《大地测量学》PPT课件.ppt

第二章 大地测量学,测 绘 学 概 论,1.概述2.大地测量系统与大地测量参考框架3.实用大地测量学4.椭球面大地测量学5.物理大地测量学6.卫星大地测量学7.大地测量的时间基准8.我国近五十年大地测量的进展,大地测量学的基本任务 大地测量学是一门古老而又年轻的科学，是地球科学的一个分支。其基本目标是测定和研究地球空间点的位置、重力及其随时间变化的信息，为国民经济建设和社会发展、国家安全以及地球科学和空间科学研究等提供大地测量基础设施、信息和技术支持。现代大地测量学与地球科学和空间科学的多个分支相互交叉，己成为推动地球科学、空间科学和军事科学发展的前沿科学之一，其范围也己从测量地球发展到测量整个地球外空间。,大地测量学的基本任务是:（1)建立和维护高精度全球或区域性大地测量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;(3)测定和研究地球形状和大小、地球外部重力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，包括地球自转与极移、地球潮汐、板块运动与地壳形变以及其他全球变化;(5)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;(6)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;(8)研究月球和行星大地测量理论和方法。研究月球或行星探测器定位、定轨和导航技术;构建月球或行星坐标参考系统和框架;探测月球和行星重力场。,现代大地测量的六个特点。(1)长距离，大范围。不再受“视线”长度的制约，能提供协调一致的全球性大地测量数据，例如测定全球的板块运动，冰原和冰川的流动，洋流和海平面的变化等，因此过去总在局部地域中进行的传统大地测量现在巳扩展为洲际的、全球的、星际的大地测量。(2)高精度。现代大地测量的量测精度相对于传统大地测量而言，己提高了23个数量级。(3)实时、快速。现代大地测量内、外业几平可以在同一时间段内完成。(4)“时间维”。(5)地心。(6)学科的融合。如大气折射，从干扰源到对大气科学做贡献；对地球动力学，地球物理、海洋学、地质学、地震学做贡献。,大地测量学的作用与服务对象 大地测量学是测绘科学与技术的重要理论基础，是地理信息系统、数字地球、数字中国和数字区域的几何和物理的基础平台，它通过将各种空间信息源统一起来，重构这些信息源之间的几何和物理的拓扑关联。因此，大地测量是组织、管理、融合和分析地球海量时空信息的一个数理基础，也是描述、构建和认知地球，进而解决地球科学问题的一个时空平台。任何形式与地理位置有关的测绘都必须以法定的或协议的大地测量基准为基础。各种测绘只有在大地测量基准的基础上，才能获得统一的、协调的、法定的点位坐标和高程，获得点之间的空间关系和尺度。,1.经济建设 大地测量应用于大范围、跨地区工程的精密测量控制，是确保工程规划放样到实地，确保按设计图纸实施的一种重要技术手段。2.资源与环境发展 测定全球和局域重力场及其时变是大地测量的一个重要内容，是勘探地下资源的重要手段。大地测量形变监测是地壳运动监测不可缺少的技术手段。可以实时地、无地域制约地提供大气的电离层总电子浓度，对流层可降水分和海平面变化的数据，这些信息对无线电通信、气象、汛情全球变化的预报预测都有重要作用。3.空间技术与航天工程 4.地球自转与地球动力学 5.国防安全与军事信息化信息化,2.1.3 大地测量学的现代发展 由于空间技术、计算机技术和信息技术的飞跃发展，以电磁波测距、卫星测量、甚长基线干涉测量等新的大地测量技术出现，形成了现代大地测量学。传统大地测量学主要研究地球的几何形状、定向及其重力场，并关注在地球上点的定位、重力值。现代大地测量则己超过原来传统的研究内容，将原来所考虑的静态内容，在长距离、大范围、实时和高精度测量的条件下，和时间这一因素联系起来。因此，现代大地测量学可以为地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和冰川学等多学科提供所需的信息，这些信息可能是这些学科领域长期以来很难取得的数值，并有可能解决它们相应的困惑。事实证明现代大地测量学业已形成了学科交叉意义上的一门科学，它将更深刻地影响和促进地球科学、环境科学和行星科学的发展。,大地测量学的学科体系 实用大地测量学、椭球面大地测量学、物理大地测量学和卫星大地测量学。