空間大地測量學2-時間系統(tǒng)

1、1/101,1/95,空間大地測量學 第二章、時間系統(tǒng),2/101,第2章的作業(yè),題目 時間系統(tǒng)轉換軟件SOFA的應用及研究（IERS網(wǎng)站） 形式：報告或論文 報告包括（65）： 研究現(xiàn)狀論述 存在的問題及影響 論文在報告的基礎上，還包括（15）： 解決方法、公式推導、軟件設計等 實驗、計算、結果分析 結論及展望 參考文獻（10） 對這次研究的自我評價（10）。,3/101,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,4/

2、101,2.1 相關的預備知識,空間大地測量的兩個基準 時間和空間是物質存在的基本形式（時空基準）； 在空間大地測量中，描述物體的位置需要兩個基準： 空間基準：坐標系統(tǒng) 時間基準：時間系統(tǒng),5/101,2.1 相關的預備知識,2.1.1時間的基本概念：時刻和時段之分 1）時刻： 概念 某一事件的發(fā)生時間，是絕對時間，是一種特殊的時間間隔（起算于某一個約定的起點時刻)。觀測時刻稱為歷元。 研究意義 空間大地測量中，由于空間信標（如GPS衛(wèi)星）以3.9km/s的速度圍繞地球運動，每時每刻衛(wèi)星的位置不同，觀測站對衛(wèi)星的觀測值也不同。 要使定軌精度0.01米，則觀測時刻精度2.6*10-6秒。,6/1

3、01,2.1.1 時間的基本概念（續(xù)）,2）時段 概念 事物在兩種狀態(tài)之間經(jīng)歷的時間歷程（起點時刻隨機的時間段）。 研究意義 測站對衛(wèi)星距離的測量精度與時間的測量精度相關性很強。 偽距測量通過衛(wèi)星信號從衛(wèi)星到測站的傳播時間來計算。要距離誤差0.1米，則時間精度3*10e-10秒。,7/101,2.1.1 時間的基本概念（續(xù)）,1）時間（測量的）基準 時間測量所需要的公共標準：時間的起算基準和尺度基準一起決定事件發(fā)生的時刻： 時間的起算基準 時間系統(tǒng)的起算時刻； 時間的尺度基準 尺度基準：時間長度（秒）的計量方法，確定兩事件之間的時間間隔，也就是決定時段。,8/101,1）時間基準（續(xù)）,（1）

4、時間測量基準所依靠的運動條件： 運動是連續(xù)、周期性的 運動周期充分穩(wěn)定 運動周期必須具有復現(xiàn)性 沙漏 游絲擺輪的擺動 石英晶體的振蕩 原子諧波振蕩,9/101,1）時間基準（續(xù)）,（2）主要時間基準及其依賴的運動: 地球自轉-是建立世界時基準的基礎。,10/101,（2）主要時間基準及其依賴的運動 行星繞太陽的公轉運動（開普勒運動）-建立力學時基準的基礎。,1）時間基準（續(xù)）,11/101,（2）主要時間基準及其依賴的運動（續(xù)） 原子諧波振蕩-建立原子時基準。,1）時間基準（續(xù)）,12/101,（2）主要時間基準及其依賴的運動（續(xù)） 脈沖星發(fā)射周期性脈沖信號-建立脈沖星時的基準。,1）時間基準

5、（續(xù)）,13/101,13/95,1）時間基準（續(xù)）,時間的基本單位為國際單位制秒（s)； 其他單位為派生的： 時h、分m; 毫秒ms、微秒s、納秒ns和皮秒ps 1(s)=10e3(ms)=10e6(s)=10e9(ns)=10e12(ps),14/101,14/95,2）守時系統(tǒng),定義 被用來建立和維持時間頻率基準，確定任一時刻的時間的系統(tǒng)（時鐘）。 方法 通過時間頻率測量和比對技術來評價和維持該系統(tǒng)的不同時鐘的穩(wěn)定度和準確度； 并據(jù)此給與不同的權重； 以便用多臺鐘來共同建立和維持時間系統(tǒng)的框架。,15/101,15/95,*2.1.3時鐘的主要技術指標,評價時鐘性能的主要技術指標 頻率準

6、確度 振蕩器所產(chǎn)生的實際振蕩頻率f 與其理論值f0 (標準值) 之間的相對偏差，即 a=(f-f0)/f0：稱為頻率準確度 頻率準確度與時間之間具有下列關系式： a=df/f0=-dT/T，也就是 dT=-aT 。 頻率漂移率(頻漂,或老化率 ) 頻率準確度在單位時間內(nèi)的變化量稱為頻率漂移率，簡稱頻漂，N次采樣。 頻率穩(wěn)定度 頻標在一定的時間間隔內(nèi)所輸出的平均頻率的隨機變化程度 1次采樣，m次采樣。,16/101,16/95,3）授時,目的（作用或過程） 通過授時設施向用戶傳遞準確的時間信息和頻率信息。 服務用戶 不同用戶有著不同的精度和方便程度需要，為此建立了不同的傳遞精度、和不同方便程度授

