空間大地測量學

前言

空間大地測量學是整個大地測量學中最為活躍、發(fā)展最為迅速的一個分支。利用空間大地測量方法所求得的點位精度、地球定向參數（極移、日長變化等）的精度以及地球重力場模型的分辨率和精度都比以前有了極大的提高，有的提高幅度達幾個數量級，而且還具有測站間無需保持通視，可同時精確確定三維坐標等優(yōu)點，從而導致大地測量學經歷了一場劃時代的革命性的變革。目前，空間大地測量已成為建立和維持國際天球參考框架、國際地球參考框架以及測定它們之間的轉換參數、確定地球重力場的主要方法，已成為研究地殼形變和各種地球動力學現(xiàn)象、監(jiān)測地質災害的主要手段之一，從而使大地測量處于各種地球科學分支學科的交匯處，成為推動地球科學發(fā)展的一個前沿學科，加強了大地測量學在地球科學中的戰(zhàn)略地位。本教材可同時供本科生和研究生使用，任課教師可根據具體情況（如各校的培養(yǎng)目標、教學大綱、學時數及課程的銜接情況等）從中選取合適的部分使用。全書共分8章，第1章介紹了傳統(tǒng)大地測量的局限性以及空間大地測量產生的必要性和可能性。第2章介紹了一些常用的時間系統(tǒng)，如世界時、歷書時、原子時和協(xié)調世界時以及將來可能使用的精度更高的脈沖星時，對原子鐘的工作原理、特性、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢也作了簡要介紹。本章還對空間大地測量中經常涉及的地球動力學時TDT（地球時TT）、太陽系質心動力學時。TDB、地心坐標時。TCG和質心坐標時TcB以及它們之間的轉換關系作了介紹。第3章在介紹歲差、章動、極移等現(xiàn)象的基礎上，對空間大地測量中經常涉及的天球坐標系（CRS）和地球坐標系（TRS）以及相應的參考框架進行了較為全面的闡述，并對GCRS和ITRS之間的坐標轉換方法作了介紹和說明。第4章和第5章分別介紹了甚長基線干涉測量（VLBI）以及激光測衛(wèi)（sLR）和激光測月（LLR）的基本原理、數學模型、發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，以及它們在建立和維持全球和區(qū)域性的坐標框架，確定地球定向參數、地球重力場的低階項及萬有引力常數與地球質量的乘積等方面的應用狀況。第6章和第7章則對利用衛(wèi)星測高、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星、衛(wèi)星梯度測量和衛(wèi)星軌道攝動等衛(wèi)星重力學方法來反演地球重力場的基本原理、數學模型、觀測數據的精化以及當前進行的CHAMP、GRAcE、GOCE計劃作了較全面的闡述。此外還對上述方法在大地測量、地球物理、海洋學研究、地震研究和預報、大氣探測和研究等方面的應用狀況作了簡要介紹。第8章簡要介紹了子午衛(wèi)星系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和DORIs系統(tǒng)等衛(wèi)星導航定位定軌系統(tǒng)的原理、特點、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及應用狀況；還對正在研究中的脈沖星導航技術作了簡要介紹。本書第1、2、3、8章由李征航教授編寫，第4章由魏二虎教授編寫，第5章由中國科學院測量與地球物理研究所的彭碧波研究員和魏二虎教授共同完成，第6、7章由王正濤副教授編寫，最后由李征航教授負責統(tǒng)稿。

