衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)-ch02_時(shí)間系統(tǒng) - JS

1、衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)桑吉章空間定位與導(dǎo)航工程研究所2 時(shí)間系統(tǒng)n概述n恒星時(shí)和太陽(yáng)時(shí)n歷書(shū)時(shí)n原子時(shí)n動(dòng)力學(xué)時(shí)n常用計(jì)時(shí)方法n時(shí)間系統(tǒng)之間的相互轉(zhuǎn)換3時(shí)間：無(wú)處不在4有關(guān)時(shí)間的一些基本概念5時(shí)間基準(zhǔn)的條件n某種運(yùn)動(dòng)可以作為時(shí)間基準(zhǔn)的條件 運(yùn)動(dòng)是連續(xù)、周期性的 運(yùn)動(dòng)周期充分穩(wěn)定 運(yùn)動(dòng)周期必須具有復(fù)現(xiàn)性 沙漏 石英晶體的振蕩 原子諧波振蕩 地球自轉(zhuǎn) 有關(guān)時(shí)間的一些基本概念6時(shí)間是最基本最重要的一個(gè)物理量，例如：n GPS衛(wèi)星以3.9 KM/S左右的速度圍繞地球高速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們要求觀測(cè)瞬間的衛(wèi)星位置誤差1CM時(shí)，所給出的觀測(cè)時(shí)刻的誤差應(yīng)2.610-6秒。n 用測(cè)距碼進(jìn)行偽距觀測(cè)時(shí)，若要求該距離的

2、誤差0.1米，則信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)量誤差應(yīng)310-10秒。時(shí)間的重要性7時(shí)間的復(fù)雜性 軌道設(shè)計(jì)和軌道計(jì)算中，時(shí)間是獨(dú)立變量；但是在 計(jì)算不同的物理量時(shí)卻使用不同的時(shí)間系統(tǒng)。如n在計(jì)算測(cè)站位置或衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡時(shí)使用UT1。n在計(jì)算日月和行星的坐標(biāo)時(shí)，使用動(dòng)力學(xué)時(shí)DT。n各種觀測(cè)量的采樣時(shí)間是UTC（GPST）。n衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程的自變量可采用地球力學(xué)時(shí)TDT。 所以必須清楚各時(shí)間系統(tǒng)的定義和相互轉(zhuǎn)換。8n 世界時(shí)地球自轉(zhuǎn)-是建立世界時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度為110-8（UT2）n 歷書(shū)時(shí)（-動(dòng)力學(xué)時(shí)）行星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)）-建立歷書(shū)時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度為110-10n 原子時(shí)原子諧波振蕩-

3、建立原子時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)，其穩(wěn)定度為110-14時(shí)間系統(tǒng)9常用的時(shí)間系統(tǒng)恒星時(shí)真恒星時(shí)平恒星時(shí)太陽(yáng)時(shí)真太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)世界時(shí)UT0UT1UT2 原子時(shí) TAI GPST BDT 協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC 歷書(shū)時(shí) 動(dòng)力學(xué)時(shí) 質(zhì)心動(dòng)力學(xué)時(shí)TDB 地心動(dòng)力學(xué)時(shí)TDT10世界時(shí)系統(tǒng) 基本概念n 赤道、黃道n 天球、北天極、南天極n 天體周日視運(yùn)動(dòng)n 子午圈、平行圈n 子午面n 上中天、下中天11恒星時(shí)（Sidereal Time,ST）n 恒星時(shí)是以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間系統(tǒng)。n 取春分點(diǎn)上中天的時(shí)刻作為恒星日的開(kāi)始。春分點(diǎn)連續(xù)兩次通過(guò)上中天時(shí)間間隔為一個(gè)恒星日。n 任一經(jīng)度為 的地方恒星時(shí)S

4、與格林尼治恒星時(shí)SG之間的關(guān)系式春分點(diǎn)周日視運(yùn)動(dòng)的速率為地球自轉(zhuǎn)速率與春分點(diǎn)本身位移速率的合成。因此恒星時(shí)不是均勻的時(shí)間系統(tǒng)。 當(dāng)考慮歲差和章動(dòng)的影響時(shí)得到的恒星時(shí)稱(chēng)為真恒星時(shí) 當(dāng)消除章動(dòng)影響后得到的恒星時(shí)稱(chēng)為平恒星時(shí) GSS=+12格林尼治恒星時(shí)GSTn格林尼治恒星時(shí)是春分點(diǎn)相對(duì)格林尼治平子午面的時(shí)角。n 作用：它把春分點(diǎn)和地固系的參考點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)。借助于GST 可以實(shí)現(xiàn)慣性坐標(biāo)系與地固坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。由于春分點(diǎn)有平春分點(diǎn)和真春分點(diǎn)，相應(yīng)有格林尼治平恒星時(shí)GMST和真恒星時(shí)GAST。13真太陽(yáng)時(shí)n 真太陽(yáng)時(shí)是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，以太陽(yáng)的周日視運(yùn)動(dòng)為依據(jù)而建立的時(shí)間系統(tǒng)。真太陽(yáng)連續(xù)兩次過(guò)中天的時(shí)

5、間間隔叫做真太陽(yáng)日。取太陽(yáng)視圓面中心下中天的時(shí)刻為0點(diǎn)，真太陽(yáng)時(shí)定義為真太陽(yáng)的時(shí)角加上12小時(shí)。n 因?yàn)檎嫣?yáng)日的長(zhǎng)短不一致，真太陽(yáng)時(shí)在實(shí)用上并不方便。由于地球繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道是橢圓且黃道和赤道存在交角，導(dǎo)致了真太陽(yáng)時(shí)的變化不均勻。 14平太陽(yáng)時(shí)n赤道平太陽(yáng)連續(xù)兩次過(guò)中天的時(shí)間間隔為1個(gè)平太陽(yáng)日。其長(zhǎng)度等于一年中真太陽(yáng)日的平均長(zhǎng)度。n平太陽(yáng)的假設(shè)： 首先設(shè)想有一個(gè)黃道平太陽(yáng)，它在黃道上的運(yùn)行速度等于真太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的平均速度，并和真太陽(yáng)同時(shí)經(jīng)過(guò)近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)； 再假設(shè)一個(gè)赤道平太陽(yáng)，它的運(yùn)行速度和黃道上的平太陽(yáng)速度相同，并在歷元時(shí)刻同時(shí)經(jīng)過(guò)春分點(diǎn)。15世界時(shí)UTn 格林尼治的平太陽(yáng)時(shí)即世界時(shí)UT。

6、世界時(shí)是地球自轉(zhuǎn)的反應(yīng)。由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性和極移引起的地球子午線的變動(dòng)，世界時(shí)的變化是不均勻的。根據(jù)對(duì)世界時(shí)采用的不同修正，定義了三種不同的世界時(shí)： UT0：通過(guò)測(cè)量恒星直接得到的世界時(shí)，對(duì)應(yīng)瞬時(shí)極子午圈； UT1：引入極移所引起的經(jīng)度改正項(xiàng)后的世界時(shí)； UT2：引入地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性變化的改正項(xiàng)。在人衛(wèi)定軌中，UT1被用來(lái)計(jì)算格林尼治恒星時(shí)。16n 定義 為了避免世界時(shí)的不均勻性，1960年起引入了一種以地球繞日公轉(zhuǎn)周期為基礎(chǔ)的均勻時(shí)間系統(tǒng)，稱(chēng)為歷書(shū)時(shí)。歷書(shū)時(shí)是一種以牛頓天體力學(xué)定律來(lái)確定的均勻時(shí)間，并稱(chēng)為牛頓時(shí)。n 歷書(shū)時(shí)的秒長(zhǎng) 為1980年1月0.5日所對(duì)應(yīng)的回歸年長(zhǎng)度的1/3155

7、6925.9747(地球繞日公轉(zhuǎn)時(shí)兩次通過(guò)春分點(diǎn)的時(shí)間間隔為1回歸年)。n 歷書(shū)時(shí)的起點(diǎn)定義 以1900年初太陽(yáng)的平黃經(jīng)為 的瞬間即1900年1月0日世界時(shí)12h作為歷書(shū)時(shí)1900年1月0日12h。n 歷書(shū)時(shí)的測(cè)量 將觀測(cè)得到的天體位置與用歷書(shū)時(shí)計(jì)算得到的天體歷表比較，就能內(nèi)插出觀測(cè)瞬間的歷書(shū)時(shí)。 歷書(shū)時(shí)（Ephemeris Time, ET）17國(guó)際原子時(shí)TAIn 1967 年10 月，第13 屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定引入新的秒長(zhǎng)定義，即銫原子Cs133 基態(tài)的兩能級(jí)間躍遷輻射9192631770 周所經(jīng)歷的時(shí)間作為1 秒的長(zhǎng)度，作為國(guó)際單位秒（SI）n 由SI作為時(shí)間單位確定的時(shí)間系統(tǒng)稱(chēng)為國(guó)際原

8、子時(shí)TAI，其起點(diǎn)為1958 年1 月1 日0 時(shí)（UT2）。后來(lái)時(shí)間比對(duì)發(fā)現(xiàn)TAI時(shí)間起點(diǎn)比UT2早3.9毫秒。18協(xié)調(diào)世界時(shí)UTCn 原因 世界時(shí)很好地反映地球自轉(zhuǎn)，但其變化不均勻； 原子時(shí)變化均勻，但與地球自轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)。n 定義 協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC，其變化基本與地球自轉(zhuǎn)同步。協(xié)調(diào)世界時(shí)的歷元與世界時(shí)的歷元相同，其秒長(zhǎng)的定義與原子時(shí)秒長(zhǎng)定義相同。使用跳秒的方法進(jìn)行調(diào)整。 n 應(yīng)用 地面觀測(cè)系統(tǒng)以UTC作為時(shí)間記錄標(biāo)準(zhǔn)。 國(guó)際規(guī)定以UTC作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和頻率發(fā)布的基礎(chǔ)。19動(dòng)力學(xué)時(shí)DTn 定義 動(dòng)力學(xué)時(shí)是根據(jù)天體力學(xué)理論建立的運(yùn)動(dòng)方程編算天體星歷所用的時(shí)間系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)時(shí)是均勻的時(shí)間系統(tǒng)。通過(guò)原子時(shí)來(lái)

9、具體實(shí)現(xiàn)。n 分類(lèi)（根據(jù)所描述運(yùn)動(dòng)方程所對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)的不同 ） 質(zhì)心動(dòng)力學(xué)時(shí)TDB（日月/行星的歷表） 地心動(dòng)力學(xué)時(shí)TDT，1992 年起簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)T（衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方程、歲差章動(dòng)的計(jì)算）TDB和TDT之間的差別是由廣義相對(duì)論效應(yīng)引起的。 0 .001658sin(0.0167sin)sTDBTDTMM-+202、時(shí)間系統(tǒng)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系n均勻時(shí)間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換TT與TAIUTC與TAIUTC與TTn不均勻時(shí)間系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換UT與STn均勻時(shí)間系統(tǒng)與不均勻時(shí)間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換UT與UTC21均勻時(shí)間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換nTT與TAI TTTAI32.184秒nUTC與TAI UTCTAI-n秒nUTC與TT UTCT

10、T-( 32.184 n)秒其中，n為跳秒，可從IERS公報(bào)中查取。22不均勻時(shí)間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換nUT1與GST23均勻時(shí)間系統(tǒng)與不均勻時(shí)間系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換n UTC與UT11. 根據(jù)UTC計(jì)算TAI2. 從IERS公報(bào)B中查出UTC對(duì)應(yīng)UT1R-UTC的值域，再由線性?xún)?nèi)插求出UTC時(shí)刻對(duì)應(yīng)的UT1R -UTC的值。UT1R表示從UT1中減去周期短于35天的短周期變化后的部分。3. 計(jì)算UT1的短周期（小于35天）影響dUT1。世界時(shí)為UT1=UTC+(UT1R-UTC)+dUT1n IERS公報(bào)24時(shí)間系統(tǒng)間的相互轉(zhuǎn)換UT1UTCTTTDBTAIGPSTSTTAI - GPST=19s, 1980年1月6日0時(shí)UTCTAI - BDT=33s, 2006年1月1日0時(shí)UTC25時(shí)間系統(tǒng)間的相互轉(zhuǎn)換26時(shí)間表示方法n 年：回歸年、恒星年、貝塞爾年（以太陽(yáng)平黃經(jīng)等于280的瞬間為年首的回歸年）n 歷元：天文學(xué)常用年的小數(shù)表示某一特殊瞬間的時(shí)刻，如B1950.0，J2000.0n 儒略日J(rèn)D（軌道計(jì)算中常用時(shí)間記法） 公元前4713年1月