7、時方法，滿足他們需求： 電話、網(wǎng)絡、無線電、專用長波和短波電臺，電視、衛(wèi)星等 授時單位和機構 國際計量局(BIPM)的時間部(提供國際原子時和協(xié)議世界時)； 美國海軍天文臺(提供GPS時) ； 我國時間服務由國家授時中心(NTSC)提供；,17/101,17/95,2.1.2天球的基本概念,0）背景 確定時間測量的起點、線、面； 1）概念 天球是一個參考球體，是以地心M為球心，以任意長r為半徑的圓球。 天文學中將天體投影到天球面，用球面坐標來表示天體的位置。,18/101,18/95,2）天球的重要點、線、面,（1）天球的天極 地球自轉軸的延伸線叫天軸，天軸與天球的交點稱天極；分為： 北天極P

8、N 南天極PS。 （2）天球赤道 經(jīng)過地球質心與天軸垂直的平面叫天球赤道面。 天球赤道面與天球的交線叫天球赤道。是天球上一個大圓。,19/101,19/95,2）天球的重要點、線、面,（3）天球子午面與子午圈： 天球上任一點與天軸形成的平面叫天球子午面。 天球子午面與天球面的交線叫天球子午圈，是一個大圓。 （4）時圈（上子午圈） 天球子午圈被天軸分成兩個半圈； 天球上任一點所在的半圈稱為時圈（上子午圈）。,20/101,20/95,2）天球的重要點、線、面,（5）黃道 地球繞日公轉的軌道平面與天球的交線稱為黃道。 在地球上觀測太陽時，太陽在黃道上進行視運動。 黃道平面與赤道平面的夾角稱為黃赤交

9、角 ，大約為23.5。 （6）黃極 過天球中心垂直于黃道平面的直線叫黃軸。 該線與天球面的交點叫黃極。分為北黃極N 、南黃極S。,21/101,21/95,（7）春分點、秋分點 黃道和赤道的交點稱為春分點和秋分點。 其中太陽從天球南半球穿越赤道進入北半球時的交點稱為春分點。 太陽從天球北半球穿越赤道進入南半球時的交點稱為秋分點。 春分點、北天極、天球赤道面等是建立恒星時和天球坐標系的主要基準點和基準面。,2）天球的重要點、線、面,22/101,22/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相

10、對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,23/101,23/95,2.2 恒星時和太陽時,1）恒星時和太陽時 以地球自轉作為時間基準的時間系統(tǒng)。 2）計量方法 天體相對于地面觀測者的視運動 天體的自行運動 自傳 公轉 天體的視運動 在地球（或運動天體）上所觀察到的其他天體的相對于地球（或運動天體）的運動。,24/101,24/95,2.2 恒星時和太陽時,3）以地球自轉作為基準的時間系統(tǒng)分類 恒星時:春分點的視運動; 太陽時:太陽的視運動;,25/101,25/95,2.2.1恒星時(Sidereal Time-ST),定義 恒星時以春分點作為參考點，春分

11、點連續(xù)兩次經(jīng)過地方上子午圈的時間間隔為一個恒星日，再均勻分割成小時、分和秒。 特點： 恒星時與地方上子午圈的時間有關，為地方時； 國際上用格林尼治恒星時； 用于衛(wèi)星軌道設計（運行周期），天體赤經(jīng)。,26/101,26/95,2.2.1恒星時(續(xù)),分類：由于地球自轉軸在空間方向的不斷變化。 春分點分為 真春分點，平春分點 恒星時分為 真恒星時:Local apparent sidereal time (LAST) 平恒星時: (LMST) 轉換參數(shù)： 黃經(jīng)章動：；黃赤交角：0+ 來源：IERS給出,測量,27/101,27/95,2.2.2 太陽時,以地球自轉為基礎，以太陽中心為參考點的時間系

12、統(tǒng)。 大小相當于太陽中心相對于本地子午圈的時角。 真太陽時是不均勻的 地球圍繞太陽的軌道為橢圓,近地點角速度大遠地點角速度小; 黃道在赤道上的投影是不均勻的。,（1）真太陽時 太陽中心連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上子午圈的時間間隔稱為一個真太陽日；再均勻分割為小時、分和秒。,28/101,28/95,2.2.2太陽時（續(xù)）,(2)平太陽時 特點：由于真太陽時的缺陷，建立了以平太陽視運動為基準的平太陽時。 平太陽 建立假太陽，其周年視運動軌跡位于赤道平面，而不是黃道平面。 它在赤道上的運動角速度為恒定的，等于真太陽的平均角速度。假太陽稱為平太陽。,29/101,29/95,2.2.2 太陽時（續(xù)）,(2)

