测量的范畴。,1.3.1 什么是空间大地测量,16,空间大地测量要解决的问题和承担的具体任务很多，但归纳起来大体上可分为两类: 一类是建立和维持各种坐标框架; 一类是确定地球重力场。,1.3.2 空间大

8、地测量的主要任务,17,坐标系统 由一系列的规定，协议等从理论上来加以定义的 原点，轴指向，尺度（原点，长半轴，扁率） 参考框架 坐标系统定义要依靠某些单位通过长期的观测和数据处理后采用一定的形式来加以实现。坐标系统的具体实现称为参考（参考）框架。 主要的两种参考框架 地球参考框架 天球参考框架 地球坐标系统和天球坐标系统之间的坐标转换 必须精确确定地球定向参数,1.3.2 空间大地测量的主要任务,1.建立和维持各种类型的坐标框架,18,1)建立和维持地球参考框架 (1) 建立和维持全球性的地球参考框架 技术资料 VLBI，SLR，GPS，DORIS等空间大地测量技术的并址观测资料； 经统一处

9、理后来建立和维持； 在大地测量和地球动力学等领域中被广泛使用的、精度最高、全球性的地球参考框架是国际地球参考框架ITRF IERS给出了11个不同版本的ITRF： ITRF88、89、90、91、92、93、94、96、97、2000和ITRF2005。,1.3.2 空间大地测量的主要任务,19,(2) 建立和维持区域性的地球参考框架 方法 由于传统大地测量的局限性，目前建立和维持区域性的地球参考框架的任务主要也是由空间大地测量来承担的 大国或洲的范围内来建立和维持地球参考框架时 可考虑综合利用多种空间大地测量技术来实现； 在缺乏（VLBI，SLR）等空间大地测量资料的情况下，也可仅用GNSS

10、资料来予以实现。 在更小的区域中来建立和维持地球参考框架（布设大地控制网），则： 主要依靠GNSS技术来实现。 在特殊情况下也不排除用传统大地测量的方法来予以实现的可能性。,1.3.2 空间大地测量的主要任务,20,2）建立和维持国际天球参考框架 目前国际天球参考框架ICRF； 由IERS利用VLBI技术所测定的河外射电源的方向来实现和维持的 ； 国际天球参考框架ICRF可分为： BCRF：日心 GCRF：地心,1.3.2 空间大地测量的主要任务,21,3）测定地球定向参数 必要性 自然天体、人造天体-天球坐标系GCRS； 地面测站-地球坐标系ITRS； 坐标转换就需要知道转换参数，于是精确测

11、定ITRS和GCRS间的转换参数也称为空间大地测量的一项重要任务 岁差、章动，极移和地球自转,1.3.2 空间大地测量的主要任务,22,1.3.2 空间大地测量的主要任务,3）测定地球定向参数 极移值 反映了地球自转轴在地球本体内的运动状态； 格林尼治真恒星时GAST是一个反映地球自转的参数； 岁差和章动则反映了地球自转轴在GCRS中的运动状况。 上述参数统称为地球定向参数，利用这些参数就能实现ITRS和GCRS之间的坐标转换。,23,2.测定地球重力场 意义： 高分辨率高精度的地球重力场模型对于军事部门、航空航天部门，以及大地测量，地球动力学等地学研究部门意义重大； 传统大地测量的局限性 在

12、20世纪50年代前测定地球重力场的工作进度缓慢 ； 空间大地测量的诞生从根本上改变了这种状况 根据卫星的轨道摄动来反演地球重力场； 利用卫星测高技术来实际测定海洋地区的大地水准面反演海洋地面的重力场 ； 利用高-低模式和低-低模式的卫星跟踪卫星以及卫星重力梯度测量技术来反演地球重力场 ； 高分辨率、高精度、变化性,1.3.2 空间大地测量的主要任务,24,1.甚长基线干涉测量（VLBI） 定义 两台配备了高精度原子钟，相距遥远的射电望远镜A和B，同时对来自某一射电源的信号进行观测，利用干涉测量的方法对两台分别记录的信号进行相关处理以求得信号到达AB两站的时延以及时延的变率，进而精确确定基线向量

13、，以及从射电望远镜至射电源的方向的一整套理论，方法和技术。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,25,1.甚长基线干涉测量（VLBI） 应用 建立和维持全球性的或区域性的地球参考框架，也可用于测定板块运动和地壳形变等地球动力学现象； 建立和维持国际天球参考框架ICRF的首选方法。天文学家则利用这种方法以毫角秒的精度来研究射电源内部的精细结构； VLBI可以精确测定极移和地球自转UT1参数，而且还能测定岁差和章动。 与SLR一起为ITRF提供精确的尺度。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,26,定义 利用安置在地面测站上的激光测距仪对配备有后向反射棱镜的卫星进行距离测量； 根据激光脉冲

