24-协议地球参考系
地理信息系统(名词解释)
1、地理信息系统（geographic information system ， 即gis ）——一门集计算机科学、 信息学、地理学等多门科学为一体的新兴学科， 它是在计算机软件和硬件支持下， 运用系 统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供对规划 、管理、决策和研究所需信息的空间信息系统。
2．栅格——栅格结构是最简单最直接的空间数据结构， 是指将地球表面划分为大小均匀 紧密相邻的网格阵列， 每个网格作为一个象元或象素由行、列定义， 并包含一个代码表示 该象素的属性类型或量值， 或仅仅包括指向其属性记录的指针。
因此， 栅格结构是以规则 的阵列来表示空间地物或现象分布的数据组织，组织中的每个数据表示地物或现象的非几何属性特征。
特点：属性明显， 定位隐含， 即数据直接记录属性本身， 而所在的位置则根据行列号转换为相应的坐标，即定位是根据数据在数据集中的位置得到的，在栅格结构中，点用一个栅格单元表示；线状地物用沿线走向的一组相邻栅格单元表示，每个栅格单元最 多只有两个相邻单元在线上；面或区域用记有区域属性的相邻栅格单元的集合表示，每个 栅格单元可有多于两个的相邻单元同属一个区域。
3.矢量——它假定地理空间是连续， 通过记录坐标的方式尽可能精确地表示点、线、 多边形等地理实体， 坐标空间设为连续， 允许任意位置、长度和面积的精确定义。
对于点实体， 矢量结构中只记录其在特定坐标系下的坐标和属性代码；对于线实体， 用一系列坐标对的连线表示；多边形是指边界完全闭合的空间区域，用一系列坐标对的连线表示。
4. “拓扑”（topology）一词来源于希腊文，它的原意是 “形状的研究”。
拓扑学是 几何学的一个分支，它研究在拓扑变换下能够保持不变的几何属性——拓扑属性（拓扑属 性：一个点在一个弧段的端点， 一个点在一个区域的边界上；非拓扑属性：两点之间的距离， 弧段的长度， 区域的周长、面积） 。
地球四极矩定义及参考系转换的探讨
地球四极矩定义及参考系转换的探讨
地球四极矩（Geodetic Parameters）指的是在定义地球坐标系的时候，所采用的参考坐标原点、地球半径、椭球参数以及三项转换常数。
它是地球坐标系系统（GCS）和大地坐标系统（GDC）之间强有力的联系点。
地球四极矩的定义和参考系转换是目前地球测量学中最基础的概念，也是地球测量计算的基础。
它是定位通常的起点，是从大地坐标系统描述位置的基础，也是从本地坐标系统描述位置的基础。
地球四极矩的定义还有助于研究地球的应用力学形态，如地形的变形和地质历史活动。
地球四极矩的定义一般包括以下部分：参考坐标原点、地球半径、椭球参数、三项转换常数。
参考坐标原点是指地球表面定义点，它通常与赤道交点和太平洋时区有关。
地球半径是指在任意两点之间实际测量的地球形状，椭球参数是根据地球椭球形状选择参考椭球的参数。
如符号a、b、f等用来表示地球的长半轴和扁率，其中f指的是地球的偏心率。
三项转换常数是用来将本地坐标系统转换为大地坐标系统的参考值。
参考系转换是指根据地球四极矩的定义，将以一种参考系统表示的数据转化成另一种参考系统表示的数据，以此解决地球表面投影和空间坐标系统之间的差异。
它使空间坐标变换技术得到大幅度改进，按照最准确的角度进行外部转换，使地图坐标更加精确。
这是地球测量技术应用的必要一步，也是实现未来精确测量的基础。
综上所述，地球四极矩的定义和参考系转换是测量系统中重要的概念。
地球四极矩定义了地球坐标系统和大地坐标系统之间的联系点，参考系转换使地图坐标更加精确，在测量学上也有着重要的应用。
GPS习题集名词解释
1、卫星星历:是描述卫星运行轨道的信息。
2、天线高:指天线的相位中心至观测点标志中心顶面的垂直距离。
3、春分点:当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与地球赤道的交点。
4、开普勒第一定律:卫星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与地球的月心相重合。
这一定律表明，在中心引力场中，卫星绕地球运行的轨道面，是一个通过划球质心的静止平面。
5、同步环:由多台接收机同步观测的结果所构成的闭合环称为同步环。
6、多路径效应:在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收衫天线，这就将和直接来自卫星的信号(直接波)产生干涉，从而使观测值偏离真值产且所谓的多路径误差。
这种山于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。
7、周跳:在接收机跟踪GPS卫星进行观测的过程中，常常山于多种原因(例如接收机天线被阻挡、外界噪声信号的干扰等)，可能使载波相位观测值中的9周数不正确但其不足1整周的小数部分仍然是正确的，这种现象成为整周变跳，简称周跳。
8、绝对定位:利用GPS卫星和用户接收机间的距离观测值直接确定用户接收机天线在在WGS-84坐标系中相对地球质心的绝对位置。
9、恒星时:以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间，称为恒星时。
恒星时是地方时。
10、卫星的无摄运动:卫星在轨运动受到中心力和摄动力的影响。
假设地球为匀质球体，其对卫星的引力称为中心力(质量集中于球体的中心)。
中心力决定着卫星运动的 4本规律和特征，此时卫星的运动称为无摄运动，山此所决定的卫星轨道可视为理想的轨道，又称卫星的无摄运动轨道。
11、精密星历:是一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，而计算的卫星星历。
它可以向用户提供在用户观测时间的卫星星历，避免了预报星历外推的误差。
12、相对定位:用两台或多台接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS 卫星，以确定4线端点在协议地球坐标系中的相对位置或4线向量的定位方法。
GNSS测量与数据处理试题
一、判断题、接收机的几何中心与相位中心重合，数据处理过程中不需要做任何改正。
GPS 1答案：错、我国自主研制的北斗定位系统目前已具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短2报文通信服务能力。
答案：对、注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、3导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统。
答案：对、地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变化。
4答案：对、年北京坐标系是地心坐标系。
51954答案：错、地面上同一个点在及坐标系中的坐标存在较大差异，在一般工6 WGS84 CGCS2000程测量工作中必须加以区分。
答案：错、经高斯投影后，中央子午线是直线，且不存在投影长度变形7答案：对；、高斯投影存在长度投影变形，距离中央子午线越近，变形越大。
8答案：错；、为了控制投影变形，高斯投影必须分带。
我国规定按经差度和度进行分带。
6 9 3答案：对、系统中以原子时作为时间基准GPS 10答案：对、电离层对信号有延迟作用，其大小与信号的频率有关。
11 GPS答案：对、对流层对信号有延迟作用，其大小与信号的频率有关。
GPS 12答案：错、系统所使用的测距码，如码等，是伪随机噪声码。
C/A GPS 13．答案：对、系统使用精码（码）和粗码（码）两种测距码。
由于精码的码元宽度较GPS C/A P 14宽，所以测距精度较好，粗码的码元宽度较窄，测距精度较差。
答案：错、卫星上搭载的原子钟精度很高且稳定度好，对工程测量应用而言，不需要对GPS 15卫星原子钟的时间进行改正。
GPS答案：错、系统是通过测量接收机至卫星之间的角度，然后通过空间后方交会GPS 16 GPS GPS进行定位的。
答案：错、在进行网平差计算时，从测绘局等国家权威机构购买的年北京坐标系GPS 17 1954控制点资料可不加筛选地作为网的已知起算数据使用。
GPS答案：错、北斗系统已具备覆盖全球的导航定位能力。
18答案：错、北斗系统计划于年具备覆盖全球的导航定位能力。
协议地球坐标系
协议地球坐标系地球坐标系是一种用于描述地球表面上点的坐标系统。
它是地图制图、导航、地理信息系统和地球物理学等领域的基础。
协议地球坐标系（WGS）是一种全球性的地球坐标系统，它由美国国防部制定，用于全球定位系统（GPS）和其他卫星导航系统。
WGS定义了地球的椭球体模型、大地水准面和坐标系统，为全球定位和导航提供了统一的基准。
WGS是一种球面坐标系，用经度和纬度来描述地球上的点。
经度是指地球表面上点与本初子午线的夹角，以东经为正，以西经为负；纬度是指地球表面上点与赤道的夹角，以北纬为正，以南纬为负。
经度和纬度共同确定了地球上任意点的位置。
WGS采用了一种特定的椭球体模型——WGS-84椭球体。
这个椭球体的长半轴为6378137米，短半轴为6356752.3142米，扁率为1/298.257223563。
这个椭球体模型被广泛应用于地图制图、大地测量和卫星导航系统中。
除了椭球体模型，WGS还定义了大地水准面。
大地水准面是一个近似于地球海平面的曲面，它被用作地球上点的高程基准。
WGS-84椭球体的高程基准面被定义为平均海水面，其高程为0米。
WGS还规定了一种球面坐标系统，即地心纬度和地心经度。
地心纬度和地心经度是以地球质心为原点的球面坐标系，它们与经度和纬度之间存在一定的转换关系。
总之，协议地球坐标系是一种全球性的地球坐标系统，它为全球定位系统和其他卫星导航系统提供了统一的基准。
WGS定义了地球的椭球体模型、大地水准面和坐标系统，为地图制图、导航、地理信息系统和地球物理学等领域提供了基础。
通过经度和纬度，WGS可以精确描述地球上任意点的位置，为人类认识和探索地球提供了重要的工具和基础。
GBT17159-2009大地测量术语
GB/T 17159-2009引言GB/T 17159-1997实施已十多年了，对测绘科学知识的传播，国内外测绘科技交流，测绘图书文献的编撰、出版和检索等起到了很大作用。
然而在这十多年中，测绘学科随着地理信息技术、遥感技术、全球定位系统技术、计算机技术、网络技术等的迅猛发展也进入了一个新的发展空间，其应用也扩展到了社会生活和经济生活的方方面面。
因此本标准的修订充分考虑了这一情况，术语的定义参考《测绘学名词》（第二版）及《地球科学大辞典》等资料，并与GB/T 14911-2008《测绘基本术语》、GB/T 17694-1999《地理信息技术基础术语》、GB/T 16820-2009《地图学术语》等术语标准进行了协调，力争通过本标准反映大地测量学科和技术的基本面貌。
本标准给出了术语的汉语拼音索引和英文对应词索引。
大地测量术语1 范围本标准规定了大地测量学科术语及其定义，并附有汉语拼音索引和英文对应词索引。
本标准适用于涉及大地测量专业方面的标准制定、技术文件编制、档案、教材、书刊等文献的编写。
2大地测量学科分类2.1大地测量学geodesy研究和确定地球及其他天体的形状、大小、重力场、整体与局部运动和表面点的几何位置以及它们的变化的理论和技术的科学。
2.2动力大地测量学dynamic geodesy研究和测定地球运动状态及其机制的理论和方法的大地测量学分支。
2.3几何大地测量学geometric geodesy研究利用几何观测量（长度、方向、角度、高差）解决大地测量学科问题的大地测量学分支。
2.4椭球面大地测量学ellipsoidal geodesy研究椭球面的数学性质以及以该面为参考的大地测量解算理论与方法的大地测量学分支。
2.5理论大地测量学theoretical geodesy研究综合利用各种大地测量方法解决其学科基本理论问题的大地测量学分支。
2.6应用大地测量学applied geodesy研究地面大地控制网布设与施测理论和技术的大地测量学分支。
地球参考框架与坐标系
天球参考系和参考框架（1）
• 天球参考系CRS(Celestial Reference System)是一种 于动态定义的系统，也就是使宇宙中遥远的目标与某一 固定的轴方向保持一致。天球参考系是通过河外星系、 大多数类星体、较少的活动的银河系核的精确坐标来定 义的天球参考框架CRF(Celestial Reference Frame)来 实现的 。 • 国际天球参考系ICRS(International Celestial Reference System)由国际天文联合会 IAU(International Astronomical Union)于1997年正 接受，从1989年到1995年，国际地球自转服务 IERS(International Earth Rotation Service)每年对 天球参考系CRS 进行观测计算，计算采用相同的IERS河 外星系天球参考系 。
极位置和赤经原点
•
Location of the poles and the origin of right ascensions of the FK5 and that of the celestial pole and equinox at J2000.0 with respect to the ICRS.
•
•
ICRS、ICRF的定义
• International Celestial Reference System and Frame (ICRS, ICRF) • A reference system can be defined as a « set of prescriptions and conventions together with the modelling required to define, at any time, a triad of axes ». To complete this definition, we should not forget also the fundamental choice of the origin. • The ICRS is defined in the following way : its origin is located at the barycentre of the solar system, and the directions of its three axes are fixed relative to the distant extragalactic sources . • A reference frame can be defined as a « practical realization with given fiducial directions agreeing with the concepts introduced in the corresponding Reference System » .