13、平太陽時（續(xù)） 定義：以地球自轉為基礎，以平太陽中心作為參考點所建立的時間系統(tǒng)稱為平太陽時。 平太陽時m與真太陽時t的換算公式： = t-m, 可在天文年歷中查取。 一年中，其數(shù)值在 -14m24s至+16m21s間變化。,30/101,30/95,2.2.2太陽時（續(xù)）,（3）民用時 平太陽時的起點為平正午，在同一白天。如果上午為10月17日，下午便是10月18日，不便使用。 將平太陽時的起始點從平正午移到平子夜的平太陽時，稱為民用時mc。 與平太陽時m換算關系為： mc=m+12h 全世界各地方的平正午或平子夜時間是不同的，各地方的民用時也不同。,31/101,31/95,（4）世界時UT

14、（Universal Time),定義 將格林尼治零子午線處的民用時稱為世界時。 1884年在華盛頓召開的國際子午線會議決定,將全球分為24個標準時區(qū)。 從格林尼治零子午線起，向東西各7.5為0時區(qū)； 然后向東每隔15 為一個時區(qū)，分別記為1、2、3、23時區(qū)。,32/101,32/95,（4）世界時UT(續(xù)),問題 世界時以地球自轉為基礎。 地球自轉軸在地球的內(nèi)部的位置在變化，即極移現(xiàn)象。 地球自轉速度不均勻。,33/101,33/95,（4）世界時UT (續(xù)),彌補 1956年起對世界時UT中引入了極移改正和地球自轉速度的季節(jié)性改正Ts。 UT1=UT0(未改正的世界時）+ 現(xiàn)有改正模型：

15、 =1/15（xpsin -ypcos )tg, 為觀測點的天文經(jīng)緯度。 極移參數(shù)（xp，yp） ：IERS給出，或測量研究計算； UT2=UT1+Ts 現(xiàn)有模型Ts =0.022sin2t-0.012cos2t-0.006sin4t+0.007cos4t UT2含有地球自轉速度的長周期變化與不規(guī)則變化項； 不理想：缺乏新的研究（模型，算法）。,34/101,34/95,（4）世界時UT (續(xù)),世界時的應用與缺陷 廣泛應用于天文學和人們?nèi)粘Ｉ睿?但因為不均勻，無法應用與高科技、高精度的領域。 結論 世界時不再嚴格滿足建立時間系統(tǒng)的基本條件。 隨著人類科技的發(fā)展，需要建立更為精準的時間基準。

16、,35/101,35/95,（4）世界時UT (續(xù)),世界時與恒星時的大小關系 由于地球自轉的同時也在繞太陽公轉： 太陽日恒星日,36/101,36/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,37/101,37/95,2.3歷書時（ET),1）力學時系統(tǒng)( Dynamic Time-DT)（09-24） 天文學中，天體的星歷是根據(jù)天體力學中的運動方程編算得，這些方程中，時間T是一個獨立的變量，該時間定義為力學時。

17、以行星繞日公轉為基礎 力學時的分類 歷書時（ET) 地球動力學時（TDT) 太陽系質心力學時（TDB),38/101,38/95,2）歷書時（ET),定義 為了避免世界時的不均勻性，1960年起引入了一種以地球繞日公轉周期為基礎的均勻時間系統(tǒng)，稱為歷書時。 是一種以牛頓天體力學定律來確定的均勻時間系統(tǒng)，又稱牛頓時。 尺度：歷書時的秒長 地球繞日公轉時兩次通過春分點的時間間隔為1回歸年； 秒長為1980年1月0.5日所對應的回歸年長度的1/31556925.9747。 起點 以1900年1月0日世界時12h作為歷書時1900年1月0日12h。,39/101,39/95,2）歷書時（ET),歷書時

18、的測量 而事實上以觀測月球繞地球的軌道周期為基礎。 將觀測得到的天體位置與用歷書時計算得到的天體歷表比較，就能內(nèi)插出觀測瞬間的歷書時 ； 20世紀50年代以來，先后對布朗的月球星歷作出三次修改。對應于這三個版本的月球星歷所求得的歷書時分別稱為ET1、ET2、ET3。,40/101,40/95,2）歷書時（ET),缺陷 太陽、月球、行星歷表中的位置與一些天文常數(shù)有關。每修改這些天文常數(shù)一次，導致歷書時的不連續(xù)； 月球的視面積很大，邊緣又很不規(guī)則，很難精確找準其中心的位置，求得歷書時比理論精度要差的多； 長時觀測和處理才能得到準確時間； 星表本身的誤差，同一瞬間觀測月球與觀測行星得出的歷書時ET不

19、相同。 現(xiàn)狀 歷書時只能穩(wěn)定在10e-10級； 1984年起被其他相對論框架下的動力學時(地球動力學時TDT、太陽系質心力學時（TDB)取代。,41/101,41/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,42/101,42/95,2.4 原子時,1、原子時 人們對時間準確度和穩(wěn)定度的要求不斷提高，以地球自轉為基準的恒星時和平太陽時、以行星和月球公轉為基準的歷書時已難以滿足要求（尺度-秒）； 原子能級躍遷時，會發(fā)射

