1-空间大地测量学-绪论(1,2,3)

1/681/66主讲:魏二虎2/68基本情况和要求•课程名称：空间大地测量学•课程性质：研究方向必修课，2学分•授课教授：魏二虎博士•课时：–总课时：36，共9周–4课时/周•出勤率•最终成绩–平时作业：报告/论文，占总成绩的40%–最终考试：报告/论文，占总成绩的60%3/68基本情况和要求(续)•参考资料–教材：•空间大地测量学（李征航，魏二虎，王正涛，彭碧波），武汉大学出版社，2010.3–参考资料：•空间大地测量理论基础（李征航，徐德宝，董挹英，刘彩璋），武汉测绘科技大学出版社，1998•空间大地测量，中国地质大学出版社，1988•卫星大地测量，测绘出版社，1990•VLBI,SLR,LLR,GNSS技术及应用与空间大地测量的期刊论文•空间大地测量的期刊论文•IERS,IVS,ILS,IGS网络•国际国内的有关空间计划4/68联系信息•主讲教授：魏二虎•办公室–武汉大学信息学部，4号楼419室–测绘学院，空间定位与导航工程研究所•电话:–座机：027-68758505(O),87377786(H)–移动电话：[phone]•E-mail:[e-mail]5/68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6/68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7/68第1章的作业•题目–传统/天文观测手段用于大地测量的研究•形式：报告或论文–报告包括：•研究现状论述•存在的问题及影响–论文在报告的基础上，还包括：•解决方法、公式推导、软件设计等•实验、计算、结果分析•结论及展望–参考文献–对这次研究的自我评价.8/68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9/68§1.1传统大地测量的局限性1、大地测量学1）概念是研究：•地球的形状，大小；•地球的外部重力场；以及它们随时间的变化状况的一门科学。10/68§1.1传统大地测量的局限性1、大地测量学（续）2）必要性或意义–测量工程的需要和基础：坐标系统和高程系统•控制点成果-控制测量-上级控制点-坐标系统（高程系统）；•地形图-地形点测量、遥感地形•施工点成果-工程设计、放样测量；11/68§1.1传统大地测量的局限性1、大地测量学（续）2）必要性或意义（续）–导航系统的需要：坐标系统和高程系统•陆、海、空12/68§1.1传统大地测量的局限性1、大地测量学（续）3）大地测量学与坐标系统–坐标系统•规则数学体-地球形状及其变化–海拔高程系统•海拔高程起算面-大地水准面-地球重力场及其变化13/68§1.1传统大地测量局限性2、常规大地测量方法–测量•距离•方位角•水准等观测量–数据处理•最小二乘–主要采用：条件平差法14/683、常规大地测量过程由于平面和高程的基准面不同、测量方法不同，国家平面坐标系统和高程系统通常是分别实现的。§1.1传统大地测量局限性15/681）国家平面坐标系统实现过程主要工作：有以下五项工作：（1）国家平面控制网布设（2）建立大地基准、确定全网起算数据（3）控制网的起始方位角的求定（4）控制网的起始边长的测定（5）其它工作16/681）国家平面坐标系统实现过程（1）布设国家平面控制网–国家平面控制网一般采用：•三角锁、三角网•电磁波测距导线，等形式来布设；17/68（2）建立大地基准、确定全网起算数据①建立大地基准一般使用天文重力网完成两项工作：ⅰ确定参考数学规则体的形状及参数，如参考椭球的：•长短半轴定向•长短半轴大小•椭球扁率1）国家平面坐标系统实现过程（续）A(B,L,H)BLH0起始子午面赤道18/68①建立大地基准（续）ⅰ确定参考数学体参数•这一部分工作借助于国际资料：•选择已有参考椭球；•椭球短轴平行于地球自转轴，大地起始子午面平行于天文起始子午面；•1954北京坐标系：采用卡拉索夫斯基椭球参数；•西安80坐标系采用IUGG1975推荐的椭球参数。19/68ⅱ、进行参考椭球的定位−条件在一定范围内与大地水准面吻合最好：几何上表达为椭球面在地区或全国范围内与大地水准面相重合或相差数接近常数。–做法采用局部的大地测量资料：重力测量、水准测量等资料：•大地水准面差距平方和：∑（N2)=Min；•或高程异常平方和：∑（ζ2)=Min•或垂线偏差平方和：∑（ξ2+η2）=Min大地水准面参考椭球面似大地水准面地球表面HgHhgH①建立大地基准（续）20/68②确定全网起算数据ⅰ大地原点的确定–ξ0、η0、N0的绝对值最小。–在以上条件下，求定大地原点上的垂线偏差（ξ0，η0）及大地水准面差距N0。21/68②确定全网起算数据（续）ⅱ大地原点坐标和起始方向：–在大地原点上进行高精度的天文观测测得该点的天文经纬度：(λ0,φ0)及到某一目标的天文方位角α0。–通过下列公式转换为大地原点的大地经纬度（L0,B0)及到某一目标的大地方位角A0:•L0=λ0-η0secφ0•B0=φ0-ξ0•A0=α0-η0tgφ0T1恒星T2恒星T3恒星T4恒星T1恒星α022/68②确定全网起算数据（续）ⅲ各天文点的大地水准面差距Ni–根据N0和各天文点上的垂线偏差（子午分量ξi，卯酉分量ηi）,以及沿线的重力测量资料；–采用天文重力水准的方法求得各天文点的大地水准面差距Ni。23/68（3）控制网的起始方位角的求定•在一等三角锁的两端和二等三角网中通常布设拉普拉斯边：在布设拉普拉斯边的端点上进行高精度的天文观测测得该点的天文经纬度：(λi,φi)及该边的天文方位角αi，转换为大地方位角，作为全网的方位基准：–Ai=αi-ηitgφi=αi-(λi–Li)sinφi•每隔100-150公里加测一个起始方位，以纠正方位角的累计误差。24/6824/66（4）控制网的起始边长的测定在一等三角锁的两端和二等三角网中起始边的长度使用铟钢尺或光电全站仪测定的。测量距离短，间接推出起始边长。25/68（5）其它工作1）对于三角锁或三角网来说，剩余的工作就是使用经纬仪在各三角点上进行方向测量，从起算边长出发通过三角形计算边长，各边的方位，计算出个点坐标。2）电磁波测距导线：在导线点上通过角度测量方位，还要通过测量边长，计算各点坐标。3）最后将方向观测和距离观测转换到椭球面上进行数据处理，得到控制点的大地经纬度(Li,Bi)，投影平面坐标(xi,yi)26/682）国家高程控制网的布设（1）方法–国家高程控制网一般采用几何水准测量的方法来布设。（2）主要工作：①建立国家高程基准：两项工作：•通过验潮站的长期验潮观测资料来确定平均海水面并将起定义为高程起算面。•通过高精度的水准联测来测定水准原点相对于该起算面的高程。上海吴淞口验潮站27/68（2）主要工作②布设国家水准网–原则•从全面到局部，逐级控制的原则布设国家水准网。–方法•首先用高精度和精密水准测量的方法布设一、二等水准网组成国家水准网骨干。•再用三四等水准网加密。28/684、常规方法的局限性1）测站间需保持通视：（1）采用光电仪器，必须通视。（2）需花费大量人力物力修建觇标。29/684、常规方法的局限性（3）边长受限制：–地球曲率、高山、树林、建筑等障碍。①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。②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。30/684、常规方法的局限性（续）（4）工作难度大、效率低–为了保持通视，在山区不得不把控制点布设在个山头上。–在工程项目中往往需要布设许多中间过渡点才能将坐标传递到目的点。加重工作量。31/684、常规方法的局限性（续）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：•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；•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：•增加了工作量；•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；•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。32/684、常规方法的局限性（续）3）观测受气候条件影响：–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。33/68§1.2、空间大地测量的产生1.时代对大地测量提出的新要求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。34/682）要求提供全球统一的坐标（1）全球化的航空、航海导航要求全球统一的坐标系统（2）一些跨地区、跨国家等长距离高精度应用测量项目出现35/68（3）要求在长距离高精度测量•为了研究全球性的地质构造运动、建立和维持全球的参考框架、不同坐标系间的联测等，都要求在长距离上进行高精度定位的技术。–确定卫星轨道的地面卫星跟踪站必须为同一坐标系统；–远程导弹发射点、落点必须为同一个坐标系；–各板块运动的监测必须为同一个坐标系；–以监测海平面上升为例，边长一般为数千公里，要求精度厘米级（10-8相对精度），或毫米级（10-9相对精度）。常规测量边长指导数十公里，精度10-5到10-6。无法满足使用。36/684）要求提供精确的(似)大地水准面差距•随着GNSS等空间定位技术逐步取代传统的经典大地测量技术成为布设全球性或区域性的大地控制网的主要手段；•人们对高精度的、高分辨率的大地水准面差距N或高程异常的要求越来越迫切。37/685）要求高精度的高分辨率的地球重力场模型•随着空间技术和远程武器的发展，用户对卫星的定轨精度及轨道预报精度也提出了越来越高的要求。•精密定轨和轨道预报（尤其是低轨卫星）需要高精度的高分辨率的地球重力场模型来予以支持。38/686）要求出现一种全天候，更为快捷的、精确、简便的全新的大地测量方法•传统大地测量的改进措施都没有突破“地面测量”这一老的作业模式，因而也无法从根本上解决大地测量所面临的固有问题。例如：–由于受到地球曲率的影响，“地面测量”是无法解决边长受限制的问题的；–由于信号全程都是在稠密的大气层中传播的，因而方向测量和距离测量的精度就将受到大气折射和大气延迟改正的精度限制，如果不能再大气改正精度方面取得突破的话，那么大地测量的精度也只能被限制在目前大约为10e-6左右的精度水平上，难以进一步提高。•大地测量界本身也期望能突破“地面测量”的老的作业模式的限制，能出现一种全天候的，更为快捷的、精确、简便的全新的大地测量方法和技术。39/682.空间大地测量产生的可能性(续)1)空间技术的发展(09-17)–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。40/682.空间大地测量产生的可能性（续）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。激光测距仪带反射棱镜的激光卫星41