海洋大地测量学、动力大地测量学以及月球与行星大地测量学主要是利用上述四个方面内容中的有关理论和方法形成的。,2.2大地测量系统与大地测量参考框架 大地测量系统包括坐标系统、高程系统/深度基准和重力系统。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。大地测量系统是总体概念，大地测量参考框架由若干个固定在地面上的大地网(点)或其他实体(静止或运动的物体)按相应于大地测量系统的规定模式构建，它是大地测量系统的具体实现。,大地测量坐标系统和大地测量常数 大地测量坐标系统规定了大地测量起算基准的定义及其相应的大地测量常数。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。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，大地测量坐标系统又分为空间直角坐标系统、大地坐标系统和球坐标系统三种形式。空间直角坐标用(x，y,z)表示;大地坐标用(经度L，纬度B,大地高H)表示，其中大地高H 是指空间点沿椭球面法线方向高出椭球面的距离。,1.地心坐标系统 地心坐标系统应满足四个条件:通常表达为（1）原点位于整个地球(包括海洋和大气)的质心;（2）尺度是国际统一规定的长度因子;(3)定向为国际测定的某一历元的地球北极（Conventional Terrestrial Pole,CTP)和零子午线，称为地球定向参数(Earth Orientation Parameters,EOP)；(4)满足地球地壳无整体旋转（No Net Rotation NNR）的约束条件。地心空间直角坐标系统若从几何方面或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CTP重合,起始大地子午面与零子午面重合。,2参心坐标系统 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。建国初期，由于缺乏天文大地网观测资料，我国暂时采用了克拉索夫斯基参考椭球，并与前苏联1942 年坐标系统进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系统，称为北京1954（大地）坐标系统。20 世纪80 年代，我国采用国际大地测量和地球物理联合会(International Union of Geodesy and Geophysics,IUGG)的IUGG75 椭球为参考椭球，经过大规模的天文大地网计算，建立了比较完善的我国独立的参心坐标系统，称为西安1980 坐标系统。西安1980 坐标系统克服了北京1954 坐标系统对我国大地测量计算的某些不利影响（东部地区水准面差距可达+68m等）。,3.大地测量常数 大地测量常数是指与地球一起旋转并和地球表面最佳吻合的旋转椭球(即地球椭球)的几何和物理参数。它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。导出常数由基本常数导出，便于大地测量应用。大地测量常数按属性分为几何常数和物理常数。IUGG 分别于1971、1975、1979 年推荐了三组大地测量常数，它们对应于大地测量参考系统1967(GRS67)、IUGG75、1980(GRS80)。我国西安1980 大地坐标系统采用IUGG75 的大地测量常数。目前，正被广泛使用的常数是GRS80 定义的。a:长半轴，b:短半轴，c:a2/b,(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。它们是地球赤道半径a；地球动力学形状因子J2;地心引力常数GM，其中G是万有引力常数，M是地球的陆、海和大气质 量的总和;地球自转角速度w。前两个称为大地测量基本几何常数，后两个称为大地测量基 本物理常数。（2）大地测量导出参数 大地测量导出参数有很多，常用的有：椭球短半轴b、几何扁率f（a-b）/a）等,2.2.2 大地测量坐标框架 大地测量坐标框架是通过大地测量手段实现的大地测量坐标系统。l.参心坐标框架 传统的大地测量坐标框架是由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、二维静态的地球坐标框架。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。