20、或吸收電磁波；電子波頻率很穩(wěn)定，以上現(xiàn)象很容易復現(xiàn)，所以原子可以作為很好的時間基準。20世紀50年代建立了以物質內(nèi)部原子運動為基礎的原子時。,例如，用測距碼進行偽距觀測時，若要求距離誤差小于或等于0.1m，信號傳播時間測量誤差應小于或等于3*10e-10s,43/101,43/95,2.4 原子時(續(xù)),1、原子時AT及秒長和起點 秒長-尺度 1967年10月第十三屆國際計量大會通過如下定義： 位于海平面上的銫133(Cs133)原子基態(tài) 在兩個超精細能級間； 在零磁場中； 躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間； 為1個原子時秒。,44/101,44/95,1.原子時AT及秒長和起點

21、(續(xù)),起點 為了使原子時能夠與世界時相銜接，規(guī)定原子時起算歷元1958年1月1日0h其值與UT2相同，即原子時在起始時刻與UT2重合 。 事實上 (AT-UT2)1958.0=-0.0039s,45/101,45/95,2.4 原子時(續(xù)),2 國際原子時(IAT或TAI) 背景:為了避免每一臺原子鐘因各種誤差影響所造成的時間差異，建立國際統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，國際時間局1977年建立國際原子時(IAT或TAI)。 做法 當時，由全球100臺原子鐘統(tǒng)一求解，穩(wěn)定度達10e-13。 目前，依據(jù)全球58個時間實驗室(截止2006年12月)中大約240臺自由運轉的原子鐘所給出的數(shù)據(jù)，采用ALGOS算法

22、將得到自由原子時EAL，再經(jīng)時間頻率基準鐘進行頻率修正后求得的。,46/101,46/95,2.4 原子時(續(xù)),3、協(xié)調(diào)世界時UTC 世界時的應用比原子鐘更為廣泛，國際天文協(xié)會于20世紀60年代建立協(xié)調(diào)世界時UTC，秒長嚴格等于原子時的秒長。 協(xié)調(diào)世界時與世界時UT間的時刻差規(guī)定需要保持在0.9秒以內(nèi)，否則將采取閏秒的方式進行調(diào)整。,47/101,47/95,2020年7月31日星期五,UTC的產(chǎn)生原因,天文導航、大地天文學等與地球自轉有密切關系，離不開世界時 ;,原子時是一種均勻的時間系統(tǒng)，地球自轉則存在不斷變慢。,國際無線電科學協(xié)會于20世紀60年代建立了協(xié)調(diào)世界時UTC ，并通過閏秒的

23、方式使其與世界時的差距保持在0.9秒以內(nèi)。,3.協(xié)調(diào)世界時,2.4 原子時(續(xù)),48/101,48/95,2020年7月31日星期五,2020年7月31日星期五,2.4 原子時(續(xù)),3.協(xié)調(diào)世界時 閏秒一般發(fā)生在6月30日及12月31日 為了解決頻繁跳秒(目前約每年一次)而導致UTC經(jīng)常性的中斷(不連續(xù))，有人建議： （1）改變UTC與UT2之差的限值 （2）重新定義原子時的秒長 結果和方法：有待研究？,49/101,49/95,3.協(xié)調(diào)世界時,應用 從1979年12月UTC已取代UT1作為無線電通訊中的標準時間。目前許多國家均已采用UTC，并按UTC時間來發(fā)播時號。 需要使用世界時的用戶

24、可根據(jù)UTC和(UT1-UTC)值來間接獲得UT1。,50/101,50/95,2.4 原子時(續(xù)),4、GPS時間（GPST) 原子時； 采用原子時的秒長； 起點為1980年1月6日0h。 GPS時間系統(tǒng)由主控站一組原子鐘維持，而主控站一組原子鐘與美國海軍天文臺保持一致。 GPS時與國際原子時IAT的關系為： IAT-GPST=19s+C0,國際上有專門單位在測定并公布C0值,51/101,51/95,2.4 原子時(續(xù)),5、GLONASS時 原子時; 采用原子時的秒長; 與UTC有3小時的偏差。 跳秒與UTC保持一致。 由于GLONASS時是由該系統(tǒng)自己建立的原子時，故它與由國際計量局B

25、IPM建立和維持的UTC之間(除時差外)還會存在細微的差別C1。 UTC+3h=GLONASS+C1,國際上有專門單位在測定并公布C1值,52/101,52/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,53/101,53/95,2.5 原子鐘,1、概念 根據(jù)原子在能級躍遷時所產(chǎn)生或吸收的電磁波的固有而穩(wěn)定的頻率所制作的時鐘稱為原子鐘。 2、組成 通常由原子頻標、石英晶體振蕩器及伺服電路等部件組成。 3、突出特點 原子

