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1、1,2.1 地球的运动,从不同的角度,地球的运转可分为四类:,天文学的基本概念(预备知识),与银河系一起在宇宙中运动,在银河系内与太阳一起旋转,与其它行星一起绕太阳旋转(公转),地球的自转(周日视运动),第二章 坐标与时间系统,2,预备知识,天球的基本概念 所谓天球,是指以地球质心O为中心,半径 r为任意长度的一个假想的球体。在天文学中,通常均把天体投影到天球的球面上,并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。 建立球面坐标系统,如图21所示. 参考点、线、面和园,3,图21 天球的概念,4,天轴与天极 地球自转轴的延伸直线为天轴,天轴与天球的交点 PN 和 PS 称为天极,其中
2、PN 称为北天极, PS 为南天极。 天球赤道面与天球赤道 通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。 天球子午面与子午圈 含天轴并通过任一点的平面,称为天球子午面. 天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。,5,时圈 通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 黄道 地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大园称为黄道。 黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角,约为23.5度。 黄极 通过天球中心,且垂直于黄道面的直线与天球的交点,称为黄极。其中靠近北天极的交点称为北黄极,靠近南天极的交点称为南黄极。,6,春分点与秋分点
3、黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时,黄道与天球赤道的交点称为春分点,用 表示。 在天文学中和研究卫星运动时,春分点和天球赤道面,是建立参考系的重要基准点和基准面 赤经与赤纬 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。,7,地球的公转:开普勒三大运动定律: 运动的轨迹是椭圆,太阳位于其椭圆的一个焦点上; 在单位时间内扫过的面积相等; 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。,8,地球的自转 的特征: (1) 地轴方向相对于空间的变化(岁差和章动) 地球自转轴在空间的变化,是日月引力的共同
4、结果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于日、月等天体的影响,地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转,类似于旋转陀螺,形成一个倒圆锥体(见下图),其锥角等于黄赤交角=23.5 ,旋转周期为26000年,这种运动称为岁差,是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每年向西移动50.3 ,9,10,月球绕地球旋转的轨道称为白道,月球运行的轨道与月的之间距离是不断变化的,使得月球引力产生的大小和方向不断变化,从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园,而是类似园的波浪曲线运动,即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年,且振幅为9.21的短周期运动。这种现象称为章动。 考虑
5、岁差和章动的共同影响:真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。 考虑岁差的影响:瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。,11,(2)地轴相对于地球本身相对位置变化(极移) 地球自转轴存在相对于地球体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。地球极点的变化,导致地面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以19001905年的平均纬度所确定的平极作为基准点,通常称为国际协议原点CIO
6、(Conventional International Origin),12,国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 。,13,(3)地球自转速度变化(日长变化) 地球自转不是均匀的,存在着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。地球的自转速度变化,导致日长的视扰动和缓慢变长,从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。 描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数 (EOP),描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为地球
7、自转参数(ERP),EOP 即为 ERP 加上岁差和章动,其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站( )上得到。,14,时间的描述包括时间原点、单位(尺度)两大要素。 时间是物质运动过程的连续的表现,选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀,故一种物质的运动也应该连续、均匀。 周期运动满足如下三项要求,可以作为计量时间的方法。 运动是连续的; 运动的周期具有足够的稳定性; 运动是可观测的。 选取的物理对象不同,时间的定义不同: 地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。,2.2 时间系统,15,恒星时(ST) 以春分点作为基本参考点,由春分点周日视运动确定的时
8、间,称为恒星时。 春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为一个恒星日,分为24个恒星时,某一地点的地方恒星时,在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。 地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、 格林尼治平恒星时之间的关系: ,16,平太阳时MT 以真太阳作为基本参考点,由其周日视运动确定的时间,称为真太阳时。一个真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天(上子午圈)所经历的时间。 地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短。 假设以平太阳作为参考点,其速度等于真太阳周年运动的平均速度。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,
9、17,平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点,如果LAMT 表示平太阳时角,则某地的平太阳时 MT = LAMT + 12 (平子夜与平正午差12小时) 世界时UT: 以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太阳时角。,18,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,进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为UT2。 UT1=UT0+, UT2=UT1+T 历书时ET与力学时 DT 由于地球自转速度不均匀,导致用其测得的时间不均匀。1958年第10届IAU决定,自1960年起开始以地球公转运动
10、为基准的历书时来量度时间,用历书时系统代替世界时。 历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的131556925.9747,19,在天文学中,天体的星历是根据天体动力学理论建立的运动方程而编写的,其中采用的独立变量是时间参数T,其变量被定义为力学时,力学时是均匀的。 参考点不同,力学时分为两种: 1) 太阳系质心力学时TDB 2) 地球质心力学时TDT TDT和TDB可以看作是ET分别在两个坐标系中的实现,TDT代替了过去的ET 地球质心力学时的基本单位国际秒制,与原子时的尺度相同。IGU规定:1977年1月1日原子时(TAI) 0时与地球力学时严格对应为: TDT=TAI+32
11、.184,20,原子时(AT) 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时秒,定义为:在零磁场下,位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射192631770周所持续的时间为原子时秒,规定为国际单位制中的时间单位。 原子时的原点定义:1958年1月1日UT2的0时。 AT=UT20.0039(s) 地球自转的不均性,原子时与世界时的误差逐年积累。,21,协调世界时(UTC) 原子时与地球自转没有直接联系,由于地球自转速度长期变慢的趋势,原子时与世界时的差异将逐渐变大,秒长不等,大约每年相差1秒,便于日常使用,协调好两者的关系,建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳
12、时之差小于0.9秒的时间系统,称之为世界协调时(UTC)。 当大于0.9秒,采用12月31日或6月30日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。 世界各国发布的时号均以UTC为准。 TAI=UTC+1n(秒),22,GPS时间系统 时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要,精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。 GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持的原子时称为GPST,它与国际原子的原点不同,瞬时相差一常量: TAIGPST=19(s) GPST的起点,规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。,23,2.3 坐标系统,1、大地基准 所谓基准是指为描述空间位
13、置而定义的点、线、面,在大地测量中,基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数(如参考椭球的长短半轴),以及参考椭球在空间中的定位及定向,还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。,测量常用的基准包括平面基准、高程基准、重力基准 等。,24,2、大地测量坐标系,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,,基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统!,25,图28 天球坐标系,26,图210 大地坐标系与空间直角坐标,27,3、高程参考系统 以大地水准面为参照面的
14、高程系统称为正高 以似大地水准面为参照面的高程系统称为正常高; 大地水准面相对于旋转椭球面的起伏如图所示,正常高及正高与大地高有如下关系: H=H正常+ H=H正高+N ,28,国家平面控制网是全国进行测量工作的平面位置的参考框架,国家平面控制网是按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网。目前提供使用的国家平面控制网含三角点、导线点共154348个。 国家高程控制网是全国进行测量工作的高程参考框架,按控制等级和施测精度分为一、二、三、四等网,目前提供使用的1985国家高程系统共有水准点成果114041个,水准路线长度为4166191公里。,大地测量参考系统的具体实现,是通过大地测量手段确定的
15、固定在地面上的控制网(点)所构建坐标参考架、高程参考框架、重力参考框架。,29,国家重力基本网是确定我国重力加速度数值的参考框架,目前提供使用的2000国家重力基本网包括21个重力基准点和126个重力基本点 。 “2000国家GPS控制网”由国家测绘局布设的高精度GPS A、B级网,总参布设的GPS 一、二级网,地震局、总参测绘局、科学院、国家测绘局共建的中国地壳运动观测网组成,该控制网整合了上述三个大型的有重要影响力的GPS观测网的成果,共2609个点,通过联合处理将其归于一个坐标参考框架,可满足现代测量技术对地心坐标的需求,是我国新一代的地心坐标系统的基础框架.,30,椭球定位和定向概念
16、椭球的类型: 参考椭球: 具有确定参数(长半径 a和扁率),经过局部定位和定向,同某一地区大地水准面最佳拟合的地球椭球. 总地球椭球: 除了满足地心定位和双平行条件外,在确定椭球参数时能使它在全球范围内与大地体最密合的地球椭球. 椭球定位: 是指确定椭球中心的位置,可分为两类:局部定位和地心定位。,31,局部定位 : 要求在一定范围内椭球面与大地水准面有最佳的符合,而对椭球的中心位置无特殊要求; 地心定位 : 要求在全球范围内椭球面与大地水准面最佳的符合,同时要求椭球中心与地球质心一致。 椭球的定向 指确定椭球旋转轴的方向,不论是局部定位还是地心定位,都应满足两个平行条件: 椭球短轴平行于地球自转轴; 大地起始子午面平行于天文起始子午面。,32,2.3.2 惯性坐标系(CIS)与协议坐标系 惯性坐标系:是指在空间固定不动或做匀速直线运动的坐标系。 协议惯性坐标系的建立: 由于地球的旋转轴是不断变化的,通常约定某一刻 t0 作为参考