第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)與時(shí)間系統(tǒng)

1、遠(yuǎn)日遠(yuǎn)日點(diǎn)點(diǎn)近日點(diǎn)近日點(diǎn)地球地球春分點(diǎn)春分點(diǎn)秋分點(diǎn)秋分點(diǎn)黃赤交角黃赤交角232727在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩在繞太陽運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移慢的西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差。 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)(從北天極上從北天極上方觀察為順時(shí)針方向方觀察為順時(shí)針方向)，形成一個(gè)倒圓錐體，其錐角等于，形

2、成一個(gè)倒圓錐體，其錐角等于黃赤交角黃赤交角232727。 歲差的周期約為歲差的周期約為2580025800年。歲差使春年。歲差使春分點(diǎn)每年西移分點(diǎn)每年西移50.350.3。：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時(shí)間而變，稱為地極移動(dòng)，簡稱：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球上隨時(shí)間而變，稱為地極移動(dòng)，簡稱極移。極移。瞬時(shí)極瞬時(shí)極：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時(shí)的：與觀測瞬間相對應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時(shí)的 地球極軸，地球極軸，相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極。相應(yīng)的極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極。平平 極極：某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置。：某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置。國際協(xié)定原點(diǎn)國際協(xié)定原點(diǎn)CIO：國際天文聯(lián)合會(huì)：國際天文聯(lián)合會(huì)I

3、AU和國際大地測量與物理聯(lián)合會(huì)和國際大地測量與物理聯(lián)合會(huì)IUGG采用國際上采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)站的資料，以個(gè)緯度服務(wù)站的資料，以1900.00至至1905.05年地球自轉(zhuǎn)軸瞬年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點(diǎn)時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點(diǎn)CIO。也稱協(xié)議地也稱協(xié)議地球極球極CTP。 國際時(shí)間局國際時(shí)間局BIH的的CIO有：有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0地極坐標(biāo)系：以地極坐標(biāo)系：以CIO為原點(diǎn)，零子為原點(diǎn)，零子午線方向?yàn)槲缇€方向?yàn)閄軸，以零子午線以西軸，以零子午線以西90子午線為子午線為y y軸。軸。 用來描述極移規(guī)

4、律。用來描述極移規(guī)律。平春分點(diǎn)平春分點(diǎn)：相應(yīng)于平極的春分點(diǎn)。：相應(yīng)于平極的春分點(diǎn)。 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱為恒星時(shí)。稱為恒星時(shí)。 計(jì)量時(shí)間單位：恒星日、恒星小時(shí)、恒星分、恒星秒；計(jì)量時(shí)間單位：恒星日、恒星小時(shí)、恒星分、恒星秒； 恒星日：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時(shí)間間隔。恒星日：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時(shí)間間隔。 分類：真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。分類：真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。362102 . 6093104. 0812866.864018454841.2411010027379093. 1cosTTTUTGMS

5、TLASTGASTLMSTGMSTGMSTGASTLMSTLASTsSSs 其中，其中，為黃經(jīng)章動(dòng)，為黃經(jīng)章動(dòng)，黃赤交角，黃赤交角，T T為標(biāo)準(zhǔn)歷元為標(biāo)準(zhǔn)歷元J2000.0J2000.0到計(jì)算歷元之間的儒略世紀(jì)數(shù)到計(jì)算歷元之間的儒略世紀(jì)數(shù)儒略歷：是公元前羅馬皇帝儒略儒略歷：是公元前羅馬皇帝儒略凱撤所實(shí)行的一種歷法。儒略日凱撤所實(shí)行的一種歷法。儒略日（JD）是從公元前是從公元前4713年儒略歷年儒略歷1月月1日格林尼治平正午起算的連續(xù)天數(shù)。一日格林尼治平正午起算的連續(xù)天數(shù)。一個(gè)儒略世紀(jì)有個(gè)儒略世紀(jì)有36525個(gè)儒略日。個(gè)儒略日。標(biāo)準(zhǔn)歷元標(biāo)準(zhǔn)歷元J2000.0為為2451545.0儒略日儒略日.簡

6、化儒略日（簡化儒略日（MJD）等于儒略日減去）等于儒略日減去2400000.5日日.1900年年3月以后月以后2100年年2月儒略日計(jì)算公式月儒略日計(jì)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. 真太陽時(shí)真太陽時(shí):以真太陽作為參考點(diǎn)，由它的周以真太陽作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間 平太陽時(shí)平太陽時(shí):以平太陽作為參考點(diǎn)，由它的周以平太陽作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間。 計(jì)量時(shí)間單位：平太陽日、平太陽小時(shí)、計(jì)量時(shí)間單位：平太陽日、平太陽小

7、時(shí)、平太陽分、平太陽秒；平太陽分、平太陽秒； 平太陽日平太陽日:平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時(shí)間間隔的時(shí)間間隔. 一回歸年一回歸年=365.24219879平太陽日平太陽日 一平太陽日一平太陽日=24平太陽小時(shí)平太陽小時(shí)=1440平平太陽分太陽分=86400平太陽秒。平太陽秒。 平太陽時(shí)與日常生活中使用的時(shí)間系統(tǒng)是平太陽時(shí)與日常生活中使用的時(shí)間系統(tǒng)是一致的，通常鐘表所指示的一致的，通常鐘表所指示的 時(shí)刻正是平太陽時(shí)刻正是平太陽時(shí)。時(shí)。 定義：以平子午夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽時(shí)定義為世定義：以平子午夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽時(shí)定義為世界時(shí)界時(shí)UT。(就是將格林

8、尼冶午夜定為零點(diǎn)的平太陽時(shí)就是將格林尼冶午夜定為零點(diǎn)的平太陽時(shí))TUTUTUTUT 1201 tancossin151ppyx ttttT 4cos007. 04sin006. 02cos012. 02sin022. 0 UT0:未經(jīng)任何改正的世界時(shí)未經(jīng)任何改正的世界時(shí)UT1:經(jīng)過極移改正的世界時(shí)經(jīng)過極移改正的世界時(shí)UT2:在在UT1的基礎(chǔ)上經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正的世界時(shí)的基礎(chǔ)上經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正的世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC:由于地球自轉(zhuǎn)速度有變慢的趨勢，為了避免世界時(shí)和原由于地球自轉(zhuǎn)速度有變慢的趨勢，為了避免世界時(shí)和原子時(shí)產(chǎn)生過大偏差而采用的一種以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)

9、刻上盡量接近子時(shí)產(chǎn)生過大偏差而采用的一種以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近世界時(shí)的一種折衷的時(shí)間系統(tǒng)。世界時(shí)的一種折衷的時(shí)間系統(tǒng)。 當(dāng)二者之差超過當(dāng)二者之差超過0.90.9秒時(shí)，便在秒時(shí)，便在協(xié)調(diào)世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC加入一閏秒。閏秒一加入一閏秒。閏秒一般在般在12月月31日或日或6月月30日加入。日加入。 協(xié)調(diào)世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的秒長與原子時(shí)秒長一致。的秒長與原子時(shí)秒長一致。協(xié)調(diào)時(shí)與國際原子時(shí)之間的關(guān)系，如下式所示：協(xié)調(diào)時(shí)與國際原子時(shí)之間的關(guān)系，如下式所示： TAI=UTC+1sn 式中式中n為調(diào)整參數(shù)為調(diào)整參數(shù)原子時(shí)：是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的特征為基礎(chǔ)建立的時(shí)間系統(tǒng)。原子時(shí)：是以物質(zhì)內(nèi)

10、部原子運(yùn)動(dòng)的特征為基礎(chǔ)建立的時(shí)間系統(tǒng)。原子時(shí)的尺度標(biāo)準(zhǔn)：原子時(shí)的尺度標(biāo)準(zhǔn)：(在海平面實(shí)現(xiàn)的原子秒在海平面實(shí)現(xiàn)的原子秒)國際制秒（國際制秒（SI）。）。原子秒：在零磁場下，銫原子秒：在零磁場下，銫-133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷 輻射輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。周所持續(xù)的時(shí)間。 基于美國海軍觀測實(shí)驗(yàn)室維持的原子時(shí)的時(shí)間系統(tǒng)?；诿绹＼娪^測實(shí)驗(yàn)室維持的原子時(shí)的時(shí)間系統(tǒng)。 GPSTGPST屬于原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長即為原子時(shí)秒長，屬于原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長即為原子時(shí)秒長，GPSTGPST的的原點(diǎn)與國際原子時(shí)原點(diǎn)與國際原子時(shí)TAITAI相差相差19s19s。有

