時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)

時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五授課內(nèi)容時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.1時(shí)間是什么時(shí)間是上天賜予每個(gè)人最寶貴、最公平的財(cái)富！第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.1時(shí)間是什么物理學(xué)中的時(shí)間：事件過程長短和發(fā)生順序的度量，包括時(shí)段和時(shí)刻兩個(gè)概念。愛因斯坦的相對論認(rèn)為：時(shí)間與空間一起組成四維時(shí)空，構(gòu)成宇宙的基本結(jié)構(gòu)。廣義相對論預(yù)測質(zhì)量產(chǎn)生的重力場將造成扭曲的時(shí)空結(jié)構(gòu)，并且在大質(zhì)量附近的時(shí)鐘之時(shí)間流逝比在距離大質(zhì)量較遠(yuǎn)的地方的時(shí)鐘之時(shí)間流逝要慢。相對論成功解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)又成為廣義相對論最有力的三個(gè)天文學(xué)驗(yàn)證之一。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.2時(shí)間的度量時(shí)刻=時(shí)間基準(zhǔn)原點(diǎn)+時(shí)間步長*步數(shù)時(shí)段=時(shí)刻n

–時(shí)刻m時(shí)間基準(zhǔn)原點(diǎn)的選?。汗獣r(shí)間步長的選擇的基本要求：精確，均勻時(shí)間步長的選擇：基本方法是測量物體的運(yùn)動(dòng)。隨著人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，觀測手段的變化，在不斷更新。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.3航天中時(shí)間的重要性時(shí)間的準(zhǔn)確。航天器運(yùn)動(dòng)速度快，差之毫厘，失之千里時(shí)間的均勻。航天器在軌運(yùn)行時(shí)間長，小錯(cuò)積累成大錯(cuò)時(shí)間的同步。航天系統(tǒng)包括在軌航天器和多個(gè)地面測控站，需要天地大系統(tǒng)的時(shí)間同步。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間航天中常用的四個(gè)時(shí)間：恒星時(shí)，太陽時(shí)（協(xié)調(diào)時(shí)），動(dòng)力學(xué)時(shí)，原子時(shí)恒星時(shí)（太陽時(shí)）都是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)定義的時(shí)間系統(tǒng)，一天為基本單位，一天為當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)經(jīng)過恒星（太陽）的時(shí)間間隔。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間討論問題1：恒星時(shí)和太陽時(shí)是否相同？恒星時(shí)和太陽時(shí)是不同的。因?yàn)楹阈窃谔炜罩械奈恢檬枪潭ú粍?dòng)的，太陽相對地球的位置是變化的（地球的公轉(zhuǎn)）。1個(gè)太陽日=1個(gè)恒星日+3分56秒。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間如果地球自轉(zhuǎn)速度均勻恒定的，則恒星時(shí)和太陽時(shí)都可以作為一個(gè)完美的時(shí)間間隔。歲差：太陽和月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸬囊ψ饔迷斐傻?，引發(fā)地軸相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為日月歲差。周期大約為26000年。同時(shí)太陽系行星也會(huì)造成黃道面相對慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，稱為行星歲差。日月歲差約為行星歲差的500倍。僅考慮歲差的地球自轉(zhuǎn)軸稱為平天極，對應(yīng)的赤道面為平赤道面。第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間章動(dòng)：月球圍繞地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致地球自轉(zhuǎn)軸繞平天極左右搖擺的現(xiàn)象，周期約為18.6年，振幅為9.21秒?？紤]歲差和章動(dòng)的地球自轉(zhuǎn)軸稱為真天極，對應(yīng)的赤道為真赤道。歲差和章動(dòng)描述了地球自轉(zhuǎn)軸在慣性空間的不穩(wěn)定。第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間極移：地球瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。1765年，歐拉在假定地球是剛體的前提下，最先從力學(xué)上預(yù)言極移的存在。1888年德國的屈斯特納才從緯度變化的觀測中發(fā)現(xiàn)極移。第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間天陽時(shí)：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過太陽的時(shí)間為一個(gè)天陽日。1day=24h1h=60min=3600s1day=360°1h=15°視天陽時(shí)：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過真實(shí)的太陽的時(shí)間。（不均勻，為什么？）平天陽時(shí)：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過虛擬太陽（運(yùn)行在赤道，速度均勻）的時(shí)間。時(shí)間時(shí)（universaltime，UT）：格林尼治的平太陽時(shí)。UT0（通過全球多個(gè)地面站測量得到），UT1（考慮了極移的修正），UT2（考慮了季節(jié)的修正）第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間恒星時(shí)：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過恒星為一個(gè)恒星日。恒星時(shí)（SiderealTime，ST）通過與春分點(diǎn)之間的角度來計(jì)算。與平春風(fēng)點(diǎn)的角度為平恒星時(shí)(MeanSiderealTime，MST)，與真春風(fēng)點(diǎn)的角度為真恒星時(shí)。相對于2000年1月1日12時(shí)（J2000）儒略日第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間儒略日:由公元前4713年1月1日中午12時(shí)開始所經(jīng)過的天數(shù)，多為天文學(xué)家采用，用以作為天文學(xué)的單一歷法，把不同歷法的年表統(tǒng)一起來。儒略日是由法國學(xué)者JosephJustus于1582年所創(chuàng)。（year,mon,d,h,min,s）-﹥JD[1900到2100]第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間課堂練習(xí)：已知1996年10月26日下午2：20（UT1）,計(jì)算儒略日J(rèn)D。JD=2450383.097222222JD=367*yr-floor(7*(yr+floor((mo+9)/12))/4)+floor(275*mo/9)+d+1721013.5+((s/60+min)/60+h)/24J2000=2451545第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間課堂練習(xí)：計(jì)算東經(jīng)50°在1996年10月26日下午2：20（UT1）的恒星時(shí)。MJD=(JD-2451545.0)/36525;GMST=67310.54841+(876600*3600+8640184.812866)*MJD+0.093104*MJD^2-6.2e-6*MJD^3tem=mod(GMST,86400);thita=tem/240+50Thita=300.2342°=20h0分56.16秒第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間動(dòng)力學(xué)時(shí)：1、歷書時(shí)（ephemeristime，ET）：由于地球自轉(zhuǎn)的不均勻性，根據(jù)由天體力學(xué)的定律確定的均勻時(shí)間﹐又稱牛頓時(shí)。2、質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDB)和地球力學(xué)時(shí)(TDT)：考慮相對論效應(yīng)，根據(jù)天體動(dòng)力學(xué)定義的均勻時(shí)間，用于取代ET。TDB是以太陽系質(zhì)心為參考系，TDT是以地球質(zhì)心為參考系，TDT又成為TT。目前最先進(jìn)的行星和月球歷表以TDB為時(shí)間函數(shù)，衛(wèi)星和測地的資料處理也常用TT。第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.4航天中的時(shí)間原子時(shí)（TAI）：以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準(zhǔn)的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。原子時(shí)的初始?xì)v元規(guī)定為1958年1月1日世界時(shí)0時(shí)，秒長定義為銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級間在零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。這是一種均勻的時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。時(shí)間協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）：以原子時(shí)秒長為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡量接近于世界時(shí)（UT1）的一種時(shí)間計(jì)量系統(tǒng)。為確保UTC與UT1相差不會(huì)超過0.9秒，在有需要的情況下會(huì)在協(xié)調(diào)世界時(shí)內(nèi)加上正或負(fù)閏秒。因此協(xié)調(diào)世界時(shí)與國際原子時(shí)之間會(huì)出現(xiàn)若干整數(shù)秒的差別。第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五1.5時(shí)間的相互轉(zhuǎn)換一般已知UTCUT1=UTC+△UT1（由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的公報(bào)A查詢）TAI=UTC+△AT（由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的公報(bào)C查詢）TT=TAI+32.184sTDB=TT+0.001658sin(M)+0.00001385sin(2M)M=357.5277233°+35999.05034*TT第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五授課內(nèi)容時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.1坐標(biāo)系的定義第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系—地心慣性坐標(biāo)系（ECI）主要用途：軌道分析，天文學(xué)，慣性運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)：地心（航天器）基準(zhǔn)平面：赤道，ｚ軸為基準(zhǔn)平面的法線主軸ｘ：指向春分點(diǎn)第三軸y：由右手定則確定是慣性坐標(biāo)系嗎？