內容概要

　　利用自然天體或人造天體來精確測定點的位置，確定地球的形狀、大小、外部重力場，以及它們隨時間的變化狀況的一整套理論和方法稱為空間大地測量學。全書共8章，分別介紹了傳統(tǒng)大地測量的局限性，空間大地測量產生的必然性和可能性；空間大地測量中所涉及的各種時間系統(tǒng)和坐標系統(tǒng)；甚長基線干涉測量、激光測衛(wèi)、衛(wèi)星測高、衛(wèi)星軌道攝動、衛(wèi)星跟蹤衛(wèi)星、衛(wèi)星梯度測量等空間大地測量方法的基本原理、數學模型、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、應用等內容?！　　犊臻g大地測量學》是供本科生和研究生使用的一本合編教材。教師可根據課時數、教學大綱、前期課程等具體情況從中選擇合適的內容使用?！犊臻g大地測量學》也可作為測繪及相關專業(yè)、領域的教師和科研人員的參考書。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 傳統(tǒng)大地測量的局限性1.1.1 定位時要求測站間保持通視1.1.2 無法同時精確測定點的三維坐標1.1.3 觀測受氣象條件的限制1.1.4 難以避免某些系統(tǒng)誤差的影響1.1.5 難以建立地心坐標系1.2 空間大地測量的產生1.2.1 時代對大地測量提出的新要求1.2.2 空間大地測量產生的可能性1.3 空間大地測量的定義、任務及幾種主要技術1.3.1 什么是空間大地測量1.3.2 空間大地測量的主要任務1.3.3 幾種主要的空間大地測量技術第2章 時間系統(tǒng)2.1 相關的預備知識2.1.1 有關時間的一些基本概念2.1.2 天球的基本概念2.1.3 時鐘的主要技術指標2.2 恒星時和太陽時2.2.1 恒星時(siderealTime，sT)2.2.2 太陽時(solarTime，sT)2.3 歷書時(EpIlemerisTime，ET)2.4 原子時(AtomicTime，AT)2.5 原子鐘2.5.1 發(fā)展歷史2.5.2 原子鐘的基本工作原理2.5.3 原子鐘的分類2.5.4 原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2.6 脈沖星時2.6.1 脈沖星2.6.2 脈沖星時2.7 相對論框架下的時間系統(tǒng)2.8 時間傳遞2.8.1 短波無線電時號2.8.2 長波無線電時號2.8.3 電視比對2.8.4 搬運鐘法2.8.5 利用衛(wèi)星進行時間比對2.8.6 電話和計算機授時2.8.7 網絡時間戳服務(TimeStamp)，2.9 空間大地測量中用到的一些長時間計時方法2.9.1 歷法(Calendar)2.9.2 儒略日與簡化儒略日第3章 坐標系統(tǒng)3.1 歲差3.1.1 赤道歲差3.1.2 黃道歲差3.1.3 總歲差和歲差模型3.1.4 歲差改正3.2 章 動3.2.1 章 動的基本概念3.2.2 黃經章 動和交角章 動3.3 極移3.3.1 極移的發(fā)現(xiàn)3.3.2 平均緯度、平均極和極坐標3.3.3 極移的測定3.3.4 極移的成分3.4 天球坐標系3.4.1 基本概念3.4.2 瞬時天球赤道坐標系3.4.3 平天球赤道坐標系3.4.4 協(xié)議天球坐標系3.4.5 國際天球參考框架(InternationalCelestialReferenceFFame，ICRF)3.5 站心天球坐標系3.5.1 歸心改正3.5.2 坐標轉換3.6 地球坐標系3.6.1 參心坐標系和地心坐標系3.6.2 地球坐標系的兩種常用形式3.6.3 協(xié)議地球坐標(參考)系和協(xié)議地球坐標(參考)框架3.6.4 國際地球參考系和國際地球參考框架3.6.5 1984年世界大地坐標系3.6.6 2000中國大地坐標系3.7 國際地球參考系與地心天球參考系間的坐標3.7.1 前言3.7.2 天球中間極和無旋轉原點3.7.3 基于無旋轉原點NRO的坐標轉換新方法3.7.4 基于春分點的經典坐標轉換方法3.7.5 計算軟件及計算步驟第4章 VLBI原理及應用4.1 射電天文學的誕生4.1.1 大氣窗口4.1.2 射電天文學的誕生4.2 射電干涉測量技術4.2.1 聯(lián)線干涉測量技術4.2.2 甚長基線干涉測量技術(VLBI)4.2.3 空間甚長基線干涉測量技術(sVLBI)4.2.4 實時VLBI?(eal—timeVLBI)4.3 VLBI系統(tǒng)組成4.3.1 天線系統(tǒng)4.3.2 接收機4.3.3 數據記錄終端4.3.4 氫原子鐘和時間同步4.3.5 VLBI相關處理系統(tǒng)4.4 VLBI測量原理及實施過程4.4.1 VLBI測量原理4.4.2 觀測準備和實施4.4.3 VLBI數據處理的基本過程4.5 數學物理模型4.5.1 時間延遲和延遲率計算模型4.5.2 臺站坐標和延遲觀測量改正模型4.5.3 延遲和延遲率相對于參數的偏導數4.5.4 卡爾曼濾波在VLBI參數解算中的應用4.6 VLBI技術的應用第5章 激光測衛(wèi)和激光測月5.1 引言5.1.1 激光測距原理5.1.2 激光測距系統(tǒng)5.1.3 激光測距定軌原理5.2 激光測衛(wèi)5.2.1 激光測衛(wèi)中的觀測模型及其偏導數計算5.2.2 激光測衛(wèi)中的動力學模型及其偏導數計算5.2.3 運動方程的積分5.2.4 動力學偏導數5.2.5 人衛(wèi)激光測距技術的應用5.3 激光測月5.3.1 激光測月簡介5.3.2 激光測月觀測方程5.3.3 與月球相關的改正5.3.4 激光測月技術的應用第6章 衛(wèi)星測高6.1 引言6.2 衛(wèi)星測高基本原理6.3 衛(wèi)星測高誤差分析6.3.1 衛(wèi)星軌道誤差6.3.2 環(huán)境誤差6.3.3 儀器誤差6.3.4 衛(wèi)星測高誤差改正公式6.4 測高衛(wèi)星與數據預處理6.4.1 GEOSAT6.4.2 ERSl／26.4.3 ToDpex／Poseiden6.4.4 GFO6.4.5 JASON-16.4.6 ENVISAT-16.4.7 ICESat6.5 衛(wèi)星測高數據的基準統(tǒng)一與平差6.5.1 測高數據的基準統(tǒng)6.5.2 測高數據的平差方法6.6 衛(wèi)星測高技術的應用6.6.1 大地測量學6.6.2 地球物理學6.6.3 海洋學6.6.4 全球環(huán)境變化與監(jiān)測6.7 衛(wèi)星測高技術的最新發(fā)展6.7.1 衛(wèi)星測高后續(xù)計劃6.7.2 衛(wèi)星測高概念計劃……第7章 重力衛(wèi)星測量7.1 引言7.2 衛(wèi)星重力測量原理7.3 重力衛(wèi)星與觀測數據精化技術7.4 衛(wèi)星重力測量的應用第8章 衛(wèi)星導航定位及脈沖星導航定位8.1 多普勒測量與子午衛(wèi)星系統(tǒng)8.2 DORIS系統(tǒng)及其應用8.3 以GPS為代表的第二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)8.4 脈沖星導航定位

