第二章 坐标系统和时间系统

第二章坐标系统和时间系统地球的运转时间系统坐标系统徐卓揆公路工程学院§2-1、地球的运转一、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。远日点近日点地球春分点秋分点2）、满足开普勒三大行星定律①、行星运行的轨道是一个椭圆，而该椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合②、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③、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1）、黄道：太阳公转的轨道，是一椭圆。但由于其它星球的影响，使轨道产生摄动，并不严格的椭圆。黄赤交角23°27′黄道与赤道§2-1、地球的运转天球：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。天轴，天极，天球赤道，天球赤道面，天球子午面，天球子午圈，时圈，黄道，黄极，春分点。太阳的周日视运动二、地球自转：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23°27′。岁差的周期约为25800年。岁差使春分点每年西移50.3″。§2-1、地球的运转2、章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬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。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.§2-1、地球的运转3、极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称极移。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，相应的极点称为瞬时极。平极：某段时间内地极的平均位置。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1900.00至1905.05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。国际时间局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0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90°子午线为y轴。用来描述极移规律。平春分点：相应于平极的春分点。§2-1、地球的运转§2-1、地球的运转§2.2时间系统时刻：某一时间点，也就是发生某一现象的瞬间，也称历元。时间间隔：两个时刻之间的时间差。时间系统的要素：时间原点、度量单位（时间尺度）。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.运动是可观测的。在实际中有多种时间系统。一、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、恒星小时、恒星分、恒星秒；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。分类：真恒星时和平恒星时。§2.2时间系统362102.6093104.0812866.864018454841.2411010027379093.1cosTTTUTGMSTLASTGASTLMSTGMSTGMSTGASTLMSTLASTsSSs其中，Δψ为黄经章动，ε黄赤交角，T为标准历元J2000.0到计算历元之间的儒略世纪数儒略历：是公元前罗马皇帝儒略·凯撤所实行的一种历法。儒略日（JD）是从公元前4713年儒略历1月1日格林尼治平正午起算的连续天数。一个儒略世纪有36525个儒略日。标准历元J2000.0为2451545.0儒略日.简化儒略日（MJD）等于儒略日减去2400000.5日.1900年3月以后2100年2月儒略日计算公式:JD=367×Y-7×[Y+（M+9）/12]/4+275×M/9+D+1721014其中Y,M,D表示年月日,/表示整除.§2.2时间系统二.平太阳时MT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。计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；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。§2.2时间系统三.世界时UT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。(就是将格林尼冶午夜定为零点的平太阳时)TUTUTUTUT1201tancossin151ppyxttttT4cos007.04sin006.02cos012.02sin022.0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§2.2时间系统五.协调世界时UTC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。协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示：TAI=UTC+1s×n式中n为调整参数四.原子时AT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。原子时的尺度标准：(在海平面实现的原子秒)国际制秒（SI）。原子秒：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。§2.2时间系统六.GPS时间系统GPST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+nGPS时间系统与各种时间系统的关系见图所示：§2.2时间系统七、历书时(ET)与力学时(DT)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12时.秒长为1900年1月12时整回归年长度的1/31556925.9747.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.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.地球质心力学时(TDT):相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数.)360/2)(050.35999258.357()sin0167.0sin(001658.000TgggTDTTDB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.184.32TAITDT§2.2时间系统§2.3坐标系统1.大地基准(GeodeticDatum):地球椭球一、基本概念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。黄赤交角23°27′天轴，天极，天球赤道，天球赤道面，天球子午面，天球子午圈，时圈，黄道，黄极，春分点。§2.3坐标系统3、大地测量参考系（GeodeticReferenceSystem）①、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。XYZoP春分点黄道天球赤道天球坐标系地球坐标系XYZoP地球赤道首子午线LB§2.3坐标系统②、高程参考系统:正常HH正高:以大地水准面为参考面P正常高:以似大地水准为参考面NHH正§2.3坐标系统H正H正常大地水准面似大地水准面参考椭球面N③、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(GeodeticReferenceFrame)①、坐标参考框架：具体实现：国家平面控制网，GPS网②、高程参考框架:具体实现：国家高程控制网（水准网）③、重力参考框架：具体实现：国家重力基本（控制）网§2.3坐标系统5、椭球的定位和定向①、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。②、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旋转轴；b.大地起始子午面平行于天文起始子午面.③、参考椭球：具有确定参数（a,α),经过局部定位和定向的地球椭球。④、总地球椭球：具有确定参数（a,α),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。§2.3坐标系统①惯性坐标系（CIS）:在空间不动或做匀速直线运动的坐标系.②协议天球坐标系：以某一约定时刻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作为Z轴，以对应的春分点为X轴的指向点，以XOZ的垂直方向为Y轴方向建立的天球坐标系。是一种近似的惯性坐标系。XYZoP春分点黄道天球赤道③瞬时平天球坐标系：以某一瞬时平天球赤道和对应的春分点为依据。④瞬时真天球坐标系：以某一瞬时北天极和对应的真春分点为依据。二、天球坐标系目前采用的协议天球坐标系是以标准历元J2000.0（2000年1月1.5日）的平赤道和平春分点为依据的。1、惯性坐标系（CIS）与协议天球坐标系§2.3坐标系统2、协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系二者的差异是由于岁差引起的，可经坐标系的旋转来进行转换。CISMtzyxPzyxP0Pir0ri标准历元平赤道瞬时平赤道ZYXZYXθAζAzAAZAYAZRRZRP1000cossin0sincoscos0sin010sin0cos1000cossin0sincosAAAAAZAAAAAYAAAAAZRRZZZZZR其中ZA，θA，ζA为岁差参数§2.3坐标系统3、瞬时平天球坐标系转换到瞬时天球坐标系二者的差异是由于章动引起的，可经坐标系的旋转来进行转换。MttzyxNzyxxZxRRRNcossin0sincos00011000cossin0sincoscossin0sincos0001xZxRRR其中ε，Δε，ΔΨ为黄赤交角，交章动，黄经章动黄道平赤道真赤道平春分点真春分点ZYXZYX进而有：CIStzyxNPzyx§2.3坐标系统三、地固坐标系地固坐标系：原点O与地心（参心）重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。XYZoP地球赤道首子午线LB地心坐标系：以总椭球为基准参心坐标系：以参考椭球为基准协议地球坐标系（CTS）：以协议地极CTP为Z轴方向。大多采用CIO为Z轴指向点。以对应赤道面与起始子午圈的交点为X轴指向.瞬时地球坐标系：以瞬时极为Z轴方向。§2.3坐标系统1、协议地球坐标系与瞬时地球坐标系之间的转换tCTSZYXMZYX