第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系—慣性坐標(biāo)系解決辦法選取一個(gè)指定的時(shí)間點(diǎn)作為參考，及標(biāo)準(zhǔn)歷元所以實(shí)用的地心慣性坐標(biāo)系都是與參考?xì)v元有關(guān)的航天領(lǐng)域常用的地心慣性坐標(biāo)系J2000地心慣性坐標(biāo)系（以2000年1月1日12時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)歷元）第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系—地球固連坐標(biāo)系（ECF）主要用途：地理位置確定，衛(wèi)星視在運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)：地心基準(zhǔn)平面：協(xié)議赤道，ｚ軸為協(xié)議地極主軸ｘ：地心指向經(jīng)度零點(diǎn)的單位矢量第三軸y：由右手定則確定國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)決定以1900年到1905年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的協(xié)議地極第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系—航天器本體坐標(biāo)系主要用途：航天器儀器的定位與定向，姿態(tài)運(yùn)動(dòng)

原點(diǎn)：目標(biāo)航天器的質(zhì)心基準(zhǔn)平面：航天器的縱對稱面，ｚ軸為基準(zhǔn)平面的法線主軸ｘ：沿飛行器縱軸，指向頭部的單位矢量第三軸ｙ：由右手定則確定第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系—RIC坐標(biāo)系主要用途：地球觀測，航天器相對運(yùn)動(dòng)原點(diǎn)：航天器的質(zhì)心基準(zhǔn)平面：軌道面，z軸為軌道面的角動(dòng)量方向主軸x：航天器質(zhì)心指向地心的單位矢量第三軸y：由右手定則確定第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換1、J2000（ECI）到地球固定坐標(biāo)系（ECF）P歲差修正矩陣，修正后的坐標(biāo)系稱為歷元平坐標(biāo)系N章動(dòng)修正矩陣，修正后的坐標(biāo)系稱為歷元真坐標(biāo)系S地球旋轉(zhuǎn)修正矩陣，修正后的坐標(biāo)系稱為歷元真地固坐標(biāo)系W地球極移修正矩陣，修正后的坐標(biāo)系稱為協(xié)議地固坐標(biāo)系第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換P歲差修正矩陣（國際天文聯(lián)合會(huì)IAU1976歲差理論）ζ=2306.2181t+0.30188t^2+0.017998t^3（單位角秒）?=2004.3109t?0.42665t^2?0.041833t^3（單位角秒）z=2306.2181t+1.09468t^2+0.018203t^3（單位角秒）第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換N章動(dòng)修正矩陣（國際天文聯(lián)合會(huì)IAU1980章動(dòng)理論）第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換S地球旋轉(zhuǎn)修正矩陣第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換W地球極移修正矩陣協(xié)議地固坐標(biāo)系J2000坐標(biāo)系歷元平坐標(biāo)系歷元真坐標(biāo)系歷元真地固坐標(biāo)系歲差章動(dòng)恒星時(shí)角極移總結(jié)：J2000到協(xié)議地固坐標(biāo)系第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換問題：速度矢量如何轉(zhuǎn)換？或/IERS/EN/Home/home_node.html國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)有最新的模型文檔和程序第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換2、J2000（ECI）到衛(wèi)星本體坐標(biāo)系3、J2000（ECI）到衛(wèi)星RIC坐標(biāo)系第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選擇的重要性近地軌道航天器陰影分析

問題：航天器運(yùn)行在軌道高度1000km，傾角32°的近圓軌道，求其任一天陰影區(qū)的比例（蝕區(qū)因子），同時(shí)也確定一年中蝕區(qū)的最大值與最小值？你們?nèi)绾谓鉀Q這個(gè)問題？第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選擇的重要性第一種視點(diǎn)第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選擇的重要性第二種視點(diǎn)第36頁，共40頁，2023年，2月20日，星期五2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選擇的重要性第三種視點(diǎn)第3