章節(jié)摘錄

插圖：20世紀50年代，隨著生產力的迅猛發(fā)展、科學技術水平的不斷提高，有不少部門和領域對大地測量學提出了一些新的要求，大地測量又面臨著巨大的挑戰(zhàn)和新的發(fā)展機遇。1.要求提供更精確的地心坐標此前，國民經濟建設的各個部門，如水利、交通、地質、礦山以及城市規(guī)劃建設等部門和軍事部門、科研機構等主要關心的是在一個國家或地區(qū)內點與點之間的相對關系，參心坐標并不影響這些部門的使用。20世紀50年代，隨著空間技術和遠程武器的出現(xiàn)和發(fā)展，情況就有了很大的變化。我們知道，當人造衛(wèi)星和彈道導彈人軌自由飛行后，其軌道為一橢圓（或橢圓中的一個弧段），該橢圓軌道的一個焦點位于地球質心上。只有把坐標系的原點移至地心上，使其與橢圓的焦點重合后，我們才能在該坐標系中依據橢圓的幾何特性導得一系列計算公式，進行軌道計算。所以，利用衛(wèi)星跟蹤站上的觀測值來定軌時，所給定的跟蹤站坐標必須是地心坐標。反之，利用衛(wèi)星導航定位技術所測得的用戶坐標自然也屬地心坐標。如前所述，用傳統(tǒng)的經典大地測量方法來進行弧度測量和橢球定位后，所得到的參考橢球的中心與地心之間通常都會有數十米至數百米的差距，難以滿足空間技術的需要。據報道，射程為10000km的導彈，如發(fā)射點的坐標有100m的誤差，則落點會有1-2km的誤差，所以發(fā)射點的坐標也需采用地心坐標而不能直接采用參心坐標。2.要求提供全球統(tǒng)一的坐標系20世紀50年代以前，人們主要關心的是在一個國家或地區(qū)內點的精確位置及其相互關系，這些問題可以在一個局部坐標系中加以解決。只有遠距離的航空、航海項目才會涉及不同坐標系間存在的差異問題，但由于這些應用項目對精度的要求不高，駕駛人員有足夠的時間來予以糾正，所以對建立統(tǒng)一坐標系的要求并不迫切。20世紀50年代后，情況就有了很大的變化，一些長距離高精度的應用項目紛紛出現(xiàn)，迫切要求建立全球統(tǒng)一的坐標系。例如，為了準確確定衛(wèi)星軌道，要求在全球布設許多衛(wèi)星跟蹤站，這些跟蹤站的坐標必須屬同一坐標系，其觀測資料才能進行統(tǒng)一處理。發(fā)射遠程彈道導彈時，發(fā)射點和彈著點的坐標應屬同一坐標系。測定板塊運動時，也應該在統(tǒng)一的坐標系中進行。隨著信息時代的到來，人與人之間的聯(lián)系和交往也越來越密切，地球將變得“越來越小”，在全球范圍內建立統(tǒng)一坐標系的要求也越來越迫切。

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