大地测量学-复习题

1.从科学的角度定义大地测量学并简述现代大地测量研究的三大方面内容。大地测量学：是指在一定的时间与空间参考系中，测量和描绘地球表面的科学，也就是研究和测定地球形状、大小和地球重力场，以及测定地面点几何位置。大地测量学已扩展到包括海洋和太空探索方面的应用，以及测定其他天体形状及重力场，如测定海底地形，月球重力场；现代大地测量研究的三大方面内容：○1测定地球以及其他天体的形状、大小，确定点的位置等○2测定地球以及其他天体的重力场以及随时间的变化○3测定地球自转和定向参数。2.两个基本的全球坐标参考系统分别是什么？连接这两个坐标参考框架的物理量是什么？如何定义这些物理量？被IAG和IAU采用的协议坐标参考系统是什么？目前，与其协议坐标参考系统相对应的最新参考框架是什么？什么机构维护全球坐标参考系统及框架？坐标参考系统：天球坐标系和地球坐标系。天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式。连接两个框架的物理量为地球定向参数（EOP）岁差（precession）、章动（nutation）、极移(polarmotion)，UT1以及日长(LOD)。岁差：分为赤道岁差和黄道岁差，赤道岁差由于日月以及行星对地球赤道上隆起部分的力矩，产生地球赤道面的进动，使赤道平面趋于黄道面，表现为地球自转轴（天极）在天球上绕黄极运动；黄道岁差，由于行星对地月系的万有引力，影响地月系质心绕日公转的轨道赤道极线段极限黄道极线段极限黄道赤道平面，是黄道面发生变化，春分点在天球赤道上产生移动。章动：主要原因由于月球运行轨道（白道）相对于黄道倾向的时间变化，使月球对地球自转轴产生的力矩不断变化；另外还有日月相对于地球位置的变化原因，造成章动。岁差和章动都是地球自转轴在天球上的运动。极移：地球自转轴相对于自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。某一观测瞬间地球北极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平极。定义为在天极与CIO极之间的夹角。极移坐标系由xy平面坐标定义，其x轴指南且与格林威治平子午线一致，而y轴指西。经极移改正的世界时（UT1）：平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日，分为24个平太阳小时。以格林尼治子夜起算的平太阳时称为世界时。未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世界时表示为UT1，01UTUT；UT1在卫星测量中广泛使用，数值上表征了地球自转相对恒星的角位置。日长：地球自转的不均匀导致多种短周期变化和长期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小，从而导致日长的视扰动和缓慢变长，最终使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。国际大地测量协会IAG和国际天文学联合会IAU决定，从1984年1月1日起采用以J2000.0(2000年1月15日)的平赤道和平春分点为依据的协议天球坐标系。最新参考框架是ITRF2008,ITRF是ITRS的具体实现，是通过IERS分布于全球的跟踪站的坐标和速度场来维持并提供用户使用的。IERS每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。国际地球自转服务（IERS）。ITRF是由IERS中心局IERSCB利用VLBI、LLR、SLR、GPS和DORIS等空间大地测量技术的观测数据分析得到的一组全球站坐标和速度。3.国际地球参考框架（ITRF）的建立包含了哪些大地测量观测技术？什么观测技术提供参考框架的原点（相对于地球质心）定义？什么观测技术提供其尺度的定义？为什么？国际地面参考框架（ITRF）是国际地面参考系统（ITRS）的具体实现。它以甚长基线干涉测量（VLBI）、卫星激光测距（SLR）、激光测月（LLR）、GPS和卫星多普勒定轨定位（DORIS)等空间大地测量技术构成全球观测网点，经数据处理，得到ITRF点（地面观测点）站坐标和速度场等。目前，ITRF已成为国际公认的应用最广泛、精度最高的地心坐标框架。激光测卫（SLR）：是目前精度最高的绝对定位技术。在定义全球地心参考框架，精确测定地球自转参数，确定全球重力场低阶模型，监测地球重力场长波时变，以及精密定轨，校正钟差等有重要的应用。甚长基线干涉（VLBI）：是在相距几千公里甚长基线的两端，用射电望远镜同时收测来自某一河外射电源的射电信息，根据干涉原理，直接测定基线长度和方向的一种空间测量技术。是连接天球坐标系和地球坐标系的唯一的技术。激光测卫（SLR）技术提供了参考框架的原点定义，ITRF88至ITRF93的原点是以克萨斯大学空间研究中心CSR的SLR分析结果作为固定基准；ITRF94、ITRF96的原点基准是取SLR和GPS结果的加权平均值。甚长基线干涉（VLBI）、激光测卫（SLR）用于提供国际地球参考框架尺度定义尺度基准：ITRF88至ITRF93的尺度是以克萨斯大学空间研究中心CSR的SLR分析结果作为固定基准；ITRF94、ITRF96的原点基准是取VLBI，SLR和GPS结果的加权平均值。TheITRF2008originisdefinedinsuchawaythatithaszerotranslationsandtranslationrateswithrespecttothemeanEarthcenterofmass,averagedbytheSLRtimeseries.ItsscaleisdefinedbynullifyingthescalefactoranditsratewithrespecttothemeanofVLBIandSLRlong-termsolutionsasobtainedbystackingtheirrespectivetimeseries.VLBIistheonlymoderntechniquewithdirectaccesstoastableinertialreferenceframe.ItuniquelycontributestomaintainingtimeasmeasuredbytherotationoftheEarthandtomonitoringthemotionoftheEarth’srotationaxisininertialspace.Theselattermeasurementsprovideuniqueinsightsintotheinteractionofthefluid-outerandsolid-innercoresandthemantleoftheEarth.VLBIalsoprovidesaccuratepositionandatmosphericdelaymeasurements.下面是了解部分AllthelocaltieSINEXfilesusedintheITRF2008combinationareavailableat(AltamimiandCollilieux2009}4.推导地球引力位的球函数展开式，分别解释其中零阶项、一阶项和二阶项的地球物理意义。（开始几张图是地球惯性矩表达引力位，因为本题的球谐函数展开式涉及其中的公式，所以在此贴上，以便大家详查。关于零阶项、一阶项和二阶项的地球物理意义不全，不知道劳范老师的学生能不能补全）注意下面才是真正引入球谐函数表达式：此处前十阶写了没用，列出以便大家观看5.什么是大地水准面高，什么是高程异常？他们之间又何区别和联系？大地水准面高是从大地水准面沿法线到地球椭球体面的距离。与静止海平面重合的重力等位面称为大地水准面。大地水准面是一个与地球内部密度分布有关的不规则曲面。大地水准面高度又称大地水准面差距，似大地水准面高度又称高程异常高程异常是似大地水准面至地球椭球面的高度正高系统是以大地水准面为高程基准面，地面上任一点的正高系统指改点沿垂线方向至大地水准面的距离。似大地水准面是由地面沿垂线向下量取正常高所得的点形成的连续曲面，它不是水准面，只是用于计算的辅助面。正常高可以定义为以似大地水准面为基准面的高程。大地高=正高高程+大地水准面差距大地高=正常高+高程异常6.地表重力测量包括哪两大类？分别进行定义。相对于一般机械重力仪，超导重力仪有哪些优点和缺点？全球超导重力仪观测服务组织是什么？应用全球超导重力仪观测的科学目的有哪些？地表重力测量包括：绝对重力测量和相对重力测量。绝对重力测量和就是用仪器直接测出地面点的绝对重力值，地球表面上的重力值约在978-983伽之间，它是相对重力测量的起始和控制基础。相对重力测量，就是用仪器测出地面上两点间的重力差值，地球表面上最大而定重力差值约为5000毫伽的量级。具有很高的灵敏度和稳定性、很低的噪音水平和漂移以及很宽的动态频率响应范围。价格昂贵，技术要求高，生产厂家少，观测条件要求非常高。GGP(GlobalGeodynamicsProject)超导重力仪主要运行于国家重力台网中心特别建立的重力台站或科研机构对重力变化的研究，用于重力场高精度相对连续观测。7.简述GRACE卫星重力观测的原理，就精度来说，它有哪些限制？试列举它在地学中的科学应用。原理：用两个相距不太远的卫星，分别用高精度的微波测距系统来精确测定两个卫星之间的距离和速率；同时利用高轨卫星导航定位系统来精确确定GRACE卫星的轨道；根据上述数据求得两个卫星处的瞬时引力位差，进而求得地球重力场。利用GRACE资料确定高精度地球重力场，研究大地水准面和重力异常，利用GRACE时变重力场研究地球表面流体质量的季节性分布变化，特别是全球水质量分布变化。利用卫星技术测定地球重力场模型的最基本原理就是通过观测卫星在轨道上运行的运动参数，根据牛顿力学方程反演地球重力场参数。若将地球看成总质量为M且形状和大小与全球大地水准面最接近的正常椭球，其产生的重力场为正常重力场，根据Kepler理论，卫星在正常重力场作用下的运动轨道是一个与地球相对位置不变的平面椭圆；真实地球重力场与正常重力场的诧异为扰动重力场，扰动重力场使卫星的实际运行轨道偏离正常轨道，表现为卫星的实际运动状态与卫星的正常运动状态的偏差，因此利用卫星技术恢复地球重力场的一种最基本的原理，就是由卫星轨道的摄动观测值，反演作用在卫星上的各种摄动力场。星载加速度计精度对反演地球重力场的影响：由于难以用精确的模型对大气阻力太阳光压和地球反照辐射压等非保守力进行建模所以通常使用加速度计来测量非保守力．非保守力测量精度的高低直接关系到卫星定轨和重力场反演的精度。低轨卫星定轨精度对反演地球重力场的影响：利用卫星轨道和星间距离为观测值在定轨精度分别为３ｍｍ３ｃｍ和３ｄｍ其余载荷指标与现行ＧＲＡＣＥ相同时反演出一组重力场模型。低轨卫星速度精度对反演地球重力场的影响：ＧＲＡＣＥ卫星的速度对反演重力场存在着重要的影响．如果利用经典动力学法反演地球重力场则容易发现速度误差对状态转移矩阵和参数敏感矩阵影响较大。轨道倾角对反演地球重力场的影响：轨道倾角越接近９０°卫星所覆盖的地面范围越大．现行的ＧＲＡＣＥ卫星轨道倾角为８９°分别在南北极存在着１°的空白区域。轨道高度对反演地球重力场的影响：现行ＧＲＡＣＥ任务的初始轨道高度为５００ｋｍ在所有的载荷中影响重力场最大的就是轨道的高低．卫星轨道越低所探测到的重力场信息越多反演出的重力场精度越高．也正因此ＧＯＣＥ卫星的轨道降为２５０