26、鐘是當代第一個基于量子力學原理制作而成的計量器具。 目前精度最好的銫原子噴泉鐘的準確度已達(45)10e-16,54/101,54/95,2.5 原子鐘（續(xù)）,4、高新技術 應用被使得原子鐘的性能指標不斷刷新，精度平均每10年提高一個數(shù)量級。 半導體激光技術 原子的激光冷卻與囚禁技術 離子囚禁技術 相干布居囚禁理論 鎖模飛秒脈沖技術 原子的光晶格囚禁理論和技術 超穩(wěn)窄線寬激光技術,55/101,55/95,2.5 原子鐘（續(xù)）,5、原子鐘的類別 1）基準型原子鐘 基準型原子鐘是在實驗室環(huán)境中運行的(對運行的外部條件有很高要求的)具有自我評價能力的最高精度的時間頻率標準。 基準型的原子鐘在建立和

27、維持一個國家或地區(qū)的時間頻率標準時具有極其重要的作用。中國的基準型原子鐘的穩(wěn)定度已經(jīng)達到5.010-15。,56/101,56/95,2.5 原子鐘（續(xù)）,5、原子鐘的類別（續(xù)） 2）應用型原子鐘 守時型原子鐘 守時型原子鐘是一種在實驗室環(huán)境下運行的、能長期連續(xù)運行的穩(wěn)定可靠的頻標，用于時間記錄和保持。 守時鐘主要是:銫束頻標和氫原子鐘。 我國的授時鐘基本為從美國進口的小銫鐘HP 5071 A和Sigma Tau公司的MHM2010氫原子鐘。,57/101,57/95,5 原子鐘的類別（續(xù)）,2）應用型原子鐘(續(xù)) 星載原子鐘 搭載在衛(wèi)星上的原子鐘，為衛(wèi)星導航定位以及授時服務。 目前星載原子鐘

28、的數(shù)量已達400多臺,58/101,58/95,2.5 原子鐘（續(xù)）,6、原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 銫原子噴泉鐘 精度可達10-1510-16級 離子阱原子鐘 精度可達10-15以上,銫原子噴泉鐘,59/101,59/95,2.5 原子鐘（續(xù)）,6、原子鐘的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 光鐘 光信號的頻率要比目前所用的原子鐘躍遷時所發(fā)出的微波信號的頻率大5個數(shù)量級； 若能以這些頻率十分穩(wěn)定的單色光信號來作為原子鐘的頻率標準形成光鐘，則其精度有望大幅提高； 目前NIST的 光鐘的準確度為1.410-15級,60/101,60/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時

29、2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,61/101,61/95,2.6 脈沖星時,1、脈沖星 是一種快速自轉的中子星； 直徑一般只有1020km，是宇宙中最小的恒星 質量和太陽等恒星相仿。,2、脈沖星具有的極端的物理環(huán)境： 中心密度可達1015g/cm3 表面溫度可達1億度 中心溫度則高達600億度 中心壓力可達1028個大氣壓 磁場強度達108T以上,62/101,62/95,3 脈沖星測時原理,在極端的物理條件下，中子星將從兩極發(fā)射出高能粒子束，同時輻射高能光子，波段從微波、紅外線、可見光、

30、紫外線、X射線、射線 。 由于磁極和自轉軸不重合，輻射射線會周期性掃過天空。如果恰好掃過地球，則可用地面望遠鏡觀測到。,自轉具有極高的穩(wěn)定度 大部分毫秒脈沖星的自轉周期變化率小于10-14s/s; 某些毫秒脈沖星的自轉周期變化率小于10-20 s/s。 這些脈沖星可成為自然界中最好的時鐘。,63/101,63/95,1）繼續(xù)尋找脈沖星。 輻射流量0.3mJy的脈沖星約有20萬50萬個； 若20%的脈沖星輻射束可掃過地球，地球上就能觀測到4萬10萬個； 而當前發(fā)現(xiàn)2千個左右，約20%為毫秒脈沖星，射線脈沖星約140顆 。 當前世界各國正在利用射電望遠鏡和射線探測器等設備大力搜尋新的脈沖星，構建脈

31、沖星時： 自轉周期特別穩(wěn)定； 信號強度大,4 建立脈沖星時所需要的工作,64/101,64/95,4 建立脈沖星時所需要的工作(續(xù)),2）廣泛開展長期的高精度的TOA（Time Of Arrival）計時測量。 目前，國際上有許多射電望遠鏡都在?，F(xiàn)性地測量TOA計時； 各脈沖星的脈沖輪廓互不相同，故成為脈沖星的“身份識別證”; 還可依據(jù)脈沖星的方位識別 ; 目前測定脈沖信號到達時間的技術已較為成熟，最好的測定精度已達70ns.,65/101,65/95,4 建立脈沖星時所需要的工作(續(xù)),3) 為建立統(tǒng)一的脈沖星時創(chuàng)造條件 目標：制定統(tǒng)一的規(guī)定，組織協(xié)調(diào)各國的工作，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理，提供時間服

32、務； 目前國際計量局BIPM和美國海軍天文臺USNO正在開展這一工作 ； 由于受TOA測定精度的限制，目前脈沖星時的短期穩(wěn)定度還不如原子時; 未來5年內(nèi)，利用全球的脈沖星計時觀測陣列的資料，有望建立一個由10個左右的脈沖星所組成的綜合脈沖星時間基準 。,66/101,66/95,4 建立脈沖星時所需要的工作(續(xù)),3) 創(chuàng)造條件（續(xù)） 國際計劃 在實施的SKA（Square Kilometre Array ）計劃(建造有效接收面積1KM2的射電望遠鏡)的目的之一就是搜尋更多的脈沖星并進行計時測量。 SKA可以觀測幾百顆毫秒脈沖星。,67/101,67/95,3) 創(chuàng)造條件（續(xù)）,我國計劃 烏魯

33、木齊天文臺用口徑為25m的射電望遠鏡觀測脈沖星，對數(shù)十顆脈沖星 觀測； 正在貴州山區(qū)建造口徑為500m的射電望遠鏡(FAST) 。 口徑大、頻譜寬、靈敏度高，天區(qū)覆蓋可達70%。 建成后必將大大增強我國巡天觀測脈沖星的能力； 脈沖星的計時觀測精度有望提高到 30ns,烏魯木齊,FAST,68/101,68/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,69/101,69/95,2.7 相對論框架下的時間系統(tǒng),背景 ET

34、除了在2.5節(jié)中所講的那些缺點外，還存在一個根本性的問題，即它是建立在牛頓力學的基礎之上的，隨著觀測技術和計時精度的不斷改善，這種經(jīng)典理論與觀測結果之間的矛盾就開始顯現(xiàn)。 為此1976年第16屆IAU大會作出決議，正式在天文學領域中引進了相對論時間尺度，給出了地球動力學時TDT和太陽系之心動力學時TDB的具體定義。,1991年召開的第21屆IAU大會上又決定將其改稱為地球時TT。,70/101,70/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義,（1）地球動力學時(Temps Dynamigue Terrestre，TDT)概念 TDT是用于解算圍繞地球質心旋轉的天體(如人造衛(wèi)星)的運動方程，編算

35、其星歷時所用的一種時間系統(tǒng)。 TDT以原子時的秒為基本單位秒，所以為均勻時間系統(tǒng)。 TDT和國際原子時IAT的關系式為：TDT=TAI+32.184s 應用： 在歷表中，作為時間引數(shù)給出天體在地心坐標系中的位置。 用作計算天體在地心坐標系中位置的時間變量。,71/101,71/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義(續(xù)),（2）太陽系質心力學時（TDB) 概念：是一種用以解算坐標原點位于太陽系質心的運動方程(如行星運動方程)并編制其星表時所用的時間系統(tǒng)，簡稱為質心動力學時。 與TDT的差別源于相對論效應： TDB=TDT+1.65810-3(M+0.0167sinM)+2.07310-5 s

36、inL-2.0310-6cossin(UTC-) -sin M為太陽的平近點角： M=(357.528+35999.050T)2/3600 L為太陽黃經(jīng)與木星黃經(jīng)之差： L=(323.870+32946.472T)2/3600 、 為鐘所在地點的天文經(jīng)緯度，T為1900年1月0.5日期算得儒略開紀數(shù)。,72/101,72/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義(續(xù)),（2）太陽系質心力學時（TDB) 應用： 月球、太陽、行星的歷表中作為時間變量。 作為時間變量用在歲差、章動的計算公式中。 引入TDT和TDB以后，就不斷有人提出異議：,(1)對動力學一詞應如何解釋 (2)周期項和長期項之間難以

37、嚴格區(qū)分 (3)為了去掉TDB與TDT間的長期項，就需要人為地在地心系與太陽質心坐標系之間引入一個尺度比。某些天文常數(shù)就將取決于坐標系 (4)會使某些概念變得含混不清,73/101,73/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義(續(xù)),（2）太陽系質心力學時（TDB) (續(xù)) 結論 1991年在第21屆IAU大會上又決定引入地心坐標時TCG和太陽系質心坐標時TCB。,74/101,74/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義(續(xù)),（3）地心坐標時(TCG) TCG是原點位于地心的天球坐標系中所使用的第四維坐標時間坐標。 它是把TDT從大地水準面上通過相對論轉換到地心時的類時變量。,75/1

38、01,75/95,1)相對論框架下幾種時間系統(tǒng)的定義(續(xù)),（4）質心坐標時(TCB) TCB是太陽系質心天球坐標系中的第四維坐標。 應用： 是計算行星繞日運動方程中的時間變量。 是編制行星星表時的獨立變量。,76/101,76/95,2.7相對論框架下的時間系統(tǒng),前述各種時間系統(tǒng)間關系 TDT與TCG間的關系 TDT采用的是國際原子時TAI的秒長，是在標準的原子鐘受到下列相對論效應影響來定義的： 在大地水準面上的地球引力位而產(chǎn)生的廣義相對論效應t1 ； 在地球上的太陽及其他行星的引力位而產(chǎn)生的廣義相對論效應t2 ； 由于地球繞日公轉的運動速度 而產(chǎn)生的狹義相對論效應t3 ； TCG和TDT的

