時間和坐標(biāo)系統(tǒng)PPT課件

1,授課內(nèi)容,時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng),2,1.1時間是什么,時間是上天賜予每個人最寶貴、最公平的財富！,3,1.1時間是什么,物理學(xué)中的時間：事件過程長短和發(fā)生順序的度量，包括時段和時刻兩個概念。,愛因斯坦的相對論認(rèn)為：時間與空間一起組成四維時空，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空結(jié)構(gòu)，并且在大質(zhì)量附近的時鐘之時間流逝比在距離大質(zhì)量較遠(yuǎn)的地方的時鐘之時間流逝要慢。,相對論成功解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動現(xiàn)象。星近日點(diǎn)進(jìn)動又成為廣義相對論最有力的三個天文學(xué)驗(yàn)證之一。,4,1.2時間的度量,時刻=時間基準(zhǔn)原點(diǎn)+時間步長*步數(shù),時段=時刻n時刻m,時間基準(zhǔn)原點(diǎn)的選?。汗?時間步長的選擇的基本要求：精確，均勻,時間步長的選擇：基本方法是測量物體的運(yùn)動。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。,5,1.3航天中時間的重要性,時間的準(zhǔn)確。航天器運(yùn)動速度快，差之毫厘，失之千里,時間的均勻。航天器在軌運(yùn)行時間長，小錯積累成大錯,時間的同步。航天系統(tǒng)包括在軌航天器和多個地面測控站，需要天地大系統(tǒng)的時間同步。,6,1.4航天中的時間,航天中常用的四個時間：恒星時，太陽時（協(xié)調(diào)時），動力學(xué)時，原子時,恒星時（太陽時）都是以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)定義的時間系統(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）的時間間隔。,7,1.4航天中的時間,討論問題1：恒星時和太陽時是否相同？,恒星時和太陽時是不同的。因?yàn)楹阈窃谔炜罩械奈恢檬枪潭ú粍拥模栂鄬Φ厍虻奈恢檬亲兓模ǖ厍虻墓D(zhuǎn)）。,1個太陽日=1個恒星日+3分56秒。,8,1.4航天中的時間,如果地球自轉(zhuǎn)速度均勻恒定的，則恒星時和太陽時都可以作為一個完美的時間間隔。,歲差：太陽和月球?qū)Φ厍虺嗟缆∑鸬囊ψ饔迷斐傻模l(fā)地軸相對于慣性空間的轉(zhuǎn)動，稱為日月歲差。周期大約為26000年。同時太陽系行星也會造成黃道面相對慣性空間的轉(zhuǎn)動，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。,9,1.4航天中的時間,章動：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。,歲差和章動描述了地球自轉(zhuǎn)軸在慣性空間的不穩(wěn)定。,10,1.4航天中的時間,極移：地球瞬時自轉(zhuǎn)軸在地球本體內(nèi)的運(yùn)動。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。,11,1.4航天中的時間,天陽時：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過太陽的時間為一個天陽日。1day=24h1h=60min=3600s1day=3601h=15,視天陽時：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過真實(shí)的太陽的時間。（不均勻，為什么？）,平天陽時：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）的時間。,時間時（universaltime，UT）：格林尼治的平太陽時。UT0（通過全球多個地面站測量得到），UT1（考慮了極移的修正），UT2（考慮了季節(jié)的修正）,12,1.4航天中的時間,恒星時：當(dāng)?shù)刈游缑孢B續(xù)通過恒星為一個恒星日。,恒星時（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(MeanSiderealTime，MST)，與真春風(fēng)點(diǎn)的角度為真恒星時。,相對于2000年1月1日12時（J2000）儒略日,13,1.4航天中的時間,儒略日:由公元前4713年1月1日中午12時開始所經(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）-JD1900到2100,14,1.4航天中的時間,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=2450383.097222222,JD=367*yr-floor(7*(yr+floor(mo+9)/12)/4)+floor(275*mo/9)+d+1721013.5+(s/60+min)/60+h)/24,J2000=2451545,15,1.4航天中的時間,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。,MJD=(JD-2451545.0)/36525;GMST=67310.54841+(876600*3600+8640184.812866)*MJD+0.093104*MJD2-6.2e-6*MJD3tem=mod(GMST,86400);thita=tem/240+50,Thita=300.2342=20h0分56.16秒,16,1.4航天中的時間,動力學(xué)時：1、歷書時（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間又稱牛頓時。2、質(zhì)心力學(xué)時(TDB)和地球力學(xué)時(TDT)：考慮相對論效應(yīng)，根據(jù)天體動力學(xué)定義的均勻時間，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為時間函數(shù)，衛(wèi)星和測地的資料處理也常用TT。,17,1.4航天中的時間,原子時（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)的時間計(jì)量系統(tǒng)。原子時的初始?xì)v元規(guī)定為1958年1月1日世界時0時，秒長定義為銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級間在零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時間。這是一種均勻的時間計(jì)量系統(tǒng)。,時間協(xié)調(diào)時（UTC）：以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時（UT1）的一種時間計(jì)量系統(tǒng)。為確保UTC與UT1相差不會超過0.9秒，在有需要的情況下會在協(xié)調(diào)世界時內(nèi)加上正或負(fù)閏秒。因此協(xié)調(diào)世界時與國際原子時之間會出現(xiàn)若干整數(shù)秒的差別。,18,1.5時間的相互轉(zhuǎn)換,一般已知UTC,UT1=UTC+UT1（由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的公報A查詢）,TAI=UTC+AT（由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)發(fā)布的公報C查詢）,TT=TAI+32.184s,TDB=TT+0.001658sin(M)+0.00001385sin(2M)M=357.5277233+35999.05034*TT,19,授課內(nèi)容,時間系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng),20,2.1坐標(biāo)系的定義,21,2.2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)動原點(diǎn)：地心（航天器）基準(zhǔn)平面：赤道，軸為基準(zhǔn)平面的法線主軸：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？,22,2.2航天任務(wù)常用坐標(biāo)系慣性坐標(biāo)系,解決辦法選取一個指定的時間點(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時為標(biāo)準(zhǔn)歷元）,23,2.2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)動原點(diǎn)：地心基準(zhǔn)平面：協(xié)議赤道，軸為協(xié)議地極主軸：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)合會決定以1900年到1905年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為地球的協(xié)議地極,24,2.2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，軸為基準(zhǔn)平面的法線主軸：沿飛行器縱軸，指向頭部的單位矢量第三軸：由右手定則確定,25,2.2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,26,2.3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,27,2.3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IAU1976歲差理論）,=2306.2181t+0.30188t2+0.017998t3（單位角秒）=2004.3109t0.42665t20.041833t3（單位角秒）z=2306.2181t+1.09468t2+0.018203t3（單位角秒）,28,2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換,N章動修正矩陣（國際天文聯(lián)合會IAU1980章動理論）,29,2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換,S地球旋轉(zhuǎn)修正矩陣,30,2.3坐標(biāo)系統(tǒng)的相互轉(zhuǎn)換,W地球極移修正矩陣,總結(jié)：J2000到協(xié)議地固坐標(biāo)系,31,2.3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,32,2.3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,33,2.4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這個問題？,34,2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選擇的重要性,第一種視點(diǎn),35,2.4實(shí)例：坐標(biāo)系選