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1、时间系统与坐标参照系,授课教师：刘志强单 位：河海大学,主要内容,（一）地球的运转（二）时间系统（三）坐标系统,一 地球的运转,1.1 天文学基本概念1.2 地球绕太阳公转1.3 地球的自转,1.1 天文学基本概念,天球坐标系,北天极,1.1 地球绕太阳公转,天球：以地球质心为中心，半径为任意长的假想球体。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。,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，太阳在天球上运动的轨迹。,黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的交点称为北
2、黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。,春分点：当太阳在黄道上从天球的南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。,天球赤道面：通过地球质心且与天轴垂直的平面。,天轴：地球自转轴的延伸线称为天轴。天极：天轴与天球的交点称为天极（北天极与南天极）。,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。,1.1 地球绕太阳公转,开普勒第一运动定律：地球运行的轨道是一个椭圆，而椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合。,在开普勒椭圆轨道上，地球离太阳质心最近的点称为近日点，而离太阳质心最远的点称为远日点；它们在惯性空间中的位置是固定不变的。,地球绕太阳运行的轨道面，是一个通过太阳质
3、心的静止平面。轨道椭圆一般称开普勒椭圆，其形状和大小不变。,1.1 地球绕太阳公转,开普勒第二运动定律：地球的太阳质心向径，即地球质心与太阳质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。,根据能量守恒定理，地球在运动过程中，其位能和动能之和应保持不变。,地球在椭圆上的运行速度是不断变化的，在近日点处速度为最大，而在远日点处速度为最小。,开普勒第三运动定律：地球运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量。,当开普勒椭圆的长半径确定后，地球运行的平均角速度便随之确定，且保持不变。地球绕太阳旋转一圈的时间是由其轨道的长半轴的大小决定的，称为一恒星年。,1.2 地球的自转,地球在绕太阳公转
4、的同时，绕其自身的旋转轴（地轴）自转，从而形成昼夜变化。地轴是过地球中心和两极的轴线，在某一时刻的旋转轴称为瞬时旋转轴，它在空间的指向、与地球的相对关系、地球绕地轴的旋转速度是不断变化的，具体表现为：,岁差和章动,极移,日长变化,地轴方向相对于空间的变化,1.2 地球的自转,地球绕地轴旋转，可以看做巨大的陀螺旋转。由于日、月等天体的影响，类似于旋转陀螺在重力场中的进动。地球旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，形成一个倒圆椎体，这种运动称为岁差。岁差是地轴方向相对于空间的长周期运动，其锥角等于黄赤交角=23.5 旋转周期为26000年，并使春分点每年向西移动50.3。,地轴方向相对于空间的变化,1
5、.2 地球的自转,月球绕地球旋转的轨道称为白道。由于白道相对于黄道有约5的倾斜，且月球运行的轨道与地球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圆，而是类似圆的波浪曲线运动。地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期运动，振幅为9.21“，这种现象称为章动。,在岁差和章动的共同影响下，地球在某一时刻的实际旋转轴，称为真旋转轴或瞬时轴，对应的赤道为真赤道。（瞬时真天极、瞬时真春分点）假定只有岁差的影响，则地球旋转轴为平轴，对应的赤道为平赤道。（瞬时平天极、瞬时平春分点）,地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化,1.2 地球
6、的自转,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（有一定周期性、约434天），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（幅度不会超过10m），导致地面点的纬度发生变化。同一经线上的点，纬度变化相同；经度相差180的经线上的点，纬度变化符号相反。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19001905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（Conventional International O