参考系坐标系及转换讲解
1 天球坐标系、地球坐标系和卫星测量中常用的坐标系的建立方法。
天球直角坐标系天球坐标系天球球面坐标系坐标系地球直角坐标系地球坐标系地球大地坐标系常用的天球坐标系：天球赤道坐标系、天球地平坐标系和天文坐标系。
在天球坐标系中，天体的空间位置可用天球空间直角坐标系或天球球面坐标系两种方式来描述。
1 天球空间直角坐标系的定义地球质心O为坐标原点，Z轴指向天球北极，X轴指向春分点，Y轴垂直于XOZ 平面，与X轴和Z轴构成右手坐标系。
则在此坐标系下，空间点的位置由坐标（X，Y，Z）来描述。
春分点：当太阳在地球的黄道上由天球南半球进入北半球，黄道与赤道的交点）2 天球球面坐标系的定义地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴（天轴：地球自转的轴）所在平面为天球经度（赤经）测量基准——基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标。
空间点的位置在天球坐标系下的表述为（r，α，δ）。
天球空间直角坐标系与天球球面坐标系的关系可用图2-1表示：岁差和章动的影响岁差：地球实际上不是一个理想的球体，地球自转轴方向不再保持不变，这使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。
章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极旋转，大致呈椭圆，这种现象称为章动。
极移：地球自转轴相对地球体的位置并不是固定的，因而，地极点在地球表面上的位置，是随时间而变化的，这种现象称为极移。
地球的自转轴不仅受日、月引力作用而使其在空间变化，而且还受地球内部质量不均匀影响在地球内部运动。
前者导致岁差和章动，后者导致极移。
协议天球坐标系：为了建立一个与惯性坐标系统相接近的坐标系，人们通常选择某一时刻，作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过瞬时的岁差和章动改正后，分别作为X轴和Z轴的指向，由此建立的坐标系称为协议天球坐标系。
3 地球坐标系地球直角坐标系和地球大地坐标系的转换其中：过椭球面上一点的法线，可作无限个法截面，其中一个与该点子午面相垂直的法截面同椭球面相截形成的闭合的圈称为卯酉圈。
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建立动力学方程，解算出它们的瞬时位置和
速度，这类历表构成的参考架。
rv
v x(t)i
x(t)
v j
v x(t)k
x f1 t y f2 t z f3 t
f x, y, z 0
射电源参考架：1998年起以IERS提供的射电
源表（707）作为ICRF，精度0.02mas，必要观 测：1个射电源的赤经和赤纬加1个方向；
实用中参考系的三轴指向由IERS提供的地球自 转参数(ERP)确定，它可由VLBI技术精确测得。
④ CTRF的尺度
对于CTRF的尺度，按定义应为引力相对论意 义下的局部地球框架的尺度；
实用中由各分析中心在数据处理时采用的光速 c、地球引力常数 GM 以及某种相对论改正模 型来确定；
新的CTRF的尺度一般是选用某个网的尺度， 或多个网的尺度的带权平均。
《大地测量学基础》（FOUNDATION OF GEODESY）
协议地球参考系
测绘学院一系大地测量教研室
上节课内容回顾
椭球定位的条件？
① 椭球的短轴与地球的自 转轴平行； ② 起始大地子午面与起始 天文子午面平行； ③ 椭球面与某一区域的大 地水准面最为密合。
x 0, y 0 z 0
② 地球质心位置的确定：
CTRF的坐标原点由 SLR确定。
方法：使参加平差的 某个SLR网的平移参 数为0；或使参加平差 的几个SLR网的平移 参数的加权和为0。
③ 参考系的定向
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；
② 在测绘工程中的应用需求；
3）地理信息的应用在时间域上的整体 性要求，参心基准属静态基准，而地心 基准则可长期维持。
3 、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义
Definition of the Conventional Terrestrial Reference System and the Conventional Terrestrial Reference Frame
① 一点定位； L0 0，B0 0，A0 0 H0 H正0
② 多点定位；
Li，Bi
天文、重力
Hi
i
水准求高程
异常
N新 cos B旧 cos L旧X0 cos B旧 sin L旧Y0 sin B旧Z0
N旧（1 a旧
e旧2
sin2
B旧）a
M旧
1 旧
Y sin sin
Z cos
地球定向参数的获得：可从IERS公告A或
公告B中得到以天为间隔极移坐标
公告A提供了极移的当前解及其预报值，用于 实时的观测等用途，可通过匿名ftp获得；
公报B提供了极移的标准解，可用于科学和地 球自转的长期分析等用途，每个月月初通过 匿名ftp和互联网更新发布；
1 0 X 1
0
1
Y
0
0 1
xp yp
X Y 1 xp yp 1
RX yp RY xp
cos 1
X xp
Y yp
FTS'E RY xp RX yp
