作者简介
查显杰，中国科学技术大学地球和空间科学学院副教授，主要研究方向为InSAR及地震学研究，作为项目主持人，承担过多项国家自然科学基金的研究工作；在教学方面，本人主持过二项教研项目的教研工作。
目录
前言 1
第1章 绪论 1
1.1 大地测量学简介 1
1.1.1 大地测量学发展简史 1
1.1.2 大地测量学的任务 3
1.1.3 大地测量学的分类 4
1.1.4 传统大地测量技术 5
1.2 传统大地测量的局限性 5
1.3 卫星大地测量学简介 6
1.3.1 卫星大地测量学产生的背景 6
1.3.2 卫星大地测量学的任务 7
1.3.3 卫星大地测量的主要技术 9
习题 12
第2章 坐标系统和时间系统 13
2.1 地球的运转 13
2.1.1 地球公转 13
2.1.2 地球自转 14
2.2 坐标系统 16
2.2.1 基本概念 16
2.2.2 大地测量参考系统 17
2.2.3 大地测量参考框架 18
2.2.4 椭球定位和定向 19
2.2.5 惯性坐标系与协议天球坐标系 19
2.2.6 地固坐标系 22
2.2.7 国际地球参考系和国际地球参考框架 24
2.2.8 坐标系换算 27
2.3 时间系统 32
2.3.1 一些基本概念 32
2.3.2 恒星时、太阳时、世界时、历书时、原子时和协调世界时 35
2.3.3 相对论框架下的时间系统 39
2.3.4 空间大地测量学中用到的其他计时方法 43
习题 46
第3章 卫星轨道运动 47
3.1 卫星无摄运动 47
3.1.1 二体问题中的卫星运动方程 47
3.1.2 开普勒定律 48
3.1.3 无摄运动卫星轨道参数 55
3.1.4 真近点角计算 56
3.2 卫星瞬时位置与瞬时速度计算 58
3.2.1 卫星瞬时位置计算 58
3.2.2 卫星运动瞬时速度计算 60
3.3 卫星受摄运动 61
3.3.1 卫星运动的摄动力及受摄方程 61
3.3.2 地球引力场摄动力对卫星轨道的影响 63
3.3.3 日月引力对卫星轨道的影响 65
3.3.4 太阳光压对卫星轨道的影响 66
3.3.5 其他摄动力对卫星轨道的影响 67
习题 67
第4章 信号传播及误差 68
4.1 波传播理论 58
4.1.1 基本关系和定义 68
4.1.2 弥散、相速度和群速度 69
4.1.3 频率 70
4.2 大气分层结构及其对信号传播的影响 71
4.2.1 大气分层结构 71
4.2.2 穿过电离层和对流层的信号传播 75
习题 81
第5章 全球卫星导航系统 82
5.1 全球卫星导航系统概述 82
5.2 GPS卫星导航定位系统概况和其大地测量特点 84
5.2.1 GPS系统组成 84
5.2.2 GPS大地测量特点 87
5.3 GPS卫星信号及其调制和解调 88
5.3.1 测距码信号 88
5.3.2 导航电文 91
5.3.3 GPS卫星的载波信号 94
5.3.4 GPS信号的调制 95
5.3.5 GPS卫星信号的解调 96
5.4 GPS距离测量原理 99
5.4.1 伪距测量原理 99
5.4.2 载波相位测距原理 101
5.5 GPS大地测量观测及建模 103
5.5.1 GPS绝对定位及大地测量建模 103
5.5.2 GPS相对定位及大地测量建模 109
5.6 GPS大地测量观测误差 116
5.6.1 误差来源及分类 116
5.6.2 与GPS卫星相关的误差 116
5.6.3 与卫星信号传播相关的误差 119
5.6.4 与GPS接收机相关的误差 126
5.6.5 其他误差 127
5.7 中国GPS形变观测网及观测数据处理 128
5.7.1 概述 128
5.7.2 GPS形变观测数据处理软件GAMIT 129
5.7.3 GPS地壳形变综合解算模型 132
5.7.4 GPS形变网观测数据处理案例 140
习题 147
第6章 合成孔径雷达干涉测量 148
第7章 卫星雷达测高 181
第8章 卫星激光测距 196
第9章 卫星重力测量 221
参考文献 236
内容摘要
第1章 绪论
1.1 大地测量学简介
1.1.1 大地测量学发展简史
1.萌芽阶段
大地测量学是在人类社会认识自然界、改造自然界的过程中发展起来的。17世纪以前，在兴修水利和研究地球形状、大小的过程中，人类积累了一些大地测量学知识。公元前3世纪，埃及学者埃拉托斯特尼（Eratosthenes）提出了地球是一个球体的假设，并根据圆周上一段弧所对应的中心角θ与圆半径R的关系，估算了地球半径的长度。此后，根据埃拉托斯特尼的想法，人们完善了子午弧的测量方法。在我国，夏禹治水时期人们使用测量器械——准绳和规则来测量地形的高低和距离。724年，中国唐代的南宫说等人在现河南省境内实测了一条长约300km的子午弧。由于测量工具简陋、技术不先进所得结果精度有限。因此，早期的这些测量工作只能被视为人类测定地球大小的初步尝试。总体来说，17世纪以前，大地测量学处于萌芽状态。
2.形成阶段
17世纪，人类对地球形状的认识有了较大的突破。1687年，牛顿（I.Newton）发表了万有引力定律。这对人类认识地球形状起到了推动作用。根据地球表面重力值从赤道向两极增加的规律，1690年，荷兰科学家惠更斯（C.Huygens）推断了地球的形状并在《论重力起因》一书中提出地球是两极略扁的扁球体论断。1683—1718年，法国科学家卡西尼父子（G.D.Cassini和J.Cassini）用三角测量法在通过巴黎的子午圈上累计测量了8°20"的地表弧长。根据弧长和在每段弧两端测定的天文纬度，他们推算出地球椭球的长半轴和扁率。由于天文纬度观测没有达到必要的精度，加之这些弧段间距离很近，导致他们得到了一个负的扁率值即地球形状是两极略长的椭球。这与惠更斯根据力学定律所做出的推断正好相反。为了解决这一疑问，法国科学院于1735年派遣两个测量队分别赴高纬度地区的拉普兰（位于瑞典和芬兰边界）和近赤道地区的秘鲁进行了子午弧测量。两处的测量结果证实：纬度愈高，每度子午弧愈长，即地球形状是两极略扁的椭球。清代康熙年间（1708—1718年），为编制《皇舆全览图曾实施过大规模的天文大地测量。在这次测量中，也证实了高纬度每度子午弧比低纬度每度子午弧更长。至此，关于地球形状的物理学论断得到了弧度测量结果的有力支持。1743年，法国科学家克莱洛（A.C.Clariraut）在《地球形状理论》一书中提出了克莱洛定律。从物理学视角出发，惠更斯和克莱洛在他们的著作中开创性地发展了研究地球形状的一些基础性理论。另外，17世纪初荷兰科学家斯涅耳（W.Snell）提出了一种三角测量方法。这种方法可以测量相距几百千米两点间的距离，克服了在地面上直接测量弧长的困难。随后，望远镜、测微器、水准器等被发明出来，为大地测量学的发展奠定了重要的技术基础。可以说，大地测量学科在17世纪末就基本形成了。
3.发展阶段
从19世纪开始，许多国家都开展了天文大地测量工作。一方面，天文大地测量可以求定地球椭球的大小；另一方面，它可以为测量和绘制全国地形图提供大量地面点的精确几何位置。为了实现天文大地测量的目标，需要解决一系列理论和技术问题。这推动了几何大地测量学的发展。1794年，德国数学家高斯（C.F.Gauss）应用最小二乘法推算了小行星的轨道。后来，高斯又用最小二乘法处理了天文大地测量数据完善了最小二乘法理论并产生了测量平差法。1806年，为了检校天文大地测量观测数据消除数据中的矛盾、求出最可靠的结果和评定观测精度，法国科学家勒让德（A.M.Legendre）独立提出了最小二乘法理论。至今，最小二乘平差法仍广泛应用于大地测量学领域。。其次，三角形的解算和大地坐标的推算都要在椭球面上进行。关于大地坐标的推算，许多学者提出了不同公式。高斯于1822年提出了从椭球面投影到平面的正形投影法。这是大地坐标换算成平面坐标的最佳方法，至今仍在广泛应用。另外，为了利用天文大地测量成果推算地球椭球长半轴和扁率，在天文大地网中所有观测点的垂线偏差平方和最小的条件下，德国科学家赫尔墨特（F.R.Helmeert）解算出与测区大地水准面最佳拟合的椭球参数并给出了相应地球体定位方法。后来这一方法被称作面积法。1849年，英国的斯托克斯（G.G.Stokes）提出沿封闭曲线的速度环量等于穿过以该曲线为周界的任意曲面的涡通量，即斯托克斯定理。根据该定理，我们可以利用地面重力测量结果来研究大地水准面形状。但这样做的前提是将地面重力测量结果归算到大地水准面上，这是难以严格办到的。1873年利斯廷（J.B.Listing）提出用大地水准面代表地球形状，并将斯托克斯理论应用于大地水准面形状的研究中。但实际上，因为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，使大地水准面发生变形。尽管如此，斯托克斯定理仍在一定程度上推动了大地水准面形状的研究工作。
1945年，苏联科学家莫洛坚斯基（M.C.Molodensky）提出用地面重力观测来确定地球形状的理论。该理论被称作莫洛坚斯基定理，它不需任何归算便可以直接利用地面重力测量数据严格地求定地面点到参考椭球面的距离（即大地高程）。利用这种高程，可把大地测量的地面观测值准确地归算到椭球面上，使天文大地测量的成果处理不受归算误差的影响。因此，基于莫洛坚斯基定理产生的天文重力水准测量方法和正常高系统被许多国家采用。在平原或丘陵地区应用这种经典方法，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。但在高山地区，存在资料（重力数据）不足问题莫洛坚斯基理论需要大量观测数据，目前条件下仍难以应用。
4.进阶——卫星大地测量学
1957年，第一颗人造地球卫星发射成功。人造卫星成为大地测量观测的一种重要技术手段。1966年，美国学者考拉出版了《卫星大地测量理论》一书，为卫星大地测量学的发展奠定了理论基础。同时，卫星跟踪观测定轨技术得到迅速发展，卫星大地测量从照相观测发展到卫星激光测距（SLR）和卫星多普勒观测阶段。20世纪70年代，美国首先建立卫星多普勒导航定位系统。根据精密测定的卫星轨道根数，能够以±1m或
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