我国在20 世纪5080 年代完成的全国天文大地网，不同时期分别定义在北京1954 坐标系统和西安1980 坐标系统中。天文大地控制点(大地点)覆盖我国大陆和海南岛。采用整体平差方法构建了我国参心坐标框架。,2.地心坐标框架 国际地面参考(坐标)框架(International Terrestrial Reference Frame.ITRF)是国际地面参考(坐标)系统(International Terrestrial Reference System,ITRS)的具体实现。它以甚长基线干涉测量(Very Long Base Interferometry,VLBI)、卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)、激光测月(Lunar Laser Ranging,LLR)、美国的全球定位系统(GPS)和法国的卫星多晋勒定轨定位系统(DORIS)等空间大地测量技术构成全球观测网点，经数据处理，得到ITRF 点(地面观测站)的站坐标和速度场等。目前，ITRF 已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。我国的GPS2000 网是定义在ITRS2000 地心坐标系统中的区域性地心坐标框架。它综合了全国性的三个GPS 网观测数据,一并进行计算而得。,2.2.3 高程系统和高程框架 1.大地测量学所研究的是在整体上非常接近于地球自然表面的水准面。由于海洋占全球面积的7l%，故设想与平均海水面相重合，不受潮汐、风浪及大气压变化影响，并延伸到大陆下面处处与铅垂线相垂直的水准面称为大地水准面，它是十个没有褶皱、无棱角的连续封闭曲面。由它包围的形体称为大地体，可近似地把它看成是地球的形状。大地水准面的形状（几何性质）及重力场(物理性质)都是不规则的，不能用一个简单的形状和数学公式表达。在我们目前尚不能唯一地确定它的时候，各个国家和地区往往选择一个平均海水面代替它。（理论基础：司托克斯理论）2.似大地水准面 与大地水准面很接近的似大地水准面（从地面点沿正常重力线量取正常高所得端点构成的封闭曲面，非重力等位面，无确切物理意义，区别就是一个是重力等位面，另一个不是）。这个面不需要任何关于地壳结构方面的假设便可严密确定。似大地水准面与大地水准面在海洋上完全重合;而在大陆上也几乎重合，在山区只有24m的差异。似大地水准面尽管不是水准面，但它可以严密地解决关于研究与地球自然地理形状有关的问题（莫洛金斯基理论）。,大地高H、正高H正及正常高H正常 点的空间位置除平面位置外还有高程位置;高程位置用大地高H或正高H正或正常高H正常表示。大地高H是地面点沿法线到椭球面的距离；正高H正是地面点沿实际重力(垂)线到大地水准面的距离（P1）;正常高H正常是地面点沿正常重力（垂）线到似大地水准面的距离。,N,2.2.3 高程系统和高程框架 点的高程通常用该点至某一选定的水平面的垂直距离来表示，点间的高程之差反映了地形起伏。1.高程基准 高程基准定义了陆地上高程测量的起算点。区域高程基准可以用验潮站处的长期平均海面来确定，通常定义该平均海面的高程为零。在地面预先设置好的一固定点(组)，利用精密水准测量联测固定点与该平面海面的高差，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。我国高程基准采用黄海平均海水面，验潮站是青岛大港验潮站，在其附近的观象山有“中华人民共和国水准原点”。l987年以前，我国采用“l956国家高程基准”。l988年1月1日，我国正式启用“l985国家高程基准”，水准原点高程为72.2604m。“l985高程”的平均海水面比“l956年高程”（水准原点高程为72.289m）的平均海水面高0.029m(不能简单外推，如在阜康某地的一国家水准点乌奇11，56高程与85高程相差0.283m：56高程为562.516m，85高程为562.233m)。,2.高程系统 我国的高程系统采用正常高系统。正常高的起算面是似大地水准面(似大地水准面可由物理大地测量方法确定)。3.高程框架 高程框架是高程系统的实现。我国水准高程框架由全国高精度水准控制网实现，以黄海高程基准为起算基准，以正常高系统为水准高差传递方式。水准高程框架分为四个等级，分别称为国家一、二、三、四等水准控制网。框架点的正常高采用逐级控制，其现势性通过一等水准控制网的定期全线复测和二等水准控制网部分复测来维护。,2.2.4 深度基准 1.深度基准概念 深度是指在海洋(主要指沿岸海域)水深测量所获得的水深值,是从测量时的海面(即瞬时海面)起算的。