GPS原理及其应用 chapter2_1

1 GPS原理及其应用主讲 徐晓华 2 第二章时间系统与坐标系统 3 2 1有关时间系统的基本概念 4 基本概念 时间 时间的含义时刻时间间隔时间的测量绝对时间测量相对时间测量时间系统与时间系统框架时间系统原点基准尺度基准时间系统框架实现和维持统一时间系统的技术实施 5 基本概念 时间基准 时间尺度基准定义方法利用某个可观测到的周期性运动来定义作为时间尺度基准的运动需要满足的条件运动是连续的 具有稳定的周期性运动周期有很好的复现性常用的时间尺度基准地球自转周期 世界时 稳定度为10 8 行星绕日公转及月球公转周期 历书时 稳定度为10 10 原子中的电子跃迁时电磁波信号的振荡频率 10 14 10 16 脉冲星的自转周期 10 19 6 基本概念 守时 授时与时间对比 守时系统建立和维持时间基准 确定任一时刻的时间评价系统内不同时钟的稳定度授时系统用各种设备与技术将时间和频率信息传递给用户时间比对用户与标准时间之间的时间比对 授时时间服务由专门机构建立和维持时间系统 将时间与频率信息传递给用户的工作称为时间服务我国的时间服务机构是NTSC 7 基本概念 时钟 1 时钟的功能守时工具时钟误差的处理通过比对时刻钟面时相对于标准时的钟差估计任意时刻的钟差改正数 8 基本概念 时钟 2 时钟性能评价的技术指标频率准确度频率准确度反映钟速是否正确频率漂移率频率准确度在单位时间内的变化量称为频漂频漂反映钟速的变化率 即老化率频率稳定度在一定时间间隔内所输出的平均频率的随机变化程度数学定义式 式2 2 实际估算式 式2 4 频率稳定度要与采样时间同时给出频率稳定度反映钟的随机误差 9 2 2恒星时与太阳时 10 世界时系统 以地球自转运动为尺度基准的时间系统根据量测地球自转时所选的空间参考点不同 分为恒星时平太阳时世界时 11 恒星时 参考点 春分点恒星日的定义性质 地方时两种不同恒星时真恒星时对应真春分点GAST LAST平恒星时对应平春分点GMST LMST 12 春分点的有关定义 黄道 赤道 天轴 地球自转轴的延伸线 天极 天轴与天球面的交点 Pn Ps 天球赤道面 过球心且与天轴垂直的平面 赤道 黄道 地球公转的轨道面与天球相交的大圈 黄道面与赤道面的夹角 称为黄赤交角 约为23 5 黄极 通过天球中心 垂直于黄道面的直线与天球的交点 n s 春分点 当太阳在黄道上从天球南半球到北半球运行时 黄道与天球赤道的交点 13 真太阳时与平太阳时 真太阳时真太阳日的定义真太阳时 太阳中心相对于本地子午圈的时角 12h真太阳时不具备作为时间系统的基本条件平太阳时 MeanSolarTime MT 平太阳周年视运动轨迹位于赤道平面平太阳在赤道上的运动角速度是恒定的平太阳时以平太阳中心为参考点建立的时间系统平太阳日的定义平太阳时 平太阳时角 12h地方时 14 世界时 UniversalTime UT 时区全球划分为24个标准时区 1884 国际子午线会议 划分方法区时在同一时区内 采用该时区中央子午线上的平太阳时 即区时世界时格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时 15 UT0 UT1与UT2 问题的引出 UT UT0 不完全均匀地球自转速度的不均匀长期变缓 季节变化 短周期变化极移现象解决方法引入极移改正再进行地球自转速度季节性改正 16 2 3原子时 协调世界时与GPS时 17 原子时 AtomicTime AT 原始定义尺度 1967年10月 第十三届国际计量大会通过 位于海平面上的铯133 Cs133 原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒 原点 原本规定AT与UT在1958年1月1日0h时相同 但实际相差0 0039秒 即 AT UT 1958 0 0 0039秒扩展定义以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统 