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1、第二章 坐标与时间系统,一、地球的运转二、时间系统三、坐标系统,一、地球的运转,地球的运转可分为如下四类: 1.与银河系一起在宇宙中运动 2.在银河系内与太阳系一起旋转 3.与其他行星一起绕太阳旋转（公转） 4.绕其瞬时旋转轴旋转（自转）,1. 基本概念, 天球：以地球质心为中心，以无 穷大为半径的假想球体。,图2-1 天球, 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天球的交点称为天极。其中 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，它与天球相交的大圆，称为天球赤道。, 天球子午面与子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平
2、面，称为天球子午面，它与天球相交的大圆，称为天球子午圈。, 时圈：通过天球的平面与天球相交的半个大圆。, 黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆。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。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。, 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。, 秋分点：当太阳在黄道上从天球北半球向南半球运行时，黄道与天球赤道的交点。, 赤经：从春分点沿着天赤道向东到天体时圈与天赤道的交点所夹的角度。, 赤纬：从天赤道沿着天体的时圈至天体的角度。,2. 地球绕太阳公
3、转,Keplers Law ： 椭圆定律 面积定律 周期定律,图2-2 Keplers Law,3. 地球自转, 地轴方向相对于空间的变化 岁差 章动, 岁差,地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。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。,图2-3 岁差和章动, 章动,在天文学上天极相对于黄极的位置除有长周期的岁差变化外，还有许多短周期的微
4、小变化。引起这种变化的原因是地球相对于月球和太阳的位置有周期性的变化，它所受到的来自后两者的引力作用也有相同周期的变化，使得地球自转轴的空间指向除长期的缓慢移动外，还叠加上周期为18.6年，且振幅为9.21的短周期运动，这种现象称为章动。, 地轴相对于地球本体内部结构 的相对位置变化 极移, 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。, 地轴自转速度变化 日长变化, 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
5、化，导致日长的视扰动并缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。,二、时间系统,时间的描述包括原点（历元）和尺度（时间单位）。 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。,在实际应用中，根据需要选取满足上述条件的周期运动，从而定义了多种时间系统。,1.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
6、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。,2.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。, 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，分为24个平太阳小时。,3.世界时（UT）, 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，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
7、。,4.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。, 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
8、。,5.原子时（AT）, 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续计数的时标。 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。, 国际原子时的原点定义： 1958年1月1日UT2的0时。 AT=UT20.0039(s),6.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、在时刻上与平太阳时之差小于0.9秒的
9、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）,7.卫星定位系统时间, 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。,三、坐标系统,1. 大地基准,用于大地坐标计算的起算数据。包括参考椭球的大小、形状及其定位、定向参数。,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
10、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!,图2-4 天球坐标系,图2-5 大地坐标系与空间直角坐标,3. 高程参考系统,以大地水准面为参照面的高程系统称为正高 ；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,4. 大地测量参考框架,是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固定在地面上的控制网（点）所构建的，分为坐标参考框架、高程参考框架、重力参考框架。,
11、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。,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，
12、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.,5. 椭球定位和定向,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。 局部定位 ： 要求
13、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。,6. 惯性坐标系与协议天球坐标系,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 作为参考历元，把该时刻对应的瞬时自转轴经岁差和章动改正后的指向作为 Z 轴，以对应的春分点为 X 轴的指向点，以
14、 XOY 的垂直方向为 Y 轴建立天球坐标系，称为协议天球坐标系或协议惯性坐标系 。,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.协议天球坐标系瞬时平天球坐标系瞬时真天球坐标系,协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系 协议天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异是岁差导致的 Z 轴方向发生变化产生的，通过对协议天球坐标系的坐标轴旋转，就可以实现两者之间的坐标变换 。 ,为观测历元 t 的儒略日。,瞬时平天球坐标转换到瞬时真天球坐标 瞬时真天球坐标系与瞬时平天球坐标系的差异主要是地球自转
15、轴的章动造成的，两者之间的相互转换可以通过章动旋转矩阵来实现。 ,为黄赤交交、交角章动、黄经章动.,合并上述两式：,7. 地固坐标系,以参考椭球为基准的坐标系，与地球体固连在一起且与地球同步运动，参考椭球的中心为原点的坐标系,又称为参心地固坐标系。以总地球椭球为基准的坐标系.与地球体固连在一起且与地球同步运动，地心为原点的坐标系,又称为地心地固坐标系。 特点：地面上点坐标在地固坐标系中不变（不考虑潮汐、板块运动），在天球坐标系中是变化的(地球自转).,坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴的指向和尺度所定义的，对于地固坐标系，坐标原点选在参考椭球中心或地心，坐标轴的指向具有一定的选择性，国际上通用的坐标系一般采用协议地极方向CTP作为 Z 轴指向，因而称为协议(地固）坐标系。与其相应的有以地球瞬时极为Z轴指向点的地球坐标系，称为瞬时(地固）坐标系。,
