第二章 坐标系统和时间系统

1、远日远日点点近日点近日点地球地球春分点春分点秋分点秋分点黄赤交角黄赤交角232727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慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差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在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极北黄极产生缓慢的旋转产生缓慢的旋转(从北天极上从北天极上方观察为顺时针方向方观察为顺时针方向)，形成一个倒圆锥体，其锥角等于，形

2、成一个倒圆锥体，其锥角等于黄赤交角黄赤交角232727。 岁差的周期约为岁差的周期约为2580025800年。岁差使春年。岁差使春分点每年西移分点每年西移50.350.3。：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称：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。极移。瞬时极瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的：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，地球极轴，相应的极点称为瞬时极。相应的极点称为瞬时极。平平 极极：某段时间内地极的平均位置。：某段时间内地极的平均位置。国际协定原点国际协定原点CIO：国际天文联合会：国际天文联合会I

3、AU和国际大地测量与物理联合会和国际大地测量与物理联合会IUGG采用国际上采用国际上5个纬度服务站的资料，以个纬度服务站的资料，以1900.00至至1905.05年地球自转轴瞬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。也称协议地也称协议地球极球极CTP。 国际时间局国际时间局BIH的的CIO有：有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0地极坐标系：以地极坐标系：以CIO为原点，零子为原点，零子午线方向为午线方向为X轴，以零子午线以西轴，以零子午线以西90子午线为子午线为y y轴。轴。 用来描述极移规

4、律。用来描述极移规律。平春分点平春分点：相应于平极的春分点。：相应于平极的春分点。 以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时。称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒；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。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。分类：真恒星时和平恒星时。362102 . 6093104. 0812866.864018454841.2411010027379093. 1cosTTTUTGMS

5、TLASTGASTLMSTGMSTGMSTGASTLMSTLASTsSSs 其中，其中，为黄经章动，为黄经章动，黄赤交角，黄赤交角，T T为标准历元为标准历元J2000.0J2000.0到计算历元之间的儒略世纪数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。儒略日凯撤所实行的一种历法。儒略日（JD）是从公元前是从公元前4713年儒略历年儒略历1月月1日格林尼治平正午起算的连续天数。一日格林尼治平正午起算的连续天数。一个儒略世纪有个儒略世纪有36525个儒略日。个儒略日。标准历元标准历元J2000.0为为2451545.0儒略日儒略日.简

6、化儒略日（简化儒略日（MJD）等于儒略日减去）等于儒略日减去2400000.5日日.1900年年3月以后月以后2100年年2月儒略日计算公式月儒略日计算公式:JD=367Y-7Y+（M+9）/12/4+275M/9+D+1721014其中其中Y,M,D表示年月日表示年月日,/表示整除表示整除. 真太阳时真太阳时:以真太阳作为参考点，由它的周以真太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间日视运动所确定的时间 平太阳时平太阳时:以平太阳作为参考点，由它的周以平太阳作为参考点，由它的周日视运动所确定的时间。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、计量时间单位：平太阳日、平太阳小

7、时、平太阳分、平太阳秒；平太阳分、平太阳秒； 平太阳日平太阳日:平太阳连续两次经过同一子午圈平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔的时间间隔. 一回归年一回归年=365.24219879平太阳日平太阳日 一平太阳日一平太阳日=24平太阳小时平太阳小时=1440平平太阳分太阳分=86400平太阳秒。平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的，通常钟表所指示的一致的，通常钟表所指示的 时刻正是平太阳时刻正是平太阳时。时。 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界时UT。(就是将格林

8、尼冶午夜定为零点的平太阳时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未经任何改正的世界时UT1:经过极移改正的世界时经过极移改正的世界时UT2:在在UT1的基础上经过地球自转速度的季节性改正的世界时的基础上经过地球自转速度的季节性改正的世界时协调世界时协调世界时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

9、刻上尽量接近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。世界时的一种折衷的时间系统。 当二者之差超过当二者之差超过0.90.9秒时，便在秒时，便在协调世界时协调世界时UTC加入一闰秒。闰秒一加入一闰秒。闰秒一般在般在12月月31日或日或6月月30日加入。日加入。 协调世界时协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致。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：协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： TAI=UTC+1sn 式中式中n为调整参数为调整参数原子时：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：是以物质内

10、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：原子时的尺度标准：(在海平面实现的原子秒在海平面实现的原子秒)国际制秒（国际制秒（SI）。）。原子秒：在零磁场下，铯原子秒：在零磁场下，铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁原子基态两个超精细能级间跃迁 辐射辐射9192631770周所持续的时间。周所持续的时间。 基于美国海军观测实验室维持的原子时的时间系统。基于美国海军观测实验室维持的原子时的时间系统。 GPSTGPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPSTGPST的的原点与国际原子时原点与国际原子时TAITAI相差相差19s19s。有

11、关系式：。有关系式： TAI-GPST=19TAI-GPST=19（s s） 在在19801980年年1 1月月6 6日，日，GPSTGPST与与UTCUTC相等，它们的关系为：相等，它们的关系为： GPST = UTC + n GPST = UTC + n GPS时间系统与各种时间系统的关系见图所示：时间系统与各种时间系统的关系见图所示：历书时历书时(ET):以地球公转运动为基准的时间系统以地球公转运动为基准的时间系统.起始历元为起始历元为1900年年1月月12时时.秒长为秒长为1900年年1月月12时整回归年长度的时整回归年长度的1/31556925.9747.力学时力学时(DT):天体运

