学习空间大地测量应具备的基础知识(PPT 61页).ppt

学习空间大地测量应具备的基础知识 1 人卫轨道理论 2 有关岁差 章动 极移及地球自转的知识 3 时间系统和坐标系统 4 大气延迟 5 数学 6 数字信号处理 7 通讯 大地测量应用 地球表面的整体形状和重力场及其时变平均地球椭球的大小全球参考框架的建立和维持精化大地水准面大地测量基准之间的相互转换建立国家大地测量基准和全球基准的转换建立陆海基准统一和传递 地球动力学 地壳运动 板块运动极移和地球自转地心运动固体潮 海潮 极潮构造活动冰川学研究大气科学 其他 卫星定轨空间环境深空探测月球重力行星重力天体测量 思考题 空间大地测量与传统大地测量技术相比 有何特点 试述空间大地测量的应用 以读书报告形式提交电子版 按班级发到教师电邮中 第2章时间系统 刘智敏山东科技大学 主要内容 1预备知识2恒星时和太阳时3历书时4原子时5空间大地测量中的长时间计时方法 1有关时间的基本概念现代大地测量学上 空间和时间参考系形成四维大地测量学在天文学和空间科学技术中 时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准也是利用卫星进行定位的重要基准 1有关时间的基本概念在GPS卫星定位中 时间系统的重要性表现在 GPS卫星作为高空观测目标 位置不断变化 在给出卫星运行位置同时 必须给出相应的瞬间时刻 例如当要求GPS卫星的位置误差小于1cm 则相应的时刻误差应小于2 6 10 6s GPS卫星运行速度平均约为3 9km s 准确地测定观测站至卫星的距离 必须精密地测定信号的传播时间 若要距离误差小于1cm 则信号传播时间的测定误差应小于3 10 11s 光速度约为3 108m s 由于地球的自转现象 在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的 若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm 则时间测定误差要小于2 10 5s 地球自转平均速度470m s 由上可知 利用GPS进行精密导航和定位 尽可能获得高精度的时间信息是至关重要的 时间的含义 包含了 时刻 和 时间间隔 两个概念 时刻是指发生某一现象的瞬间 在天文学和卫星定位中 与所获取数据对应的时刻也称历元 时间间隔是指发生某一现象所经历的过程 是这一过程始末的时间之差 时间间隔测量称为相对时间测量而时刻测量相应称为绝对时间测量 测量时间必须建立一个测量的基准 即时间的单位 尺度 和原点 起始历元 其中时间的尺度是关键 而原点可根据实际应用加以选定 符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象 都可用作确定时间的基准 运动是连续的 周期性的 运动的周期应具有充分的稳定性 运动的周期必须具有复现性 即在任何地方和时间 都可通过观察和实验 复现这种周期性运动 在实践中 因所选择的周期运动现象不同 便产生了不同的时间系统 在GPS定位中 具有重要意义的时间系统包括世界时系统 力学时和原子时三种 守时 守时系统被用来建立和维持时间频率基准 确定任一时刻的时间 守时系统还可以通过时间频率测量和比对技术来评价和维持该系统的不同时钟的稳定度和准确度 并据此给出不同的权重 以便用于多台钟来共同建立和维持时间框架 授时 授时系统可通过电话 网络 无线电 电视 专用长波和短波电台以及卫星等设施向用户传递准确的时间信息和频率信息 不同的方法具有不同的传递精度 其方便程度也不相同 以便满足不同用户的不同需要 时间服务 目前 国际上有多家单位在测定和维持多个时间系统和时间框架 并通过多种方法将有关的时间和频率信息播发给用户 这些工作称为时间服务 较为著名的有国际计量局 BIPM 的时间部 提供国际原子时和协调世界时 美国还据天文台 提供GPS时 我国国内的时间服务是由国家授时中心NTSC提供的 1 天球的基本概念天球 指以地球质心为中心 半径r为任意长度的一个假想球体 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Pn 北天极 Ps 南天极 称为天极 天球赤道面与天球赤道 通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面 该面与天球相交的大圆为天球赤道 天球子午面与天球子午圈 包含天轴并经过天球上任一点的平面为天球子午面 该面与天球相交的大圆为天球子午圈 时圈 通过天轴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 即当地球绕太阳公转时 地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹 黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角 约23 50 黄极 通过天球中心 垂直于黄道面的直线与天球的交点 靠近北天极的交点 n称北黄极 靠近南天极的交点 s称南黄极 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 在天文学和卫星大地测量学中 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 时间系统 世界时系统恒星时ST平太阳时世界时UT0 UT1 UT2力学时DT太阳系质心力学时TDB地球质心力学时TDT原子时国际原子时IAT协调世界时UTCGPST 2 世界时系统地球的自转运动是连续的 且比较均匀 最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统 由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同 世界时系统包括恒星时 平太阳时和世界时 恒星时 SiderealTime ST 以春分点为参考点 由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时 春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日 含24个恒星小时 恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点 在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角 同一瞬间不同测站的恒星时不同 具有地方性 也称地方恒星时 周日视运动 由于地球每天自西向东自转一周 造成了太阳每天早上从东方升起 晚上又从西方落下的自然现象 因为这种现象是地球自转造成的人的视觉效果 所以天文学上把太阳的这种运动叫做周日视运动 月亮的周日视运动大家也很熟悉 所不同的是月亮每天升起的时间变化比较大 平均每天比前一天晚升起50分钟像太阳和月亮一样 满天的繁星也不是每天都固定在星空中某个地方不动 它们也是每天都在作周日视运动 只不过很多人都没有注意到恒星的这种运动罢了 平太阳时 MeanSolarTime MT 由于地球公转的轨道为椭圆 根据天体运动的开普勒定律 可知太阳的视运动速度是不均匀的 如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点 则不符合建立时间系统的基本要求 假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度 且在天球赤道上作周年视运动 这个假设的参考点在天文学中称为平太阳平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日 包含24个平太阳时平太阳时也具有地方性 常称为地方平太阳时或地方平时 世界时与平太阳时的时间尺度相同 起算点不同 1956年以前 秒被定义为一个平太阳日的1 86400 是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度 由于自转的不稳定性 在UT中加入极移改正得UT1 加入地球自转角速度的季节改正得UT2 虽然经过改正 其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化的影响 世界时UT2不是一个严格均匀的时间系统 在GPS测量中 