39、差異僅在于TCG不含有t1項。,77/101,77/95,2.7相對論框架下的時間系統(tǒng),上述各種時間系統(tǒng)間的轉換關系 TCB和TCG間的轉換關系 TCB是用于討論行星繞日公轉的運動規(guī)律、編制行星星歷時所用的一種時間系統(tǒng)，該系統(tǒng)不含有 t2 和t3 項。 TDT與TDB之間的轉換關系 IAU規(guī)定這兩種時間系統(tǒng)間只允許存在周期項。 它們之間只允許在不同時刻存在微小的周期性的差異，但在一個周期內(nèi)兩系統(tǒng)的“平均鐘速”是相同的。 轉換方法為：TT轉換到TCG ，然后將TCG轉換到TCB ，把長期項去掉，只留下周期項得到TDB。,78/101,78/95,2.7相對論框架下的時間系統(tǒng),前述各種時間系統(tǒng)間的

40、轉換關系,79/101,79/95,第二章、時間系統(tǒng),2.1、相關預備知識 2.2、恒星時和太陽時 2.3、歷書時 2.4、原子時 2.5、原子鐘 2.6、脈沖星時 2.7、相對論框架下的時間系統(tǒng) 2.8、時間傳遞 2.9、空間大地測量中的常用計時方法,80/101,80/95,1）緒論 每臺鐘都有誤差，具有不同的頻率準確度和漂移率，因而同一瞬間由不同的鐘所給出的時間是不相同的。 如：在GPS定位中，接收機鐘與星載鐘的不同步會引起巨大的定位誤差。 時間傳遞無論是對于時間系統(tǒng)的建立和維持，還是對于時間系統(tǒng)的實際應用都具有重要作用。例如： 建立和維持國際原子時TAI，要把分布在世界各國的的時間中心

41、和時間實驗室中的200多臺原子鐘所確定的時間通過時間傳遞技術統(tǒng)一送往國際計量局BIPM，由他們數(shù)據(jù)處理后來生成TAI。 BIPM建立和維持的UTC或由各時間鐘心建立和維持的局部地區(qū)的UTC()也要傳遞給不同的用戶使用。,2.8 時間傳遞,81/101,81/95,2.8 時間傳遞,2）短波無線電時號 頻率： 3MHz30 MHz 用戶用無線電接收機接收短波無線電時號并與本地鐘進行時間比對后即可求得本地鐘的鐘差。具體的比對方法有 簡單但精度較差：耳目法，停表法； 精度較好：電子計數(shù)器法，時號示波器法； 優(yōu)點：設備簡單，使用方便，覆蓋面大 精度：電離層變化，路徑傳輸時延誤差等因素的影響，只能達到1

42、ns左右,82/101,82/95,2）短波無線電時號（續(xù)）,應用 我國的國家授時中心NTSC也在發(fā)波短波信號BPM。 發(fā)射臺位于陜西省蒲城，發(fā)射頻率為2.5MHz、5.0 MHz、10 MHz、15 MHz，交替在全天發(fā)播。 臺北的短波時號BSF則在世界時發(fā)播 。,83/101,83/95,3）長波無線電時號 低頻段長波無線電時號主要以地面波的形式傳播，衰減小、傳輸穩(wěn)定。經(jīng)比對后，其精度可 1s。 將長波發(fā)射臺組成一個臺鏈，地基無線電導航。 例子： 羅蘭C系統(tǒng) 組成：一個主臺和兩個以上的副臺； 定位原理： 主臺和副臺均按事先規(guī)定的時延依次用同一頻率發(fā)射信號。 流動用戶用接收機測定這些信號到達

43、的時間差后，即可根據(jù)發(fā)射臺的已知站坐標用距離差交會(雙曲交會)的方法來測定自己的位置； 定位精度： 0.20.5海里,2.8 時間傳遞,84/101,84/95,3）長波無線電時號（續(xù)）,應用 70年代初國家授時中心（NTSC）在蒲城建立長波臺。 80年代后期，我國又在南海、東海等沿海地區(qū)建立了長波導航臺鏈，用于導航和長波授時服務。 我國的長波無線電時號BPL在北京時間13h30m21h30m間播發(fā)，頻率為100KHz。 NTSC于1997年建立低頻時碼發(fā)射臺，工作頻率為68.5 KHz。目前蒲城發(fā)播時間為812h，2224h。 此后NTSC又在河南商丘建立了低頻時碼連續(xù)發(fā)射臺，從2007年底

44、開始播發(fā)信號。,85/101,85/95,2.8 時間傳遞,4）電視比對 有源比對 在電視信號的空白段插入時間信號編碼。用戶接收信號并經(jīng)譯碼和比對后即可確定本地鐘的鐘差。 20世紀80年代，NTSC和中國計量科學研究院共同制定了有源電視比對的法規(guī)。在電視垂直消隱期間的空行中插入時頻信號，并在中央1、2、4套節(jié)目中發(fā)播。 時間比對方法： 獨立定時法：授時精度約為0.1ms； 共視法：用戶在UTC時間0h或12h進行衛(wèi)星電視時刻比對后，再根據(jù)“時間頻率公報”上提供的數(shù)據(jù)進行改正，精度為0.1s,86/101,86/95,4）電視比對,無源比對 直接采用電視信號中的某一行同步脈沖來進行時間比對。 由

45、于該行信號是直接由電視臺提供的，精度較差，故時間服務部門還需對該行信號進行監(jiān)測，求得其誤差改正數(shù)并提供給用戶進行修正。 我國選用第6行的同步脈沖來進行時間比對。經(jīng)多次取平均后，無源比對的精度可達1s。,87/101,87/95,5）搬運鐘法 將便攜式原子鐘搬運至A地與鐘A進行比對，然后再將其搬運至B地與鐘B進行比對，從而求出A、B兩臺鐘之間的相對鐘差的方法稱為搬運鐘法。 為了提高精度，一般遵照下述原則進行時間比對： 盡可能縮短兩次比對間的時間間隔，因而搬運工作一般均用飛機來完成，也稱為飛行鐘比對法。 在搬運工程中便攜式原子鐘應處于較好的外界環(huán)境中。 采用往返測的方法對搬運鐘本身的誤差進行改正。

46、 工作量大，費時耗錢，一般僅用于高精度原子鐘間的時間比對。,2.8 時間傳遞,88/101,88/95,6）利用衛(wèi)星進行時間比對 提出 自20世紀中葉以來，利用衛(wèi)星進行長距離高精度的時間比對技術迅速發(fā)展，得到了廣泛的應用，成為一個重要的衛(wèi)星應用領域，利用衛(wèi)星進行時間比對可分下列兩種方法： 衛(wèi)星中繼法 利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行精密授時和時間比對,2.8 時間傳遞,89/101,89/95,6）利用衛(wèi)星進行時間比對（續(xù)）,(1)衛(wèi)星中繼法 衛(wèi)星上無需配備原子鐘，只轉發(fā)來自地面站的時間信號。 單向觀測法 位于站坐標已知的固定點上的用戶對一顆導航衛(wèi)星進行觀測后即可獲得精確的時間信息。 流動用戶對四顆或

47、四顆以上的導航衛(wèi)星進行觀測后也能采用單點定位的模式在確定自己的三維坐標的同時來精確測定衛(wèi)星鐘的改正數(shù)，獲得精確的時間。 衛(wèi)星的坐標誤差，大氣傳播誤差及中繼時間延遲等因素的影響，故精度不是很高，一般為20s左右,90/101,(1)衛(wèi)星中繼法（續(xù)） 共視法： A、B兩站都通過衛(wèi)星獨立地向對方發(fā)射時間信號。兩站均把本地鐘的秒信號作為計數(shù)器的開門信號，把接收到的來自于對方的經(jīng)衛(wèi)星轉發(fā)的信號作為計數(shù)器的關門信號，分別測得時間差eA和eB。 由于雙方所受到的時間傳播延遲誤差的大小相同、符號相反，故用戶和衛(wèi)星的坐標誤差、大氣延遲誤差（對流層延遲，電離層延遲等），以及衛(wèi)星的中繼時延等誤差均可消去，故時間比對

48、精度可大幅提高，一般可優(yōu)于10 ns。,6）利用衛(wèi)星進行時間比對（續(xù)）,91/101,6）利用衛(wèi)星進行時間比對（續(xù)）,(2)利用衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)進行精密授時和時間比對 20世紀50年代后，各種衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)相繼建立，如Transit、GPS、GLONASS等 單向觀測法 授時精度受各種誤差的影響。以GPS為例，在無SA的情況下，授時精度一般只能達到1040 ns左右; 共視法 由于衛(wèi)星星歷誤差和衛(wèi)星鐘差可得以消除，大氣傳播誤差也能大幅消弱，因而精度可大幅提高。 以GPS為例，比對時其精度可達幾個ns或更好。,92/101,92/95,7）電話和計算機授時 NTSC通過專用電話時碼服務，計算機加調(diào)制解調(diào)器的方式和語言授時服務 采用電話時碼服務（02983890342），用戶通過NTSC的電話時碼接收機即可自行獲得標準的北京時的顯示和輸出。 工作可靠，成本低廉，可滿足中等精度的用戶的需求，為地震臺網(wǎng)、水文監(jiān)測、電力、通信、交通管理等行業(yè)提供服務; 精度優(yōu)于1 ms。 計算機加調(diào)制解調(diào)器方式可提供自動的計算機時間服務。電信號碼為02983894117。 用戶計算機通過調(diào)制解調(diào)器與電話線連接后，在指定網(wǎng)站(