12、动力学理论建立的运动方程所采用的时间参数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 力学时力学时(DT)所采用的基本单位是国际制秒所采用的基本单位是国际制秒(SI),与原子时的尺度一致与原子时的尺度一致.184.3

13、2 TAITDT黄赤交角黄赤交角232727、坐标参考系统：天球坐标系、坐标参考系统：天球坐标系 地球坐标系地球坐标系 点的坐标可用（点的坐标可用（x,y,z）表示，也可用（）表示，也可用（L，B，H）表示。）表示。XYZoP春春分分点点黄道黄道天球天球赤道赤道天球坐标系天球坐标系地球坐标系地球坐标系XYZoP地球地球赤道赤道首首子子午午线线LB正常HH正高正高: 以大地水准面为参考面以大地水准面为参考面P正常高正常高: 以似大地水准为参考面以似大地水准为参考面NHH 正正H正正H正常正常大地水准面大地水准面似大地水准面似大地水准面参考椭球面参考椭球面N、坐标参考框架：、坐标参考框架： 具体实

14、现：国家平面控制网，具体实现：国家平面控制网，GPSGPS网网XYZoP春分春分点点黄道黄道天球赤天球赤道道CISMtzyxPzyx P0Pir0ri标准历元平赤道标准历元平赤道瞬时平赤道瞬时平赤道ZYXZYXAAzA AZAYAZRRZRP 1000cossin0sincoscos0sin010sin0cos1000cossin0sincosAAAAAZAAAAAYAAAAAZRRZZZZZRMttzyxNzyx xZxRRRN cossin0sincos00011000cossin0sincoscossin0sincos0001xZxRRR黄道黄道平赤道平赤道真赤道真赤道平春分点平春分点真

15、春分点真春分点 ZYXZYXCIStzyxNPzyx XYZoP地球地球赤道赤道首首子子午午线线LB赤道面与起始子午圈的交点为赤道面与起始子午圈的交点为X轴指向轴指向.瞬时地球坐标系：以瞬时极为瞬时地球坐标系：以瞬时极为Z轴方向。轴方向。tCTSZYXMZYX 0ZCTSYCTSXCTSZt YtXt协议赤道协议赤道瞬时赤道瞬时赤道格林尼治格林尼治平子午线平子午线xpypCTP pXpYyRxRM 11001ppppyxyxMttzyxEZYX 春分点春分点起始子午线起始子午线赤道赤道GASTxyzXYZ 100cossin0sincosGASTGASTGASTGASTGASTREztCTSt

16、CTSzyxMEZYXZYXMZYX CISCTSCIStzyxMENPZYXzyxNPzyx (X0,Y0,Z0) 旧旧旧旧旧旧旧旧旧旧新新新新新新 NBBLaBBeMBeaNBBNMBeMBBeaNMNmBeNBBeMNLBBNeLBNeLLBLBLBZYXBLBLBHMBHMLBHMLBHNLHNLNzyx cossinsin11sin1cossin1sin2cossin00sin1cossin00coscossinsincossin0cossinsinsinsincossinsinsincoscoscoscossinsincossin0cossin2222222222222000XYZ

17、M0XYZLnBPQHPBHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2 以测站以测站P为原点，为原点，P点的垂线为点的垂线为z轴轴(指向天顶为正指向天顶为正),子午线方向子午线方向 为为x轴轴(向北为正向北为正)，y轴与轴与x，z轴垂直轴垂直(向东为正向东为正)构成构成左手左手坐标系。这种坐标系。这种坐标系称为坐标系称为 垂线站心直角坐标系，垂线站心直角坐标系，或称为站心天文坐标系。或称为站心天文坐标系。 Z(天顶天顶)Y(东东)PZQdX(北北)Q以测站以测站P点为原点，点为原点， P点的法线方向为点的法线方向为z轴轴(指向天顶为正指向天顶为正)，子，子午午 线

18、北方向为线北方向为x抽，抽，y轴与轴与x,z轴垂直，构成左手坐标系。这种轴垂直，构成左手坐标系。这种坐标系就称为法线站心直角坐标系，或站心椭球坐标系坐标系就称为法线站心直角坐标系，或站心椭球坐标系 将站心坐标轴将站心坐标轴 xyz 变换成与变换成与空间坐标系的指向一致，需要空间坐标系的指向一致，需要如下几步：如下几步：(1). y 坐标轴反向；坐标轴反向；(2). 绕绕y轴轴900-B；(3). 绕绕z轴旋转轴旋转180-L。 即：即： sin0cossincoscossinsincoscossincossin 10001000190R180R00yzT将站心坐标将站心坐标 xyz 变换成空间

19、坐标系转换矩阵为：变换成空间坐标系转换矩阵为：坐标转换式为：坐标转换式为：即：即：将空间坐标系变换成站心坐标将空间坐标系变换成站心坐标 xyz 转换矩阵为：转换矩阵为：y2y1x1x2y1cosx1sinx1cosy1sinsincossincos112112xyyyxx cossinsincosx1x0y1y0Z1(z1)zzY0(y0)x0z1x2z0yyZ1X1Y1X2Y2Z2X2(x2)y0y2z0z2xx YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYR coscossinsincoscossincossincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscoscos0 111222111ZYXZYXxyxzyz YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYR coscossinsincoscossincossincossinsincossinsinsinsincoscoscos