坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析

第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)

(一)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第1頁(yè)第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)1.地球公轉(zhuǎn)：圍繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)★公轉(zhuǎn)一周周期為一恒星年，為365.256354個(gè)太陽(yáng)日★地球連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)春分點(diǎn)所需時(shí)間為一回歸年，長(zhǎng)度為365.24219個(gè)太陽(yáng)日。遠(yuǎn)日點(diǎn)近日點(diǎn)地球春分點(diǎn)秋分點(diǎn)1）滿足開普勒三大行星定律坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第2頁(yè)①行星運(yùn)行軌道是一個(gè)橢圓，該橢圓一個(gè)焦點(diǎn)與太陽(yáng)質(zhì)心相重合②行星質(zhì)心與太陽(yáng)質(zhì)心間距離向量，在相同時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)面積相等③行星運(yùn)動(dòng)周期平方與軌道橢圓長(zhǎng)半徑立方之比為一常量第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第3頁(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第4頁(yè)：以地球質(zhì)心為中心以無(wú)窮大為半徑假想球體。①天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸延伸直線為天軸；天軸與天球交點(diǎn)稱為天極(為北天極，為南天極)。②天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過(guò)地球質(zhì)心O與天軸垂直平面，稱為天球赤道面．它與天球相交大圓，稱為天球赤道。③天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過(guò)地球上任一點(diǎn)平面，稱為天球子午面，它與天球相交大圓，稱為天球子午圈。④時(shí)圈：經(jīng)過(guò)天球平面與天球相交半個(gè)大圓。第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)2)天球坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第5頁(yè):地球公轉(zhuǎn)軌道面與天球相交大圓，黃道面與赤道面夾角，稱為黃赤交角，約為。:當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球剛北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道交點(diǎn)r。：太陽(yáng)公轉(zhuǎn)軌道，是一橢圓，稱為黃道。但因?yàn)槠渌乔蛴绊?，使軌道產(chǎn)生攝動(dòng)，并不嚴(yán)格橢圓。4）黃極第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)⑤黃道⑥春分點(diǎn)3）黃道坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第6頁(yè)黃赤交角23°27′黃道天球坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第7頁(yè)2.地球自轉(zhuǎn)：繞其本身旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。周期為二十四小時(shí)。2.1地軸方向相對(duì)于空間改變：因?yàn)槿赵碌忍祗w影響及地球本身不規(guī)則，地球自轉(zhuǎn)軸方向是不停改變。1）歲差：在日月引力和其它天體引力對(duì)地球隆起部分作用下，地球在繞太陽(yáng)運(yùn)行時(shí)，自轉(zhuǎn)軸方向不再保持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生遲緩西移，這種現(xiàn)象在天文學(xué)中稱為歲差。在歲差影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生遲緩旋轉(zhuǎn)(從北天極上方觀察為順時(shí)針?lè)较?，形成一個(gè)倒圓錐體，其錐角等于黃赤交角23°27′。歲差周期約為258。歲差使春分點(diǎn)每年西移50.3″。第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第8頁(yè)歲差坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第9頁(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第10頁(yè)2）章動(dòng)：在日月引力等原因影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長(zhǎng)半徑約為9.2″，周期約為18.6年。這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第11頁(yè)真赤道:某一時(shí)刻赤道.(因?yàn)闅q差和章動(dòng)影響,每一時(shí)刻赤道位置不一樣)平赤道:只有歲差影響時(shí)赤道.黃經(jīng)章動(dòng):章動(dòng)引發(fā)黃經(jīng)改變.即平春分點(diǎn)與真春點(diǎn)角距.交角章動(dòng):章動(dòng)引發(fā)黃赤交角改變.第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第12頁(yè)2.2地軸對(duì)于地球本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)位置改變（極移）

1.極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)位置改變，從而造成極點(diǎn)在地球表面上位置隨時(shí)間而改變，稱為地極移動(dòng)，簡(jiǎn)稱極移。2.瞬時(shí)極：與觀察瞬間相對(duì)應(yīng)自轉(zhuǎn)軸所處位置，稱為該瞬時(shí)地球極軸，對(duì)應(yīng)極點(diǎn)稱為瞬時(shí)極。

3.平極：某段時(shí)間內(nèi)地極平均位置。4.國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO：國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)IAU和國(guó)際大地測(cè)量與物理聯(lián)合會(huì)IUGG采取國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù)站資料，以1900至19地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置平均位置作為地球固定極稱為國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO。也稱協(xié)議地球極CTP。第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第13頁(yè)5.地極坐標(biāo)系：以CIO為原點(diǎn)，零子午線方向?yàn)閄軸，以零子午線以西為了描述90°子午線為y軸。用來(lái)描述極移規(guī)律。任意瞬時(shí)t極點(diǎn)位置可用()表示。6.平春分點(diǎn)：對(duì)應(yīng)于平極春分點(diǎn)。第一節(jié)地球運(yùn)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第14頁(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第15頁(yè)第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)

(1)時(shí)刻：某一時(shí)間點(diǎn)，也就是發(fā)生某一現(xiàn)象瞬間，也稱歷元。

(2)時(shí)間間隔：兩個(gè)時(shí)刻之間時(shí)間差。

(3)時(shí)間系統(tǒng)要素：時(shí)間原點(diǎn)、度量單位（時(shí)間尺度）。

(4)任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)滿足以下要求方可作為計(jì)量時(shí)間方法：

a.運(yùn)動(dòng)是連續(xù)；b.周期有足夠穩(wěn)定性；c.運(yùn)動(dòng)可觀察；

大地測(cè)量學(xué)研究對(duì)象是隨時(shí)間改變，大地測(cè)量觀察量與時(shí)間親密相關(guān)、在衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是描述衛(wèi)星運(yùn)行位置主要基準(zhǔn)。坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第16頁(yè)在實(shí)際應(yīng)用中，依據(jù)需要選取滿足上述條件周期運(yùn)動(dòng)，從而定義了各種時(shí)間系統(tǒng)。比如：（1）以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，建立了恒星時(shí)(ST)和世界時(shí)(UT)；（2）以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，建立了歷書時(shí)(ET)，并深入發(fā)展為太陽(yáng)系質(zhì)心力課時(shí)(TDB)和地球質(zhì)心力課時(shí)(TDT)；（3）以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)，建立了原子時(shí)(TAI)。第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第17頁(yè)1.恒星時(shí)（ST）定義：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它周日視運(yùn)動(dòng)所確定時(shí)間稱為恒星時(shí)。計(jì)量時(shí)間單位：恒星日、恒星時(shí)、恒星分、恒星秒；（1）恒星日：春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈上中天時(shí)間間隔。一恒星日=24恒星時(shí)=1440恒星分=86400恒星秒（2）分類：真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。真恒星時(shí)等于真春分點(diǎn)地方時(shí)角(LAST)，平恒星時(shí)等于平春分點(diǎn)地方時(shí)角(LMST)（3）某一地點(diǎn)恒星時(shí)：在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于這一地方子午圈時(shí)角。第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第18頁(yè)(4)真春分點(diǎn)格林尼治時(shí)角(GAST)、平春分點(diǎn)格林尼治時(shí)角(GMST)與LAST、LMST關(guān)系：其中，Δψ為黃經(jīng)章動(dòng)，ε黃赤交角第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第19頁(yè)2.平太陽(yáng)時(shí)（MT）（1）真太陽(yáng)時(shí):以真太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它周日視運(yùn)動(dòng)所確定時(shí)間；（2）平太陽(yáng):因?yàn)檎嫣?yáng)視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻，因而真太陽(yáng)時(shí)不是均勻時(shí)間尺度。為此引入虛擬在赤道上勻速運(yùn)行平太陽(yáng)，其速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)平均速度。（3）平太陽(yáng)時(shí):以平太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它周日視運(yùn)動(dòng)所確定時(shí)間。（4）計(jì)量時(shí)間單位：平太陽(yáng)日、平太陽(yáng)小時(shí)、平太陽(yáng)分、平太陽(yáng)秒；第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第20頁(yè)（5）平太陽(yáng)日:平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈時(shí)間間隔.

一回歸年=365.24219879平太陽(yáng)日一平太陽(yáng)日=24平太陽(yáng)小時(shí)=1440平太陽(yáng)分=86400平太陽(yáng)秒。平太陽(yáng)時(shí)與日常生活中使用時(shí)間系統(tǒng)是一致，通常鐘表所指示時(shí)刻正是平太陽(yáng)時(shí)。3.世界時(shí)UT

（1）定義：以平子午夜為零時(shí)起算格林尼治平太陽(yáng)時(shí)定義為世界時(shí)UT。第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第21頁(yè)UT0:未經(jīng)任何更正世界時(shí)UT1:經(jīng)過(guò)極移更正世界時(shí)UT2:在UT1基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性更正世界時(shí)第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第22頁(yè)4.原子時(shí)（AT）（1）原子時(shí)：是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)特征為基礎(chǔ)建立時(shí)間系統(tǒng)。（2）原子時(shí)尺度標(biāo)準(zhǔn)：(在海平面實(shí)現(xiàn)原子秒)國(guó)際制秒（SI）。（3）原子秒：在零磁場(chǎng)下，銫-133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射9192631770周所連續(xù)時(shí)間。（4）國(guó)際原子時(shí)（TAI）：起點(diǎn)定在1958年1月1日0時(shí)0分0秒（UT2）即要求在這一瞬間原子時(shí)時(shí)刻與世界時(shí)刻重合。但事后發(fā)覺(jué)，在該瞬間TAI與世界時(shí)時(shí)刻之差為

