時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)參照系GNSS課件

1、時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)參照系授課教師：劉志強(qiáng)單 位：河海大學(xué)主要內(nèi)容（一）地球的運(yùn)轉(zhuǎn)（二）時(shí)間系統(tǒng)（三）坐標(biāo)系統(tǒng)一 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)1.1 天文學(xué)基本概念1.2 地球繞太陽公轉(zhuǎn)1.3 地球的自轉(zhuǎn)1.1 天文學(xué)基本概念天球坐標(biāo)系北天極1.1 地球繞太陽公轉(zhuǎn)天球：以地球質(zhì)心為中心，半徑為任意長的假想球體。 在天文學(xué)中，通常均把天體投影到天球的球面上，并利用球面坐標(biāo)來表達(dá)或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即當(dāng)?shù)厍蚶@太陽公轉(zhuǎn)時(shí)，地球上的觀測者所見到的，太陽在天球上運(yùn)動(dòng)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(diǎn)。其中靠近北天極的交點(diǎn)稱為北黃極，靠近南天極的交點(diǎn)

2、稱為南黃極。春分點(diǎn)：當(dāng)太陽在黃道上從天球的南半球向北半球運(yùn)行時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)。天球赤道面：通過地球質(zhì)心且與天軸垂直的平面。天軸：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸線稱為天軸。天極：天軸與天球的交點(diǎn)稱為天極（北天極與南天極）。 在天文學(xué)中和研究衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，春分點(diǎn)和天球赤道面，是建立參考系的重要基準(zhǔn)點(diǎn)和基準(zhǔn)面。1.1 地球繞太陽公轉(zhuǎn) 開普勒第一運(yùn)動(dòng)定律：地球運(yùn)行的軌道是一個(gè)橢圓，而橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與太陽的質(zhì)心相重合。 在開普勒橢圓軌道上，地球離太陽質(zhì)心最近的點(diǎn)稱為近日點(diǎn)，而離太陽質(zhì)心最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱為遠(yuǎn)日點(diǎn)；它們在慣性空間中的位置是固定不變的。 地球繞太陽運(yùn)行的軌道面，是一個(gè)通過太陽質(zhì)心的靜止平面。軌道橢圓一般稱開

3、普勒橢圓，其形狀和大小不變。1.1 地球繞太陽公轉(zhuǎn) 開普勒第二運(yùn)動(dòng)定律：地球的太陽質(zhì)心向徑，即地球質(zhì)心與太陽質(zhì)心間的距離向量，在相同的時(shí)間內(nèi)所掃過的面積相等。 根據(jù)能量守恒定理，地球在運(yùn)動(dòng)過程中，其位能和動(dòng)能之和應(yīng)保持不變。 地球在橢圓上的運(yùn)行速度是不斷變化的，在近日點(diǎn)處速度為最大，而在遠(yuǎn)日點(diǎn)處速度為最小。 開普勒第三運(yùn)動(dòng)定律：地球運(yùn)行周期的平方，與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量。 當(dāng)開普勒橢圓的長半徑確定后，地球運(yùn)行的平均角速度便隨之確定，且保持不變。 地球繞太陽旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)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(zhuǎn) 地球在繞太陽公轉(zhuǎn)的同時(shí)，繞其自身的旋轉(zhuǎn)軸（地軸）

4、自轉(zhuǎn)，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(shí)刻的旋轉(zhuǎn)軸稱為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸，它在空間的指向、與地球的相對關(guān)系、地球繞地軸的旋轉(zhuǎn)速度是不斷變化的，具體表現(xiàn)為：歲差和章動(dòng)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(zhuǎn) 地球繞地軸旋轉(zhuǎn)，可以看做巨大的陀螺旋轉(zhuǎn)。由于日、月等天體的影響，類似于旋轉(zhuǎn)陀螺在重力場中的進(jìn)動(dòng)。地球旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)倒圓椎體，這種運(yùn)動(dòng)稱為歲差。 歲差是地軸方向相對于空間的長周期運(yùn)動(dòng)，其錐角等于黃赤交角=23.5 旋轉(zhuǎn)周期為26000年，并使春分點(diǎn)每年向西移動(dòng)50.3。地軸方向相對于空間的變化1.2 地球的自轉(zhuǎn) 月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為

5、白道。由于白道相對于黃道有約5的傾斜，且月球運(yùn)行的軌道與地球之間距離是不斷變化的，使得月球引力產(chǎn)生的大小和方向不斷變化，從而導(dǎo)致北天極在天球上繞黃極旋轉(zhuǎn)的軌道不是平滑的小圓，而是類似圓的波浪曲線運(yùn)動(dòng)。地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加18.6年的短周期運(yùn)動(dòng)，振幅為9.21 “，這種現(xiàn)象稱為章動(dòng)。 在歲差和章動(dòng)的共同影響下，地球在某一時(shí)刻的實(shí)際旋轉(zhuǎn)軸，稱為真旋轉(zhuǎn)軸或瞬時(shí)軸，對應(yīng)的赤道為真赤道。（瞬時(shí)真天極、瞬時(shí)真春分點(diǎn)） 假定只有歲差的影響，則地球旋轉(zhuǎn)軸為平軸，對應(yīng)的赤道為平赤道。（瞬時(shí)平天極、瞬時(shí)平春分點(diǎn)）地軸相對于地球本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化1.2 地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部

6、結(jié)構(gòu)的相對位置變化，從而導(dǎo)致極點(diǎn)在地球表面上的位置隨時(shí)間而變化（有一定周期性、約434天），這種現(xiàn)象稱為極移。 某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時(shí)極，某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置稱為平極。 地球極點(diǎn)的變化（幅度不會(huì)超過10m），導(dǎo)致地面點(diǎn)的緯度發(fā)生變化。同一經(jīng)線上的點(diǎn)，緯度變化相同；經(jīng)度相差180的經(jīng)線上的點(diǎn)，緯度變化符號相反。 天文聯(lián)合會(huì)（IAU）和大地測量與地球物理聯(lián)合會(huì)（IUGG）建議采用國際上5個(gè)緯度服務(wù)（ILS）站以19001905年的平均緯度所確定的平極作為基準(zhǔn)點(diǎn)，通常稱為國際協(xié)議原點(diǎn)CIO （Conventional International Origin），其相對于190019

7、05年平均歷元1903.0。地軸相對于地球本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化1.2 地球的自轉(zhuǎn) 在1984年之前，采用剛體地球理論計(jì)算地球旋轉(zhuǎn)軸相對于CIO的變化，其變化規(guī)律是以CIO作為坐標(biāo)原點(diǎn)、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(biāo)系進(jìn)行描述，任意瞬時(shí)的極點(diǎn)位置可用 表示。 國際極移服務(wù)（IPMS）和國際時(shí)間局（BIH）采用非剛體地球理論并融合傳統(tǒng)光學(xué)觀測技術(shù)和VLBI等空間觀測技術(shù)計(jì)算得到新的協(xié)議地球極CTP（Conventional Terrestrial Pole），以1984.0為參考?xì)v元的CTP被廣泛采用，如： WGS84（GPS） ITRF（IERS）都是

8、采用BIH1984.0的CTP作為Z軸的指向。地球自轉(zhuǎn)速度變化1.2 地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)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(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)速度緩慢變小。地球的自轉(zhuǎn)速度變化，導(dǎo)致日長的視擾動(dòng)并緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的時(shí)間尺度產(chǎn)生變化。1.2 地球的自轉(zhuǎn)EOP - 地球定向參數(shù)ERP - 地球自轉(zhuǎn)參數(shù)EOPERP歲差 & 章動(dòng)極移 & 地球自轉(zhuǎn)速度變化二 時(shí)間系統(tǒng) 2.1 概述 2.2 時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)分類2.1 概述 1）對于時(shí)間的描述，有原點(diǎn)和尺度（度量單位）兩大要素。 原點(diǎn)可以根據(jù)需要進(jìn)行指定，度量單位采用時(shí)刻和時(shí)間間隔兩種形式

9、。 （對于衛(wèi)星系統(tǒng)或天文學(xué)，某一事件相應(yīng)的時(shí)刻稱為歷元。）2）周期運(yùn)動(dòng)滿足如下三項(xiàng)要求，可以作為計(jì)量時(shí)間的方法。 運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的； 運(yùn)動(dòng)的周期具有足夠的穩(wěn)定性； 運(yùn)動(dòng)是可觀測的。 選取的物理對象不同，時(shí)間的定義不同: 地球的自轉(zhuǎn)、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動(dòng)等。 恒星時(shí)（ST - Sidereal Time）2.2 時(shí)間系統(tǒng) 1）以春分點(diǎn)作為基本參考點(diǎn)，由春分點(diǎn)周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間，稱為恒星時(shí)。 恒星時(shí)是地球旋轉(zhuǎn)的一種度量，它被定義為春分點(diǎn)的時(shí)角。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時(shí)間間隔為一個(gè)恒星日，分為24個(gè)恒星時(shí)。 某一地點(diǎn)的地方恒星時(shí)，在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于這一地方子午圈的時(shí)角。如果度量是

10、從格林尼治子午線起計(jì)的，那么恒星時(shí)就稱為格林尼治恒星時(shí)。 2）由于歲差和章動(dòng)的影響，地球自轉(zhuǎn)軸的指向在空間是變化的，從而導(dǎo)致春分點(diǎn)的位置發(fā)生變化。 真春分點(diǎn)（某一時(shí)刻瞬時(shí)極） - 真恒星時(shí) 平春分點(diǎn)（平極） - 平恒星時(shí) 以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)的地球自轉(zhuǎn)2.2 時(shí)間系統(tǒng) LAST - 真春分點(diǎn)的地方時(shí) LMST - 平春分點(diǎn)的地方時(shí)GAST - 真春分點(diǎn)的格林尼治時(shí) GMST - 平春分點(diǎn)的格林尼治時(shí)Greenwich Apparent Sidereal Time Greenwich Mean Sidereal TimeLocal Apparent Sidereal TimeLocal Mean S

11、idereal Time地方子午線格林尼治子午線真春分點(diǎn)平春分點(diǎn)世界時(shí)（UT - Universal Time）2.2時(shí)間系統(tǒng) 1）以真太陽作為基本參考點(diǎn)，由其周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間，稱為真太陽時(shí)。 一個(gè)真太陽日就是真太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天所經(jīng)歷的時(shí)間。 由于真太陽的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，因而真太陽時(shí)不是均勻的時(shí)間尺度，為此引入虛擬的赤道上勻速運(yùn)行的平太陽，其速度等于真太陽周年運(yùn)動(dòng)的平均速度。 一個(gè)平太陽日就是平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天所經(jīng)歷的時(shí)間，分為24個(gè)平太陽時(shí)。 2）以格林尼治子夜起算的平太陽時(shí)稱為世界時(shí)。 UT0 - 未經(jīng)任何改正的世界時(shí) UT1 - 經(jīng)過極移改正的世

12、界時(shí) UT2 - 進(jìn)一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性改正后的世界時(shí)以太陽為參考點(diǎn)的地球自轉(zhuǎn)2.2 時(shí)間系統(tǒng) 在地球完成自轉(zhuǎn)期間（一個(gè)恒星日），地球沿著其圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道也移動(dòng)很短的距離（約為5908）。因此，經(jīng)過一個(gè)恒星日后，地球還要旋轉(zhuǎn)一個(gè)很小的角度才能使太陽達(dá)到最高點(diǎn)。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=365.24366.24太陽日，即為23小時(shí)56分4.1秒。地球地球太陽 春分點(diǎn)太陽 春分點(diǎn)歷書時(shí)（ET - Ephemeris Time）2.2 時(shí)間系統(tǒng) 1）由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導(dǎo)致用其測得的時(shí)間不均勻。1958年第10屆IAU決定，自1960

13、年起開始以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的歷書時(shí)來量度時(shí)間，用歷書時(shí)系統(tǒng)代替世界時(shí)，其秒長規(guī)定為1900年1月1日12時(shí)整回歸年長度的1/31556925.9747。 2）根據(jù)廣義相對論，太陽質(zhì)心系和地球質(zhì)心系的時(shí)間將不同。1976年，IAU定義了這兩個(gè)坐標(biāo)系的時(shí)間：TDT - 地球質(zhì)心力學(xué)時(shí) TDB - 太陽系質(zhì)心力學(xué)時(shí) TDT和TDB可以看做是ET分別在兩個(gè)坐標(biāo)系中的實(shí)現(xiàn)。 3）基于地球公轉(zhuǎn)的歷書時(shí)，已被原子時(shí)所代替。 Terrestrial Dynamic TimeBarycentric Dynamic Time基于地球公轉(zhuǎn)原子時(shí)（AT Atomic Time）2.2 時(shí)間系統(tǒng) 1）原子時(shí)是一種以原

14、子諧振信號周期為標(biāo)準(zhǔn)，并對它進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo)?；締挝皇窃訒r(shí)秒，其定義為：在零磁場下，銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級間躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間。 在1967年第13屆國際計(jì)量大會(huì)上，正式確定原子秒的定義，把海平面實(shí)現(xiàn)的原子時(shí)秒作為國際參照時(shí)標(biāo)，規(guī)定為國際單位制中的時(shí)間單位，即SI （International System）秒。 2）BIH比較、綜合世界各地的原子鐘數(shù)據(jù)，最后確定的原子時(shí)稱為國際原子時(shí)，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(gè)實(shí)驗(yàn)室的200多個(gè)鐘，來計(jì)算TAI。TAI起點(diǎn)：1958年1月1日UT2的0時(shí)（-0.0039s） 由于地球

15、自轉(zhuǎn)速度的不均勻，世界時(shí)與原子時(shí)之間的時(shí)間差逐年累積。 現(xiàn)在的TDT計(jì)量是用原子鐘實(shí)現(xiàn)的，二者起點(diǎn)不同，有如下關(guān)系：基于原子鐘協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC - Coordinated Universal Time ）2.2 時(shí)間系統(tǒng) 1）原子時(shí)與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系。由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，原子時(shí)與世界時(shí)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(shí)間與季節(jié)的協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)世界時(shí)UTC。 2）UTC時(shí)間作為一種折衷的時(shí)間尺度，就是平時(shí)廣播、電視及其它時(shí)間服務(wù)中所發(fā)布的時(shí)間。 如果UTC與UT1差

16、值超過限制，由IERS來控制UTC的跳秒。國際原子時(shí)TAI是不調(diào)整的，這樣UTC跟TAI之間就會(huì)相差整秒數(shù)。跳秒 Leap Secondhttp:/dUT1跳秒 Leap SecondGPS時(shí)（GPST - GPS Time ）2.2 時(shí)間系統(tǒng) GPST也是一種原子時(shí)，由美國海軍觀測實(shí)驗(yàn)室（USNO）負(fù)責(zé)維持。 在1980年1月6日（星期日）0時(shí)，將GPST設(shè)置成與UTC完全一致。GPST采用TAI原子時(shí)秒長，并且不跳秒。GPST與TAI相差常數(shù)，為19.0s。 GPST與UTC間的差異將隨著跳秒次數(shù)的增加而越來越大，如2004年7月，GPST超前UTC14s。GPS weektowGPSTd

17、oy 【格里高利歷 - Gregorian date】- 目前，世界上廣泛采用的歷法。它以一個(gè)由146097天所組成的400年周期為基礎(chǔ)，1年的平均長度為365.2425天。1年被劃分為12個(gè)月，閏年的二月為29天，否則為28天。 【儒勒日J(rèn)D - Julian Date 】- JD（儒勒日）是方便的平太陽日連續(xù)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，它從公元前4713年開始。傳統(tǒng)上，儒勒日是從UT1的正午12時(shí)開始計(jì)的。 【約化儒勒日MJD - Modified Julian Date 】- MJD = JD 2400000.5 儒勒日J(rèn)D到約化儒勒日MJDa）可以減小JD數(shù)值的大??；b）MJD的日期從子夜0時(shí)起計(jì)，而改

18、變JD從正午12時(shí)起計(jì)的特點(diǎn)。2.2 時(shí)間系統(tǒng)儒勒日（儒略日）格里高利歷( 又稱為 公元 )相互轉(zhuǎn)換【儒勒歷元Julian Epoch 】J2000.0 Julian EpochJulian date 2451545.0 January 1, 2000, 11:59:27.816 TAI January 1, 2000, 11:58:55.816 UTC 一個(gè)儒勒年的長度為365.25個(gè)平太陽日。Julian Epoch = 2000.0 + (Julian Date 2451545.0) / 365.252.2 時(shí)間系統(tǒng)http:/freebies/gpscalendar.html作業(yè) 1）將格里高利歷2012-02-24 11:25:30轉(zhuǎn)換成儒勒日、Year + Doy 2）將GPST 2010-11-27 23:59:59.999999999轉(zhuǎn)換成 GPS Week +