14、测距信号往返传播的时间来测定从地面测站至卫星的距离的方法和技术称为激光测卫。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,2.激光测卫（SLR）,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,2.激光测卫（SLR）,27,应用 用SLR可精确测定地面测站的地心坐标-建立地心坐标系； SLR也是建立和维持地球参考框架、测定板块运动和地壳形变的一种重要方法； SLR是一种重要的定轨技术； 测定的卫星轨道及轨道摄动，可测定GM值等大地测量常数，可精确测定地球质心的位置及其变化，还可精确测定地球重力场中的中、低阶项 ； SLR与VLBI一起为地球参考框架提供高精度的尺度基准；,1.3.3 几种主要的空间大地测量

15、技术,2.激光测卫（SLR）,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,2.激光测卫（SLR）,28,GNSS GPS-美国 俄罗斯的GLONASS 欧洲-Galileo 中国-COMPASS。 各种全球性的卫星导航定位系统合称GNSS；,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,3.GPS(GNSS),1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,3.GPS(GNSS),29,用途 建立和维持全球性的或区域性的地球参考框架； 卫星定轨 测定地球自转参数 除此之外，GPS还被广泛用于高精度授时和时间比对，测定电离层中的总电子含量TEC,开展GPS气象学研究，提供对流层中的各种气象参数，特别是水汽含量。,

16、1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,3.GPS(GNSS),1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,3.GPS(GNSS),30,法国研制组建的采用多普勒测量的方法来进行卫星定轨和定位的综合系统； 在地面跟踪站上安装信号发射机，而卫星上则安装信号接收机 ； 在全球较均匀地布设了70多个地面站 。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,4.DORIS,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,4.DORIS,31,应用 卫星定轨 确定的卫星轨道的径向误差为3 cm。 与SLR、GPS等方法进行联合定轨时，径向误差为12 cm 建立和维持地球参考框架 把地面站坐标也当作待定参数，采用自由网平差

17、的方式把它们也估计出来的话，就能确定地面站的坐标 。 测定地球自转参数 利用DORS来测定极移时，在卫星数较多的情况下所测定的极移值的精度可达亚毫角秒的水平,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,4.DORIS,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,4.DORIS,32,第一代卫星重力技术 人造地球卫星受摄动力的影响 地球形状引力，气阻力，太阳光压力，日、月引力等； 其轨道会产生摄动。 反演出地球重力场 若用以下方法来精确测定卫星轨道 摄影观测，激光测距，多普勒测量等； 进而求得轨道摄动量 反演地球重力场。 某一卫星轨道一般只对地球重力场中的某些部分敏感，而对另一些部分则不很敏感； 需要对

18、具有不同轨道的多个卫星进行观测和分析； 才能获得完整的地球重力场模型；,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,5.利用卫星轨道摄动反演地球重力场,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,5.利用卫星轨道摄动反演地球重力场,33,20世纪70年代出现的一种卫星重力学方法。 卫星测高则可以称为第二代卫星重力技术； 建立的地球重力场模型，在分辨率和精度上有了明显提高 。 基本工作原理： 用测高卫星上配备的微波（激光）测高雷达来测定至海平面的垂直距离； 并利用SLR、GPS、DORIS等来精确确定该卫星的轨道； 从而求得平均海面的形状； 经潮汐、洋流、海面地形等改正后获得海洋大地水准面； 并反求出地

19、球重力场。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,6.卫星测高,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,6.卫星测高,34,1）高轨卫星跟踪低轨卫星模式 背景 地理和政治方面的原因，在全球均匀布设地面定轨网困难； 全球数十个地面站每隔12个小时就需对低轨卫星进行一次观测，工作负荷很大 ； 方法 低轨卫星上配备GNSS接收机，将高轨道GNSS卫星作为动态已知点，利用载波相位或伪距观测值来确定低轨卫星轨道； 伪距-米级 ； 载波相位-厘米级 ；,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,35,1）高轨卫星跟踪低轨卫星模式

20、应用 利用高轨卫星跟踪低轨卫星，精确测定低轨道的重力卫星的轨道后： 在已用加速度计和现有模型精确分离出其它摄动因素； 根据单卫星能量守恒定律来精确地计算地球重力场模型。 例子 CHAMP卫星恢复的地球重力场模型的分辨率和精度均优于用地面跟踪资料求得的重力场模型；,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,36,2）低轨卫星跟踪低轨卫星模式 原理 两个相距不太远的在低轨道上飞行的卫星，分别用高精度的微波测距系统来精确确定两个卫星之间的距离和距离变化率； 同时利用高轨道的GNSS卫星导航定位系统来精确确定低轨卫星的轨道； 并根据上述资料求得两卫星处的瞬时的引力位差，进而求得地球重力场的方法和技术。,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,1.3.3 几种主要的空间大地测量技术,7.卫星跟踪卫星,37,2）低轨卫