18 国际原子时 InternationalAtomicTime TAI 引入每台原子钟给出的时间并不严格相同需要建立一个统一的时间系统建立1971年由国际时间局建立现由国际计量局 BIPM 的时间部门维持利用全球约60个实验室的大概240台自由运转的原子钟给出的数据统一处理得到 19 协调世界时 UniversalTimeCoordinated UTC 建立20实际60年代由国际无线电科学协会建立定义与AT秒长相同通过跳秒 与UT的时刻差保持在0 9秒内 通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒 即UTC 跳秒 TAI 类型局部性UTC 如UTC USNO 全球性UTC 由BIPM维持应用应用广泛 已取代UT成为无线电通信中的标准时间利用IERS公报中给出的参数可内插任意时刻的UT1 UTC 得到UT1GPS导航电文中给出了GPS时与UTC USNO 之差 20 GPS时 建立由GPS地面监控系统和卫星中的原子钟建立和维持的一种原子时起点为1980年1月6日0h 在该时刻GPST与UTC对齐与其它时间系统的关系TAI GPST 19s 实际上TAI GPST 19s C0UTC GPST n整秒 C0 21 GLONASS时 采用莫斯科时 与UTC存在3h偏差UTC 3h GLONASS C1 22 2 4建立在相对论框架下的时间系统 23 地球动力学时 TerrestrialDynamicTime TDT 解算围绕地心运动的天体的运动方程 编算卫星星历时采用的时间系统起始时刻为1977年1月1日0h 在该时刻与历书时相同TDT TAI 32 184s GPST 51 184s1991年后改称为地球时 TT 目前 GPS卫星运动方程的计算及星历的编算均采用TT时间系统 24 太阳系质心动力学时 BarycentricDynamicTime TDB 解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程 编制行星星表时所用的一种时间系统TDB与TT之间的关系 2 12式 由于地心坐标系和太阳系质心坐标系运动速度及所受引力位的不同 TT与TDB之间实际上存在一个尺度比 2 13式 IAU规定两个时间系统不存在系统性的尺度比 而只存在周期性变化项相应的 两个坐标系中的长度单位含有一个尺度比 太阳系质心坐标系中的1m长于地心坐标系中的1m 25 地心坐标时TCG与太阳系质心坐标时TCB 时间的分类原时 直接由标准钟确定 如原子时类时 在相对论框架下导得的时间 如TDB TCG TCBTCG 原点位于地心的天球坐标系中所使用的第四维坐标TCB 太阳系质心天球坐标系中的第四维坐标TCG与TT的关系TCB与TCG之间的关系 2 16式 26 2 5GPS中涉及的一些长时间计时方法 27 历法 功能规定年 月 日的长度及它们之间的关系分类阳历 公历 回归年的概念 太阳中心连续两次通过春分点的时间间隔儒略历格里历 现行公历 格里历与儒略历相比较 对闰年的规定作了修改 对世纪年而言 只有被400整除的世纪年才是闰年 格里历每400年比儒略历少3天 平均每年长365 2425日 与回归年长度更为接近阴历阴阳历 农历 28 儒略日 简化儒略日与年积日 儒略日 JD 不涉及年 月等概念的长期连续计日法起点为公元前4713年1月1日12hJD与公历年月日之间的互算公式 2 19 2 21式 标准历元J2000 0 JD2451545 0 简化儒略日 MJD MJD JD 2400000 5MJD采用1858年11月17日平子夜为计时起点年积日仅在一年内使用的连续计时法 29 思考题GAST属于什么时间系统 世界时与平太阳时之间有何联系 UTC与UT有何联系与区别 TAI UTC与GPST之间有何关系 TT与TAI之间有何关系 30 请编制MJD与公历年 月 日互相转换的小程序 计算2010年11月1日0h0min UT 所对应的MJDMJD 53500