物理大地测量学

测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics物理大地测量学罗志才地球物理大地测量研究所Email:[e-mail]电话:[phone](O)，13886081078测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics课程名称：物理大地测量学（PhysicalGeodesy）授课对象与学分:•测绘工程专业本科生•学分：3.0（54学时）教材：物理大地测量学基础（郭俊义编著）测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics参考书•地球形状及外部重力场（管泽霖，宁津生编）•物理大地测量学（W.A.HeiskanenandH.Moritz）•《地球重力学基础》（操华胜等编著）•地球重力场在工程测量中的应用（管泽霖，宁津生编）测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics主要学习内容重力探测（测量）技术，包括陆地绝对和相对重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星重力测量的原理和方法地球重力场的基础理论•位理论基础•正常重力场•Stokes理论及重力归算•Molodensky理论的基本原理测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics固体潮的基础理论•引潮力位及其展开式•各种可观测的潮汐现象•固体潮的调和分析方法地球重力场的应用•地球重力场与测绘科学•地球重力场与地球科学•地球重力场与国防、军事测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics课程概述学科任务发展进程学科内容主要应用领域测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics一、学科任务物理大地测量学的主要任务：用物理方法研究和测定地球形体、地球重力场及各自随时间的变化，又称地球（大地）重力学。从哲学的观点来看，地球重力场与其它物理场一样，是不以人的意志为转移的客观存在，是物质的一种存在形式。大地测量学：研究和测定地球形体、地球重力场和地面点几何位置及各自随时间变化的学科，包括几何大地测量学、卫星大地测量学、物理大地测量学、深空大地测量学、…。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics从自然科学的观点来看，重力场是地球最重要的物理特性，制约着在该行星上及其邻近空间发生的有关力学事件，引力是宇宙一切物质存在的最普遍属性，制约着宇宙的演化和发展。地球重力场反映地球物质的空间分布、运动和变化，确定地球重力场的精细结构及其时间相依变化将为现代地球科学解决人类面临的资源、环境和灾害等紧迫课题提供基础地学信息。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics二、发展进程18世纪中叶以前，人们单纯采用几何大地测量方法测定地球形状。1743年法国的克莱洛在其著作《地球形状理论》中，假设地球内部处于静力平衡状态，地球的质量密度分布是从地球质心向外随距离的增加而减小的。在这种假定下，他认为地球的外表面应是一个水准椭球，即椭球表面上各点的重力位相等，从而论证了重力值（物理量）和地球扁率（几何量）之间的数学关系，这一论证称为克莱洛定理。这一定理奠定了用物理方法研究地球形状的理论基础，形成了物理大地测量学的核心内容。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics19世纪初，法国的拉普拉斯和德国的高斯、贝塞尔等都认识到椭球面不足以代表地球表面。1849年，英国的斯托克斯（Stokes）提出了斯托克斯理论，即在地球的外重力位水准面上给定重力和重力位，已知地球离心力位，可以求出这个外重力位水准面的形状和外部重力位，无须对地球内部物质分布作任何假设。但为了求得唯一解，水准面外部不能有质量存在。斯托克斯理论是克莱洛定理的进一步发展。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics1873年，利斯廷(Listing)提出用大地水准面代表地球形状，由此可将斯托克斯理论用于研究大地水准面形状。但实际上由于大地水准面外部存在大陆，所以必须通过重力观测值的归算移去这些物质，这将使大地水准面发生形变，并且必须知道归算范围内岩层密度分布的数据，这是一个十分复杂而难以解决的问题。所以归算问题一直成为经典的斯托克斯理论的障碍。尽管如此，斯托克斯理论还是推动了大地水准面形状的研究工作。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics1945年，苏联的莫洛坚斯基（Molodensky）提出了用地面重力观测来确定地球形状的理论，从而回避了长期无法解决的重力归算问题。但是在当时仍然存在资料（重力数据）不足的矛盾。在平原或丘陵地区应用经典方法，虽然归算在理论上不严密，但不足以影响大地水准面的计算精度。困难在于莫洛坚斯基理论虽然严密，但在高山地区所需要的数据众多，当时条件下很难满足。1964年瑞典的布耶哈默尔(A.Bjerhammer)应用重力延拓方法，1969年丹麦的克拉鲁普(T.Krarup)和1973年奥地利的莫里茨(H.Moritz)应用最小二乘拟合推估的方法进行解算，初步解决了上述困难。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics1957年第一颗人造地球卫星发射成功，经典物理大地测量学（理论超前于技术）过度到现代物理大地测量学（技术超前于理论），其标志是开创了了卫星重力探测时代•根据卫星轨道摄动理论，观测卫星轨道摄动确定低阶位系数•利用卫星海洋雷达测高确定高精度高分辨率海洋重力场模型和大地水准面模型•GPS技术结合水准测量直接测定大陆大地水准面•本世纪初利用卫星跟踪卫星（如CHAMP和GRACE）和卫星重力梯度测量技术（如GOCE）可以确定全球更高精度和分辨率的静态重力场模型和时变重力场模型卫星重力探测技术的发展，突破了人们过去获取重力场信息的局限性，使得物理大地测量的研究从局部或区域性扩展到全球，从测定静态地球重力场发展到测定时变重力场，从而丰富了物理大地测量学的内容，推动了物理大地测量学的发展。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics球形地球扁球形地球梨形地球测绘学院SchoolofGeodesyandGeomaticsCQG2000测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics三、学科内容重力位理论：它是利用重力以及同重力有关的卫星观测资料确定地球形状及其外部重力场的理论基础，主要研究重力位函数的数学特性和物理特性。地球形状及其外部重力场的基本理论：主要研究解算位理论边值问题，例如按斯托克斯理论或莫洛坚斯基理论或布耶哈默尔理论等解算，以此推求大地水准面形状或真正地球形状和地球外部重力场。全球性地球形状：利用全球重力以及同重力有关的卫星观测资料，按确定地球形状及其外部重力场的基本理论，推求以地球质心为中心的平均地球椭球的参数，以此建立全球大地坐标系，并在此基础上推求全球重力场模型、大地水准面差距、重力异常和重线偏差等。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics区域性地球形状：按确定地球形状及其外部重力场的基本理论，采用局部地区的天文、大地和重力资料，将含有地球重力场影响的地面各种大地测量数据（如天文经纬度、方位角、水平角、高度角、距离和水准测量结果）归算到局部大地坐标系中，以此建立国家大地网和国家水准网。利用地面重力资料、卫星测高资料、卫星跟踪卫星数据及其他重力场信息，推求高精度高分辨率区域重力场和大地水准面模型。重力探测技术：研究获取地球重力场信息的技术和方法，包括地面重力测量、海洋重力测量、航空重力测量、卫星雷达测高、卫星跟踪卫星、卫星重力梯度测量等的技术原理和数据处理方法。测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics四、主要应用领域测绘科学中的应用•各种大地测量数据（如天文经纬度、方位角、水平角、高度角、距离和水准测量结果）的归算•推求地球椭球或参考椭球的参数•全球高程基准的建立和长距离（跨海）高程传递•GPS测定正高（或正常高）•精密定位•卫星精密定轨测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics在相关地球科学中的应用•地球深部结构及海洋洋流变化•固体地球均衡响应•冰后回弹•地幔和岩石圈密度变化•地球物理勘探•海洋洋流和大气质量分布变化等测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics国防和军事中的应用：为建立高技术信息作战平台和现代军事技术提供高分辨率高精度地球重力场信息，应用于侦察低轨航天器轨道的设计和轨道确定提高陆基远程战略武器的打击精度及生存能力提高水下流动战略武器（潜艇载战略导弹）打击精度对地观测卫星的精密定轨重力辅助导航测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics思考题1、物理大地测量学的主要任务是什么？2、为什么要研究和确定地球重力场？测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics水准测量测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics全球定位系统(GPS)甚长基线干涉测量(VLBI)测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics卫星测高测绘学院SchoolofGeodesyandGeomaticsHNhh=H+NPQ地形表面参考椭球大地水准面测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics卫星重力探测技术测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics第一部分重力测量的基本原理重力的定义重力测量原理重力基准重力场探测技术及其仪器简介测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics1、重力的定义万有引力：质量与质量之间的一种相互吸引力，简称为引力。rrmmfF3xyz),,,(cbamA),,,(zyxmAro213810670.6sgcmf测绘学院SchoolofGeodesyandGeomaticskczjbyiaxr)()()(1mrrmfF3)()()(333czrmfFbyrmfFaxrmfFzyx222)()()(czbyaxr测绘学院SchoolofGeodesyandGeomaticsxyz),,(zyxQo离心力：设坐标系统绕z轴以角速度转动，则Q点（x，y，z）的离心力为：sin2222yxP)(2jyixP离心力为惯性力，但不是物质力，其方向垂直于自转轴向外，并且随计算点到自转轴距离的增大而增大！测绘学院SchoolofGeodesyandGeomaticszAPFG狭义定义：地球所有质量对任一质点所产生的引力与该点随地球相对于惯性中心运动而引起的离心力之合力。重力PFG广义定义：宇宙间全部物质对任一质点所产生的引力与该点随地球相对于惯性中心运动而引起的离心力之合力。重力的单位：GalmGalGalscm63210101/1amG测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics1590伽利略利用自由落体测定重力加速度测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics2、重力测量原理测量方式：绝对重力测量和相对重力测量•绝对重力测量：用仪器直接测定地面上某点的绝对重力值。地球表面上的绝对重力值约在978-983Gal。•相对重力测量：用仪器测定地面上两点之间的重力差值。地球表面上的最大重力差约为5000mGal。•固定台站重力测量：观测重力随时间的变化•流动站重力测量：观测重力随空间位置的变化测绘学院SchoolofGeodesyandGeomatics测量原理：静力法和动力法•动力法：观测物体的运动状态以测定重力，可应用于绝对重力测量或