空间-第2章时间系统

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UTCGPST2.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=19sGPS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。