11、關(guān)系式：。有關(guān)系式： TAI-GPST=19TAI-GPST=19（s s） 在在19801980年年1 1月月6 6日，日，GPSTGPST與與UTCUTC相等，它們的關(guān)系為：相等，它們的關(guān)系為： GPST = UTC + n GPST = UTC + n GPS時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系見圖所示：時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系見圖所示：歷書時(shí)歷書時(shí)(ET):以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng).起始?xì)v元為起始?xì)v元為1900年年1月月12時(shí)時(shí).秒長為秒長為1900年年1月月12時(shí)整回歸年長度的時(shí)整回歸年長度的1/31556925.9747.力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí)(DT):天體運(yùn)

12、動(dòng)力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)天體運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù).太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDB):相對于太陽系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)相對于太陽系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù).地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDT):相對于太陽系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù)相對于太陽系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所采用的時(shí)間參數(shù).)360/2)(050.35999258.357()sin0167. 0sin(001658. 000 TgggTDTTDB 力學(xué)時(shí)力學(xué)時(shí)(DT)所采用的基本單位是國際制秒所采用的基本單位是國際制秒(SI),與原子時(shí)的尺度一致與原子時(shí)的尺度一致.184.3

13、2 TAITDT黃赤交角黃赤交角232727、坐標(biāo)參考系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系、坐標(biāo)參考系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系 地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系 點(diǎn)的坐標(biāo)可用（點(diǎn)的坐標(biāo)可用（x,y,z）表示，也可用（）表示，也可用（L，B，H）表示。）表示。XYZoP春春分分點(diǎn)點(diǎn)黃道黃道天球天球赤道赤道天球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系XYZoP地球地球赤道赤道首首子子午午線線LB正常HH正高正高: 以大地水準(zhǔn)面為參考面以大地水準(zhǔn)面為參考面P正常高正常高: 以似大地水準(zhǔn)為參考面以似大地水準(zhǔn)為參考面NHH 正正H正正H正常正常大地水準(zhǔn)面大地水準(zhǔn)面似大地水準(zhǔn)面似大地水準(zhǔn)面參考橢球面參考橢球面N、坐標(biāo)參考框架：、坐標(biāo)參考框架： 具體實(shí)

14、現(xiàn)：國家平面控制網(wǎng)，具體實(shí)現(xiàn)：國家平面控制網(wǎng)，GPSGPS網(wǎng)網(wǎng)XYZoP春分春分點(diǎn)點(diǎn)黃道黃道天球赤天球赤道道CISMtzyxPzyx P0Pir0ri標(biāo)準(zhǔn)歷元平赤道標(biāo)準(zhǔn)歷元平赤道瞬時(shí)平赤道瞬時(shí)平赤道ZYXZYXAAzA AZAYAZRRZRP 1000cossin0sincoscos0sin010sin0cos1000cossin0sincosAAAAAZAAAAAYAAAAAZRRZZZZZRMttzyxNzyx xZxRRRN cossin0sincos00011000cossin0sincoscossin0sincos0001xZxRRR黃道黃道平赤道平赤道真赤道真赤道平春分點(diǎn)平春分點(diǎn)真

15、春分點(diǎn)真春分點(diǎn) ZYXZYXCIStzyxNPzyx XYZoP地球地球赤道赤道首首子子午午線線LB赤道面與起始子午圈的交點(diǎn)為赤道面與起始子午圈的交點(diǎn)為X軸指向軸指向.瞬時(shí)地球坐標(biāo)系：以瞬時(shí)極為瞬時(shí)地球坐標(biāo)系：以瞬時(shí)極為Z軸方向。軸方向。tCTSZYXMZYX 0ZCTSYCTSXCTSZt YtXt協(xié)議赤道協(xié)議赤道瞬時(shí)赤道瞬時(shí)赤道格林尼治格林尼治平子午線平子午線xpypCTP pXpYyRxRM 11001ppppyxyxMttzyxEZYX 春分點(diǎn)春分點(diǎn)起始子午線起始子午線赤道赤道GASTxyzXYZ 100cossin0sincosGASTGASTGASTGASTGASTREztCTSt

16、CTSzyxMEZYXZYXMZYX CISCTSCIStzyxMENPZYXzyxNPzyx (X0,Y0,Z0) 舊舊舊舊舊舊舊舊舊舊新新新新新新 NBBLaBBeMBeaNBBNMBeMBBeaNMNmBeNBBeMNLBBNeLBNeLLBLBLBZYXBLBLBHMBHMLBHMLBHNLHNLNzyx cossinsin11sin1cossin1sin2cossin00sin1cossin00coscossinsincossin0cossinsinsinsincossinsinsincoscoscoscossinsincossin0cossin2222222222222000XYZ

17、M0XYZLnBPQHPBHeNZLBHNYLBHNXsin)1(sincos)(coscos)(2 以測站以測站P為原點(diǎn)，為原點(diǎn)，P點(diǎn)的垂線為點(diǎn)的垂線為z軸軸(指向天頂為正指向天頂為正),子午線方向子午線方向 為為x軸軸(向北為正向北為正)，y軸與軸與x，z軸垂直軸垂直(向東為正向東為正)構(gòu)成構(gòu)成左手左手坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系稱為坐標(biāo)系稱為 垂線站心直角坐標(biāo)系，垂線站心直角坐標(biāo)系，或稱為站心天文坐標(biāo)系。或稱為站心天文坐標(biāo)系。 Z(天頂天頂)Y(東東)PZQdX(北北)Q以測站以測站P點(diǎn)為原點(diǎn)，點(diǎn)為原點(diǎn)， P點(diǎn)的法線方向?yàn)辄c(diǎn)的法線方向?yàn)閦軸軸(指向天頂為正指向天頂為正)，子，子午午 線

18、北方向?yàn)榫€北方向?yàn)閤抽，抽，y軸與軸與x,z軸垂直，構(gòu)成左手坐標(biāo)系。這種軸垂直，構(gòu)成左手坐標(biāo)系。這種坐標(biāo)系就稱為法線站心直角坐標(biāo)系，或站心橢球坐標(biāo)系坐標(biāo)系就稱為法線站心直角坐標(biāo)系，或站心橢球坐標(biāo)系 將站心坐標(biāo)軸將站心坐標(biāo)軸 xyz 變換成與變換成與空間坐標(biāo)系的指向一致，需要空間坐標(biāo)系的指向一致，需要如下幾步：如下幾步：(1). y 坐標(biāo)軸反向；坐標(biāo)軸反向；(2). 繞繞y軸軸900-B；(3). 繞繞z軸旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180-L。 即：即： sin0cossincoscossinsincoscossincossin 10001000190R180R00yzT將站心坐標(biāo)將站心坐標(biāo) xyz 變換成空間

19、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為：變換成空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式為：坐標(biāo)轉(zhuǎn)換式為：即：即：將空間坐標(biāo)系變換成站心坐標(biāo)將空間坐標(biāo)系變換成站心坐標(biāo) xyz 轉(zhuǎn)換矩陣為：轉(zhuǎn)換矩陣為：y2y1x1x2y1cosx1sinx1cosy1sinsincossincos112112xyyyxx cossinsincosx1x0y1y0Z1(z1)zzY0(y0)x0z1x2z0yyZ1X1Y1X2Y2Z2X2(x2)y0y2z0z2xx YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYR coscossinsincoscossincossincossinsincossinsinsinsincoscoscossinsinsincossinsincoscoscos0 111222111ZYXZYXxyxzyz YXZYXZXZYXZXYXZYXZXZYXZXYZYZYR coscossinsincoscossincossincossinsincossinsinsinsincoscoscos