基本介紹
- 中文名：大地測量參考系
- 外文名：Geodetic reference system
- 定義：確定地球橢球的一組幾何物理參數
參考系統的定義,參考系統的幾種具體實現,評價,
參考系統的定義
為了說明大地測量參考系統是如何定義的，首先簡要解釋3個概念：地球質心、地球自轉軸和大地水準面。地球質心是指固體地球海洋和大氣的共同質J，}lao地球在相對慣性空間高速自轉，通過地球質心，並指向旋轉角速度方向的軸線稱為地球的自轉軸。長期的科學研究表明，地球的自轉是非常穩定的，自轉速率、自轉軸相對空間和地球本身的方向變化(日長變化歲差、章動和極移)非常小。大地水準面是表征地球形狀與大小的物理面，它是人為定義的、滿足如下2個條件的閉合曲面：①處處與鉛垂線垂直君與海洋面非常接近。
由於與海洋面非常接近的標準並不唯一，所以大地虹頌狼姜水準面的定義也有一定的隨意性大地水準面是一個重力位的等值面，所以，只要定義了大地水準狀和大小完全由4個參數確定：GM ( G為萬有引力常數，M為質量)與實際地球的相等；Uo(表煮樂整面的正常重力位)與大地水準面上的重力位相等；I2(動力形狀因子)與實際地球的相等；w (自轉角速率)與實際地球的相等地球橢球的4個參數中，Uo常由a(長半軸)代替，I2常由f(扁率)代替。地球橢球相對於實際地球的位置由其中心位置和短軸方向確定要盡力做到其中心位於地球的質心，其短軸指向地極地極通常定義為地球自轉軸在某一段時間內的平均位置地球橢球的表面事實上是大地水準面的近似，它是與大地水準面符合得最好的旋轉橢球面一點相對地球橢球的位置由經度L、緯度B和大地高h來表示定義經度時需要定義一個零經度子午線，或稱起始子午線引進一個直角坐標系，中心位於橢球中心，x軸位於地球橢球的赤道面內，並指向初始子午線，：軸沿地球橢球的短軸指向北方，y軸由右手法則確定，則一點的位置也可以用直角坐標x，y，z表示在前空間大地測量時代，地球橢球只能主要以區域性大地測量工作為基礎建立，其大小、形狀及位置通常全部或部分根據與國家或地區的大地水準面或似大地水準面符合最肯懂束好的原則(最小二乘)確定地球橢球的位置、形狀和大小由大地原點的大地坐標L，B，垂線偏差a，Z大地水準面高N，以及橢球大小和形狀參數(長半軸a扁率f)來確定。
進入空間大地測量時代以來，測量精度不斷提高，目前在全球尺度上已達到幾個厘米的量級在這種精度的基礎上，以前無須考慮的地球動力學因素現在必須加以考慮現代大地測量參考系統的確立可分為如下4個步驟：①建立一個3維直角坐標系的3條坐標軸與位於地球上或地球內部一組可觀測點之間的關係，從而完全確定這個3維笛卡爾坐標系的位置和方向；②建立距離與一個可觀測量之間的關係，從而確立長度的單位；③引進一個近似表示地球大小與形狀的幾何形體，即地球橢球；④定義高程系統，即確立重力場在定位中的作用。
首先，學術界的共識是定義地球質心為3維笛卡爾坐標系的中心，z軸指向作為約定而定義的北極，通常為國際地球自轉局(IERS)定義的國設嘗晚際參考極(IRP) ， x軸指向作為約定而定義的起始子午線籃笑謎舉，通常為IERS定義的起始子午線，Y軸則根據與x， z軸形成右手系的規則確定但是這種看起來簡單的幾何過程由於地球的動力學行為而變得非常複雜。地球的質心在相對地表運動，地球的自轉速率以及自轉軸相對於空間及相對於地球本身都在變化(日長變化、歲差、章動和極移)，地麵點由於板塊運動、地震、火山活動、冰後回彈固體潮、海潮負荷等各種地球物理因素影響在作相對運磯建立現代大地測量參考系統必須考慮這些因素一種方法是將笛卡爾坐標系的坐標軸固聯於一組選定點的瞬時位置處狼精奔理地球自轉變化及板塊運動時通常採用這旬套種做法其他類型的運動則通過將笛卡爾坐標系的坐標軸固聯於所選定的點在某一曆元的瞬時位置而予以考慮。
其次，長度單位“米”通過光速來定義，即真空中的光速為299 792 458 m /s雖然將長度單位定義成了一個可觀測量，即真空中光在1 /299 792 458s走過的距離，但並不是具體的實現不同的大地測量參考系採用了不同的技術來測量長度，例如因瓦凡光電測距儀GPS V LBI SLR}o雖然每種手段都總是盡力標定而符合上述定義，但觀測量總是具有不確定性，因而使得不同的大地測量參考系統之間存在尺度的差晃在將前空間大地測量時代建立的大地測量參考系統與現代利用空間大地測量技術建立的大地測量參考系統進行比較時可以發現，老系統存在百萬分之一量級的誤差而現代測距技術已達到十億分之一量級的精度水平。
