2时间和坐标系统

第二讲地球的运动从不同的角度，地球的运转可分为四类：地球的运动–与银河系一起在宇宙中运动–在银河系内与太阳一起旋转–与其它行星一起绕太阳旋转（公转）–地球的自转（周日视运动）在这四类运动中，前两类主要是与宇宙航行中的星系研究有关，对于研究地球空间的大地测量学，研究的对象位于地球表面及其近地空间，主要是与后两类运动相关。天球的基本概念所谓天球，是指以地球质心O（或测站）为中心，半径r为任意长度的一个假想的球体。在天文学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体之间的关系。地球的运动2.1地球的运动图2－1天球的概念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和PS称为天极，其中PN称为北天极，PS为南天极。天球赤道面与天球赤道通过地球质心O与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。天球子午面与子午圈含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面.天球子午面与天球相交的大园称为天球子午圈。参考点、线、面和园时圈通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。黄道地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大园称为黄道。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。黄极通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为黄极。其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。参考点、线、面和园春分点与秋分点黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称为春分点，用γ表示。在天文学中和研究卫星运动时，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。（格林尼治是主观的基准）。赤经与赤纬天球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬,过春分点的天球子午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。参考点、线、面和园开普勒三大运动定律：—运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上；—在单位时间内扫过的面积相等；—运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。地球的公转(1)地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动）地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5″，旋转周期为26000年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每年向西移动50.3″地球的自转的特征地球的自转的特征月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道与月的之间距离是不断变化的，使得月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为18.6年，且振幅为9.21″的短周期运动。这种现象称为章动。考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。地球的自转的特征(2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移）地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG)建议采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO(ConventionalInternationalOrigin)地球自转的特征国际极移服务(IPMS)和国际时间局(BIH)等机构分别用不同的方法得到地极原点。与CIO相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面。(3)地球自转速度变化（日长变化）地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数(EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的参数称为地球自转参数(ERP)，EOP即为ERP加上岁差和章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站()上得到。地球的自转的特征第三讲时间系统2.1时间系统时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。运动是可观测的。选取的物理对象不同，时间的定义不同:地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定的时间，称为恒星时。春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为一个恒星日（P29)，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。恒星日通常用于天文观测。恒星时以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定的时间，称为真太阳时。一个真太阳日就是真太阳连续两次经过某地的上中天（上子午圈）所经历的时间。（恒星日比真太阳日短）地球绕太阳公转的速度不均匀。近日点快、远日点慢。真太阳日在近日点最长、远日点最短。假设以平太阳作为参考点，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。平太阳连续两次经过同一子午圈的时间间隔，称为一个平太阳日平太阳时MT平太阳日是以平子夜的瞬时作为时间的起算零点。世界时UT：以格林尼治平子夜为零时起算的平太阳时称为世界时。未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时表示为UT2。UT1=UT0+Δλ,UT2=UT1+ΔT世界时（UT）由于地球自转速度不均匀，导致用其测得的时间不均匀。1958年第10届IAU决定，自1960年起开始以地球公转运动为基准的历书时来量度时间，用历书时系统代替世界时。历书时的秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的1／31556925.9747。（根据天体力学定律确定的均匀时间）后被原子时取代。世界时因包含了地球自转参数，现仍为天文学和地球物理学的基本资料。历书时ET与力学时DT原子时是一种以原子谐振信号周期为标准。原子时的基本单位是原子时秒，定义为：在零磁场下，位于海平面的铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射1.92631770亿周所持续的时间为原子时秒，规定为国际单位制中的时间单位。原子时的原点定义：1958年1月1日UT2的0时。AT=UT2－0.0039(s)地球自转的不均性，原子时与世界时的误差逐年积累。原子时(AT)原子时与地球自转没有直接联系，由于地球自转速度长期变慢的趋势，原子时与世界时的差异将逐渐变大，秒长不等，大约每年相差1秒，为便于日常使用，协调好两者的关系，建立以原子时秒长为计量单位、在时刻上与平太阳时之差小于0.9秒的时间系统，称之为世界协调时(UTC)。当大于0.9秒，采用12月31日或6月30日调秒。调秒由国际计量局来确定公布。世界各国发布的时号均以UTC为准。TAI=UTC+1×n(秒）协调世界时(UTC)时间的计量对于卫星定轨、地面点与卫星之间距离测量至关重要，精确定时设备是导航定位卫星的重要组成部分。GPS的时间系统采用基于美国海军观测实验室USNO维持的原子时称为GPST，它与国际原子时的原点不同，瞬时相差一常量：TAI－GPST=19(s)GPST的起点，规定1980年1月6日0时GPS与UTC相等。GPS时间系统第四讲坐标系统1、大地基准所谓基准是指为描述空间位置而定义的点、线、面，在大地测量中，基准是指用以描述地球形状的参考椭球的参数（如参考椭球的长短半轴），以及参考椭球在空间中的定位及定向，还有在描述这些位置时所采用的单位长度的定义。3坐标系统所谓建立大地基准就是：求定：旋转椭球的参数。如确定参考椭球的长短半轴。定向：椭球旋转轴要平行于地球的旋转轴，椭球的起始子午面要平行于地球的起始子午面。定位：旋转椭球球心与地球的球心的相对关系。2、大地测量坐标系天球坐标系：用于研究天体和人造卫星的定位与运动。地球坐标系：用于研究地球上物体的定位与运动，是以旋转椭球为参照体建立的坐标系统，分为大地坐标系和空间直角坐标系两种形式，基准和坐标系两方面要素构成了完整的坐标参考系统!天文坐标系：原点：地球质心；Z轴：地球的旋转轴；起始子午面：过英国格林尼治天文台的天文子午面；纬度基准面：地球赤道；常用的大地测量坐标系统点位的表示方法：天文经度（λ）：过P点的子午面与起始子午面的夹角；天文纬度（φ）：过P点的铅垂线方向与赤道面的夹角；正高（H正）：沿铅垂线到大地水准面的距离。天文方位角（α)：过P点的天文子午面与过P点的铅垂线及另一点Q点的平面所成的角度。大地坐标系：原点：旋转椭球中心；Z轴：椭球的旋转轴；起始子午面：过英国格林尼治天文台的大地子午面；纬度基准面:椭球赤道；常用的大地测量坐标系统点位的表示方法：大地经度（L）：过P点的子午面与起始子午面的夹角；大地纬度（B）：过P点的法线与赤道面的夹角；大地高（H）：由P点沿法线方向到椭球面的距离。大地方位角（A)：过P点的子午面与过P点的法线及Q点的平面所成的角度。地心空间直角坐标系：原点：地球质心；Z轴：地球的自转轴；X轴：过英国格林尼治天文台的起始子午面与赤道的交线；Y轴：与X轴垂直，右手坐标系；常用的大地测量坐标系统点位的表示方法：点k的地心空间直角坐标用（x,y,z)表示。地心坐标系是唯一的，在卫星大地测量中得到广泛的采用。空间（参心）大地直角坐标系：原点：椭球中心；Z轴：椭球的旋转轴；X轴：过英国格林尼治天文台的起始子午面与椭球赤道的交线；Y轴：与X轴垂直，右手坐标系；常用的大地测量坐标系统点位的表示方法：点k的空间大地直角坐标用（X,Y,Z)表示。椭球中心通常不与地球质心重合，这种原点位于地球质心附近的坐标系通常又称为参心坐标系。WGS-84世界大地坐标系：原点：地球质心；Z轴：地球的自转轴；国际时间局BIH1984.0定义的协议地球极（CIO)X轴：指向BIH1984.0的零子午面与CTP赤道的交线；Y轴：与X轴垂直，右手坐标系；常用的大地测量坐标系统对应于WGS-84世界大地坐标系有一个WGS-84椭球，其采用大地测量和地球物理联合会（IUGG）1980年第17届大会推荐的参数：a=6378137m;e=1:298.257站心坐标系：分为站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系：原点：地面测站点；Z轴：测站点的椭球法线方向；X轴：过原点的大地子午面和过原点且和法线垂直的平面的交线，指向北；Y轴：与X轴、Z轴成左手坐标系；常用的大地测量坐标系统站心地平直角坐标系和站心地平极坐标系统称为地平坐标系。卫星的地平坐标表明了某一时刻卫星与测站的关系，用于卫星和天体位置的观测和预报。高斯平面直角坐标系：高斯投影又称为横轴椭圆柱等角投影。常用的大地测量坐标系统为了建立各种比例尺的地形图的测图控制和工程测量控制，需将椭球面上各点的大地坐标，按一定的数学模型投影到平面上，用相应的平面直角坐标表示。设椭球面上某点的大地坐标为（B.L)，投影到平面上的坐标为（x,y),其关系为：X=F1(B,L);y=F2(B,L)子午面直角坐标系：原点：过该点的子午圈椭圆中心；x轴：赤道面和过该点的子午面的交线；Y轴:旋转椭球体的旋转轴；常用的大地测量坐