1、第二十讲 协议地球参考系 经典椭球定位的定义、内容、条件、方法 大地起算数据包括哪些量？ 深刻理解椭球定位与建立大地坐标系、确定大地起算数据之 间的关系 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 一、地心坐标系及其应用需求 n 地心坐标系在地球动力学、物理大地测量学和空间技术中的应用需求地心坐标系在地球动力学、物理大地测量学和空间技术中的应用需求 1 1）无论地球内部质量怎么迁移，地球形状发生怎样的变化，地球质心都沿着一条）无论地球内部质量怎么迁移，地球形状发生怎样的变化，地球质心都沿着一条 确定的轨道运行。确定的轨道运行。 2 2）物理大地测量需要一个与全球大地水准面最为密和的正常椭球体，其几何
2、中心）物理大地测量需要一个与全球大地水准面最为密和的正常椭球体，其几何中心 应与地球质心一致。应与地球质心一致。 3 3）人造地球卫星和弹道***在围绕地球飞行时，其轨道平面通过地球质心，因此）人造地球卫星和弹道***在围绕地球飞行时，其轨道平面通过地球质心，因此 轨道计算和测定应该在地心坐标系中进行。轨道计算和测定应该在地心坐标系中进行。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 一、地心坐标系及其应用需求 n 地心坐标系在测绘工程中的应用需求地心坐标系在测绘工程中的应用需求 1 1）导航等集成应用的要求，以地心基准作为地图的数学基础，能使）导航等集成应用的要求，以地心基准作为地图的数学基础，能使G
3、PSGPS等技术的等技术的 空间导航结果直接在地图平台上定位；空间导航结果直接在地图平台上定位； 2 2）地理信息的应用在空间域上的整体性要求，导航系统与地图平台、海图与地形）地理信息的应用在空间域上的整体性要求，导航系统与地图平台、海图与地形 图、跨国界洲际图、跨国界洲际GISGIS、遥感信息等；、遥感信息等； 3 3）地理信息的应用在时间域上的整体性要求，参心基准时静态基准，而地心基准）地理信息的应用在时间域上的整体性要求，参心基准时静态基准，而地心基准 则可长期维持。则可长期维持。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 n 极移极移 地球极点地
4、球极点是地球自转轴与地球表面的交点。由是地球自转轴与地球表面的交点。由 于地球自转轴在地球本体内的运动，地球极点于地球自转轴在地球本体内的运动，地球极点 在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象 叫做地极移动，简称叫做地极移动，简称极移极移。随时间而变化的地。随时间而变化的地 球自转轴为瞬时轴，相应的极点叫球自转轴为瞬时轴，相应的极点叫瞬时极瞬时极。 地极坐标系 1、极移和国际协议原点（Conventional International Origin） 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 n 国际协议原点（
5、国际协议原点（CIO）：）： 1967年年IAU和和IUGG建议平极的位置用建议平极的位置用5个台个台 站站1900至至1905年的平均纬度来确定，平极年的平均纬度来确定，平极 的这个位置相对于的这个位置相对于1900至至1905年平均历元年平均历元 （1903/0），叫做），叫做国际协议原点，简称国际协议原点，简称CIO。 协议赤道面、协议地极。协议赤道面、协议地极。 1、极移和国际协议原点（Conventional International Origin） 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 1、极移和国际协议原点（Conventional
6、International Origin） 协议地球参考系与瞬时地球参协议地球参考系与瞬时地球参 考系的关系：考系的关系： 瞬时协议 Z Y X A Z Y X )()( pXpY yRxRA 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系地球参考系是以某种确定的方式联系到地球的坐标系。是以某种确定的方式联系到地球的坐标系。理想的理想的 地球参考系地球参考系：相对于它地壳只存在形变，不存在整体的旋转和平移；：相对于它地壳只存在形变，不存在整体的旋转和平移； 而它相对于惯性参考系只包含地球的公转和自转等整体运动。