第三是選擇一個地球橢球，使它相對3維笛卡爾坐標的位置如前所述我們知道，在現代技術水平上，確立地球橢球的4個參數中，GM和k可由分析人造衛星軌道確定，。由一般天文觀測確定，a則由雷射、都卜勒或雷達測高等技術測定這樣測得的地球橢球對全球大地水準面都可達到一定程度的最佳符念一點的位置可用3個笛卡爾坐標x，y，z或3個大地坐標L，B，h表示，2組坐標可以互相轉挽大地坐標更符合我們關於水平和垂直方向尺度的直覺然後建立高程系統這只需明確指定一個零高程點。將這個點用精密水準聯測到一個標石上，確定這個標石的高程後，其他位置的高程就可由這個標石起用水準測量測得，這個標石叫水準原點高程系統中有重力場的影響，需要根據所採用的是正高或正常高系統對幾何水準作不同的重力場改正。
參考系統的幾種具體實現
這裡概略介紹3種用以表示幾何位置的大地測量參考系統：我國的1980年國家大地坐標系、W GS84和ITRS我國的1980年國家大地坐標系主要是前空間大地測量意義下的參考系統它採納了1975年國際大地測量協會推薦的地球橢球(IAG275橢球)；極點採納我國在1949到1977年期間36個台站的觀測資料歸算得到的1968年極原點，即JYD1968。 0，起始子午線採納格林尼治子午線；地球橢球中心的位置是根據橢球面與我國似大地水準面符合得最好的原則(最小二乘)確定的；大地原點位於我國中部的陝西省徑陽縣永樂鎮W GS84是美國國防部建立的，GPS系統採納的大地測量參考系。它最初是利用TRAM SIT大地測量衛星系統的都卜勒觀測確定的，後來進行了2次更新：第1次更新是1994年，W GS84完全根據GPS觀測重新確定，稱為WGS84( 6730)，其中G代表GPS， 730表示進行了730個星期的觀測；第2次是1996年，方法與前一次一樣，稱為WGS( 6873)，其中G仍代表GPS，873代表進行了873個星期的觀測。WGS84( 6873)的中心、指向和尺度是根據15個GPS跟蹤站的坐標確定，其中5個跟蹤站由美國空軍維護，10個由美國國家圖像與製圖局(N IM A)維護。將來，WGS84還可能隨跟蹤站的增加或已有跟蹤站天線的移動或更換而進一步改選由於GPS衛星的廣播星曆是相對於W GS84的，所以利用廣播星曆適時定位得到的便是W GS84坐標，這使W GS84得到了廣泛的套用。但是，高精度定位工作中通常不採用WGS84，這是因為高精度定位需要已知的高精度控制點各種高精度差分GPS定位技術均需要一個或多個高精度控制點，以消除系統誤差所以，要採用WGS84進行高精度定位，必須預先建立一個比較密集的高精度WGS84控制網。另一個影響高精度GPS定位的因素是WGS84中跟蹤站的地殼運動速度不向GPS用戶提供。
WGS84符合IERS定義的協定地球參考系( CTRS)，即：①中心在地球質心；②採用廣義相對論下地固參照系中的尺度；③指向符合IERS(事實上是其前身國際時間局，簡稱BIH) 1984。0指向隨時間的變化使它相對地殼沒有整體轉動這與ITRS是一致吮ITRS是20世紀80年代後期引進的，目的是促進需要高精度定位的科學研究的開展，例如監測地殼及地球自轉軸的運磯ITRS的具體實現稱為國際地球參考框架(ITR以從1988年起，IERS基本上每年都發表ITRS的一種實現，即ITRF88， ITRF89，。。。，ITRF2000 ITRS是第1個將板塊運動及其他地殼運動考慮在內的國際大地測量參考系統，具體做法是同時給定控制點的坐標和速度由板塊運動理論不難理解給出速度的必要性根據板塊運動理論，地球表層的岩石圈由大約20塊基本上為剛體的板塊構成，這些板塊在做相對的橫向運動，位於不同板塊上的點之間的相對運動速度有的達每年150 mm，這用GPS是很容易探測到的。既然地球表層的各板塊在做相對運動，那么必然要提出這樣一個問題：板塊運動的“絕對”速度應該怎樣表示呢?由於沒有“絕對”不動的點作參考，所以要表示板塊運動的“絕對”速度，必須已經知道一些點的“絕對”速度，從而可作為參考點。