坐标系统和时间系统分析

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1、第二章坐标系统和时间系统 (一),第一节 地球的运转,1.地球公转：围绕太阳的旋转 公转一周的周期为一恒星年，为365.256354个太阳日 地球连续两次经过春分点所需的时间为一回归年，长度为365.24219个太阳日。,1）满足开普勒三大行星定律, 行星运行的轨道是一个椭圆，该椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合 行星质心与太阳质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等 行星运动周期的平方与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量,第一节 地球的运转,：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。, 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( 为北天极， 为南天极)。 天球赤

2、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。,第一节 地球的运转,2)天球,: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 。 :当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时，黄道与天球赤道的交点r。,：太阳公转的轨道，是一椭圆，称为黄道。但由于其它星球的影响，使轨道产生摄动，并不严格的椭圆。,4）黄极,第一节 地球的运转, 黄道, 春分点,3）黄道,黄道,天球,2.

3、 地球自转：绕其自身旋转轴的转动。周期为24小时。,2.1 地轴方向相对于空间的变化：由于日月等天体的影响及地球自身的不规则，地球自转轴方向是不断变化的。,1）岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。 在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极产生缓慢的旋转(从北天极上方观察为顺时针方向)，形成一个倒圆锥体，其锥角等于黄赤交角2327。 岁差的周期约为25800年。岁差使春分点每年西移50.3。,第一节 地球的运转,岁差,2）章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬

4、时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约为9.2，周期约为18.6年。这种现象称为章动。,第一节 地球的运转,真赤道: 某一时刻的赤道.(由于岁差和章动的影响,每一时刻赤道的位置不同),平赤道:只有岁差影响时的赤道.,黄经章动:章动引起的黄经变化.即平春分点与真春点的角距.,交角章动:章动引起的黄赤交角的变化.,第一节 地球的运转,2.2 地轴对于地球本体内部结构的相对位置变化（极移） 1.极移：地球自转轴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，称为地极移动，简称极移。 2.瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相

5、应的极点称为瞬时极。,3.平 极：某段时间内地极的平均位置。,4.国际协定原点CIO：国际天文联合会IAU和国际大地测量与物理联合会IUGG采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900至1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。也称协议地球极CTP。,第一节 地球的运转,5.地极坐标系：以CIO为原点，零子午线方向为X轴，以零子午线以西为了描述90子午线为y轴。用来描述极移规律。任意瞬时t的极点位置可用( )表示。,6.平春分点：相应于平极的春分点。,第一节 地球的运转,第二节 时间系统,(1) 时刻：某一时间点，也就是发生某一现象的瞬间，也称历元。 (2)

6、时间间隔：两个时刻之间的时间差。 (3) 时间系统的要素：时间原点、度量单位（时间尺度）。 (4) 任何一个周期运动满足如下要求方可作为计量时间的方法： a.运动是连续的； b.周期有足够的稳定性； c.运动可观测；,大地测量学研究的对象是随时间变化的，大地测量观测量与时间密切相关、在卫星定位与导航技术中，时间系统是描述卫星运行位置的重要基准。,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。 例如： （1）以地球自转运动为基础，建立了恒星时(ST)和世界时(UT)； （2）以地球公转运动为基础，建立了历书时(ET)，并进一步发展 为太阳系质心力学时(TDB)和地球质

7、心力学时(TDT)； （3）以物质内部原子运动特征为基础，建立了原子时(TAI)。,第二节 时间系统,1. 恒星时（ST） 定义：以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星时、恒星分、恒星秒； （1）恒星日：春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔。 一恒星日=24恒星时=1440恒星分=86400恒星秒 （2）分类：真恒星时和平恒星时。 真恒星时等于真春分点的地方时角(LAST)，平恒星时等于平春分 点的地方时角(LMST) （3）某一地点的恒星时：在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈 的时角。,第二节 时间系统,(4) 真春分点的格林尼治时

8、角(GAST)、平春分点的格林尼治时角 (GMST)与LAST、LMST的关系：,其中，为黄经章动，黄赤交角,第二节 时间系统,2.平太阳时（MT） （1）真太阳时:以真太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的 时间； （2）平太阳:由于真太阳的视运动速度是不均匀的，因而真太阳时 不是均匀的时间尺度。为此引入虚拟的在赤道上匀速运行的 平太阳，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。 （3）平太阳时:以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的 时间。 （4）计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳 秒；,第二节 时间系统,（5）平太阳日:平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔. 一回归

9、年=365.24219879平太阳日 一平太阳日=24平太阳小时=1440平太阳分=86400平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指 示的时刻正是平太阳时。,3.世界时UT （1）定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT。,第二节 时间系统,UT0:未经任何改正的世界时 UT1:经过极移改正的世界时 UT2:在UT1的基础上经过地球自转速度的季节性改正的世界时,第二节 时间系统,4.原子时（AT） （1）原子时：是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时 间系统。 （2）原子时的尺度标准：(在海平面实现的原子秒)国际制秒 （SI）。 （3）原子秒

10、：在零磁场下，铯-133原子基态两个超精细能级 间跃迁辐射9192631770周所持续的时间。 （4）国际原子时（TAI）：起点定在1958年1月1日0时0分0秒 （UT2）即 规定在这一瞬间原子时时刻与世界时刻重 合。但事后发现，在该瞬间TAI与世界时的时刻之差为 0.0039秒。 国际原子时(TAI)的原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s),第二节 时间系统,5 .协调世界时UTC （1）协调世界时UTC:由于地球自转速度有变慢的趋势，为了 避免世界时和原子时产生过大偏差而采用的一种以原子 时秒长为基础，在时刻上尽量接近世界时的一种折衷的 时间系统。 当二者之差超过0.9秒时，便

11、在协调世界时UTC加 入一闰秒。闰秒一 般在12月31日或6月30日加入。 协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致。 （2）协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： TAI=UTC+1sn 式中n为调整参数,第二节 时间系统,6.GPS时间系统GPST （1）定义：基于美国海军观测实验室维持的原子时的时间系统。 GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点 与国际原子时TAI相差19s。有关系式： TAI-GPST=19（s） 在1980年1月6日，GPST与UTC相等，它们的关系为： GPST = UTC + n(13秒（2005年）),（2）GPS时间系统与各种时间系统

12、的关系见图所示：,第二节 时间系统,7.历书时(ET)与力学时(DT),（1）历书时(ET)：以地球公转运动为基准的时间系统.起始历 元为1900年1月1日12时.秒长为1900年1月1日12时整回归 年长度的1/31556925.9747.,（2）力学时(DT):天体运动力学理论建立的运动方程所采用的 时间参数. （3）太阳系质心力学时(TDB):相对于太阳系质心的运动方程所 采用的时间参数. （4）地球质心力学时(TDT):相对于地心系的运动方程所采用的 时间参数.,第二节 时间系统,力学时(DT)所采用的基本单位是国际制秒(SI),与原子时的尺度一致.,第二节 时间系统,第三节 坐 标

13、系 统,1.基本概念 1）大地基准(Geodetic Datum):用来代表地球形体的旋转椭球，建立大地基准就是求定旋转椭球的参数及其定向和定位，即地球椭球。 a) 椭球参数:长半径和扁率 b) 椭球定向:椭球旋转轴平行于地球旋转轴,椭球起始子午面平 行于地球起始子午面. c) 椭球定位:确定椭球中心与 地球中心的相对位置.,2) 天球：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。, 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( 为北天极， 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

14、子午圈：包含天轴并通过地球上任一点的平面， 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 。 春分点：当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时，黄道 与天球赤道的交点r。,第三节 坐 标 系 统,天球,3）大地测量参考系统（Geodetic Reference System）, 坐标参考系统：天球坐标系 地球坐标系 点的坐标可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示。,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

15、大地坐标系和空间直角坐标系两种形式.,天球坐标系:用于研究天体和人造卫星的定位与运动。,第三节 坐 标 系 统, 高程参考系统:,正高: 以大地水准面为参考面,正常高: 以似大地水准为参考面,第三节 坐 标 系 统, 重力参考系统：重力观测的参考系统。,4）大地测量的参考框架(Geodetic Reference Frame), 坐标参考框架： 具体实现：国家平面控制网，GPS网, 高程参考框架: 具体实现：国家高程控制网（水准网）, 重力参考框架： 具体实现：国家重力基本（控制）网,定义：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。,第三节 坐

16、标 系 统,5）椭球的定位和定向 椭球定位：确定椭球中心的位置。 地心定位：椭球面与大地水准面全球最佳符合。椭球中心与地 球质心一致或最为接近。 局部定位：椭球面与大地水准面局部最佳符合。 椭球定向：确定旋转轴和起始子午面的方向。 a.椭球短轴平行于地球自转轴； b.大地起始子午面平行于天文起始子午面. 参考椭球：具有确定参数（a,),经过局部定位和定向,同某 地区大地水准面最佳拟合的地球椭球球。 总地球椭球：具有确定参数（a,),经过地心定位和定向，与全球大地水准面最为密合的地球椭球。,第三节 坐 标 系 统,(3) 什么是岁差与章动？什么是极移？ (4) 什么是国际协议原点CIO? (5) 时间的计量包含哪两大元素？作为计量时间的方法应该具备 什么条件? (6) 恒星时、 世界时、 原子时与协调世界时是如何定义的？,作业：,