7、而它相对于惯性参考系只包含地球的公转和自转等整体运动。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 c c dm dm 0 0 vx v 理想地球参考框架的TisserandTisserand条件： 第一个条件表示相对于所定义的参考系，地球的线动量为0 0，表明地球 不存在整体的平移； 第二个条件表示相对于所定义的参考系，地球的角动量为0 0，表明地球 不存在整体的旋转 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 参考系的建立：参考系的建立：
8、一是指物理基准（即原点、尺度、定向等）的选择；一是指物理基准（即原点、尺度、定向等）的选择； 二是指实现的方法。二是指实现的方法。 对特定的理论和模型的选择，即对特定的理论和模型的选择，即CTRS ；对实现系统所采用方法的选；对实现系统所采用方法的选 择，即择，即CTRF 。 协议约定，即相对于理想情况，当表达理想情况有不同方式时，要约 定。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 协议地球参考系协议地球参考系CTRSCTRS的定义的定义 n 原点在地心，地心定义为包括海洋和大气的整个地球的质量中心；原点在地心，地
9、心定义为包括海洋和大气的整个地球的质量中心； n 尺尺度单位为米（国际单位制），即在引力相对论意义下的局部地球框架度单位为米（国际单位制），即在引力相对论意义下的局部地球框架 内定义的米；内定义的米； n 定向由定向由BIH1984/0BIH1984/0给出；给出； n 定向的时间演化相对于地壳不产生残余的全球性旋转，如采用近似满足定向的时间演化相对于地壳不产生残余的全球性旋转，如采用近似满足 这个条件的绝对板块运动模型这个条件的绝对板块运动模型NNRNUVEL1NNRNUVEL1。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球
10、参考框架 地球参考系地球参考系CTRS的具体化：给出若干地面点坐标的具体化：给出若干地面点坐标 第一，必须详细定义基本物理基准构形和其坐标间关系的模型（第一，必须详细定义基本物理基准构形和其坐标间关系的模型（CTRSCTRS）。此）。此 时，坐标要能完全定义，但不必考虑实现的途径；时，坐标要能完全定义，但不必考虑实现的途径； 第二，一旦协议地球参考系选定了，便使之能为各类用户可用，就要通过许第二，一旦协议地球参考系选定了，便使之能为各类用户可用，就要通过许 多实际的地面点具体化。多实际的地面点具体化。这样一组协议选定的使系统具体化的地面点及其坐这样一组协议选定的使系统具体化的地面点及其坐 标（
11、三维）就定义了协议地球参考框架（标（三维）就定义了协议地球参考框架（CTRFCTRF）。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 三、协议地球参考框架的建立和维持 1、建立和维持步骤 1 1）给出地球参考系的理论定义和协议约定；）给出地球参考系的理论定义和协议约定； 2 2）建立地面观测台站，并进行空间大地测量；）建立地面观测台站，并进行空间大地测量； 3 3）根据对协议地球参考系的约定，采用国际推荐的一组模型和常数，对观测）根据对协议地球参考系的约定，采用国际推荐的一组模型和常数，对观测 数据进行数据处理，解算出各观测台站在某一历元的站坐标，即数据进行数据处理，解算出各观测台站在某一历元的站坐
12、标，即建立协议地建立协议地 球参考框架球参考框架； 4 4）对于影响地面台站稳定的各种形变因素进行分析处理，建立相应的时变模）对于影响地面台站稳定的各种形变因素进行分析处理，建立相应的时变模 型，以型，以维持协议地球参考框架维持协议地球参考框架的稳定。的稳定。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 三、协议地球参考框架的建立和维持 1、建立和维持步骤 地球质心位置的确定（协议地球参考框架原点）地球质心位置的确定（协议地球参考框架原点） 通过激光测卫（通过激光测卫（SLRSLR）等卫星动力学方法确定了地面）等卫星动力学方法确定了地面 n( n n( n大于大于3)3)个点至个点至 地球质心的距离
13、，然后再采用地球质心的距离，然后再采用GPSGPS、VLBIVLBI等测量方法把这几个点之间的距离确等测量方法把这几个点之间的距离确 定下来，于是通过几何约束条件即可确定地心的位置，考虑到地球的粘弹性，定下来，于是通过几何约束条件即可确定地心的位置，考虑到地球的粘弹性， 需要长期监测这些点的变化需要长期监测这些点的变化，以改善地心位置。，以改善地心位置。 该方法确定的地心位置与地面台站的个数及图形结构有关。该方法确定的地心位置与地面台站的个数及图形结构有关。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 三、协议地球参考框架的建立和维持 1、建立和维持步骤 协议地球参考框架坐标轴向的确定协议地球参考框