瞬时海面的位置会随时间发生变化。为此，必须规定一个固定的水面作为深度的参考面，把不同时间测得的深度都化算到这一参考水面上去。这一参考水面即称为深度基准面。它就是海图所载水深的起算面。深度基准面通常取在当地平均海面以下深度为L的位置。由于不同海域的平均海面不同，所以深度基准面对于平均海面的偏差因地而异。由于各国求L值的方法有别，所采用的深度基准面也不相同。甚至有的国家（如美国），在不同海岸采用不同的计算模型。2.我国采用的深度基准面 我国1956年以前采用略最低低潮面作为深度基准面。1956 年以后采用弗拉基米尔斯基理论最低潮面(简称理论最低潮面)，作为深度基准面。,2.2.5 重力系统和重力测量框架 重力是重力加速度的简称。重力测量就是测定空间一个点的重力加速度。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5070 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，我国的参考系统则采用IUGG75椭球常数及其相应的正常重力场。我国目前的重力系统采用GRS80 椭球常数及其相应的正常重力场。国家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。我国先后建立了1957,1985 和2000 三个国家重力基本网。目前启用的国家重力测量框架为2000 国家重力基本网。20世纪我国一直采用中国似大地水准面1980(CQG1980)，从21世纪开始我国采用更高精度和分辨率，并包含全部陆海国土的新的中国似大地水准面2000(CQGZ00O)。,2.3 实用大地测量学 2.3.1 实用大地测量学的任务与方法 实用大地测量学的基本任务是建立地面大地控制网，即以精确可靠的地面点坐标、高程和重力值来实现大地测量系统。地面大地控制网大体分为平面控制网、高程控制网和重力控制网三类。平面控制网是以一定形式的图形，把大地控制点构成网状，通过测定网中的角度、边长和方位角，推算网点的坐标或者通过卫星定位技术直接测定网点的坐标。进行这些大地测量时，必须事先选定一个(参考)坐标系。将在该大地控制网中所测的全部数据都归算至该参考坐标系，然后进行数据处理，算得控制网点的坐标。为了测制地图的需要，大地控制网还需投影到平面上，即将网点的大地坐标变换为相应投影面的平面直角坐标。高程控制网由连接各高程控制点的水准测量路线组成。通过水准测量，可以测得相邻水准点之间的高差。为传算各水准点的高程，必须选择某一高程起算点，如水准原点，还需通过这一高程起算点规定一个高程起算面。,重力控制网是由绝对重力点和相对重力点构成的网，作为一个国家重力基准的实现。平面控制网和高程控制网的观测都与地球重力场相联系，特别是高程控制网与重力的关系更为密切。因此，在建立平面和高程控制网中，重力测量也是其重要的组成部分。地面大地控制网的布设一般遵循“从大到小、逐级控制”的原则，从高级控制网通过几个等级逐步过渡到实际业务工作需要的低等级控制网，包括测制地图所需的低级控制网，其精度逐级降低，边长逐级缩短。国家大地控制网是主控制网，是国家所有地理坐标值、高程值、重力值的基础，其精度和可靠性应足以保证国家各类工程和各种测绘的需要。此外，为了满足各类用户的需求，国家大地控制网应覆盖全国国土并有必要的密度。此外，为保证大地控制网的精度和可靠性，保持它的现势性，这些大地网应定期进行复测。,2.3.2 国家平面控制网 1.平面控制测量目的：进行平面控制测量主要目的是完成点位(坐标)的传递和控制。平面控制测量按测量的精度等级高低分为一等至四等4 个等级的平面控制网。国家在建立平面控制测量网时，必须逐级布测，逐级控制，最终布满全国 2.平面控制测量的技术：(1)水平角测量；(2)距离测量；(3)三角高程测量；(4)卫星定位测量。3.大地天文测量(1)大地天文测量方法：指用天文观测方法测定天文方位角和天文经纬度。(2)大地天文测量的作用：在传统的一等三角锁中，每个锁段的两端都需测定天文经纬度和天文方位角，以控制锁段的方位角传递误差。,2.3.3 国家高程控制网 国家高程控制网布设的目的和任务有两个:一是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制;二是为地壳垂直运动、海面地形及其变化和大地水准面形状等地球科学研究提供精确的高程数据。国家高程控制网一般通过高精度的几何水准测量方法建立，因此也称为国家水准网。1.国家水准网的布网方案 国家水准网采用从高到低，从整体到局部，逐级控制，逐级加密的方式布设，分为一、二、三、四等水准网。一等水准网是国家高程控制的骨干;二等水准网是国家高程控制的全面基础;三、四等水准网是直接为地形测图和工程建设提供高程控制点。2.国家水准网的观测 水准测量是目前精确测定地面点海拔高程的主要手段，其主要测量设备是水准仪和水准尺,2.3.4 国家重力控制网 重力测量控制网也采用逐级控制的方法，在全国范围内建立各级重力控制网，然后在此基础上为各种不同目的再进行加密重力测量。因此在建立国家重力控制网时，应充分考虑到各方面的需要，例如:在大地测量中需要重力测量去研究地球形状和严密处理观测数据;在空间技术中需要重力测量提供地球外部重力场的资料;此外在地球物理、地质勘探，地震、天文、计量和原子物理等部门都需要重力测量。国家重力测量框架由绝对和相对重力测量方法建立，它提供了其他加密重力测量(包括地面、海洋和航空加密重力测量)的重力起算值(由重力基本点提供)和相对重力测量的尺度(由长短重力基线提供)。相对重力测量是地面加密重力测量的主要技术手段。我国国家重力测量框架分为二级，即重力基准网（分绝对重力点和相对重力点，前者称为基准重力点，后者称为基本重力点）和一等重力网。,2.4 椭球面大地测量学 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:(l)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;(2)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，而实用大地测量都是在以铅垂线为依据的站心地平坐标系中进行的(通过置平仪器实现)。为对实用大地测量观测数据进行统一处理和表示，必须将观测数据归算到一个数学规则的椭球面上进行数字或几何的处理与表示。,椭球面大地测量学的基本任务 椭球面大地测量学是研究旋转椭球面的数学性质，并以该面为参考的大地测量计算问题的学科。椭球面大地测量学的基本任务是:研究大地控制网的地面数据向椭球面的归算问题;研究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;研究大地测量主题及其解算方法;研究椭球面投影到平面上的问题，以及不同形式的地球坐标系统之间的转换问题。椭球面的大地线及其解算 1.法截线与大地线 包含椭球面上一点法线的平面称为法截面，法截面与该椭球面的交线称为法截线。椭球面上两点间的最短程曲线称为大地线。大地线又称测地线，大地线是一条空间曲面曲线。,2.大地测量主题 在椭球面大地测量计算中，经常出现两类问题:(l)已知P1点的大地坐标及其至P2 点的大地方位角A12和距离S12(大地线），计算P2点的大地坐标和大地方位角A21；(2)已知P1和P2点的大地坐标，计算两点的正、反大地方位角及其距离。这两个问题，前者称为大地测量主题的正算问题，后者称为反算问题，也称为第一和第二大地测量主题。从解析几何意义上讲，大地测量主题就是研究大地极坐标与椭球面大地坐标之间的相互转换问题。,高斯-克吕格投影与地形图分带(1)高斯-克吕格投影的概念。为了将地球椭球面上的各种量，如方向、长度归算到地图平面上相应的量。就要采用地图投影的数学方法。一般在大于或等于1：50万比例尺的地形图中我国使用高斯-克吕格投影（或简称高斯投影)。它是一种横轴、椭圆柱面、等角投影。其投影过程可简述如下:椭圆柱面与地球椭球在某一子午圈上相切，这条子午圈叫做投影的中央子午线，又称轴子午线，它也是高斯投影后的平面直角坐标系的纵轴(一般定义为x轴);地球的赤道面与椭圆柱面相交成一条直线。这条直线与中央子午线正交,它是平面直角坐标系的横轴(y轴);把椭圆柱面展开，就得出以(x,y)为坐标的平面直角坐标系。高斯投影同时满足如下要求:等角、轴子午线是直线且没有变形。,(2)高斯-克吕格投影的分带 在高斯投影中，除了中央子午线上没有长度变形外，其他所有长度都会发生变形，且变形大小与横坐标y的平方成正比。因此，有必要把投影的区域限制在中央子午线两侧的一定范围内。这就产生了投影分带问题。把我国整个领土分成若干个南北狭长的区域，每个区域都由一定经度差的两条子午圈围成，这样的区域叫做一个投影带。我国规定:对于比例尺1:1万的地形图采用6带(经度差为6)，对于比例尺l:1万的地形图采用3 带。每个投影带设立一个独立的平面直角坐标系，以中央子午线为纵坐标x轴,以子午线与赤道的交点为坐标原点，赤道线作为横坐标y轴。这样，在中央子午线以东的点横坐标y为正值，以西的点横坐标y为负值。为了避免负值的不方便,一般规定将中央子午线向西平移500km，这样得出的横坐标用Y表示,Y=500km+y,Y就总为正值。（新疆经度从73至97）,某控制点的54坐标与80坐标对照及坐标之表述54坐标：x:4848985.1091，y:470091.6707（m）80坐标：x:4848912.4168，y:469974.3251差值：72.6923，117.3456带号：6带：15；3 带：29 此点位于呼图壁，无论6带或3 带，中央子午线均为87，故两带坐标数值是一样的，只是带号不同，无需做换代计算。故此点的完整表示为：1)6带：54坐标：x:4848985.1091，y:15470091.6707 80坐标：x:4848912.4168，y:15469974.32512)3 带：54坐标：x:4848985.1091，y:29470091.6707 80坐标：x:4848912.4168，y:29469974.3251 如果点的位置的6带和3 带中央子午线不同(如在奇台)，则采用不同的投影带必须做换带计算（一般测绘部门提供的坐标数据均为6 带数据）。,2.5物理大地测量学物理大地测量学的任务和内容 物理大地测量学主要是研究利用重力等物理观测量(包括直接观量和间接观测量)确定地球形状、地球外部重力场及其变化的科学。实用大地测量的观测都是在地球重力场内，以铅垂线为依据的站心地平坐标系中进行的。为了把这些观测数据归算到一个统一的大地坐标系统中去，必须知道地球的大小、形状及其外部重力场。地球形状及外部重力场是地球坐标系统及其实现的基础。高程测量最重要的参考面大地水准面，是地球重力场的一个等位面。因此，研究地球形状及外部重力场是大地测量学的一个重要的科学任务。地球卫星轨道计算需要精密的重力场信息，地球重力场误差通过影响导航(定位)卫星的定轨(星历)，从而影响卫星的定位精度。此外，对地球外部重力场及其时间变化的分析，可以为地球动力学和其他地球物理学提供地球内部结构和状态的信息。,物理大地测量学的主要内容有:(l)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;(3)研究利用地球重力场理论和信息解决大地测量科学问题。,地球重力场 1.重力与重力位 重力g是地球引力F和离心力P的合力。即 g=F+P g的方向为铅垂线方向,数值g=g称为重力。地球重力场通常是指地球空间点处的重力(加速度)强度，用地球重力位或其导出量(如重力)表示。,2.大地水准面 地球外部重力等位面俗称水平面,但它并非是几何曲面，而是一个近似椭球面的复杂曲面。与平均海水面最为接近的那个重力等位面称为大地水准面，它是海拔高程的起算面，即地面一点到大地水准面的垂直距离就是该点的高程。大地水准面是大地测量中一个很重要的概念，它与地球椭球面之间的垂直距离称为大地水准面高（N），这个值是描述大地水准面形状(即地球形状)的一个量。,重力测量技术 1.地面重力测量 地面重力测量分为绝对重力测量和相对重力测量两种。绝对重力测量的主要测量仪器为绝对重力仪，它根据自由落体原理直接测定落体的运动时间和路程来测定重力。相对重力测量测定两点间的重力差值，主要测量仪器为弹簧重力仪，它直接测定物体因重力变化产生的线位移和角位移来测定两点重力差值。2.海洋和航空重力测量 主要是指用装载在轮船或飞机上的相对重力仪所进行的连续重力测量。为消除各种加速度干扰，要需采取很多相应的措施。海洋船测重力仪的测量精度低于陆地重力测量的精度一至二个数量级。而航空重力测量中的载体 飞行速度远比船舶大，必须做载体的一些非保守力加速度改正和高度改正，因此航空重力测量精度更低。但航空重力测量施测所覆盖的地域大，速度快，特别适合于在地面测量作业困难的地区进行施测。,3.卫星重力测量 卫星重力测量的主要手段有卫星跟踪重力场测量技术，如卫星激光测距技术、星载多音勒定轨定位系统(DORIS)、星载精密测距测速系统(PRARE)以及卫星跟踪卫星技术(SST)、卫星重力梯度测量技术(SGG)和卫星测高技术(SA)。(l)地面跟踪卫星测定地球重力场。地面跟踪卫星的观测量主要包括:地面跟踪站至卫星的方向、距离、距离变化率、相位等。根据这些观测数据，可以建立卫星轨道与地面跟踪站之间的几何和物理的函数关系，而卫星轨道是地球重力场等摄动因素的隐函数，由此可以推算地球重力场。(2)卫星跟踪卫星测量地球重力场。卫星跟踪卫星技术可以分为高低卫星跟踪)和低低卫星跟踪两大类。利用低轨卫星的星载GPS 接收机与GPS 卫星星座构成高低卫星的空间跟踪网，以厘米级甚至毫米级精度跟踪低轨卫星。低低卫星跟踪是指同一轨迹上两颗相距200300km的低轨卫星，以微米级的测距测速精度相互跟踪。,2.6 卫星大地测量学卫星大地测量学的内容、技术特点与作用 1.卫星大地测量学的主要内容 卫星大地测量学是利用人造卫星进行精确测量，研究利用这些观测数据解决大地测量学问题的科学。其主要内容是:(1)建立和维持全球和区域性大地测量系统与大地测量框架；（2）快速、精确测定全球、区域或局部空间点的三维位置和相互位置关系;（3）利用地面站观测数据确定卫星轨道;(4)探测地球重力场及其时间变化，测定地球潮汐;(5)监测和研究地球动力学(地球自转、极移、全球变化及其他全球和区域地球动力学问题);(6)监测和研究电离层、对流层、海洋环流、海平面变化、冰川、冰原的时变。,2.卫星大地测量学的技术特点 根据观测目标的不同可分为三种类型。(1)卫星地面跟踪观测。如卫星激光测距，星载多普勘定轨定位系统，星载精密测距测速系统;(2)卫星对地观测，如卫星测高，卫星重力梯度测量，以及卫星导航定位系统(如GPS、GLONASS、Galileo、北斗);(3)卫星对卫星观测。如高低卫星跟踪卫星(SST-hl)、低低卫星跟踪卫星(SST-)。卫星大地测量可分为几何方法和动力方法。卫星可作为一些高空目标，被看成是在大范围内或整个三维网中的坐标框架点。从不同的地面站上观测卫星或接收卫星的定位信号，利用空间交会法确定卫星的位置或地面站的位置。可进行地面目标之间长距离的联测，实现地球框架的长距离尺度和方位控制。同时，卫星做为地球重力场的探测器，通过对卫星或相互之间进行跟踪，可以反求地球重力场和其他动力学参数。确定卫星轨道和精化地面站的坐标，即在进行卫星定轨的同时，可精化地面站的地心坐标，还可解算地球重力场、地球自转参数(地球自转、极移)以及相关的动力学参数。,2.6.2 卫星激光测距技术 1.卫星激光测距原理 卫星激光测距(SLR)的工作原理是记录激光发射时刻ts及经卫星反射后再接收到激光信号的时刻tT，利用下式计算测站至卫星的距离。卫星激光测距仪分为固定式和流动式两类。前者安装在地面的固定测站上，后者可安装在车辆上，具有高机动性。两类测距仪的精度大致相同。目前全球共有约50个SLR站，我国有固定式SLR站5 个，流动式SLR 站2 台。其观测成果己纳入国际服务局(ISS)的数据中心和分析中心。其方法精度好，可靠性高，可达厘米级。,2.卫星激光测距的应用(1)测定测站的地心坐标，建立与维持地球参考框架。利用卫星激光测距技术测定测站三维地心坐标的精度可达到厘米级，且高程测定精度与水平方向的测定精度相近。SLR 技术是空间技术中测定高程精度最高的一种卫星大地测量技术。利用SLR技术，还可以精密确定地球质心的位置和地球定向参数及其时间变化，从而建立和维持精确的地球参考框架。(2)精确测定地球重力场、大地测量常数及其时间变化。利用不同轨道倾角和高度的激光卫星，可精确确定地球重力场模型，测定地球重力场低阶位系数的季节性变化，测定固体潮参数。SLR 技术对确定全球坐标系统有着重大贡献。,2.6.3 卫星测高技术 1.卫星测高原理 海洋卫星测高的基本原理是:安装在卫星上的雷达测高仪以一定的采样时间间隔通过对海洋表面发射预制波长的窄电磁脉冲来测量测高仪到海面(或冰面)的往返时间，获得瞬时海面高。目前，测高数据经各种改正后，精度可达厘米级。,2.卫星测高技术的应用 卫星测高技术是目前研究和监测海洋环流(海面地形)与中尺度海洋现象及其动力环境的重要手段之一，其应用主要为（1）精确测定平均海面高，实现海洋深度基准的垂向定位。(2)确定高分辨率的海洋重力场。卫星测高最初的成果就是确定地球形状及大地水准面，进而反演海洋重力场。(3)反演高分辨率的海洋潮汐模型。(4)监测海平面变化与厄尔尼诺现象。用卫星测高10年数据计算的全球海平面变化约为每年升高1.8mm。因此，卫星测高技术是获取厄尔尼诺发生的征兆，监测其发展过程的重要技术手段。此外，利用卫星测高数据，还可以研究和监测其他海洋动力环境，如反演海底压力、海底地形，研究海洋质量的运动、海气相互作用，监测冰面特征等。,2.2.4 其他卫星大地测量技术 1.星载多普勒定轨定位技术 星载多普助定轨定位系统（DORIS）是由法国发展起来的卫星跟踪系统。它基于精确测定星载DORIS 接收机接收来自地面DORIS 信标机发射的无线电信号的多普勒频移，来进行卫星定轨和地面站位置测定。该系统有较高的卫星定轨与地面定位精度，并具有全天候、全自动和实时数据采集功能。2.星载精密测距测速技术 精密测距测速系统(PRARE)是由德国发展起来的双频双程微波卫星跟踪系统，其主要功能是精确测定卫星和地面之间的距离(厘米级)和距离变化率(亚毫米每秒级精度)。该系统自动地全天候收集数据，并具有星上数据存储和中央数据预处理功能，可进行准实时的数据处理。,2.6.5 甚长基线干涉测量技术 1.甚长基线干涉测量原理 甚长基线干涉测量（VLBI）的基本原理是在相距甚远(数百至数千千米)的两个测站上，各备一架射电望远镜(一种口径为几米至上百米的抛物面天线，称为射电天线)，同时观测银河外同一射电源信号，分别记录射电微波噪声信号，通过对两个测站所记录的射电信号进行相关处理(干涉)，求得同一射电信号波到两个测站的时间差，解算出测站间的距离，称为基线长度。VLBI是一种纯几何测量手段。2.甚长基线干涉测量的应用 可建立天球参考系(惯性参考系);测量宇宙尺度;精密测定地面VLBI站的位置，控制全球性地球坐标参考框架的尺度和方位，建立地球参考系;测定地球定向参数，如极移、自转、岁差和章动，确定地球参考系与天球参考系之间的转换参数。还可以精密测定VLBI所在地的地球板块运动。,2.7大地测量的时间基准 大地测量的空间基准是坐标系统和坐标框架，而大地测量的时间基准是时间系统和时间系统框架。任何一种时间系统都必须建立在某个频率基准的基础上，所以时间系统又称为时间频率基准。时间系统框架是在某一区域或全球范围内，通过守时、授时和时间频率测量技术，以实现和维持统一的时间系统。时间系统 常见的时间系统通常包括世界时、历书时、动力时、原子时、协调时、GPS时、GLONASS 时、Galileo 时等。1.世界时(Universal Time,UT)以地球自转周期为基准。太阳连续两次经过某条子午线的平均时间间隔称为一个平太阳日，以此为基准的时间称为平太阳时。英国格林尼治从午夜起算的平太阳时称为世界时(UT)。地球除了自转之外，还有公转，所以一个平太阳日并不等于地球自转一周的时间。地球自转轴极移和地球自转速度的不均匀就会对世界时产生影响。目前所采用的世界时都是己经对上述影响进行了改正后的值。,2.原子时 原子时(Atomic Times,AT)以位于海平面的铯（133Cs）原子内部两个超精细结构能级跃迁辐射的电磁波周期为基准。由于铯原子内部能级跃迁所发射或吸收的电磁波频率极为稳定，比以地球转动为基础的计时基准更为均匀，因而得到了广泛应用。3.协调时 协调时(Universal Time Coordinated,UTC)是铯原子时的秒长和世界时的时刻结合起来的一种时间。协调时并不是一种独立的时间，而是一种时间服务的“工作钟”。它既可以满足人们对均匀时间间隔的要求，又可以满足人们对以地球自转为基础的准确世界时时刻的要求。协调时的定义是它的秒长严格地等于原子时秒长，采用整数调秒的方法使协调时与世界时之差保持在0.9s 之内。,时间系统框架 时间系统框架是时间系统的实现。描述一个时间系统框架通常需要涉及以下四个方面的内容:(1)采用的时间频率基准;(2)守时系统;(3)授时系统;(4)覆盖范围(区域或全球)。1.时间频率基准 时间系统决定了时间系统框架采用的时间频率基准。不同的时间频率基准，其建立和维护方法不同。历书时是通过观测月球来维护;动力学时是通过观测行星来维护;原子时是由分布于不同地点的一组原子频标来建立，通过时间频率测量和比对的方法来维护。2.守时系统 守时系统用于建立和维持时间频率基准，确定时刻。为保证守时连续性，不论是哪种类型的时间系统，都需要稳定的频率基准。3.授时系统 授时系统主要是向用户授时和时间服务。授时和时间服务可通过电话、无线电、电视、专用电台、网络、卫星等设施和系统进行。,2.8 我国近五十年大地测量的进展2.8.1 20 世纪50-70 年代 1.1954北京坐标系统和我国天文大地网 1954年，由于缺乏天文大地网观测资料，我国暂时采用了克拉索夫斯基椭球，并与前苏联1942 年坐标系统进行联测，通过计算建立了我国大地坐标系统，称为1954 北京坐标系统。2.全国第一期水准网和1956 黄海高程基准 我国第一期水准网开始于1951年，到1976 年基本完成。1957 年，建成1956 黄海高程基准。一期水准网的起算高程采用1956 黄海高程基准。3.1957 重力基本网 l957年，在全国范围内建立了第一个国家重力控制网，它由21个基本点和82个一等点组成，称为1957 重力基本网。该网与前苏联的