第二章大地测量学基础.

2.1地球的运动从不同的角度，地球的运转可分为四类：天文学的基本概念（预备知识）–与银河系一起在宇宙中运动–在银河系内与太阳一起旋转–与其它行星一起绕太阳旋转（公转）–地球的自转（周日视运动）第二章坐标与时间系统预备知识天球的基本概念所谓天球，是指以地球质心O为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。建立球面坐标系统，如图2－1所示.参考点、线、面和圈天球的概念天轴与天极地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点PN和PS称为天极，其中PN称为北天极，PS为南天极。天球赤道面与天球赤道通过地球质心O与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。天球子午面与子午圈含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面.天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。时圈通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。黄道地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大圆称为黄道。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。黄极通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为黄极。其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。春分点与秋分点黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称为春分点，用γ表示。在天文学中和研究卫星运动时，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和基准面赤经与赤纬地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。地球的公转：开普勒三大运动定律：—运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；—在单位时间内扫过的面积相等；—运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。地球的自转的特征：(1)地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）①岁差：地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5°，旋转周期为26000年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每年向西移动50.3″考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。②北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园，而是类似圆的波浪曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振幅为9.21″的短周期运动。这种现象称为章动。真赤道:某一时刻的赤道。(由于岁差和章动的影响,每一时刻赤道的位置不同)平赤道:只有岁差影响时的赤道。黄经章动:章动引起的黄经变化。即平春分点与真春点的角距。交角章动:章动引起的黄赤交角的变化。章动影响(2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO(ConventionalInternationalOrigin)。也称协议地球极CTP。国际极移服务(IPMS)和国际时间局(BIH)等机构分别用不同的方法得到地极原点。国际时间局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。地极坐标系：以CIO为原点，零子午线方向为X轴，以零子午线以西为了描述90°子午线为y轴。用来描述极移规律。地球自转不但不均匀，而且还有季节性和短期性的变化。现已弄清的有以下几种原因：①地球自转长期减慢的现象引起长期减慢的原因，一般认为是受潮汐磨擦力的影响。日长大约在100年内增长0s.0016。②地球自转不规则的变化地球自转有时快有时慢。在快慢交替的时候，变化相当显著，变化量将超过地球自转在100年内长期减慢所积累起的数值。原因：多方面，Ⅰ内部物质的移动；Ⅱ太阳光斑喷射的微粒子流与地球磁场耦合而产生得阻尼影响。(3)地球自转速度变化（日长变化）③地球自转的季节性变化周期较短，变化周期为一年和半年，变化振幅最大可达0s.03左右。原因：科学家们认为是由大气环流的季节性变化造成的。④地球自转的短周期变换周期为一个月和半个月，振幅在1毫秒以下，全部积累起来的影响在最大时也不超过3毫秒。⑤极移地球除自转速度不均匀外，地极在地球表面上24米×24米范围之内作反时针近似圆形螺旋曲线的周期运动，这种现象称为“极移”。周期约为一年。由于“极移”导致各地的经、纬度不同，从而各地天文台所测的世界时稍有差异。描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数(EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为地球自转参数(ERP)，EOP即为ERP加上岁差和章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站()时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。–––运动是可观测的。选取的物理对象不同，时间的定义不同:地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。2.2时间系统•恒星时(ST)以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为恒星时。春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为一个恒星日，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、格林尼治平恒星时之间的关系：362102.6093104.0812866.864018454841.2411010027379093.1cosTTTUTGMSTLASTGASTLMSTGMSTGMSTGASTLMSTLASTsSSs•平太阳时MT以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为真太阳时。一个真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短。假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点，如果LAMT表示平太阳时角，则某地的平太阳时MT=LAMT+12(平子夜与平正午差12小时）•世界时UT：以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时。UT=GAMT+12GAMT代表格林尼治平太阳时角。世界时世界时UT可分为以下三类：①UT0：直接由天文观测得到的世界时。由于极移的影响使各地测得的UT0有微小的差别，所以不宜作统一的时间。②UT1：是由UT0经过极移改正后得出的时间，称为世界时。这是真正反映地球自转的统一时间。也是天文航海所用的时间。UT1=UT0+Δλ③UT2：是由UT1经过季节性改正后得出的世界时间。这是1972年以前国际公认的时间标准。但是，由于它仍旧存在着无法预测的长期减慢和不规则变化等因素的影响，所以在对时间精度提出更高要求的情况下，UT2也就不能作为均匀的时间标准了。UT2=UT1+ΔT•历书时ET与力学时DT由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。1958年第10届IAU决定，自1960年起开始以地球公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的1／31556925.9747在天文学中，天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编写的，其中采用的独立变量是时间参数T,其变量被定义为力学时，力学时是均匀的。参考点不同，力学时分为两种：1)太阳系质心力学时TDB2)地球质心力学时TDTTDT和TDB可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现，TDT代替了过去的ET地球质心力学时的基本单位国际秒制，与原子时的尺度相同。IGU规定：1977年1月1日原子时（TAI)0时与地球力学时严格对应为：TDT=TAI+32.184•原子时(AT)原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9192631770周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。原子时的原点定义：1958年1月1日UT2的0时。AT=UT2－0.0039(s)地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。•协调世界时(UTC)原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，秒长不等，大约每年相差1秒，便于日常使用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，称之为世界协调时(UTC)。当大于0.9秒，采用12月31日或6月30日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。世界各国发布的时号均以UTC为准。•GPS时间系统时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持的原子时称为GPST。GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。GPST=UTC+n§2.3坐标系统一、基本概念1、大地基准：地球椭球①椭球参数:长半径和扁率。②椭球定向:椭球旋转轴平行于地球旋转轴,椭球起始子午面平行于地球起始子午面。③椭球定位:确定椭球中心与地球中心的相对位置。2、大地测量参考系天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统。①坐标参考系统：天球坐标系、地球坐标系点的坐标可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示。基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统!②高程参考系统正常HH正高:以大地水准面为参考面PH正HN正常高:以似大地水准为参考面NHH正③重力参考系统：重力观测的参考系统。3、大地测量的参考框架大地测量参考系统的具体实现，是通过布设大地控制网(点)构建坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。①、坐标参考框架：具体实现：国家平面控制网，GPS网②、高程参考框架:具体实现：国家高程控制网（水准网）③、重力参考框架：具体实现：国家重力基本（控制）网4、椭球定位和定向概念①椭球定位：确定椭球中心的位置。地心定位：椭球面与大地水准面全球最佳符合。椭球中心与地球质心一致或最为接近。局部定位：椭球面与大地水准面局部最佳符合。②椭球定向：确定旋转轴和起始子午面的方向。a.椭球短轴平行于地球旋转轴；b.大地起始子午面平行于天文起始子午面。③参考椭球：具有确定参数(a,α),经过局部定位和定向的地球椭球。④总地球椭球：具有确定参数(a,α),经过地心定位和定向，与全球大地水准面最为密合的地球椭球。二、惯性坐标系(CIS)与协议天球坐标系1、惯性坐标系（CIS）与协议天球坐标系定义①惯性坐标系（CIS）：在空间不动或做匀速直线运动的坐标系。②协议天球坐标系：以某一约定时刻t0作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后作为Z轴，以对应的春分点为X轴的指向点，以XOZ的垂直方向为Y轴方向建立的天球坐标系。是一种近似的惯性坐标系。目前采用的协议天球坐标系是以标准历