14、架坐标轴向的确定 地球地球瞬时自转轴瞬时自转轴必定通过质心，必定通过质心，由于极移运动，瞬时自转轴运动轨道构由于极移运动，瞬时自转轴运动轨道构 成了一个近似的圆锥面，以地球质心为其锥顶。取平均自转轴，即圆锥面的成了一个近似的圆锥面，以地球质心为其锥顶。取平均自转轴，即圆锥面的 对称轴，为对称轴，为Z Z轴，将轴，将X X轴限定在格林尼治天文台的子午面内，再选定轴限定在格林尼治天文台的子午面内，再选定Y Y轴，使轴，使O-O- XYZXYZ构成右手直角坐标系。这样我们就建立了地球质心坐标系。实用中参考系构成右手直角坐标系。这样我们就建立了地球质心坐标系。实用中参考系 的三轴指向由的三轴指向由BI
15、H/IERSBIH/IERS提供的地球自转参数（提供的地球自转参数（ERPERP）确定。）确定。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 三、协议地球参考框架的建立和维持 2、数据处理 几种空间技术在确定几种空间技术在确定CTRFCTRF中的作用中的作用 nSLRSLR技术可以***地完成地球参考架的建立和维持。技术可以***地完成地球参考架的建立和维持。 nVLBIVLBI技术可以高精度地确定参考坐标系的定向和尺度。技术可以高精度地确定参考坐标系的定向和尺度。 nLLRLLR网、网、GPSGPS网也可按各自的技术特点建立地球参考架。网也可按各自的技术特点建立地球参考架。 对上述全球各个对上述全球各
16、个SLRSLR网、网、VLBIVLBI网、网、LLRLLR网和网和GPSGPS网联合平差，即可建立网联合平差，即可建立CTRFCTRF。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 三、协议地球参考框架的建立和维持 2、数据处理 0 0 0 0 0 0 0 00 ( 0 0 3 0 3 0 3 )()( Z Y X m Z Y X RRR Z Y X Z Y X ZXYYXZ obs 形变位移形变位移 z Y X CTRFobs V V V Z Y X Z Y X Z Y X （误差方程） 各观测技术的转换坐标各观测技术的转换坐标 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框架ITRF和
17、WGS84 1、ITRF 建立建立：通过一组站的坐标和速度来完成的，这些站的坐标和速度通过：通过一组站的坐标和速度来完成的，这些站的坐标和速度通过VLBIVLBI、 SLRSLR、LLRLLR、GPSGPS（起于（起于19911991年）和年）和DORISDORIS（起于（起于19941994年）等空间大地测量手段得年）等空间大地测量手段得 到。计算的到。计算的ITRFITRF解发表在解发表在IERSIERS的年度报告上，已有的的年度报告上，已有的ITRFITRF解有解有ITRF0ITRF0、ITRF88ITRF88、 ITRF89ITRF89、ITRF90ITRF90、ITRF91ITRF9
18、1、ITRF92ITRF92、ITRF93ITRF93、ITRF94ITRF94、ITRF96ITRF96、ITRF97ITRF97和和 ITRF2000ITRF2000，目前，目前ITRF2005ITRF2005也已经建立。也已经建立。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框架ITRF和WGS84 1、ITRF 大地坐标的获得：大地坐标的获得：IERSIERS推荐采用全球通用的推荐采用全球通用的GRSGRS（Geodetic Reference SystemGeodetic Reference System） 的大地测量基本常数，目前采用的的大地测量基本常数，目前采用的GR
19、S80GRS80是是IUGG1979IUGG1979年推荐的，其椭球参数是：年推荐的，其椭球参数是： 15 214 10292115/7 10986005/3 2572/298/1 6378137 srad smGM ma s 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框架ITRF和WGS84 1、ITRF ITRFITRF与与IGSIGS关系：关系：随着国际随着国际GPSGPS服务（服务（IGSIGS）的建立，）的建立，ITRFITRF与与GPSGPS的关系变得更加的关系变得更加 密切，密切，IGSIGS同同ITRFITRF紧密合作，一方面紧密合作，一方面IERSIERS负责建立
20、和维持负责建立和维持ITRFITRF的测站坐标、速的测站坐标、速 度和地球自转参数，另一方面度和地球自转参数，另一方面IGSIGS提供全球提供全球GPSGPS观测数据并改进观测数据并改进ITRFITRF解。解。 GPS GPS数据处理中人们可能会遇到两种精密星历：一种是基于WGS84WGS84坐标系的 星历，另一种是基于ITRFITRF的星历（如IGSIGS精密星历）。使用坐标系不同的精密 星历，得到的测站坐标将属于不同的坐标系。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框架ITRF和WGS84 1、ITRF ITRFITRF在建立和维持地区性大地坐标系中的作用在建立和维持地区性
21、大地坐标系中的作用 首首先，地区坐标系建立时用到了先，地区坐标系建立时用到了IGSIGS的精密星历和地球定向参数（的精密星历和地球定向参数（EOPEOP），而），而 IGSIGS精密星历的参考框架是属于精密星历的参考框架是属于ITRFITRF的。的。 其次，地区坐标系建立所用的起始站为其次，地区坐标系建立所用的起始站为ITRFITRF框架中的站点，计算时大多给这些框架中的站点，计算时大多给这些 站以很强的约束，这样建立的坐标系应与站以很强的约束，这样建立的坐标系应与ITRFITRF有很好的一致性有很好的一致性 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框架ITRF和WGS84 2、
22、WGS WGS84WGS84坐标系是一个协议地球参考系坐标系是一个协议地球参考系，此外，此外，WGS84WGS84还包括参考椭球、基本常数、还包括参考椭球、基本常数、 地球重力场模型和全球大地水准面模型，所以实际上地球重力场模型和全球大地水准面模型，所以实际上World Geodetic SystemWorld Geodetic System （WGSWGS）应直译为世界大地测量系统。）应直译为世界大地测量系统。 实现：实现：WGS84WGS84参考框架是由一组全球分布的监测站坐标系实现的。参考框架是由一组全球分布的监测站坐标系实现的。 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 四、国际地球参考框
23、架ITRF和WGS84 2、WGS 与与ITRFITRF的关系：的关系：基于基于WGS84WGS84参考框架计算的参考框架计算的GPSGPS卫星的卫星的NIMANIMA的精密星历与基于的精密星历与基于 ITRF94ITRF94的的IGSIGS精密星历的系统差不超过精密星历的系统差不超过2cm2cm，WGS84WGS84与与ITRF94ITRF94地面点坐标分量的地面点坐标分量的 一致性在一致性在5cm5cm水平。水平。近似而言，可认为二者是同一参考框架。近似而言，可认为二者是同一参考框架。WGS84WGS84椭球的椭球的4 4个个 基本常数是：基本常数是： 111 238 100/729211
24、5 10418/3896004 257223563/298/1 0/6378137 srad smGM ma 极移、协议地极原点、极移参数 协议地球坐标系与协议地球参考框架 请思考地心坐标系如何建立？ 经典椭球定位的定义、内容、条件、方法 大地起算数据包括哪些量？ 深刻理解椭球定位与建立大地坐标系、确定大地起算数据之 间的关系 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 c c dm dm 0 0 vx v 理想地球参考框架的TisserandTisserand条件： 第一个条件表示相对于所定义的参考系，地球的线动量为0 0，表明地球 不存在整体的平移； 第二个条件表示相对于所定义的参考系，地球的角动量为0 0，表明地球 不存在整体的旋转 7/4 协议地球参考系协议地球参考系 二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义 2、协议地球参考系和协议地球参考框架 地球参考系地球参考系CTRS的具体化：给出若干地面点坐标的具体化：给出若干地面点坐标 第一，必须详细定义基本物理基准构形和其坐标间关系的模型（第一，必须详细定义基本物理基准构形和其坐标间关系的模型（CTRSCTRS）。此）。此 时，坐标要能完全定义，但不
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