坐标系统和时间系统分析

第二章坐标系统和时间系统

(一)坐标系统和时间系统分析第1页第一节地球运转1.地球公转：围绕太阳旋转★公转一周周期为一恒星年，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1）满足开普勒三大行星定律坐标系统和时间系统分析第2页①行星运行轨道是一个椭圆，该椭圆一个焦点与太阳质心相重合②行星质心与太阳质心间距离向量，在相同时间内所扫过面积相等③行星运动周期平方与轨道椭圆长半径立方之比为一常量第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第3页坐标系统和时间系统分析第4页：以地球质心为中心以无穷大为半径假想球体。①天轴与天极：地球自转轴延伸直线为天轴；天轴与天球交点称为天极(为北天极，为南天极)。②天球赤道面与天球赤道：经过地球质心O与天轴垂直平面，称为天球赤道面．它与天球相交大圆，称为天球赤道。③天球子午面与子午圈：包含天轴并经过地球上任一点平面，称为天球子午面，它与天球相交大圆，称为天球子午圈。④时圈：经过天球平面与天球相交半个大圆。第一节地球运转2)天球坐标系统和时间系统分析第5页:地球公转轨道面与天球相交大圆，黄道面与赤道面夹角，称为黄赤交角，约为。:当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时，黄道与天球赤道交点r。：太阳公转轨道，是一椭圆，称为黄道。但因为其它星球影响，使轨道产生摄动，并不严格椭圆。4）黄极第一节地球运转⑤黄道⑥春分点3）黄道坐标系统和时间系统分析第6页黄赤交角23°27′黄道天球坐标系统和时间系统分析第7页2.地球自转：绕其本身旋转轴转动。周期为二十四小时。2.1地轴方向相对于空间改变：因为日月等天体影响及地球本身不规则，地球自转轴方向是不停改变。1）岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生迟缓西移，这种现象在天文学中称为岁差。在岁差影响下，地球自转轴在空间绕北黄极产生迟缓旋转(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′。岁差周期约为258。岁差使春分点每年西移50.3″。第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第8页岁差坐标系统和时间系统分析第9页坐标系统和时间系统分析第10页2）章动：在日月引力等原因影响下，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。第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第11页真赤道:某一时刻赤道.(因为岁差和章动影响,每一时刻赤道位置不一样)平赤道:只有岁差影响时赤道.黄经章动:章动引发黄经改变.即平春分点与真春点角距.交角章动:章动引发黄赤交角改变.第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第12页2.2地轴对于地球本体内部结构相对位置改变（极移）

1.极移：地球自转轴相对于地球体本身内部结构相对位置改变，从而造成极点在地球表面上位置随时间而改变，称为地极移动，简称极移。2.瞬时极：与观察瞬间相对应自转轴所处位置，称为该瞬时地球极轴，对应极点称为瞬时极。

3.平极：某段时间内地极平均位置。4.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采取国际上5个纬度服务站资料，以1900至19地球自转轴瞬时位置平均位置作为地球固定极称为国际协定原点CIO。也称协议地球极CTP。第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第13页5.地极坐标系：以CIO为原点，零子午线方向为X轴，以零子午线以西为了描述90°子午线为y轴。用来描述极移规律。任意瞬时t极点位置可用()表示。6.平春分点：对应于平极春分点。第一节地球运转坐标系统和时间系统分析第14页坐标系统和时间系统分析第15页第二节时间系统

(1)时刻：某一时间点，也就是发生某一现象瞬间，也称历元。

(2)时间间隔：两个时刻之间时间差。

(3)时间系统要素：时间原点、度量单位（时间尺度）。

(4)任何一个周期运动满足以下要求方可作为计量时间方法：

a.运动是连续；b.周期有足够稳定性；c.运动可观察；

大地测量学研究对象是随时间改变，大地测量观察量与时间亲密相关、在卫星定位与导航技术中，时间系统是描述卫星运行位置主要基准。坐标系统和时间系统分析第16页在实际应用中，依据需要选取满足上述条件周期运动，从而定义了各种时间系统。比如：（1）以地球自转运动为基础，建立了恒星时(ST)和世界时(UT)；（2）以地球公转运动为基础，建立了历书时(ET)，并深入发展为太阳系质心力课时(TDB)和地球质心力课时(TDT)；（3）以物质内部原子运动特征为基础，建立了原子时(TAI)。第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第17页1.恒星时（ST）定义：以春分点为参考点，由它周日视运动所确定时间称为恒星时。计量时间单位：恒星日、恒星时、恒星分、恒星秒；（1）恒星日：春分点连续两次经过同一子午圈上中天时间间隔。一恒星日=24恒星时=1440恒星分=86400恒星秒（2）分类：真恒星时和平恒星时。真恒星时等于真春分点地方时角(LAST)，平恒星时等于平春分点地方时角(LMST)（3）某一地点恒星时：在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈时角。第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第18页(4)真春分点格林尼治时角(GAST)、平春分点格林尼治时角(GMST)与LAST、LMST关系：其中，Δψ为黄经章动，ε黄赤交角第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第19页2.平太阳时（MT）（1）真太阳时:以真太阳作为参考点，由它周日视运动所确定时间；（2）平太阳:因为真太阳视运动速度是不均匀，因而真太阳时不是均匀时间尺度。为此引入虚拟在赤道上匀速运行平太阳，其速度等于真太阳周年运动平均速度。（3）平太阳时:以平太阳作为参考点，由它周日视运动所确定时间。（4）计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒；第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第20页（5）平太阳日:平太阳连续两次经过同一子午圈时间间隔.