主要用于天球坐标系和地球坐标系之间的转换计算 世界时 UniversalTime UT 以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世界时 3 原子时 AtomicTime AT 物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率 具有很高的稳定度和复现性 由此建立的原子时成为最理想的时间系统 原子时秒长的定义 位于海平面上的铯133原子基态的两个超精细能级 在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间为一原子时秒 原子时秒为国际制秒 SI 的时间单位 原子时的原点为AT UT2 0 0039s不同的地方原子时之间存在差异 为此 国际上大约100座原子钟 通过相互比对 经数据处理推算出统一的原子时系统 称为国际原子时 InternationalAtomicTime IAT 在卫星测量中 原子时作为高精度的时间基准 普遍用于精密测定卫星信号的传播时间 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算的 其中所采用的独立变量是时间参数T 这个数学变量T定义为力学时 根据描述运动方程所对应的参考点不同 力学时分为 太阳系质心力学时 BarycentricDynamicTime TDB 是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 TerrestrialDynamicTime TDT 是相对于地球质心的运动方程所采用的时间参数 在GPS定位中 地球质心力学时 作为一种严格均匀的时间尺度和独立的变量 被用于描述卫星的运动 4 力学时 DynamicTime DT TDT的基本单位是国际制秒 SI 与原子时的尺度一致 国际天文学联合会 IAU 决定 1977年1月1日原子时 IAT 零时与地球质心力学时的严格关系如下 TDT IAT 32 184S若以 T表示地球质心力学时TDT与世界时UT1之间的时差 则可得 T TDT UT1 IAT UT1 32 184S 在进行大地天文测量 天文导航和空间飞行器的跟踪定位时 仍然需要以地球自转为基础的世界时 但由于地球自转速度有长期变慢的趋势 近20年 世界时每年比原子时慢约1秒 且两者之差逐年积累 为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差 从1972年采用了一种以原子时秒长为基础 在时刻上尽量接近于世界时的一种折衷时间系统 称为世界协调时或协调时 5 协调世界时 CoordinateduniversalTime UTC 采用润秒或跳秒的方法 使协调时与世界时的时刻相接近 即当协调时与世界时的时刻差超过 0 9s时 便在协调时中引入一润秒 正或负 一般在12月31日或6月30日末加入 具体日期由国际地球自转服务组织 IERS 安排并通告 协调时与国际原子时的关系定义为 IAT UTC 1S nn为调整参数 由IERS发布 为精密导航和测量需要 全球定位系统建立了专用的时间系统 由GPS主控站的原子钟控制 GPS时属于原子时系统 秒长与原子时相同 但与国际原子时的原点不同 即GPST与IAT在任一瞬间均有一常量偏差 IAT GPST 19sGPS时与协调时的时刻 规定在1980年1月6日0时一致 随着时间的积累 两者的差异将表现为秒的整数倍 GPS时与协调时之间关系GPST UTC 1S n 19s到1987年 调整参数n为23 两系统之差为4秒 到1992年调整参数为26 两系统之差已达7秒 6 GPS时间系统 GPST 时间系统及其关系 时间传递 为了建立和维持TAI 需要把分布在世界各地的时间中心和时间实验室中的两百多台原子钟所确定的时间通过高精度的时间传递技术统一送往国际计量局BIPM 由BIPM采用特定的算法进行数据处理后生成TAI 由BIPM建立和维持的UTC或者由各时间中心建立和维持的局部地区的UTC也需要通过适当的时间传递方法传递给不同的用户使用 使用户在所需的精度范围内与标准时间保持同步 因此 时间传递无论是对于时间系统的建立和维持 