武汉大学测绘学院空间大地测量学考试复习要点整理

空间大地测量学::利用自然天体或人造天体精确确定点的位置，确定地球的形状，大小，外部重力场，以及他们随时间的变化状况的一整套理论和方法

空间大地测量两个要素; 1, 必须利用空间的自然天体或人造天体所发出的信号来进行观测或将他们作为观测目标 2，所做的工作必须属于大地测量的范畴，如精确测定点的坐标及其变化率，确定地球重力场及其变化，确定地球的运动和相关参数。

空间大地测量的主要任务：大体分为两类：一类是建立和维持各种坐标框架，1，建立和维持地球参考框架（1）建立和维持全球性的地球参考框架，（2）建立和维持区域性的地球参考框架 2，建立和维持国际天球参考框架 3，测定地球定向参数。一类是确定地球重力场。空间大地测量技术：VLBI，激光测月（SLR），GPS（GNSS），DORIS，利用卫星轨道摄动反演地球重力场，卫星测高，卫星跟踪卫星，卫星重力梯度测量

时间间隔：事物运动处于两个状态之间所经历的时间过程，它描述了事物运动在时间上的连续状态时刻：发生某一现象的时间

时间基准：时间测量的一个标准的公共尺度。

时间的起算基准和尺度基准一起决定事件发生的时刻

时间的尺度基准决定两事件之间的时间间隔，也就是决定时段

时间基准的条件：1 。运动是连续的、周期性的 2，运动周期必须稳定 3，运动周期必须具有复现性，即要求在任何时间和地点都可以通过观测和试验来复现这种周期运动

时间基准有三种：1 地球自转（建立世界时） 2，行星绕太阳公转（历书时） 3，电子，原子的谐波振荡（原子时） 4，脉冲星发射周期性脉冲信号（脉冲星时）

守时系统：被用来建立和维持时间频率基准，确定任一时刻的时间

方法：通过时间频率测量和比对技术来评价和维持该系统的不同时钟的稳定度和准确度，并据此给予不同的权重，以便用多台钟来共同建立和维持时间系统的框架

授时：通过授时设施（电话网络无线电，电视，专用长波和短波电台和卫星等）向用户传递准确的时间信息和频率信息

时钟的主要技术指标：1 频率准确度，振荡器所产生的实际震荡频率与其理论值得相对偏差 2 ，频率漂移率频率准确度在单位时间内的变化量 3，频率稳定度（反映时钟质量的最主要的技术指标）频标在一定的时间间隔内所输出的平均频率的随机变化程度

频率准确度和频漂反映了钟的系统误差。频率稳定度反映了随机误差

世界时系统：以地球自转作为时间基准的时间系统。分为恒星时和太阳时

恒星时：以春分点作为参考点，春分点连续两次经过地方上子午圈的时间间隔为一个恒星日，再均匀分割成小时、分和秒。恒星时与地方上子午圈的时间有关，为地方时

恒星时分为真恒星时和平恒星时，真恒星时也即真春分点的地方时角，LAST。平恒星时，LMST

真太阳时：以太阳中心作为参考点。太阳中心连续两次经过某地的上子午圈的时间间隔称为一个真太阳日；再均匀分割为小时、分、秒。大小相当于太阳中心相对于本地子午圈的时角真太阳时不均匀原因：1，地球围绕太阳的轨道为椭圆，近地点角速度大远地点小， 2 ，黄道在赤道上的投影不均匀。

建立平太阳时的原因：由于真太阳时的缺陷，建立以平太阳视运动为基准的平太阳时

平太阳：建立假太阳，其周年视运动轨迹位于赤道平面，而不是黄道平面，它在赤道上的运动角速度为恒定的，等于真太阳时的平均角速度，假太阳称为平太阳

平太阳：以地球自转为基础，以平太阳中心作为参考点所建立的时间系统

民用时：将平太阳时的起始点从平正午移到平子夜的平太阳时

世界时（UT）：将格林尼治零子午线处的民用时

世界时是以地球自转为基础的，而地球自转轴在地球的内部位置在变化，即存在极移现象，地球自转速度不均匀，不严格满足建立时间系统的基本条件.广泛应用于天文学和人们日常生活，但因为不均匀，无法应用于高科技，高精度的领域

未经任何改正的世界时 UT0，经过极移改正Δ入，的UT1，经过极移和地球自转速度的季节性改正ΔTs, UT2

由于地球自转的同时也存在绕太阳公转，太阳日大于恒星日，太阳时大于恒星时

力学时系统：天文学中，天体的星历是根据天体力学中的运动方程编算的，这些方程中，时间T是一个独立的变量，该时间定义为力学时。以行星绕日公转为基础。

力学时分类：历书时（ET），地球动力学时（TDT），太阳系质心力学时（TDB）

历书时：为了避免世界时的不均匀性，1960年引入了一种以地球绕日公转周期为基础的均匀时间系统。历书时的起点，1900年1月0日12h.

历书时实际上是通过对月球的观测得到的，将观测得到的天体位置与用历书时计算得到的天体历表比较，就能内插出观测瞬间的历书时

历书时的缺陷：1，太阳，月球，行星历表中的位置与一些天文常数有关，每当这些天文常熟进行了修改，就会导致历书时不连续。 2，由于月球的视面积很大，边缘又很不规则，很难精确找准其中心的位置，所以求得的历书时比理论精度要差很多 3，要经过较长时间的观测和数据处理才能得到准确的时间 4，由于星表本身的误差，同一瞬间观测月球与观测行星得出的历书时可能不相同

原子时：以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续记数的时标

起点：1958年1月1日0h，其值与UT2相同

协调世界时（UTC）：世界时的应用比原子时更为广泛，国际天文协会于20世纪60年代建立协调世界时，秒长严格等于原子时的秒长。协调世界时与世界时UT间的时刻差规定需要保持在0.9秒以内，否则将采取闰秒的方式进行调整

GPS时（GPST），时间为原子时，采用原子时的秒长，起点1980年1月6日0

国际原子时IAT-GPST=19s

相对论框架下的几种时间系统：

地球动力学时（TDT）：用于解算围绕地球质心旋转的天体的运动方程，编算其星历时所用的一种时间系统。建立在国际原子时TAI的基础上，秒长与国际原子时的秒长相等。32.184 太阳系质心动力学时（TDB）：用于解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程并编制其星表时所用的时间系统

地心坐标时（TCG）：原点位于地心的天球坐标系中所用的第四维坐标-时间系统，它是把TDT 从大地水准面上通过相对论转换到地心时的类时变量

质心坐标时（TCB）：以太阳系质心天球坐标系中的第四维坐标，它是用于计算行星绕日运动方程中的时间变量，也是编制行星星表时的独立变量

空间大地测量中的常用计时方法：

历法：规定年月日的长度以及他们之间的关系，指定时间序列的一套法则。分为阳历，阴阳历，阴历。阳历，以回归年为基本单位。阴阳历：以朔望月记月，以回归年计年，二者兼顾阴历：以朔望月为基本单位

阳历分为：儒略历，格里历。

赤道岁差（日月岁差）：由于太阳、月球以及行星对地球上赤道隆起部分的作用力矩而导致赤道平面的进动（或者说天极绕黄极在半径为黄赤交角的小圆上顺时针方向旋转）称为赤道岁差。运动速度为每年西移50.39秒

黄道岁差(行星岁差)：除太阳和月球对地球的万有引力外，其他行星对地球和月球产生万有引力，影响地月系质心绕日公转的轨道平面，黄道面产生变化，使春分点产生移动。春分点在天球赤道上面每年东移0.1秒，还会使黄赤交角变化

平天极：只考虑岁差运动时的天极

平赤道：对平天极对应的天球赤道

平春分点：平赤道与黄道的交点

IAU1976，IAU2000，IAU2006岁差模型

瞬时天球坐标系：以天球中心为原点，X轴指向瞬时的平春分点，Z轴指向瞬时的平北天极，Y轴垂直于X轴和Z轴形成一个右手垂直直角坐标系

岁差改正原因：恒星的位置是在天球坐标系中描述的，由于岁差的影响，不同时刻的瞬时天球坐标系不同，不同时刻的恒星位置无法相互比较，为了比较不同时刻的恒星的位置，必须把不同时刻恒星在不同瞬时坐标系下的位置归算到统一的坐标系下（协议天球坐标系），就必须进行岁差改正

章动：由于日月以及行星相对于地球的位置在不断变化，导致黄道面产生周期性的变化，从而使得北天极，春分点，黄赤交角等在总岁差的基础上产生额外的周期性的微小摆动，这种周期性的微小摆动称为章动

主要因素：月球绕地球公转的白道平面之间的夹角会在18°17″到28°35″之间以18.6年周期变化

真天极围绕平天极做周期性运动，真春分点、真赤道分别相对于平春分点、平赤道作相应的周期运动，引起的春分点在黄道上的位移为黄经章动，所引起的黄赤交角的变化为交角章动。极移：由于地球内部物质（地幔对流）和表面上的物质（海潮，洋流）的运动，使得地球相对于自转轴产生相对运动，引起地级的移动

固定平纬：取6年内测站的瞬时纬度的平均值作为测站的平均纬度，其数值在长时间内将保持基本稳定，称为固定平纬

历元平纬：将某一历元的纬度值扣除周期项的影响后取值作为该历元的平均纬度。

固定平极：由几个纬度观测台站的固定平纬所确定的平均极，如国际协议原点CIO

历元平极：由一个或几个观测台站的历元平纬所确定的平极。我国的JYD1968.0

极移的成分：张德勒摆动（周期427天0.15秒），是弹性地球自转的必然结果

受迫摆动（周期1年，0.10秒）主要是由于季节性的天气变化引起的

微小摆动：周期1天，0.02秒

天球坐标系：描述自然天体和人造天体在空间的位置或方向的一种坐标系

依据所选用的坐标原点不同：站心天球坐标系，原点位于测站中心。地心天球坐标系，原点位于地心，太阳系质心天球，原点位于太阳系质心

基圈与基点：选取一个大圆作为基圈，该基圈的极点称为基点，过基圈的两个极点的大圆皆与基圈垂直

主圈和副圈：选取一个过基圈的两个极点的大圆作为主圈，其余的大圆称为副圈

主点;主圈与基圈的交点

经度：过任一天体S的副圈平面与主圈面之间的夹角。纬度：从球心至天体的联线与基圈平面间的夹角

瞬时天球赤道坐标系：坐标原点位于天球中心，Z轴指向瞬时北天极，X轴指向瞬时春分点，Y轴组成右手坐标系的空间直角坐标系。天体的最终位置和方位不易用这种坐标系表示

平天球赤道坐标系：只顾岁差运动不顾章动运动所建立的天球坐标系。

Z轴指向历元平天极，X轴和Y轴则位于与之相应的平天球赤道面上，X轴指向平春分点，组成右手坐标系

协议天球坐标系：为了方便地表示天体在空间的位置和方位，编制天体的星历表，就需要在空间建立一个固定的坐标系，该坐标系的三个坐标轴需指向三个固定的方向。2000年1月1

日12h的平天球坐标系。Z轴指向J2000.0时的平北天极，X轴指向J2000.0时的春分点；Y

轴垂直于X，Z轴，构成右手坐标系

国际天球参考系统ICRS是根据一组定义和规定从理论上来加以确定的，该坐标系统还需要

有具体的机构通过一系列的观测和数据处理并采用一定的形式来予以实现，坐标系统的具体

实现称为坐标框架。国际天球参考系ICRS是由国际地球自转服务IERS所建立的国际天球参

考框架ICRF来予以实现的。根据原点的不同分为BCRS（坐标原点位于太阳系质心），GCRS

（原点位于地球质心）

协议地球参考系（CTRS）：由一定的组织和机构通过一系列的观测和数据处理后用地球参考

框架来具体实现。目前，国际上常用的CTRS和CTRF有国际地球参考系ITRS，国际参考

框架ITRF，和WGS-84

协议地球坐标系，框架一个满足下列条件：

1，原点位于包括海洋和大气层在内的整个地球的质量中心。2，尺度为广义相对论意义上的

局部地球框架内的尺度。3 ，坐标轴的指向最初是BIH1984.0来确定的。4，坐标轴定向随

时间的变化满足地壳无整体旋转这一条件。

甚长基线干涉测量（VLBI）。两台配备了高精度原子钟、相距遥远的射电望远镜A和B，同时对来自某一射电源的信号进行观测，利用干涉测量的方法对2台分别记录的信号进行相关处理，以求得信号到达A,B两站的时延以及时延的变化率，进而精确确定基线向量AB，以及从射电望远镜至射电源的方向的一整套理论、方法和技术称为甚长基线干涉测量。

大气窗口：可见光窗口和无线电窗口

减小波长的限制：1 机动过程中天线的变形小于波长的1/10， 2天线的平整度高于观测波

长的1/20.

联线干涉测量原理：将两台相距为D的两台射电望远镜A和B用电缆线连接起来，共同使用

一台钟，将接收到的信号混频后变成中频，然后通过电缆送往相关器经行相处理，组成一台

虚拟的口径为D的大射电望远镜。

两条缆线的作用是传递信号，传递本振信号和传递中频信号

甚长基线干涉测量的应用：1，能够分辨出射电源精细结构，2，对射电源位置以及望远镜两

端测站的相对位置非常敏感，能够分辨他们之间位置的细微变化，3，在天体测量和大地测

量中应用广泛。

大大提高了大地测量定位，参考框架的连接，地球自转和极移监测，估计地壳运动，绘制河

外射电源图像的精度

VLBI天线收到地球引力场的影响，观测量同时涉及三个参考系:

1 ,由射电源星表实现的射电天球参考系， 2，由空间VLBI的轨道运动方程实现的动力学

参考系。3 由地面测站网实现的低谷参考系

空间甚长基线干涉测量：（SVLBI），将VLBI天线送往太空，大幅度延伸VLBI观测基线长度，

提高观测分辨率。由 SVLBI站，地面VLBI站，地面跟踪站，相关处理中心构成

VLBI系统构成: 天线，接收机，记录终端，氢原子钟，相关处理机

SVLBI与地面VLBI的比较：1、空间VLBI站本振频率的相频率锁定在地面跟踪站的氢脉泽频标上，这个频标由跟踪站通过S（或X）波段的向上无线电通道发送给空间VLBI站。2、空间VLBI站接收到的射电信号及其他数据通过K（X、S）波段向下无线电通道发送给跟踪站，并经格式化后记录到磁带上。3、空间VLBI站上必须配备高精度的天线姿态调整、轨道控制和检测系统。4、空间VLBI站的能源是通过接收太阳能来提供的。5、空间VLBI必须配备全球覆盖的地面支持系统。

卫星测高原理：利用星载微波雷达测高仪，通过测定微波从卫星到地球海洋表面再反射回来所经过的时间来确定卫星至海面星下点的高度，根据已知的卫星轨道和各种改正来确定某种稳态意义上或一定时间尺度平均意义上的海面相对于一个参考椭球的大地高或海洋大地水准面高。

在理想的情况下，卫星测高仪的测量值应该等于卫星质心到海洋表面的瞬间距离，然而由于测高仪发射的脉冲信号在经过海洋表面反射返回接收机之前受到多种因素的影响，包括卫星轨道误差，仪器误差以及大气对微波信号的散射和折射等，因此，必须对卫星测高仪的测量值施以各项改正，才能得到卫星质心到海洋表面的瞬时距离

卫星轨道误差：主要误差源分为四类：地球重力场模型（主要误差），大气传播延迟，光压，跟踪站坐标误差。固体潮汐，海洋潮汐。

环境误差：海况（电磁偏差）影响，，电离层折射误差，对流层影响，逆气压改正

仪器误差：跟踪系统偏差，波形样本放大校准偏差，平均脉冲形状的不确定性与时间标志偏差

测高卫星：GEOSAT,ERS1/2，Topex/Poseiden ,GFO,JASON-1, ENVISAT-1,ICEsat

数据预处理：精化预处理包括依据编辑准则的数据剔除和各项地球物理改正。

卫星测高数据基准统一和参考框架转换

流程：通过对各类卫星测高观测数据进行预处理精化，包括数据的编辑，统一参考椭球和参考框架，部分消除残余系统偏差，用共线法确定所有重复共线轨迹的时间平均海面高，以初步消弱轨道误差和海洋时变等残余系统误差，并可显著减小交叉点不符值；最后对所有各类测高轨迹进行近于全组合式扩大的多星组合交叉点平差，进一步消弱径向轨道误差，经得这三步，即可得整个海域各类测高卫星轨迹上的离散点精密海面高，为进一步计算垂线偏差，重力异常，海洋大地水准面和其他应用准备了高精度的卫星测高数据。

应用：大地测量学，地球物理学，海洋学，全球环境变化和监测

共线平差目的：1）消除卫星轨道误差 2确定平均海平面；3计算重复轨迹的平均时间轨迹实现过程：首先为每一组共线轨迹选择一个时间历元，以保证具有相同的相对时间处，内插处同组内每条共线轨迹的海面高、纬度、经度，然后对共线轨迹进行平差，平差后即可求出所需位置的纬度、经度、海面高。由于共线平差会遇到秩亏，因此可以对共线平差施加约束条件。

交叉点平差目的：1）研究径向轨道误差的大小2）评价定轨中采用的地球重力场模型的精度； 3）校准测高仪时标精度 4）研究交叉点不符值在卫星定轨中的可观测性； 5）回复重力异常研究；6）研究大洋潮汐； 7）研究湍流变化

实现过程：利用内插，一般采用多项式拟合升降轨道然后通过联立求解方程，确定交叉点的时间和位置。求得与经纬度满足的待定二项式系数即可确定。

第一代卫星导航定位系统：子午卫星系统为代表

子午卫星：采用多普勒测量来定轨和定位

系统的组成：空间部分（卫星星座），地面控制中心（计算中心，注入站，控制中心，海军天文台。）用户部分（多普勒接收机）

定位方法：单点定位，联测定位，短弧法定位

局限性：1 一次定位所需时间过长，2 不是一个连续的导航定位系统

DORIS ，采用多普勒测量方式进行卫星定轨和空间无线电定位的综合系统。定轨原理和子午卫星系统类似，但是DORIS系统中无线电信号发射器只是安放在地面跟踪站上的，多普勒接收机则放在卫星上。