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时间系统是一致，通常钟表所指示时刻正是平太阳时。3.世界时UT

（1）定义：以平子午夜为零时起算格林尼治平太阳时定义为世界时UT。第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第21页UT0:未经任何更正世界时UT1:经过极移更正世界时UT2:在UT1基础上经过地球自转速度季节性更正世界时第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第22页4.原子时（AT）（1）原子时：是以物质内部原子运动特征为基础建立时间系统。（2）原子时尺度标准：(在海平面实现原子秒)国际制秒（SI）。（3）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周所连续时间。（4）国际原子时（TAI）：起点定在1958年1月1日0时0分0秒（UT2）即要求在这一瞬间原子时时刻与世界时刻重合。但事后发觉，在该瞬间TAI与世界时时刻之差为

0.0039秒。国际原子时(TAI)原点由下式确定：AT=UT2-0.0039(s)第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第23页5.协调世界时UTC（1）协调世界时UTC:因为地球自转速度有变慢趋势，为了防止世界时和原子时产生过大偏差而采取一个以原子时秒长为基础，在时刻上尽可能靠近世界时一个折衷时间系统。当二者之差超出±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秒长与原子时秒长一致。（2）协调时与国际原子时之间关系，以下式所表示：

TAI=UTC+1s×n

式中n为调整参数第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第24页6.GPS时间系统GPST（1）定义：基于美国海军观察试验室维持原子时时间系统。GPST属于原子时系统，它秒长即为原子时秒长，GPST原点与国际原子时TAI相差19s。相关系式：TAI-GPST=19（s）在1980年1月6日，GPST与UTC相等，它们关系为：GPST=UTC+n(13秒（）)（2）GPS时间系统与各种时间系统关系见图所表示：第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第25页坐标系统和时间系统分析第26页7.历书时(ET)与力课时(DT)（1）历书时(ET)：以地球公转运动为基准时间系统.起始历元为191月1日12时.秒长为191月1日12时整回归年长度1/31556925.9747.（2）力课时(DT):天体运动力学理论建立运动方程所采取时间参数.（3）太阳系质心力课时(TDB):相对于太阳系质心运动方程所采取时间参数.（4）地球质心力课时(TDT):相对于地心系运动方程所采取时间参数.第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第27页力课时(DT)所采取基本单位是国际制秒(SI),与原子时尺度一致.第二节时间系统坐标系统和时间系统分析第28页第三节坐标系统1.基本概念1）大地基准(GeodeticDatum):用来代表地球形体旋转椭球，建立大地基准就是求定旋转椭球参数及其定向和定位，即地球椭球。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相对位置.坐标系统和时间系统分析第29页2)天球：以地球质心为中心以无穷大为半径假想球体。①天轴与天极：地球自转轴延伸直线为天轴；天轴与天球交点称为天极(为北天极，为南天极)。②天球赤道面与天球赤道：经过地球质心O与天轴垂直平面，称为天球赤道面．它与天球相交大圆，称为天球赤道。③天球子午面与子午圈：包含天轴并经过地球上任一点平面，称为天球子午面，它与天球相交大圆，称为天球子午圈。④时圈：经过天球平面与天球相交半个大圆。⑤黄道：地球公转轨道面与天球相交大圆，黄道面与赤道面夹角，称为黄赤交角，约为。⑥春分点：当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时，黄道与天球赤道交点r。第三节坐标系统坐标系统和时间系统分析第30页黄赤交角23°27′天球坐标系统和时间系统分析第31页3）大地测量参考系统（GeodeticReferenceSystem）①坐标参考系统：天球坐标系地球坐标系点坐标可用（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LBB地球坐标系：用于研究地球上物体定位与运动，是以旋转椭球为参考体建立坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式.天球坐标系:用于研究天体和人造卫星定位与运动。第三节坐标系统坐标系统和时间系统分析第32页②高程参考系统:正高:以大地水准面为参考面PH正HN正常高:以似大地水准为参考面第三节坐标系统坐标系统和时间系统分析第33页③重力参考系统：重力观察参考系统。4）大地测量参考框架(GeodeticReferenceFrame)①坐标参考框架：详细实现：国家平面控制网，GPS网②高程参考框架: