[科普中國]-大地測量參考系

參考系統(tǒng)的定義

為了說明大地測量參考系統(tǒng)是如何定義的，首先簡要解釋3個(gè)概念：地球質(zhì)心、地球自轉(zhuǎn)軸和大地水準(zhǔn)面。地球質(zhì)心是指固體地球海洋和大氣的共同質(zhì)J，}lao地球在相對慣性空間高速自轉(zhuǎn)，通過地球質(zhì)心，并指向旋轉(zhuǎn)角速度方向的軸線稱為地球的自轉(zhuǎn)軸。長期的科學(xué)研究表明，地球的自轉(zhuǎn)是非常穩(wěn)定的，自轉(zhuǎn)速率、自轉(zhuǎn)軸相對空間和地球本身的方向變化(日長變化歲差、章動(dòng)和極移)非常小。大地水準(zhǔn)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(gè)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1。

由于與海洋面非常接近的標(biāo)準(zhǔn)并不唯一，所以大地水準(zhǔn)面的定義也有一定的隨意性大地水準(zhǔn)面是一個(gè)重力位的等值面，所以，只要定義了大地水準(zhǔn)狀和大小完全由4個(gè)參數(shù)確定：GM ( G為萬有引力常數(shù)，M為質(zhì)量)與實(shí)際地球的相等；Uo(表面的正常重力位)與大地水準(zhǔn)面上的重力位相等；I2(動(dòng)力形狀因子)與實(shí)際地球的相等；w (自轉(zhuǎn)角速率)與實(shí)際地球的相等地球橢球的4個(gè)參數(shù)中，Uo常由a(長半軸)代替，I2常由f(扁率)代替。地球橢球相對于實(shí)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于地球的質(zhì)心，其短軸指向地極地極通常定義為地球自轉(zhuǎn)軸在某一段時(shí)間內(nèi)的平均位置地球橢球的表面事實(shí)上是大地水準(zhǔn)面的近似，它是與大地水準(zhǔn)面符合得最好的旋轉(zhuǎn)橢球面一點(diǎn)相對地球橢球的位置由經(jīng)度L、緯度B和大地高h(yuǎn)來表示定義經(jīng)度時(shí)需要定義一個(gè)零經(jīng)度子午線，或稱起始子午線引進(jìn)一個(gè)直角坐標(biāo)系，中心位于橢球中心，x軸位于地球橢球的赤道面內(nèi)，并指向初始子午線，：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(diǎn)的位置也可以用直角坐標(biāo)x，y，z表示在前空間大地測量時(shí)代，地球橢球只能主要以區(qū)域性大地測量工作為基礎(chǔ)建立，其大小、形狀及位置通常全部或部分根據(jù)與國家或地區(qū)的大地水準(zhǔn)面或似大地水準(zhǔn)面符合最好的原則(最小二乘)確定地球橢球的位置、形狀和大小由大地原點(diǎn)的大地坐標(biāo)L，B，垂線偏差a，Z大地水準(zhǔn)面高N，以及橢球大小和形狀參數(shù)(長半軸a扁率f)來確定1。

進(jìn)入空間大地測量時(shí)代以來，測量精度不斷提高，目前在全球尺度上已達(dá)到幾個(gè)厘米的量級(jí)在這種精度的基礎(chǔ)上，以前無須考慮的地球動(dòng)力學(xué)因素現(xiàn)在必須加以考慮現(xiàn)代大地測量參考系統(tǒng)的確立可分為如下4個(gè)步驟：①建立一個(gè)3維直角坐標(biāo)系的3條坐標(biāo)軸與位于地球上或地球內(nèi)部一組可觀測點(diǎn)之間的關(guān)系，從而完全確定這個(gè)3維笛卡爾坐標(biāo)系的位置和方向；②建立距離與一個(gè)可觀測量之間的關(guān)系，從而確立長度的單位；③引進(jìn)一個(gè)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(tǒng)，即確立重力場在定位中的作用2。

首先，學(xué)術(shù)界的共識(shí)是定義地球質(zhì)心為3維笛卡爾坐標(biāo)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(zhuǎn)局(IERS)定義的國際參考極(IRP) ， x軸指向作為約定而定義的起始子午線，通常為IERS定義的起始子午線，Y軸則根據(jù)與x， z軸形成右手系的規(guī)則確定但是這種看起來簡單的幾何過程由于地球的動(dòng)力學(xué)行為而變得非常復(fù)雜。地球的質(zhì)心在相對地表運(yùn)動(dòng)，地球的自轉(zhuǎn)速率以及自轉(zhuǎn)軸相對于空間及相對于地球本身都在變化(日長變化、歲差、章動(dòng)和極移)，地面點(diǎn)由于板塊運(yùn)動(dòng)、地震、火山活動(dòng)、冰后回彈固體潮、海潮負(fù)荷等各種地球物理因素影響在作相對運(yùn)磯建立現(xiàn)代大地測量參考系統(tǒng)必須考慮這些因素一種方法是將笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸固聯(lián)于一組選定點(diǎn)的瞬時(shí)位置處理地球自轉(zhuǎn)變化及板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)通常采用這種做法其他類型的運(yùn)動(dòng)則通過將笛卡爾坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸固聯(lián)于所選定的點(diǎn)在某一歷元的瞬時(shí)位置而予以考慮1。

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(gè)可觀測量，即真空中光在1 /299 792 458s走過的距離，但并不是具體的實(shí)現(xiàn)不同的大地測量參考系采用了不同的技術(shù)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(biāo)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(tǒng)之間存在尺度的差晃在將前空間大地測量時(shí)代建立的大地測量參考系統(tǒng)與現(xiàn)代利用空間大地測量技術(shù)建立的大地測量參考系統(tǒng)進(jìn)行比較時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，老系統(tǒng)存在百萬分之一量級(jí)的誤差而現(xiàn)代測距技術(shù)已達(dá)到十億分之一量級(jí)的精度水平。

第三是選擇一個(gè)地球橢球，使它相對3維笛卡爾坐標(biāo)的位置如前所述我們知道，在現(xiàn)代技術(shù)水平上，確立地球橢球的4個(gè)參數(shù)中，GM和k可由分析人造衛(wèi)星軌道確定，。由一般天文觀測確定，a則由激光、多普勒或雷達(dá)測高等技術(shù)測定這樣測得的地球橢球?qū)θ虼蟮厮疁?zhǔn)面都可達(dá)到一定程度的最佳符念一點(diǎn)的位置可用3個(gè)笛卡爾坐標(biāo)x，y，z或3個(gè)大地坐標(biāo)L，B，h表示，2組坐標(biāo)可以互相轉(zhuǎn)挽大地坐標(biāo)更符合我們關(guān)于水平和垂直方向尺度的直覺然后建立高程系統(tǒng)這只需明確指定一個(gè)零高程點(diǎn)。將這個(gè)點(diǎn)用精密水準(zhǔn)聯(lián)測到一個(gè)標(biāo)石上，確定這個(gè)標(biāo)石的高程后，其他位置的高程就可由這個(gè)標(biāo)石起用水準(zhǔn)測量測得，這個(gè)標(biāo)石叫水準(zhǔn)原點(diǎn)高程系統(tǒng)中有重力場的影響，需要根據(jù)所采用的是正高或正常高系統(tǒng)對幾何水準(zhǔn)作不同的重力場改正。

參考系統(tǒng)的幾種具體實(shí)現(xiàn)這里概略介紹3種用以表示幾何位置的大地測量參考系統(tǒng)：我國的1980年國家大地坐標(biāo)系、W GS84和ITRS我國的1980年國家大地坐標(biāo)系主要是前空間大地測量意義下的參考系統(tǒng)它采納了1975年國際大地測量協(xié)會(huì)推薦的地球橢球(IAG275橢球)；極點(diǎn)采納我國在1949到1977年期間36個(gè)臺(tái)站的觀測資料歸算得到的1968年極原點(diǎn)，即JYD1968。 0，起始子午線采納格林尼治子午線；地球橢球中心的位置是根據(jù)橢球面與我國似大地水準(zhǔn)面符合得最好的原則(最小二乘)確定的；大地原點(diǎn)位于我國中部的陜西省徑陽縣永樂鎮(zhèn)W GS84是美國國防部建立的，GPS系統(tǒng)采納的大地測量參考系。它最初是利用TRAM SIT大地測量衛(wèi)星系統(tǒng)的多普勒觀測確定的，后來進(jìn)行了2次更新：第1次更新是1994年，W GS84完全根據(jù)GPS觀測重新確定，稱為WGS84( 6730)，其中G代表GPS， 730表示進(jìn)行了730個(gè)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(jìn)行了873個(gè)星期的觀測。WGS84( 6873)的中心、指向和尺度是根據(jù)15個(gè)GPS跟蹤站的坐標(biāo)確定，其中5個(gè)跟蹤站由美國空軍維護(hù)，10個(gè)由美國國家圖像與制圖局(N IM A)維護(hù)。將來，WGS84還可能隨跟蹤站的增加或已有跟蹤站天線的移動(dòng)或更換而進(jìn)一步改選由于GPS衛(wèi)星的廣播星歷是相對于W GS84的，所以利用廣播星歷適時(shí)定位得到的便是W GS84坐標(biāo)，這使W GS84得到了廣泛的應(yīng)用。但是，高精度定位工作中通常不采用WGS84，這是因?yàn)楦呔榷ㄎ恍枰阎母呔瓤刂泣c(diǎn)各種高精度差分GPS定位技術(shù)均需要一個(gè)或多個(gè)高精度控制點(diǎn)，以消除系統(tǒng)誤差所以，要采用WGS84進(jìn)行高精度定位，必須預(yù)先建立一個(gè)比較密集的高精度WGS84控制網(wǎng)。另一個(gè)影響高精度GPS定位的因素是WGS84中跟蹤站的地殼運(yùn)動(dòng)速度不向GPS用戶提供1。

WGS84符合IERS定義的協(xié)議地球參考系( CTRS)，即：①中心在地球質(zhì)心；②采用廣義相對論下地固參照系中的尺度；③指向符合IERS(事實(shí)上是其前身國際時(shí)間局，簡稱BIH) 1984。0指向隨時(shí)間的變化使它相對地殼沒有整體轉(zhuǎn)動(dòng)這與ITRS是一致吮ITRS是20世紀(jì)80年代后期引進(jìn)的，目的是促進(jìn)需要高精度定位的科學(xué)研究的開展，例如監(jiān)測地殼及地球自轉(zhuǎn)軸的運(yùn)磯ITRS的具體實(shí)現(xiàn)稱為國際地球參考框架(ITR以從1988年起，IERS基本上每年都發(fā)表ITRS的一種實(shí)現(xiàn)，即ITRF88， ITRF89，。。。，ITRF2000 ITRS是第1個(gè)將板塊運(yùn)動(dòng)及其他地殼運(yùn)動(dòng)考慮在內(nèi)的國際大地測量參考系統(tǒng)，具體做法是同時(shí)給定控制點(diǎn)的坐標(biāo)和速度由板塊運(yùn)動(dòng)理論不難理解給出速度的必要性根據(jù)板塊運(yùn)動(dòng)理論，地球表層的巖石圈由大約20塊基本上為剛體的板塊構(gòu)成，這些板塊在做相對的橫向運(yùn)動(dòng)，位于不同板塊上的點(diǎn)之間的相對運(yùn)動(dòng)速度有的達(dá)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(yùn)動(dòng)，那么必然要提出這樣一個(gè)問題：板塊運(yùn)動(dòng)的“絕對”速度應(yīng)該怎樣表示呢?由于沒有“絕對”不動(dòng)的點(diǎn)作參考，所以要表示板塊運(yùn)動(dòng)的“絕對”速度，必須已經(jīng)知道一些點(diǎn)的“絕對”速度，從而可作為參考點(diǎn)。這是個(gè)類似先有雞還是先有蛋的難題目前，建立ITRS時(shí)解決這一難題的辦法是假設(shè)地球表層作為整體在平均意義下相對地球內(nèi)部沒有運(yùn)動(dòng)，換句話說，地球表層相對ITRS的總角動(dòng)量等于零，即一個(gè)板塊的角動(dòng)量剛好由其他板塊的角動(dòng)量所抵消。這事實(shí)上是前面提及的IERS定義的CTRS的第4點(diǎn)內(nèi)容的具體化ITRS的所有具體實(shí)現(xiàn)ITRF88， ITRF89，。。。 ，ITRF2000都是由處于穩(wěn)定板塊內(nèi)部的一些觀測站的坐標(biāo)和速度維持，其中的坐標(biāo)是指某一歷元的。IT RF2000主要是利用V LBI和SLR觀測建立的。主要特點(diǎn)是其方向隨時(shí)間的變化是以它相對NNR2NUVELIA沒有純轉(zhuǎn)動(dòng)的原則定義的。ITRF2000考慮到了各種應(yīng)用的需要，如大地測量、制圖、導(dǎo)航等，尤其是用作世界各國，特別是會(huì)員國的國家大地測量坐標(biāo)系的需戛所以，ITRF2000不僅包含正在運(yùn)行的空間大地測量儀器，還包含有用的標(biāo)志，以方便測量工作1。

評(píng)價(jià)GPS是大地測量技術(shù)的革命，它幾乎改變了大地測量的一切，而ITRS的出現(xiàn)則使得充分利用現(xiàn)代高精度空間大地測量技術(shù)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)在不久的將來，ITRS的某一實(shí)現(xiàn)，例如IT RF2000很可能被許多國家采納為國家大地測量坐標(biāo)系事實(shí)上，GPS所采納的WGS84也在接近ITRS，例如，WGS84的屏蔽作用，使海底目標(biāo)體受到較大的發(fā)射場激勵(lì)，產(chǎn)生較強(qiáng)的響應(yīng)而且，海水的屏蔽作用使得海底天然和人文電磁噪聲較小2。

將觀測裝置置于海底進(jìn)行瞬變電磁探測時(shí)，海水的響應(yīng)同樣存在，并疊加在海底介質(zhì)響應(yīng)中，同時(shí)被觀測裝置接收到，數(shù)據(jù)反演時(shí)需要預(yù)先計(jì)算海水的響應(yīng)。當(dāng)海水深度較大時(shí)，可以將海水看作均勻半空間，反演計(jì)算相對簡單；當(dāng)海水深度較淺時(shí)，海水與空氣交界面的影響不可忽略，需考慮海水深度盡管如此，海水電導(dǎo)率較為均勻，深度可測，海水部分的響應(yīng)可直接計(jì)算，可以從總響應(yīng)中去除該部分響應(yīng)，得到海底響應(yīng)，從而反演海底介質(zhì)的電性參數(shù)1。