7、rigin），其相对于19001905年平均历元1903.0。,地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化,1.2 地球的自转,在1984年之前，采用刚体地球理论计算地球旋转轴相对于CIO的变化，其变化规律是以CIO作为坐标原点、以零子午线的方向作为x轴、以270子午线方向作为y轴而建立的地极坐标系进行描述，任意瞬时的极点位置可用 表示。,国际极移服务（IPMS）和国际时间局（BIH）采用非刚体地球理论并融合传统光学观测技术和VLBI等空间观测技术计算得到新的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole），以1984.0为参考历元的CTP被广泛采用，如：WGS84
8、（GPS）ITRF（IERS）都是采用BIH1984.0的CTP作为Z轴的指向。,地球自转速度变化,1.2 地球的自转,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，导致日长的视扰动并缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。,1.2 地球的自转,EOP-地球定向参数ERP-地球自转参数,二 时间系统,2.1 概述 2.2 时间系统,时间系统分类,2.1 概述,1）对于时间的描述，有原点和尺度（度量单位）两大要素。原点可以根据需要进行指定，度量单位采用时刻和时间间隔两种形式。（对于卫星系
9、统或天文学，某一事件相应的时刻称为历元。）,2）周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。运动是连续的；运动的周期具有足够的稳定性；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、地球的公转、物质的振动等。,恒星时（ST-Sidereal Time）,2.2 时间系统,1）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。恒星时是地球旋转的一种度量，它被定义为春分点的时角。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，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。如果度量是从格林尼治子午线起计的，那么恒
10、星时就称为格林尼治恒星时。,2）由于岁差和章动的影响，地球自转轴的指向在空间是变化的，从而导致春分点的位置发生变化。真春分点（某一时刻瞬时极）-真恒星时 平春分点（平极）-平恒星时,以春分点为参考点的地球自转,2.2 时间系统,世界时（UT-Universal Time）,2.2时间系统,1）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同一子午圈上中天所经历的时间。由于真太阳的视运动速度是不均匀的，因而真太阳时不是均匀的时间尺度，为此引入虚拟的赤道上匀速运行的平太阳，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。一个平太阳日就是平太阳连续两次经过同一
11、子午圈上中天所经历的时间，分为24个平太阳时。,2）以格林尼治子夜起算的平太阳时称为世界时。UT0-未经任何改正的世界时 UT1-经过极移改正的世界时 UT2-进一步经过地球自转速度季节性改正后的世界时,以太阳为参考点的地球自转,2.2 时间系统,在地球完成自转期间（一个恒星日），地球沿着其围绕太阳运转的轨道也移动很短的距离（约为5908）。因此，经过一个恒星日后，地球还要旋转一个很小的角度才能使太阳达到最高点。因此，太阳日比恒星日约长4分钟。一年中的太阳日要比恒星日少一天。这使得恒星日=365.24366.24太阳日，即为23小时56分4.1秒。,历书时（ET-Ephemeris Time）
12、,2.2 时间系统,1）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，其秒长规定为1900年1月1日12时整回归年长度的1/31556925.9747。,2）根据广义相对论，太阳质心系和地球质心系的时间将不同。1976年，IAU定义了这两个坐标系的时间：TDT-地球质心力学时 TDB-太阳系质心力学时 TDT和TDB可以看做是ET分别在两个坐标系中的实现。3）基于地球公转的历书时，已被原子时所代替。,Terrestrial Dynamic Time,Barycentric Dyn
13、amic Time,基于地球公转,原子时（AT Atomic Time）,2.2 时间系统,1）原子时是一种以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续计数的时标。基本单位是原子时秒，其定义为：在零磁场下，铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9192631770周所持续的时间。在1967年第13届国际计量大会上，正式确定原子秒的定义，把海平面实现的原子时秒作为国际参照时标，规定为国际单位制中的时间单位，即SI（International System）秒。,2）BIH比较、综合世界各地的原子钟数据，最后确定的原子时称为国际原子时，简称TAI。TAI是基于原子秒的，IERS利用来自分布在全球的60多个
14、实验室的200多个钟，来计算TAI。TAI起点：1958年1月1日UT2的0时（-0.0039s）由于地球自转速度的不均匀，世界时与原子时之间的时间差逐年累积。现在的TDT计量是用原子钟实现的，二者起点不同，有如下关系：,基于原子钟,协调世界时（UTC-Coordinated Universal Time）,2.2 时间系统,1）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。为了保证时间与季节的协调一致，便于日常使用，使用原子秒的秒长，又通过跳秒始终保持与UT1接近（dUT1小于0.9s），建立协调世界时UTC。,2）
15、UTC时间作为一种折衷的时间尺度，就是平时广播、电视及其它时间服务中所发布的时间。如果UTC与UT1差值超过限制，由IERS来控制UTC的跳秒。国际原子时TAI是不调整的，这样UTC跟TAI之间就会相差整秒数。,跳秒 Leap Second,http:/,dUT1,跳秒 Leap Second,GPS时（GPST-GPS Time）,2.2 时间系统,GPST也是一种原子时，由美国海军观测实验室（USNO）负责维持。在1980年1月6日（星期日）0时，将GPST设置成与UTC完全一致。GPST采用TAI原子时秒长，并且不跳秒。GPST与TAI相差常数，为19.0s。GPST与UTC间的差异将随
16、着跳秒次数的增加而越来越大，如2004年7月，GPST超前UTC14s。,GPS week,tow,GPST,doy,【格里高利历-Gregorian date】-目前，世界上广泛采用的历法。它以一个由146097天所组成的400年周期为基础，1年的平均长度为365.2425天。1年被划分为12个月，闰年的二月为29天，否则为28天。,【儒勒日JD-Julian Date】-JD（儒勒日）是方便的平太阳日连续计时系统，它从公元前4713年开始。传统上，儒勒日是从UT1的正午12时开始计的。【约化儒勒日MJD-Modified Julian Date】-MJD=JD 2400000.5 儒勒日J
17、D到约化儒勒日MJDa）可以减小JD数值的大小；b）MJD的日期从子夜0时起计，而改变JD从正午12时起计的特点。,2.2 时间系统,儒勒日（儒略日）,格里高利历(又称为 公元),相互转换,【儒勒历元Julian Epoch】J2000.0 Julian EpochJulian date 2451545.0 January 1,2000,11:59:27.816 TAI January 1,2000,11:58:55.816 UTC 一个儒勒年的长度为365.25个平太阳日。Julian Epoch=2000.0+(Julian Date 2451545.0)/365.25,2.2 时间系统,
18、http:/,作业,1）将格里高利历2012-02-24 11:25:30转换成儒勒日、Year+Doy 2）将GPST 2010-11-27 23:59:59.999999999转换成 GPS Week+tow,三 坐标系统,3.1 坐标与坐标系3.2 基准与坐标参照系3.3 地球参照系及参考框架3.4 地心惯性参照系3.5 坐标转换,3.1 坐标与坐标系,3.2 基准与坐标参照系,3.3 地球参照系及参考框架,地球参照系,3.3 地球参照系及参考框架,协议地球参照系及参考框架,3.3 地球参照系及参考框架,地心地固系ECEF,3.3 地球参照系及参考框架,地心地固系ECEF（续）,3.3
19、地球参照系及参考框架,地心地固系ECEF（续）,3.3 地球参照系及参考框架,地心地固系ECEF（续）,3.3 地球参照系及参考框架,地心地固系ECEF（续）,3.3 地球参照系及参考框架,1）国际地球参照系ITRS及参考框架ITRF,ITRF,http:/,3.3 地球参照系及参考框架,2）WGS84,3.5 坐标转换,问题由来,3.4 地心惯性参照系,地心惯性系ECI（地心空固系）,3.4 地心惯性参照系,ECI与ECEF间的相互转换,3.4 地心惯性参照系,ECI与ECEF间的相互转换,3.5 坐标转换,概 述,同一坐标参照系下,e.g.,不同坐标参照系下,坐标系变换,基准变换,基准变换坐标系变换,e.g.,e.g.,3.5 坐标转换,空间直角坐标系与大地坐标系间的转换,B,L,H X,Y,Z,3.5 坐标转换,X,Y,Z B,L,H,空间直角坐标系与大地坐标系间的转换,3.5 坐标转换,不同空间直角坐标系间的转换,3.5 坐标转换,空间直角坐标系与站心坐标系间的转换,
