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,一、地心坐标系及其应用需求,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）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。 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，其几何中心应与地球质心一致。 3）人造地球卫星和弹道导弹在围绕地球飞行时，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。,7.4 协议地球参考系,一、地心坐标系及其应用需求,地心坐标系在测绘工程中的应用需求 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GPS等技术的空间导航结果直接在地图平台上定位； 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、海图与地形图、跨国界洲际GIS、遥感信息等； 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，而地心基准则可长期维持。,7.4 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,极移 地球极点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，简称极移。随时间而变化的地球自转轴为瞬时轴，相应的极点叫瞬时极。,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,二、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义,国际协议原点（CIO）： 1967年IAU和IUGG建议平极的位置用5个台站1900至1905年的平均纬度来确定，平极的这个位置相对于1900至1905年平均历元（1903.0），叫做国际协议原点，简称CIO。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,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 International Origin）,协议地球参考系与瞬时地球参考系的关系：,7.4 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,地球参考系是以某种确定的方式联系到地球的坐标系。理想的地球参考系：相对于它地壳只存在形变，不存在整体的旋转和平移；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,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,理想地球参考框架的Tisserand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，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，表明地球不存在整体的旋转,7.4 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： 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。,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,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CTRS的定义 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； 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内定义的米； 定向由BIH1984.0给出； 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NNRNUVEL1。,7.4 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CTRS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（CTRS）。此时，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标（三维）就定义了协议地球参考框架（CTRF）。,7.4 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）给出地球参考系的理论定义和协议约定； 2）建立地面观测台站，并进行空间大地测量； 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，即建立协议地球参考框架； 4）对于影响地面台站稳定的各种形变因素进行分析处理，建立相应的时变模型，以维持协议地球参考框架的稳定。,7.4 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） 通过激光测卫（SLR）等卫星动力学方法确定了地面 n( n大于3)个点至地球质心的距离，然后再采用GPS、VLBI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，需要长期监测这些点的变化，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。,7.4 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 地球瞬时自转轴必定通过质心，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，即圆锥面的对称轴，为Z轴，将X轴限定在格林尼治天文台的子午面内，再选定Y轴，使O-XYZ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BIH/IERS提供的地球自转参数（ERP）确定。,7.4 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CTRF中的作用 SLR技术可以独立地完成地球参考架的建立和维持。 VLBI技术可以高精度地确定参考坐标系的定向和尺度。 LLR网、GPS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SLR网、VLBI网、LLR网和GPS网联合平差，即可建立CTRF。,7.4 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,形变位移,（误差方程）,各观测技术的转换坐标,7.4 协议地球参考系,四、国际地球参考框架ITRF和WGS84,1、ITRF,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VLBI、SLR、LLR、GPS（起于1991年）和DORIS（起于1994年）等空间大地测量手段得到。计算的ITRF解发表在IERS的年度报告上，已有的ITRF解有ITRF0、ITRF88、ITRF89、ITRF90、ITRF91、ITRF92、ITRF93、ITRF94、ITRF96、ITRF97和ITRF2000，目前ITRF2005也已经建立。,7.4 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：IERS推荐采用全球通用的GRS（Geodetic Reference System）的大地测量基本常数，目前采用的GRS80是IUGG1979年推荐的，其椭球参数是：,7.4 协议地球参考系,四、国际地球参考框架ITRF和WGS84,1、ITRF,ITRF与IGS关系：随着国际GPS服务（IGS）的建立，ITRF与GPS的关系变得更加密切，IGS同ITRF紧密合作，一方面IERS负责建立和维持ITRF的测站坐标、速度和地球自转参数，另一方面IGS提供全球GPS观测数据并改进ITRF解。,GPS数据处理中人们可能会遇到两种精密星历：一种是基于WGS84坐标系的星历，另一种是基于ITRF的星历（如IGS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,四、国际地球参考框架ITRF和WGS84,1、ITRF,ITRF在建立和维持地区性大地坐标系中的作用 首先，地区坐标系建立时用到了IGS的精密星历和地球定向参数（EOP），而IGS精密星历的参考框架是属于ITRF的。 其次，地区坐标系建立所用的起始站为ITRF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ITRF有很好的一致性,7.4 协议地球参考系,四、国际地球参考框架ITRF和WGS84,2、WGS,WGS84坐标系是一个协议地球参考系，此外，WGS84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World Geodetic System（WGS）应直译为世界大地测量系统。 实现：WGS84参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,四、国际地球参考框架ITRF和WGS84,2、WGS,与ITRF的关系：基于WGS84参考框架计算的GPS卫星的NIMA的精密星历与基于ITRF94的IGS精密星历的系统差不超过2cm，WGS84与ITRF94地面点坐标分量的一致性在5cm水平。近似而言，可认为二者是同一参考框架。WGS84椭球的4个基本常数是：,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？,