还是对于时间系统的实际应用都具有主要作用 时间传递 短波无线电时号长波无线电时号电视比对搬运钟法利用卫星进行时间比对电话和计算机授时网络时间戳服务 历法 阴历阴阳历阳历 基本概念 所谓历法 就是如何方便地协调年 月 日这三种时间单位的方法 即安排年 月 日的法则 年是指回归年 365 2422天 是季节变化的周期 月是指朔望月 29 5306天 是月相盈亏的周期 日是指太阳日 严格说是平太阳日 是昼夜交替的周期 日是历法的基本单位 必须保持完整 不被分割 因此历年不同于回归年 历月不同于朔望月 历法首先是为了农业生产服务的 古人无法精确测量回归年 只能采用观象授时来预告农事进程 这里的授时是指定季节 观象授时就是观测自然现象来判断农事季节 地象授时 野人无历日 鸟啼知四时 春天闻布谷鸟叫 该是插秧的季节 秋天见野菊花 就该种麦子 天象授时 观测天空现象 来判断农事季节 有斗柄授时 中星授时 晷影授时等 历法实际上就是观象授时的经验总结 历法分类 古代总是要同时考虑朔望月和回归年这两个天文周期 因此 它有历月和历年两个侧面 根据朔望月安排历月 又根据回归年安排历年 回归年和朔望月这两个周期彼此不能通约 而天是整数 因此 历法一般分为三类 太阴历 阴历 太阳历 阳历 阴阳历 侧重协调朔望月和历月关系的叫太阴历 简称阴历 侧重协调回归年和历年关系的就叫太阳历 简称阳历 兼顾朔望月和回归年 历月和历年的就叫阴阳历 比较起来 原始的历法是阴历 历史上曾一度占优势的阴阳历 当前世界上通行的是阳历 无论哪一类历法 都有一个协调历日周期和天文周期的关系问题 原则上 历月应力求等于朔望月 历年应力求等于回归年 但是由于朔望月和回归年都不是完整的日数 能够等于朔望月的只能是平均历月 而不是每个历月 等于回归年的是平均历年 而不是每个历年 因此 历月就须有大月和小月之分 历年须有平年和闰年之别 通过大月和小月 平年和闰年的适当搭配和安排 使其平均历月等于朔望月 平均历年等于回归年 这就是历法的主要内容 阴历 阴历的首要成分是历月 按照朔望月的长度来顶历月 大月30日 小月29日 通过大小月的适当安排 使其平均历月接近朔望月 因此 阴历历日的轮转体现月相的变化 晦朔弦望都在一定的日期出现 阴历其次才参考回归年的长度来低能它的历年 12个朔望月相加 最接近回归年 所以 阴历以12个历月的累积为它的历年 阴历是从历月派生出来的 并非独立的计时单位 阴历的基本原则 平均历月 朔望月平均历年 朔望月 12 阴历的优点是 它的每一日都代表一定的日期 它的缺陷是 12个朔望月的总天数为29 5306 12 354 3672天 比回归年短10 8750天 因此 阴历的月序就没有季节意义 只需经过17年 阴历日期同季节边发生了倒置 譬如 某年新年在瑞雪纷飞中到来 那么17年之后便要挥扇过年了 使用这样的历法 自然不能满足农业生产的需要 回历 回历是根据朔望月的日数定它的历月 大约30日 小月29日 全年12个历月中 逢单为大约 逢双为小月 平均历月为29 5天 平均历年长度为354天 由于其平均历月比朔望月短0 0306日 44min3s 这个差值经过360个历月 即30年 后 积满11日 所以回历每30年中要安插11个闰年 每逢闰年 把当年的12月由小月改为大月 这一年便是355日 经过这样的调整 回历的平均历月十分接近朔望月 回历是月光初见来定每月初一 这一点不同我国的旧历 我国旧历是以日月合朔为每月初一 所谓月光初见 就是合朔之后第一次黄昏时见到的峨眉月 回历平年为354日 30年11闰 平均历年为354 3666日 要比回归年短10 8756日 二者之比约为32 33 大体上说 在32个阳历年期间 回历要多出一个历年 阴阳历 阴阳历是阴历向阳历发展的一种过渡性历法 是三类历法中最为复杂的一类 它试图同时协调朔望月和历元 回归年和历年之间的关系 既要维持一月中的晦朔弦望 又要照顾一年中的春夏秋冬 同时兼顾阴历和阳历 但是 要完全做到这一点是不可能的 一般它侧重的是阴历成分 因此 阴阳历可以说是一种特殊的阴历 是一种改进了的阴历 阴阳历的阴历成分体现在它的历月是按月相循环 以朔望月为标准安排大月和小月 与阴历完全相同 其阳历成分表现在它是以回归年所相当的朔望月数为标准 1回归年 12 