现代大地控制测量
同济大学测量系
2004年 9月
第一讲 绪 论
§ 1.1 大地测量学的定义、分类和任务
定义,大地测量学是为人类活动提供空间信息的科
学，着重研究地球的几何特征（形状和大小）和
基本物理特性（重力场）及其变化。
分类,几何大地测量、物理大地测量
几何大地测量,经典大地测量、空间大地测量
物理大地测量,地面重力、航空重力、卫星重力
大地测量学的任务
经济建设中的任务：
统一全国坐标框架，建立国家和精密城市控制网，
精确测定控制点的坐标，为经济建设服务。
地学研究中的任务：
1,建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的
三维大地网，长期监测网点随时间的变化；
2,监测和分析各种地球动力学现象；
3,测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时
间的变化。
§ 1.2 空间大地测量技术
一、原理
观测量,站星矢量、卫地距
离、相邻时刻的卫地距离
差、卫地距离变化率
O
P
S
??tPr
X
Y
Z
??tr
??tρ
? ? ? ? ? ?ttt Prrρ ??
? ? ? ? ? ?tttρ ρρ ??
? ? ? ? ? ?tttP ?ρe ?
? ? ? ? ? ?1221,tρtρtt ??? ?
? ? ? ? ? ? ? ?ttttρ ?ρρ ?? ??
协议地固坐标系与协议惯性系的关系
协议地固坐标系与协议惯性系之间的坐
标转换需要加岁差,章动,地球自转角和极移
改正,
? ? ? ? ? ? ? ?tt PTTTTP 021 rBBNRPRr ?
岁差,A slow gyration of Earth‘s axis around the pole of the
ecliptic,caused mainly by the gravitational pull of the sun,
moon,and other planets on Earth’s equatorial bulge,
章动,A small periodic motion of the celestial pole of Earth
with respect to the pole of the ecliptic.
极移：地球自转轴相对于地球的晃动
空间大地测量的观测方法
1、卫星摄影法
2、卫星多普勒
3、卫星激光测距
4、甚长基线干涉测量
5、卫星测高
6、全球定位系统（ GPS）
卫星激光测距
测定激光由地面站发射经卫星反射到地
面站接收的时间间隔 ?,计算观测时刻地面到
卫星的距离,
?? C21?
目前的距离测量精度已经达到厘米级, Lageos卫星
的人卫激光观测资料对目前低阶重力场的确定起到重
要作用,
人卫激光仪
装有激光发射棱镜的卫星
甚长基线干涉测量
观测对象,河外类星体
观测仪器,射电望远镜
观测量,射电源到同步
观测的射电望远镜的
时间差
解算量,同步观测的射
电望远镜之间的坐标
差等
射电源电磁波
射电望远镜
射电望远镜
卫星测高
h
Q?
B
P P?
o
Z
Sr
h?
? ?SSS ZYXS,,
H
海面
Er
卫星测高原理
Hhh ???
? ?thNh ???? ?
全球定位系统（ GPS）
1989年发射工作卫星
1994年部署完 24颗卫星
系统由三大部分组成：
1,GPS卫星
2、地面控制部分
3、用户部分
GPS接收机
§ 1.3 地球形状表述的数学模型和物理模型
1.3.1 大地水准面
大地水准面,通过平均海水面的重力等位面。
What we call in the geometric sense the surface of the
earth is nothing else but that surface which intersects
the direction of gravity at right angles and from
which the surface of the world’s ocean is a part,
C,Gauss 1828
We shall call the previously defined mathematical
surface of the Earth,of which the ocean surface is a
part,geoidal surface of the Earth or the geoid,
J.Listing 1873
大地水准面
椭球面
大地水准面
大地水准面
差距
1,与重力线垂直，是重力等位面
2,通过平均海水面
全球大地水准面图
1.3.2 参考椭球面
定义,与局部大地水准面吻合的旋转椭球面。
参数,长半径 a, 扁率 ?
起
始
子
午
面
L
B
椭球的定位与定向,确定参考椭球与局部大地
水准面的相对关系。
我国的参考椭球
1,1954北京坐标系
椭球参数,克拉索夫斯基椭球，
长半径 a = 6378245米，扁率 ? =1/298.3
定位,从前苏联远东控制网引入。
2,1980西安坐标系
椭球参数,IAG1967椭球，
长半径 a = 6378137米，扁率 ? =1/298.257
定位,由我国的天文大地网数据。
1.3.3 平均地球椭球面
定义,与全球大地水准面吻合的旋转椭球面。
1、正常椭球,其椭球面上的正常重力位与大地水
准面上的重力位相同。
参数,a,?,GM,?
若采用 1980大地参考系统（ GRS80)，则有：
r a d / s10292115.7 s/m10986005.3
10263.1082 m6378137
52314
6
2
?
?
????
???
?GM
Ja
椭球面上的正常重力为：
? ?BB 2s i n0 0 0 0 0 5 8.0s i n0 0 5 3 0 2 4.011.9 7 8 0 3 2 220 ????
大地高 H处的正常重力为：
HH 3086.00 ?? ??
2、平均地球椭球
平均地球椭球,与全球大地水准面吻合，即使
全球范围内的大地水准面差距最小。
? ? m in,4 1 2 ??? ??
?
dLBN
1,平均椭球是正常椭球，重力位与大地水准面重力位相同
2,中心与地球重心重合，质量等于地球质量
3,短轴与地球自转轴重合
3、平均海水面与大地水准面
平均海水面与大地水准面之间相差稳态
海面地形
习 题
1,大地测量的主要研究对象是什么？
2,近代大地测量主要有哪些新的观测手段？
3,平均椭球体与参考椭球体的区别？
4,平均椭球的几何参数与物理参数是什么？
同济大学测量系
2004年 9月
第一讲 绪 论
§ 1.1 大地测量学的定义、分类和任务
定义,大地测量学是为人类活动提供空间信息的科
学，着重研究地球的几何特征（形状和大小）和
基本物理特性（重力场）及其变化。
分类,几何大地测量、物理大地测量
几何大地测量,经典大地测量、空间大地测量
物理大地测量,地面重力、航空重力、卫星重力
大地测量学的任务
经济建设中的任务：
统一全国坐标框架，建立国家和精密城市控制网，
精确测定控制点的坐标，为经济建设服务。
地学研究中的任务：
1,建立与维持高精度的坐标框架和区域性与全球的
三维大地网，长期监测网点随时间的变化；
2,监测和分析各种地球动力学现象；
3,测定地球形状和外部重力场的精细结构及其随时
间的变化。
§ 1.2 空间大地测量技术
一、原理
观测量,站星矢量、卫地距
离、相邻时刻的卫地距离
差、卫地距离变化率
O
P
S
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X
Y
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? ? ? ? ? ?1221,tρtρtt ??? ?
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协议地固坐标系与协议惯性系的关系
协议地固坐标系与协议惯性系之间的坐
标转换需要加岁差,章动,地球自转角和极移
改正,
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岁差,A slow gyration of Earth‘s axis around the pole of the
ecliptic,caused mainly by the gravitational pull of the sun,
moon,and other planets on Earth’s equatorial bulge,
章动,A small periodic motion of the celestial pole of Earth
with respect to the pole of the ecliptic.
极移：地球自转轴相对于地球的晃动
空间大地测量的观测方法
1、卫星摄影法
2、卫星多普勒
3、卫星激光测距
4、甚长基线干涉测量
5、卫星测高
6、全球定位系统（ GPS）
卫星激光测距
测定激光由地面站发射经卫星反射到地
面站接收的时间间隔 ?,计算观测时刻地面到
卫星的距离,
?? C21?
目前的距离测量精度已经达到厘米级, Lageos卫星
的人卫激光观测资料对目前低阶重力场的确定起到重
要作用,
人卫激光仪
装有激光发射棱镜的卫星
甚长基线干涉测量
观测对象,河外类星体
观测仪器,射电望远镜
观测量,射电源到同步
观测的射电望远镜的
时间差
解算量,同步观测的射
电望远镜之间的坐标
差等
射电源电磁波
射电望远镜
射电望远镜
卫星测高
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海面
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卫星测高原理
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全球定位系统（ GPS）
1989年发射工作卫星
1994年部署完 24颗卫星
系统由三大部分组成：
1,GPS卫星
2、地面控制部分
3、用户部分
GPS接收机
§ 1.3 地球形状表述的数学模型和物理模型
1.3.1 大地水准面
大地水准面,通过平均海水面的重力等位面。
What we call in the geometric sense the surface of the
earth is nothing else but that surface which intersects
the direction of gravity at right angles and from
which the surface of the world’s ocean is a part,
C,Gauss 1828
We shall call the previously defined mathematical
surface of the Earth,of which the ocean surface is a
part,geoidal surface of the Earth or the geoid,
J.Listing 1873
大地水准面
椭球面
大地水准面
大地水准面
差距
1,与重力线垂直，是重力等位面
2,通过平均海水面
全球大地水准面图
1.3.2 参考椭球面
定义,与局部大地水准面吻合的旋转椭球面。
参数,长半径 a, 扁率 ?
起
始
子
午
面
L
B
椭球的定位与定向,确定参考椭球与局部大地
水准面的相对关系。
我国的参考椭球
1,1954北京坐标系
椭球参数,克拉索夫斯基椭球，
长半径 a = 6378245米，扁率 ? =1/298.3
定位,从前苏联远东控制网引入。
2,1980西安坐标系
椭球参数,IAG1967椭球，
长半径 a = 6378137米，扁率 ? =1/298.257
定位,由我国的天文大地网数据。
1.3.3 平均地球椭球面
定义,与全球大地水准面吻合的旋转椭球面。
1、正常椭球,其椭球面上的正常重力位与大地水
准面上的重力位相同。
参数,a,?,GM,?
若采用 1980大地参考系统（ GRS80)，则有：
r a d / s10292115.7 s/m10986005.3
10263.1082 m6378137
52314
6
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?GM
Ja
椭球面上的正常重力为：
? ?BB 2s i n0 0 0 0 0 5 8.0s i n0 0 5 3 0 2 4.011.9 7 8 0 3 2 220 ????
大地高 H处的正常重力为：
HH 3086.00 ?? ??
2、平均地球椭球
平均地球椭球,与全球大地水准面吻合，即使
全球范围内的大地水准面差距最小。
? ? m in,4 1 2 ??? ??
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dLBN
1,平均椭球是正常椭球，重力位与大地水准面重力位相同
2,中心与地球重心重合，质量等于地球质量
3,短轴与地球自转轴重合
3、平均海水面与大地水准面
平均海水面与大地水准面之间相差稳态
海面地形
习 题
1,大地测量的主要研究对象是什么？
2,近代大地测量主要有哪些新的观测手段？
3,平均椭球体与参考椭球体的区别？
4,平均椭球的几何参数与物理参数是什么？