X sin cos
方案。一个参考系包括：一组模型和常数； 一套理论和数据处理方法；一个参考架。
Z' Z
Z Z0
X Y
Z'
O
X'
X
X' Z X0 Y
X
Y
X Z Y0
Y'
X 'Y ' Z ' XYZ RZ ()RX ()RZ ( ) RX (X )RY (Y )RZ (Z )
(1
e旧2
sin2
B旧) sin2
B旧
N旧
N新2=最小
X
、
0
Y0、
Z 0
、、N
0、
0、N
，
0
坐标系、参考架和参考系：
坐标系：由理论定义给出的用于描述点的
位置和运动的数学工具；
参考架：标定了坐标值的一组物理点组成
的框架，坐标值可以采用不同的坐标系；
参考系：实现理想的基本坐标系的一套整体
3）定向由BIH1984.0给出；
4）定向的时间演化相对于地壳不产生残余的 全球性旋转。
3 、协议地球参考框架的建立和维持
Establishment and Maintenance of CTRF
① 地球参考系的实现步骤：
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）依据协议模型和方法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）建立相应的时变模型以维持协议地球参考 框架的稳定。
公报A和公报B同时提供天极补偿和UT1。
ftp:///ser7，/ http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/，hpiers.obspm.fr or 145.238.100.28
地球定向参数：
xp , yp , x, y, dUT1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Z Z'
X
X'
x &sin sin &cos
欧拉运动学方程： y &sin cos &sin
z &cos &
A
dx
dt
C
A 23
N1
欧拉动力学方程：
A
dy
dt
C
A 31
N2
C
dz
dt
N3
国际协议原点：1967年
y
(CTP) p0
xp
yp p
(CIP)
（TIO） x
X xp Y yp
E'FTS R3 R2 R3
X sin cos Y sin sin Z cos
E'FTS RZ RY RZ
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。
理想地球参考框 架的Tisserand条件
cvdm 0 c x vdm 0
2 、协议地球参考系和协议地球参考框架的定义
Definition of the Conventional Terrestrial Reference System and the Conventional Terrestrial Reference Frame
恒星参考架：1998年起，Hipparcos星表（11
万颗恒星）取代FK5星表作为[FCS]在光学波段 的实现，精度好于1mas；
动力学参考架：近距天体如太阳系行星、卫
星及人造天体的轨道历表，[FCS]的一种实现， 如JPL的DE行星历表、各种卫星的精密历表等。
地球的空间姿态
FTS'FCS FTS'EE'NN'FCS
地球的空间姿态
岁差和章动：在
日月和行星引力的 作用下，地球的动 力学平面的空间取 向的变化。可通过 岁差章动模型精确 预测。
地球自转：世界时UT1
1、基本坐标系
Fundamental Coordinate System
、和 分别表示 进动角、自转角和 章动角，根据月球、 太阳和行星对地球 的作用解欧拉方程 可解。
② 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；
2、地心坐标系及其应用需求
Requirement of Geocentric Coordinate System and its Application
参考系的实际建立： 物理基准（即原点、尺度、定向等） 实现的方法
CTRS和CTRF的协议性：对特定的理论和 模型的选择；对实现系统所采用方法的选择。
协议地球参考系CTRS的定义：
1）原点在地球质心，地心定义为包括海洋 和大气的整个地球的质量中心；
2）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；
N2 min
上节课内容回顾
大地起算数据：大地
原点的大地坐标值L0、 B0、H0，以及它对某一 方向的大地方位角A0， 经典大地测量的基准。
L0，B0，H0，A0
大地起算数据
P(L0 , B0 )
M
N
H0
p0 A0 m
S
0，0，0 N0 ，x， y，z
椭球定位
椭球定位的方法？ 0 0，0 0，N0 0
[FTS]'[FCS]代表了平均岩石圈相对于遥远天体整 体背景的“空间绝对姿态”。
[N]'[FCS]代表了瞬时天球坐标系相对与空间背景 的姿态变化，可通过岁差章动和天极补偿来描述。
[E]'[N]代表了瞬时地球坐标系相对与瞬时天球坐 标系的姿态变化，可通过地球自转角来描述。
[FTS]'[E]代表了地球本体相对于瞬时地球坐标系 的姿态变化，可通过极移来描述。
IAU和IUGG建议平极的位 置用5个台站的“1900— 1905年新系统”的平均纬 度来确定，平极的这个位置 相对于1900-1905年平均 历元（1903.0），叫做国 际协议原点，简称CIO