這是個類似先有雞還是先有蛋的難題目前，建立ITRS時解決這一難題的辦法是假設地球表層作為整體在平均意義下相對地球內部沒有運動，換句話說，地球表層相對ITRS的總角動量等於零，即一個板塊的角動量剛好由其他板塊的角動量所抵消。這事實上是前面提及的IERS定義的CTRS的第4點內容的具體化ITRS的所有具體實現ITRF88， ITRF89，。。。 ，ITRF2000都是由處於穩定板塊內部的一些觀測站的坐標和速度維持，其中的坐標是指某一曆元的。IT RF2000主要是利用V LBI和SLR觀測建立的。主要特點是其方向隨時間的變化是以它相對NNR2NUVELIA沒有純轉動的原則定義的。ITRF2000考慮到了各種套用的需要，如大地測量、製圖、導航等，尤其是用作世界各國，特別是會員國的國家大地測量坐標系的需戛所以，ITRF2000不僅包含正在運行的空間大地測量儀器，還包含有用的標誌，以方便測量工作。
評價
GPS是大地測量技術的革命，它幾乎改變了大地測量的一切，而ITRS的出現則使得充分利用現代高精度空間大地測量技術變為現實在不久的將來，ITRS的某一實現，例如IT RF2000很可能被許多國家採納為國家大地測量坐標系事實上，GPS所採納的WGS84也在接近ITRS，例如，WGS84的禁止作用，使海底目標體受到較大的發射場激勵，產生較強的回響而且，海水的禁止作用使得海底天然和人文電磁噪聲較小。
將觀測裝置置於海底進行瞬變電磁探測時，海水的回響同樣存在，併疊加在海底介質回響中，同時被觀測裝置接收到，數據反演時需要預先計算海水的回響。當海水深度較大時，可以將海水看作均勻半空間，反演計算相對簡單；當海水深度較淺時，海水與空氣交界面的影響不可忽略，需考慮海水深度儘管如此，海水電導率較為均勻，深度可測，海水部分的回響可直接計算，可以從總回響中去除該部分回響，得到海底回響，從而反演海底介質的電性參數。
其次，長度單位“米”通過光速來定義，即真空中的光速為299 792 458 m /s雖然將長度單位定義成了一個可觀測量，即真空中光在1 /299 792 458s走過的距離，但並不是具體的實現不同的大地測量參考系採用了不同的技術來測量長度，例如因瓦凡光電測距儀GPS V LBI SLR}o雖然每種手段都總是盡力標定而符合上述定義，但觀測量總是具有不確定性，因而使得不同的大地測量參考系統之間存在尺度的差晃在將前空間大地測量時代建立的大地測量參考系統與現代利用空間大地測量技術建立的大地測量參考系統進行比較時可以發現，老系統存在百萬分之一量級的誤差而現代測距技術已達到十億分之一量級的精度水平。
第三是選擇一個地球橢球，使它相對3維笛卡爾坐標的位置如前所述我們知道，在現代技術水平上，確立地球橢球的4個參數中，GM和k可由分析人造衛星軌道確定，。由一般天文觀測確定，a則由雷射、都卜勒或雷達測高等技術測定這樣測得的地球橢球對全球大地水準面都可達到一定程度的最佳符念一點的位置可用3個笛卡爾坐標x，y，z或3個大地坐標L，B，h表示，2組坐標可以互相轉挽大地坐標更符合我們關於水平和垂直方向尺度的直覺然後建立高程系統這只需明確指定一個零高程點。將這個點用精密水準聯測到一個標石上，確定這個標石的高程後，其他位置的高程就可由這個標石起用水準測量測得，這個標石叫水準原點高程系統中有重力場的影響，需要根據所採用的是正高或正常高系統對幾何水準作不同的重力場改正。
參考系統的幾種具體實現
這裡概略介紹3種用以表示幾何位置的大地測量參考系統：我國的1980年國家大地坐標系、W GS84和ITRS我國的1980年國家大地坐標系主要是前空間大地測量意義下的參考系統它採納了1975年國際大地測量協會推薦的地球橢球(IAG275橢球)；極點採納我國在1949到1977年期間36個台站的觀測資料歸算得到的1968年極原點，即JYD1968。 0，起始子午線採納格林尼治子午線；地球橢球中心的位置是根據橢球面與我國似大地水準面符合得最好的原則(最小二乘)確定的；大地原點位於我國中部的陝西省徑陽縣永樂鎮W GS84是美國國防部建立的，GPS系統採納的大地測量參考系。它最初是利用TRAM SIT大地測量衛星系統的都卜勒觀測確定的，後來進行了2次更新：第1次更新是1994年，W GS84完全根據GPS觀測重新確定，稱為WGS84( 6730)，其中G代表GPS， 730表示進行了730個星期的觀測；第2次是1996年，方法與前一次一樣，稱為WGS( 6873)，其中G仍代表GPS，873代表進行了873個星期的觀測。WGS84( 6873)的中心、指向和尺度是根據15個GPS跟蹤站的坐標確定，其中5個跟蹤站由美國空軍維護，10個由美國國家圖像與製圖局(N IM A)維護。將來，WGS84還可能隨跟蹤站的增加或已有跟蹤站天線的移動或更換而進一步改選由於GPS衛星的廣播星曆是相對於W GS84的，所以利用廣播星曆適時定位得到的便是W GS84坐標，這使W GS84得到了廣泛的套用。但是，高精度定位工作中通常不採用WGS84，這是因為高精度定位需要已知的高精度控制點各種高精度差分GPS定位技術均需要一個或多個高精度控制點，以消除系統誤差所以，要採用WGS84進行高精度定位，必須預先建立一個比較密集的高精度WGS84控制網。另一個影響高精度GPS定位的因素是WGS84中跟蹤站的地殼運動速度不向GPS用戶提供。
WGS84符合IERS定義的協定地球參考系( CTRS)，即：①中心在地球質心；②採用廣義相對論下地固參照系中的尺度；③指向符合IERS(事實上是其前身國際時間局，簡稱BIH) 1984。0指向隨時間的變化使它相對地殼沒有整體轉動這與ITRS是一致吮ITRS是20世紀80年代後期引進的，目的是促進需要高精度定位的科學研究的開展，例如監測地殼及地球自轉軸的運磯ITRS的具體實現稱為國際地球參考框架(ITR以從1988年起，IERS基本上每年都發表ITRS的一種實現，即ITRF88， ITRF89，。。。，ITRF2000 ITRS是第1個將板塊運動及其他地殼運動考慮在內的國際大地測量參考系統，具體做法是同時給定控制點的坐標和速度由板塊運動理論不難理解給出速度的必要性根據板塊運動理論，地球表層的岩石圈由大約20塊基本上為剛體的板塊構成，這些板塊在做相對的橫向運動，位於不同板塊上的點之間的相對運動速度有的達每年150 mm，這用GPS是很容易探測到的。既然地球表層的各板塊在做相對運動，那么必然要提出這樣一個問題：板塊運動的“絕對”速度應該怎樣表示呢?由於沒有“絕對”不動的點作參考，所以要表示板塊運動的“絕對”速度，必須已經知道一些點的“絕對”速度，從而可作為參考點。這是個類似先有雞還是先有蛋的難題目前，建立ITRS時解決這一難題的辦法是假設地球表層作為整體在平均意義下相對地球內部沒有運動，換句話說，地球表層相對ITRS的總角動量等於零，即一個板塊的角動量剛好由其他板塊的角動量所抵消。這事實上是前面提及的IERS定義的CTRS的第4點內容的具體化ITRS的所有具體實現ITRF88， ITRF89，。。。 ，ITRF2000都是由處於穩定板塊內部的一些觀測站的坐標和速度維持，其中的坐標是指某一曆元的。IT RF2000主要是利用V LBI和SLR觀測建立的。主要特點是其方向隨時間的變化是以它相對NNR2NUVELIA沒有純轉動的原則定義的。ITRF2000考慮到了各種套用的需要，如大地測量、製圖、導航等，尤其是用作世界各國，特別是會員國的國家大地測量坐標系的需戛所以，ITRF2000不僅包含正在運行的空間大地測量儀器，還包含有用的標誌，以方便測量工作。
評價
GPS是大地測量技術的革命，它幾乎改變了大地測量的一切，而ITRS的出現則使得充分利用現代高精度空間大地測量技術變為現實在不久的將來，ITRS的某一實現，例如IT RF2000很可能被許多國家採納為國家大地測量坐標系事實上，GPS所採納的WGS84也在接近ITRS，例如，WGS84的禁止作用，使海底目標體受到較大的發射場激勵，產生較強的回響而且，海水的禁止作用使得海底天然和人文電磁噪聲較小。
將觀測裝置置於海底進行瞬變電磁探測時，海水的回響同樣存在，併疊加在海底介質回響中，同時被觀測裝置接收到，數據反演時需要預先計算海水的回響。當海水深度較大時，可以將海水看作均勻半空間，反演計算相對簡單；當海水深度較淺時，海水與空氣交界面的影響不可忽略，需考慮海水深度儘管如此，海水電導率較為均勻，深度可測，海水部分的回響可直接計算，可以從總回響中去除該部分回響，得到海底回響，從而反演海底介質的電性參數。