0.0039秒。國(guó)際原子時(shí)(TAI)原點(diǎn)由下式確定：AT=UT2-0.0039(s)第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第23頁(yè)5.協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC（1）協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC:因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)速度有變慢趨勢(shì)，為了防止世界時(shí)和原子時(shí)產(chǎn)生過(guò)大偏差而采取一個(gè)以原子時(shí)秒長(zhǎng)為基礎(chǔ)，在時(shí)刻上盡可能靠近世界時(shí)一個(gè)折衷時(shí)間系統(tǒng)。當(dāng)二者之差超出±0.9秒時(shí)，便在協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC加入一閏秒。閏秒一般在12月31日或6月30日加入。協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC秒長(zhǎng)與原子時(shí)秒長(zhǎng)一致。（2）協(xié)調(diào)時(shí)與國(guó)際原子時(shí)之間關(guān)系，以下式所表示：

TAI=UTC+1s×n

式中n為調(diào)整參數(shù)第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第24頁(yè)6.GPS時(shí)間系統(tǒng)GPST（1）定義：基于美國(guó)海軍觀察試驗(yàn)室維持原子時(shí)時(shí)間系統(tǒng)。GPST屬于原子時(shí)系統(tǒng)，它秒長(zhǎng)即為原子時(shí)秒長(zhǎng)，GPST原點(diǎn)與國(guó)際原子時(shí)TAI相差19s。相關(guān)系式：TAI-GPST=19（s）在1980年1月6日，GPST與UTC相等，它們關(guān)系為：GPST=UTC+n(13秒（）)（2）GPS時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)關(guān)系見圖所表示：第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第25頁(yè)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第26頁(yè)7.歷書時(shí)(ET)與力課時(shí)(DT)（1）歷書時(shí)(ET)：以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng).起始?xì)v元為191月1日12時(shí).秒長(zhǎng)為191月1日12時(shí)整回歸年長(zhǎng)度1/31556925.9747.（2）力課時(shí)(DT):天體運(yùn)動(dòng)力學(xué)理論建立運(yùn)動(dòng)方程所采取時(shí)間參數(shù).（3）太陽(yáng)系質(zhì)心力課時(shí)(TDB):相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程所采取時(shí)間參數(shù).（4）地球質(zhì)心力課時(shí)(TDT):相對(duì)于地心系運(yùn)動(dòng)方程所采取時(shí)間參數(shù).第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第27頁(yè)力課時(shí)(DT)所采取基本單位是國(guó)際制秒(SI),與原子時(shí)尺度一致.第二節(jié)時(shí)間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第28頁(yè)第三節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)1.基本概念1）大地基準(zhǔn)(GeodeticDatum):用來(lái)代表地球形體旋轉(zhuǎn)橢球，建立大地基準(zhǔn)就是求定旋轉(zhuǎn)橢球參數(shù)及其定向和定位，即地球橢球。a)橢球參數(shù):長(zhǎng)半徑和扁率b)橢球定向:橢球旋轉(zhuǎn)軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸,橢球起始子午面平行于地球起始子午面.c)橢球定位:確定橢球中心與地球中心相對(duì)位置.坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第29頁(yè)2)天球：以地球質(zhì)心為中心以無(wú)窮大為半徑假想球體。①天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸延伸直線為天軸；天軸與天球交點(diǎn)稱為天極(為北天極，為南天極)。②天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過(guò)地球質(zhì)心O與天軸垂直平面，稱為天球赤道面．它與天球相交大圓，稱為天球赤道。③天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過(guò)地球上任一點(diǎn)平面，稱為天球子午面，它與天球相交大圓，稱為天球子午圈。④時(shí)圈：經(jīng)過(guò)天球平面與天球相交半個(gè)大圓。⑤黃道：地球公轉(zhuǎn)軌道面與天球相交大圓，黃道面與赤道面夾角，稱為黃赤交角，約為。⑥春分點(diǎn)：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球剛北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道交點(diǎn)r。第三節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第30頁(yè)黃赤交角23°27′天球坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第31頁(yè)3）大地測(cè)量參考系統(tǒng)（GeodeticReferenceSystem）①坐標(biāo)參考系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系點(diǎn)坐標(biāo)可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示。XYZoP春分點(diǎn)黃道天球赤道天球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系XYZoP地球赤道首子午線LBB地球坐標(biāo)系：用于研究地球上物體定位與運(yùn)動(dòng)，是以旋轉(zhuǎn)橢球?yàn)閰⒖俭w建立坐標(biāo)系統(tǒng)，分為大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種形式.天球坐標(biāo)系:用于研究天體和人造衛(wèi)星定位與運(yùn)動(dòng)。第三節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第32頁(yè)②高程參考系統(tǒng):正高:以大地水準(zhǔn)面為參考面PH正HN正常高:以似大地水準(zhǔn)為參考面第三節(jié)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)分析第33頁(yè)③重力參考系統(tǒng)：重力觀察參考系統(tǒng)。4）大地測(cè)量參考框架(GeodeticReferenceFrame)①坐標(biāo)參考框架：詳細(xì)實(shí)現(xiàn)：國(guó)家平面控制網(wǎng)，GPS網(wǎng)②高程參考框架: