第二章坐标系统与时间系统(修).

第二章坐标与时间系统天文学的基本概念从不同的角度，地球运转可分为四类：1）与银河系一起在宇宙中运动；2)在银河系内与太阳一起旋转；3)与其它行星一起绕太阳旋转(地球公转-周年视运动）；4)地球的自转（周日视运）2.1地球的运动图2－1天球的概念所谓天球，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2－1所示.天球的概念地球的运转2.1地球的运动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。春分点与秋分点: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γ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。2.1地球的运动（续）1、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。2.1地球的运动（续）2、地球的自转(1)地轴方向相对于空间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,由于日月引力的影响，使得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(见右图),其锥角等于黄赤交角ε=23.5º，旋转周期为26000年，这种运动称为日月岁差，其它行星对地球的微小引力，虽不足以改变地轴的方向，但使黄道面产生微小变化，导致春分点位置产生微小变化，这种现象为行星岁差，统称为岁差，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″2.1地球的运动（续）月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道以及月地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向西运动，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。考虑岁差和章动的共同影响：真（瞬时）旋转轴真（瞬时）天极真（瞬时）天球赤道真（瞬时）春分点考虑岁差的影响：瞬时平天极。2.1地球的运动（续）(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。•1967年天文联合会(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1900～1905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(ConventionalInternationalOrigin)2.1地球的运动（续）•国际极移服务(IPMS,1962)和国际时间局(BIH,1919)等机构分别用不同的方法得到协议地球极（CTP），以1984.0为参考历元的CPT被广泛使用，如GPS采用的WGS1984、IERS采用的ITRF框架采用的BIH1984.0的CPT作为Z轴的指向。与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。2.1地球的运动（续）(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()2.2时间系统大地测量学研究的对象是随时间变化的，其观测量与时间密切相关。在卫星导航与定位中时间是重要参数。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。2.2时间系统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、物质的振动等都可作为计量时间的方法。根据选取的定义时间的对象不同，介绍以下几种较常用时间系统：•恒星时（ST=SiderealTime)；平太阳时(MT)•世界时；历书时与力学时；•原子时•协调世界时•GPS时间系统2.2时间系统•恒星时(ST=SiderealTime)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。上中天：天体经过某地子午圈为天体中天，过上子午圈为上中天。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：在天文测量中广泛采用恒星时。2.2时间系统时间系统(续)cosGMSTGASTLMSTLASTGMSTLMSTASTGLAST由于岁差与章动的影响，春分点分为真春分点与平春分点，恒星时分为真恒星时(LAST)与平恒星时(LMST)。UTC]UTC)1UT[(GMSTGMST0hUT1r3620hUT1102.6093104.0812866.864018454841.24110GMSTTTTsss21511109.5109006.5507950027379093.1TTr式中：为黄经章动为黄赤交角T为J2000.0至计算历元之间的儒略世纪数时间系统(续)•世界时UT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。真太阳的视运动速度是不均匀的。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。真太阳日不均匀。•太阳的周年视运动ABBAABBA地球的公转速度不断变化，在轨道的任何地方真太阳日彼此都不相等。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，称为一个平太阳日时间系统(续)1回归年长＝365.2422平太阳日＝366.2422恒星日1平太阳日＝（1＋1/365.2422)恒星日民用中采用：整年为365天，闰年为366天平太阳日：是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点。平太阳两次经过春分点的时间间隔为一回归年。儒略日JD=JulianDay:一种不用年﹑月的长期计日法﹐记为JD。如果计算相隔若干年两个日期之间的天数﹐利用儒略日就比较方便。儒略日的定义的起点是公元前4713年1月1日格林尼治时间平午(世界时12:00)，以平太阳日连续计算.其计算方法很多，参考相关教材。J2000.0相应的儒略日为2451545.0。时间系统(续)儒略历公元前46年，罗马执政官儒略·凯撒颁布儒略历，平年365天，闰年366天。除2月外，单数月份31天，偶数月份30天。2月份平年29天，闰年30天。每隔3年置一闰年，每年的平均长度是365.25天.缺点：(365.25-365.2422)*400=3.1244（天）奥古斯都历儒略·凯撒的侄子屋大维修改儒略历。将8月改成31天，将9、10、11、12月的大小月对换，并从2月份扣去一天，成为平年28天，闰年29天。格里高利历（格利历）—公历公元1582年3月1日，罗马教皇格里高利十三世颁布了格里高利历，规定凡是不能被4整除的世纪年（即年末尾数字为两个零的年份，如1600、1700）都不能算作闰年，则正好每400年去掉3天，在公历中，每400年有97个闰年。格利历是目前全世界通用的公历，我国从1912起采用。历书的来历：时间系统(续)•1900年3月以后的格林尼治午正的儒略日计算方法由于儒略日数字很大，通常采用简化儒略日MJD=JD-2400000.5MJD相应的起点是1858年11月17日世界时0时。36525个平太阳日称为一个儒略世纪。17210149/2754/]12/)9([7367DMMYYJD特点：平均年长度：(365*400+97)/400=365.2425天。与回归年差：(365.2425-365.242189)*400=0.1244.3300年内：(365.2425-365.242189)*3300=1时间系统(续)历书时ET=Ephemeristime与力学时DT=Dynamicaltine在天文年历中，计算与观测采用时间单位不同，观测所得天体位置与计算出来的天体位置有差异。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1／31556925.9747，86400个历书秒为一历书日。世界时UT=UniversalTime：以格林尼治平子夜为零时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UT1=UT0+Δλ,UT2=UT1+ΔT时间系统(续)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，根据广义相对论，太阳质心系与地球质心系的时间不相同，1976年IAU定义了两坐标系的时间，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TDB2)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。IAU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+32.184时间系统(续)•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=UT2－0.0039(s)时间系统(续)•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+1×n(秒）时间系统(续)•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：TAI－GPST=19(s)GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。GPST与UTC的关系：GPST=UTC+1×n-191987