時間系統與坐標參照系 授課教師 劉志強單位 河海大學 主要內容 一 地球的運轉 二 時間系統 三 坐標系統 一地球的運轉 1 1天文學基本概念1 2地球繞太陽公轉1 3地球的自轉 1 1天文學基本概念 天球坐標系 北天極 1 1地球繞太陽公轉 天球 以地球質心為中心 半徑為任意長的假想球體 在天文學中 通常均把天體投影到天球的球面上 并利用球面坐標來表達或研究天體的位置及天體之間的關系 黃道 地球公轉的軌道面與天球相交的大圓 即當地球繞太陽公轉時 地球上的觀測者所見到的 太陽在天球上運動的軌跡 黃極 通過天球中心 且垂直于黃道面的直線與天球的交點 其中靠近北天極的交點稱為北黃極 靠近南天極的交點稱為南黃極 春分點 當太陽在黃道上從天球的南半球向北半球運行時 黃道與天球赤道的交點 天球赤道面 通過地球質心且與天軸垂直的平面 天軸 地球自轉軸的延伸線稱為天軸 天極 天軸與天球的交點稱為天極 北天極與南天極 在天文學中和研究衛星運動時 春分點和天球赤道面 是建立參考系的重要基準點和基準面 1 1地球繞太陽公轉 開普勒第一運動定律 地球運行的軌道是一個橢圓 而橢圓的一個焦點與太陽的質心相重合 在開普勒橢圓軌道上 地球離太陽質心最近的點稱為近日點 而離太陽質心最遠的點稱為遠日點 它們在慣性空間中的位置是固定不變的 地球繞太陽運行的軌道面 是一個通過太陽質心的靜止平面 軌道橢圓一般稱開普勒橢圓 其形狀和大小不變 1 1地球繞太陽公轉 開普勒第二運動定律 地球的太陽質心向徑 即地球質心與太陽質心間的距離向量 在相同的時間內所掃過的面積相等 根據能量守恒定理 地球在運動過程中 其位能和動能之和應保持不變 地球在橢圓上的運行速度是不斷變化的 在近日點處速度為最大 而在遠日點處速度為最小 開普勒第三運動定律 地球運行周期的平方 與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量 當開普勒橢圓的長半徑確定后 地球運行的平均角速度便隨之確定 且保持不變 地球繞太陽旋轉一圈的時間是由其軌道的長半軸的大小決定的 稱為一恒星年 1 2地球的自轉 地球在繞太陽公轉的同時 繞其自身的旋轉軸 地軸 自轉 從而形成晝夜變化 地軸是過地球中心和兩極的軸線 在某一時刻的旋轉軸稱為瞬時旋轉軸 它在空間的指向 與地球的相對關系 地球繞地軸的旋轉速度是不斷變化的 具體表現為 歲差和章動 極移 日長變化 地軸方向相對于空間的變化 1 2地球的自轉 地球繞地軸旋轉 可以看做巨大的陀螺旋轉 由于日 月等天體的影響 類似于旋轉陀螺在重力場中的進動 地球旋轉軸在空間圍繞黃極發生緩慢旋轉 形成一個倒圓椎體 這種運動稱為歲差 歲差是地軸方向相對于空間的長周期運動 其錐角等于黃赤交角 23 5 旋轉周期為26000年 并使春分點每年向西移動50 3 地軸方向相對于空間的變化 1 2地球的自轉 月球繞地球旋轉的軌道稱為白道 由于白道相對于黃道有約5 的傾斜 且月球運行的軌道與地球之間距離是不斷變化的 使得月球引力產生的大小和方向不斷變化 從而導致北天極在天球上繞黃極旋轉的軌道不是平滑的小圓 而是類似圓的波浪曲線運動 地球旋轉軸在歲差的基礎上疊加18 6年的短周期運動 振幅為9 21 這種現象稱為章動 在歲差和章動的共同影響下 地球在某一時刻的實際旋轉軸 稱為真旋轉軸或瞬時軸 對應的赤道為真赤道 瞬時真天極 瞬時真春分點 假定只有歲差的影響 則地球旋轉軸為平軸 對應的赤道為平赤道 瞬時平天極 瞬時平春分點 地軸相對于地球本體內部結構的相對位置變化 1 2地球的自轉 地球自轉軸存在相對于地球體自身內部結構的相對位置變化 從而導致極點在地球表面上的位置隨時間而變化 有一定周期性 約434天 這種現象稱為極移 某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時極 某段時間內地極的平均位置稱為平極 地球極點的變化 幅度不會超過10m 導致地面點的緯度發生變化 同一經線上的點 緯度變化相同 經度相差180 的經線上的點 緯度變化符號相反 天文聯合會 IAU 和大地測量與地球物理聯合會 IUGG 建議采用國際上5個緯度服務 ILS 站以1900 1905年的平均緯度所確定的平極作為基準點 通常稱為國際協議原點CIO ConventionalInternationalOrigin 其相對于1900 1905年平均歷元1903 0 地軸相對于地球本體內部結構的相對位置變化 1 2地球的自轉 在1984年之前 采用剛體地球理論計算地球旋轉軸相對于CIO的變化 其變化規律是以CIO作為坐標原點 以零子午線的方向作為x軸 以270 子午線方向作為y軸而建立的地極坐標系進行描述 任意瞬時的極點位置可用表示 國際極移服務 IPMS 和國際時間局 BIH 采用非剛體地球理論并融合傳統光學觀測技術和VLBI等空間觀測技術計算得到新的協議地球極CTP ConventionalTerrestrialPole 以1984 0為參考歷元的CTP被廣泛采用 如 WGS84 GPS ITRF IERS 都是采用BIH1984 0的CTP作為Z軸的指向 地球自轉速度變化 1 2地球的自轉 地球自轉不是均勻的 存在著多種短周期變化和長期變化 短周期變化是由于地球周期性潮汐影響 長期變化表現為地球自轉速度緩慢變小 地球的自轉速度變化 導致日長的視擾動并緩慢變長 從而使以地球自轉為基準的時間尺度產生變化 1 2地球的自轉 EOP 地球定向參數ERP 地球自轉參數 www iers org 二時間系統 2 1概述2 2時間系統 時間系統分類 2 1概述 1 對于時間的描述 有原點和尺度 度量單位 兩大要素 原點可以根據需要進行指定 度量單位采用時刻和時間間隔兩種形式 對于衛星系統或天文學 某一事件相應的時刻稱為歷元 2 周期運動滿足如下三項要求 可以作為計量時間的方法 運動是連續的 運動的周期具有足夠的穩定性 運動是可觀測的 選取的物理對象不同 時間的定義不同 地球的自轉 地球的公轉 物質的振動等 恒星時 ST SiderealTime 2 2時間系統 1 以春分點作為基本參考點 由春分點周日視運動確定的時間 稱為恒星時 恒星時是地球旋轉的一種度量 它被定義為春分點的時角 春分點連續兩次經過同一子午圈上中天的時間間隔為一個恒星日 分為24個恒星時 某一地點的地方恒星時 在數值上等于春分點相對于這一地方子午圈的時角 如果度量是從格林尼治子午線起計的 那么恒星時就稱為格林尼治恒星時 2 由于歲差和章動的影響 地球自轉軸的指向在空間是變化的 從而導致春分點的位置發生變化 真春分點 某一時刻瞬時極 真恒星時平春分點 平極 平恒星時 以春分點為參考點的地球自轉 2 2時間系統 世界時 UT UniversalTime 2 2時間系統 1 以真太陽作為基本參考點 由其周日視運動確定的時間 稱為真太陽時 一個真太陽日就是真太陽連續兩次經過同一子午圈上中天所經歷的時間 由于真太陽的視運動速度是不均勻的 因而真太陽時不是均勻的時間尺度 為此引入虛擬的赤道上勻速運行的平太陽 其速度等于真太陽周年運動的平均速度 一個平太陽日就是平太陽連續兩次經過同一子午圈上中天所經歷的時間 分為24個平太陽時 2 以格林尼治子夜起算的平太陽時稱為世界時 UT0 未經任何改正的世界時UT1 經過極移改正的世界時UT2 進一步經過地球自轉速度季節性改正后的世界時 以太陽為參考點的地球自轉 2 2時間系統 在地球完成自轉期間 一個恒星日 地球沿著其圍繞太陽運轉的軌道也移動很短的距離 約為59 08 因此 經過一個恒星日后 地球還要旋轉一個很小的角度才能使太陽達到最高點 因此 太陽日比恒星日約長4分鐘 一年中的太陽日要比恒星日少一天 這使得恒星日 365 24 366 24 太陽日 即為23小時56分4 1秒 歷書時 ET EphemerisTime 2 2時間系統 1 由于地球自轉速度不均勻 導致用其測得的時間不均勻 1958年第10屆IAU決定 自1960年起開始以地球公轉運動為基準的歷書時來量度時間 用歷書時系統代替世界時 其秒長規定為1900年1月1日12時整回歸年長度的1 31556925 9747 2 根據廣義相對論 太陽質心系和地球質心系的時間將不同 1976年 IAU定義了這兩個坐標系的時間 TDT 地球質心力學時TDB 太陽系質心力學時TDT和TDB可以看做是ET分別在兩個坐標系中的實現 3 基于地球公轉的歷書時 已被原子時所代替 TerrestrialDynamicTime BarycentricDynamicTime 基于地球公轉 原子時 AT AtomicTime 2 2時間系統 1 原子時是一種以原子諧振信號周期為標準 并對它進行連續計數的時標 基本單位是原子時秒 其定義為 在零磁場下 銫原子基態兩個超精細能級間躍遷輻射9192631770周所持續的時間 在1967年第13屆國際計量大會上 正式確定原子秒的定義 把海平面實現的原子時秒作為國際參照時標 規定為國際單位制中的時間單位 即SI InternationalSystem 秒 2 BIH比較 綜合世界各地的原子鐘數據 最后確定的原子時稱為國際原子時 簡稱TAI TAI是基于原子秒的 IERS利用來自分布在全球的60多個實驗室的200多個鐘 來計算TAI TAI起點 1958年1月1日UT2的0時 0 0039s 由于地球自轉速度的不均勻 世界時與原子時之間的時間差逐年累積 現在的TDT計量是用原子鐘實現的 二者起點不同 有如下關系 基于原子鐘 協調世界時 UTC CoordinatedUniversalTime 2 2時間系統 1 原子時與地球自轉沒有直接聯系 由于地球自轉速度長期變慢的趨勢 原子時與世界時的差異將逐漸變大 秒長不等 大約每年相差1秒 為了保證時間與季節的協調一致 便于日常使用 使用原子秒的秒長 又通過跳秒始終保持與UT1接近 dUT1小于0 9s 建立協調世界時UTC 2 UTC時間作為一種折衷的時間尺度 就是平時廣播 電視及其它時間服務中所發布的時間 如果UTC與UT1差值超過限制 由IERS來控制UTC的跳秒 國際原子時TAI是不調整的 這樣UTC跟TAI之間就會相差整秒數 跳秒LeapSecond http www iers org dUT1 跳秒LeapSecond GPS時 GPST GPSTime 2 2時間系統 GPST也是一種原子時 由美國海軍觀測實驗室 USNO 負責維持 在1980年1月6日 星期日 0時 將GPST設置成與UTC完全一致 GPST采用TAI原子時秒長 并且不跳秒 GPST與TAI相差常數 為19 0s GPST與UTC間的差異將隨著跳秒次數的增加而越來越大 如2004年7月 GPST超前UTC14s GPSweek tow GPST doy 格里高利歷 Gregoriandate 目前 世界上廣泛采用的歷法 它以一個由146097天所組成的400年周期為基礎 1年的平均長度為365 2425天 1年被劃分為12個月 閏年的二月為29天 否則為28天 儒勒日JD JulianDate JD 儒勒日 是方便的平太陽日連續計時系統 它從公元前4713年開始 傳統上 儒勒日是從UT1的正午12時開始計的 約化儒勒日MJD ModifiedJulianDate MJD JD 2400000 5儒勒日JD到約化儒勒日MJD a 可以減小JD數值的大小 b MJD的日期從子夜0時起計 而改變JD從正午12時起計的特點 2 2時間系統 儒勒日 儒略日 格里高利歷 又稱為公元 相互轉換 儒勒歷元JulianEpoch J2000 0JulianEpochJuliandate2451545 0January1 2000 11 59 27 816TAIJanuary1 2000 11 58 55 816UTC一個儒勒年的長度為365 25個平太陽日 JulianEpoch 2000 0 JulianDate 2451545 0 365 25 2 2時間系統 作業 1 將格里高利歷2012 02 2411 25 30轉換成儒勒日 Year Doy2 將GPST2010 11 2723 59 59 999999999轉換成GPSWeek tow 三坐標系統 3 1坐標與坐標系3 2基準與坐標參照系3 3地球參照系及參考框架3 4地心慣性參照系3 5坐標轉換 3 1坐標與坐標系 3 2基準與坐標參照系 3 3地球參照系及參考框架 地球參照系 3 3地球參照系及參考框架 協議地球參照系及參考框架 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續 3 3地球參照系及參考框架 1 國際地球參照系ITRS及參考框架ITRF ITRF http itrf ensg ign fr 3 3地球參照系及參考框架 2