3683朔望月 安排平年和闰年 闰年时设置闰月 使其平均历年接近回归年 阴历的平均历年为354 3672日 比回归年要短10 8750日 为了控制这个差值 不使其增大 待差值累计满一个历月时 阴阳历便在当年补上这个额外的一月 称为闰月 有闰月的年就称为闰年 闰年有13个历月 计384 383日 在总年数中 闰年数站36 83 19个回归年的日数与235个朔望月的日数近乎相等 因此 19个阴历年中 安插有7个闰月 便使阴阳历的平均历年接近回归年 这就是我国最早应用的 十九年七闰法 阴阳历的基本原则为 平均历月 朔望月平均历年 12 3683朔望月 回归年通过闰月安排 阴阳历的历月同季节的关系变化 一般不会超过1个月 中国旧历 我国的传统历法 一般称为夏历或者农历 所谓夏历 是因为它以冬至所在的历月为十一月 这一点同先秦时代的夏历相同 当它并非是先秦是时代的夏历 更不是传说中的夏朝的历法 所谓农历 是指我国广大农民长期根据它所附载的二十四气安排农事进程 其实 二十四气不属阴阳历范畴 它本身是以汇总特殊形式的阳历 真正的农历应该是阳历 而不是阴阳历 我国的传统历法具有阴阳历的特点 按照朔望月安排大月和小月 力求使平均历月等于朔望月 又根据回归年所相当的朔望月数安排平年和闰年 力求使平均历年等于回归年 同时 我国的传统历法还有与众不同的特点 我国传统历法子秦汉以来 一直是阴阳历和二十四气并行 阴阳历本身用于一般记事 二十四气用来指导农业生产 我国传统历法对于日序和月序的编排 以及大月和小月 平年和闰年 不像一般历法采用长期安排的方法 而是强调逐年逐月推算 因而更加缜密和合理 我国传统历法还采用一套独特的纪时制度 干支 二十四气按照太阳黄经划分 子春分点起 每隔黄经15 为以气 顺序为春分 清明 谷雨 立夏 小满 芒种 夏至 小暑 大暑 立秋 处暑 白露 秋分 寒露 霜降 立冬 小雪 大雪 冬至 小寒 大寒 立春 雨水 惊蛰 是古人参照天文季节 气候物象以及农事意义而拟定的 二十四气又分为节气和中气 我国传统历法以十二节气把回归年分成十二个节月 每个节月各有一个节气和一个中气 节气是节月的起点 中气是节月的中点 二十四气与太阳黄经严格对应 纯属阳历范畴 是阳历的一种特殊形式 因此 我国传统历法 实质上是阴阳历与阳历的合历 称为阴阳合历 干支即为主干和分支 二者是相互依存和配合的整体 我国古时以天为主 一地为辅 天同干相关联 叫做天干 地同支相联系 称为地支 两者合称为天干地支 简称干支 天干共十个 甲乙丙丁戊己庚辛壬癸 地支有十二个 子丑寅卯辰巳午未申酉戍亥 天干和地支循环搭配 以60为一周 周而复始 用于纪年 纪月 纪日和纪辰 阳历 现在世界上通行的公历是一种阳历 阳历的首要成分是历年 它是按照回归年长度设计的 平年为365日 被舍去的尾数为0 2422日 积4年后满1日 置上一个366日的闰年 使其平均历年接近或者等于回归年 阳历其次是参考朔望月的长度 把1年分为12个历月 平均历月为30 4368日 因此 大月为31日 小月为30日 大月数占43 68 小月数占56 32 阳历的基本原则为平均历年 回归年平均历月 回归年 12阳历历日的轮转体现太阳的周年运动和季节的轮回 因此 每一历日都有大致不变的太阳黄经和相当确切的季节含义 从儒略历到格里历 现行的阳历前身称为儒略历 是儒略 凯撒于公元前46年仿照古埃及历法制定的 它定365日为一年 每4年1闰 平年365日 闰年366日 平均历年为365 25日 在制定历月方面 儒略历使用均匀 6个大月和6个小月 大小月相间 逢单为大 逢双为小 超出的1日从二月扣去 使其成为一个特殊小月 29日 闰年时才改为30日 儒略 凯撒于次年 公元前45年 遇刺身亡 其臣僚们为纪念他制定新历法的功绩 决定将凯撒出生的月份 七月 改称为儒略月 July 但是凯撒死后 原定每隔3年一闰 被误解为每3年1闰 这就使得儒略历每12年就多置一闰 从公元前45年至公元前9年的36年中 造成了3日的误差 为了纠正这个误差 奥古斯特大帝下令 自公元前9年到公元3年 不安排任何闰年 自公元4年起 实行4年1闰 在公元前27年 奥古斯特把自己的生日八月冠上自己的名字 即奥古斯特月 August 并将8月改为大月 同时将9月以后改成逢单为小