时间系统与坐标参照系课件.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,时间系统与坐标参考系,讲课教师：刘志强,单 位：河海大学,时间系统与坐标参照系课件,第1页,主要内容,（一）地球运转,（二）时间系统,（三）坐标系统,时间系统与坐标参照系课件,第2页,一 地球运转,1.1 天文学基本概念,1.2 地球绕太阳公转,1.3 地球自转,时间系统与坐标参照系课件,第3页,1.1 天文学基本概念,天球坐标系,北天极,时间系统与坐标参照系课件,第4页,1.1 地球绕太阳公转,天球：,以地球质心为中心，半径为任意长假想球体。,在天文学中，通常均把天体投影到天球球面上，并利用球面坐标来表示或研究天体位置及天体之间关系。,黄道：,地球公转轨道面与天球相交大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上观察者所见到，太阳在天球上运动轨迹。,黄极：,经过天球中心，且垂直于黄道面直线与天球交点。其中靠近北天极交点称为北黄极，靠近南天极交点称为南黄极。,春分点,：,当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道交点。,天球赤道面,：,经过地球质心且与天轴垂直平面。,天轴：,地球自转轴延伸线称为天轴。,天极：,天轴与天球交点称为天极（北天极与南天极）。,在天文学中和研究卫星运动时，,春分点,和,天球赤道面,，是建立参考系主要基准点和基准面。,时间系统与坐标参照系课件,第5页,1.1 地球绕太阳公转,开普勒第一运动定律,：地球运行轨道是一个椭圆，而椭圆一个焦点与太阳质心相重合。,在开普勒椭圆轨道上，地球离太阳质心最近点称为,近日点,，而离,太阳质心,最远点称为,远日点,；它们在惯性空间中位置是固定不变。,地球绕太阳运行轨道面，是一个经过太阳质心静止平面。轨道椭圆普通称,开普勒椭圆,，其形状和大小不变。,时间系统与坐标参照系课件,第6页,1.1 地球绕太阳公转,开普勒第二运动定律,：地球太阳质心向径，即地球质心与太阳质心间距离向量，在相同时间内所扫过面积相等。,依据,能量守恒,定理,，地球在运动过程中，其位能和动能之和应保持不变。,地球在椭圆上,运行速度,是不停改变，在近日点处速度为最大，而在远日点处速度为最小。,开普勒第三运动定律,：地球运行周期平方，与轨道椭圆长半径立方之比为一常量。,当开普勒椭圆长半径确定后，地球运行,平均角速度,便随之确定，且保持不变。,地球绕太阳旋转一圈时间是由其轨道长半轴大小决定，称为一,恒星年,。,时间系统与坐标参照系课件,第7页,1.2 地球自转,地球在绕太阳公转同时，绕其本身旋转轴（地轴）自转，从而形成昼夜改变。,地轴,是过地球中心和两极轴线，在某一时刻旋转轴称为,瞬时旋转轴,，它在,空间指向,、,与地球相对关系,、,地球绕地轴旋转速度,是不停改变，详细表现为：,岁差和章动,极移,日长改变,时间系统与坐标参照系课件,第8页,地轴方向相对于空间改变,1.2 地球自转,地球绕地轴旋转，能够看做,巨大陀螺旋转,。因为日、月等天体影响，类似于旋转陀螺在重力场中进动。地球旋转轴在空间围绕黄极发生迟缓旋转，形成一个倒圆椎体，,这种运动称为,岁差,。,岁差是,地轴方向相对于空间长周期运动,，,其锥角等于黄赤交角=23.5,旋转周期为260，并使春分点每年向西移动50.3,。,时间系统与坐标参照系课件,第9页,地轴方向相对于空间改变,1.2 地球自转,月球绕地球旋转轨道称为白道。因为白道相对于黄道有约5,倾斜，且月球运行轨道与地球之间距离是不停改变，使得,月球引力产生大小和方向不停改变,，从而造成,北天极,在天球上绕黄极旋转轨道不是平滑小圆，而是,类似圆波浪曲线运动,。地球旋转轴在岁差基础上叠加18.6年短周期运动，振幅为9.21,“，这种现象称为,章动,。,在,岁差和章动共同影响,下，地球在某一时刻实际旋转轴，称为,真旋转轴,或,瞬时轴,，对应赤道为,真赤道,。（,瞬时,真,天极、瞬时,真,春分点,）,假定,只有岁差,影响，则地球旋转轴为,平轴,，对应赤道为,平赤道,。（,瞬时,平,天极、瞬时,平,春分点,）,时间系统与坐标参照系课件,第10页,地轴相对于地球本体内部结构相对位置改变,1.2 地球自转,地球自转轴存在相对于地球体本身内部结构相对位置改变，从而造成,极点在地球表面上位置随时间而改变,（有一定周期性、约434天），这种现象称为,极移,。,某一观察瞬间地球极所在位置称为,瞬时极,，某段时间内地极平均位置称为,平极,。,地球极点改变（幅度不会超出10m），,造成地面点纬度发生改变,。同一经线上点，纬度改变相同；经度相差180,经线上点，纬度改变符号相反。,天文联合会（IAU）和大地测量与地球物理联合会（IUGG）提议采取国际上5个纬度服务（ILS）站,以190019平均纬度所确定平极,作为基准点，通常称为,国际协议原点,CIO,（Conventional International Origin），其相对于190019平均历元1903.0。,时间系统与坐标参照系课件,第11页,地轴相对于地球本体内部结构相对位置改变,1.2 地球自转,在1984年之前，采取,刚体地球理论,计算地球旋转轴相对于CIO改变，其改变规律是以CIO作为坐标原点、以,零子午线方向,作为,x轴、以,270,子午线,方向作为y轴而建立,地极坐标系,进行描述，,任意瞬时极点位置,可用,表示。,国际极移服务（IPMS）和国际时间局（BIH）采取,非刚体地球理论,并融合传统光学观察技术和VLBI等空间观察技术计算得到,新协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole）,，以,1984.0为参考历元,CTP被广泛采取，如：WGS84（GPS）ITRF（IERS）,都是采取BIH1984.0CTP作为Z轴指向。,时间系统与坐标参照系课件,第12页,地球自转速度改变,1.2 地球自转,地球自转不是均匀，存在着各种短周期改变和长久改变，短周期改变是因为地球周期性潮汐影响，长久改变表现为地球自转速度迟缓变小。地球自转速度改变，造成日长视扰动并迟缓变长，从而使以地球自转为基准,时间尺度产生改变,。,时间系统与坐标参照系课件,第13页,1.2 地球自转,EOP,-地球定向参数,ERP,-地球自转参数,EOP,ERP,岁差,&,章动,极移,&,地球自转速度改变,www.iers.org,时间系统与坐标参照系课件,第14页,二 时间系统,2.1 概述,2.2 时间系统,时间系统与坐标参照系课件,第15页,时间系统分类,2.1 概述,1）对于时间描述，有,原点,和,尺度,（度量单位）两大要素。,原点能够依据需要进行指定，度量单位采取时刻和时间间隔两种形式。,（对于卫星系统或天文学，某一事件对应时刻称为,历元,。）,2）周期运动满足以下三项要求，能够作为计量时间方法。,运动是连续；,运动周期含有足够稳定性；,运动是可观察。,选取物理对象不一样，时间定义不一样:,地球自转、地球公转、物质振动等。,时间系统与坐标参照系课件,第16页,恒星时,（ST-Sidereal Time）,2.2 时间系统,1）以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定时间，称为,恒星时,。,恒星时,是地球旋转一个度量，它被定义为春分点,时角,。春分点连续两次经过同一子午圈上中天时间间隔为一个,恒星日,，分为24个恒星时。,某一地点,地方恒星时,，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈时角。假如度量是从格林尼治子午线起计，那么恒星时就称为,格林尼治恒星时,。,2）因为,岁差,和,章动,影响，地球自转轴指向在空间是改变，,从而造成春分点位置发生改变。,真春分点（某一时刻瞬时极）-真恒星时,平春分点（平极）-平恒星时,以春分点为参考点地球自转,时间系统与坐标参照系课件,第17页,2.2 时间系统,LAST-,真春分点,地方时 LMST-,平春分点,地方时,GAST-,真春分点,格林尼治时 GMST-,平春分点,格林尼治时,Greenwich Apparent Sidereal Time,Greenwich Mean Sidereal Time,Local Apparent Sidereal Time,Local Mean Sidereal Time,地方子午线,格林尼治子午线,真春分点,平春分点,时间系统与坐标参照系课件,第18页,世界时,（UT-Universal Time）,2.2时间系统,1）以真太阳作为基本参考点，由其周日视运动确定时间，称为,真太阳时,。,一个,真太阳日,就是真太阳连续两次经过同一子午圈上中天所经历时间。,因为真太阳视运动速度是不均匀，因而真太阳时不是均匀时间尺度，为此引入虚拟赤道上匀速运行,平太阳,，其速度等于真太阳周年运动平均速度。,一个,平太阳日,就是平太阳连续两次经过同一子午圈上中天所经历时间，分为24个,平太阳时,。,2）以格林尼治子夜起算平太阳时称为,世界时,。,UT0,-未经任何更正世界时,UT1,-经过极移更正世界时,UT2,-深入经过地球自转速度季节性更正后世界时,以太阳为参考点地球自转,时间系统与坐标参照系课件,第19页,2.2 时间系统,在地球完成自转期间（一个恒星日），地球沿着其围绕太阳运转轨道也移动很短距离（约为59,08,）。所以，经过一个恒星日后，,地球还要旋转一个很小角度才能使太阳到达最高点,。所以，,太阳日,比,恒星日,约长4分钟。一年中太阳日要比恒星日少一天。这使得,恒星日=365.24366.24太阳日,，即为23小时56分4.1秒。,地球,地球,太阳,春分点,太阳,春分点,时间系统与坐标参照系课件,第20页,历书时,（ET-Ephemeris Time）,2.2 时间系统,1）因为地球自转速度不均匀，造成用其测得时间不均匀。1958年第10届IAU决定，自1960年起开始以地球公转运动为基准,历书时,来量度时间，用历书时系统代替世界时，其秒长要求为191月1日12时整回归年长度1/31556925.9747。,2）依据广义相对论，太阳质心系和地球质心系时间将不一样。1976年，IAU定义了这两个坐标系时间：,TDT,-地球质心力课时,TDB,-太阳系质心力课时,TDT和TDB能够看做是ET分别在两个坐标系中实现。,3）基于地球公转,历书时,，,已被原子时所代替,。,Terrestrial Dynamic Time,B,arycentric Dynamic Time,基于地球公转,时间系统与坐标参照系课件,第21页,原子时,（AT Atomic Time）,2.2 时间系统,1）,原子时,是一个以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续计数时标。基本单位是,原子时秒,，,其定义为：,在零磁场下，铯原子基态两个超精细能级间跃迁辐射9192631770周所连续时间。,在1967年第13届国际计量大会上，正式确定原子秒定义，把海平面实现原子时秒作为,国际参考时标,，要求为国际单位制中时间单位，,即SI（International System）秒,。,2）BIH比较、综合世界各地原子钟数据，最终确定原子时称为,国际原子时,，简称,TAI,。TAI是基于原子秒，IERS利用来自分布在全球60多个试验室200多个钟，来计算TAI。,TAI起点：1958年1月1日UT20时（-0.0039s）,因为地球自转速度不均匀，世界时与原子时之间时间差逐年累积。,现在TDT计量是用原子钟实现，二者起点不一样，有以下关系：,基于原子钟,时间系统与坐标参照系课件,第22页,协调世界时,（UTC -Coordinated Universal Time）,2.2 时间系统,1）原子时与地球自转没有直接联络。因为地球自转速度长久变慢趋势，原子时与世界时差异将逐步变大，秒长不等，大约每年相差1秒。为了确保时间与季节协调一致，便于日常使用，使用原子秒秒长，又经过跳秒一直保持与UT1靠近（dUT1小于0.9s），建立,协调世界时,UTC,。,2）UTC时间作为一个折衷时间尺度，就是平时广播、电视及其它时间服务中所公布时间。假如UTC与UT1差值超出限制，由IERS来控制UTC跳秒。国际原子时TAI是不调整，这么UTC跟TAI之间就会相差整秒数。,时间系统与坐标参照系课件,第23页,跳秒 Leap Second,www.iers.org,dUT1,时间系统与坐标参照系课件,第24页,跳秒,Leap Second,时间系统与坐标参照系课件,第25页,GPS时,（GPST -GPS Time）,2.2 时间系统,GPST也是一个原子时，由美国海军观察试验室（USNO）负责维持。,在1980年1月6日（星期日）0时，将GPST设置成与UTC完全一致。GPST采取TAI原子时秒长，而且不跳秒。GPST与TAI相差常数，为19.0s。,GPST与UTC间差异将伴随跳秒次数增加而越来越大，如年7月，GPST超前UTC14s。,GPS week,tow,GPST,doy,时间系统与坐标参照系课件,第26页,【格里高利历-,Gregorian date】,-当前，世界上广泛采取历法。它以一个由146097天所组成4周期为基础，1年平均长度为365.2425天。1年被划分为12个月，闰年二月为29天，不然为28天。,【儒勒日JD-Julian Date,】,-,JD（儒勒日）是方便平太阳日,连续计时,系统，它从公元前47开始。传统上，儒勒日是从UT1,正午12时开始计,。,【约化儒勒日MJD-Modified Julian Date,】,-,MJD=JD 2400000.5,儒勒日JD到约化儒勒日MJDa）能够减小JD数值大小；b）MJD日期,从子夜0时起计,，而改变JD从正午12时起计特点。,2.2 时间系统,儒勒日,格里高利历,相互转换,时间系统与坐标参照系课件,第27页,【儒勒历元Julian Epoch,】,J.0,Julian Epoch,Julian date,2451545.0,January 1,11:59:27.816,TAI,January 1,11:58:55.816,UTC,一个儒勒年长度为365.25个平太阳日。,Julian Epoch=.0+(Julian Date 2451545.0)/365.25,2.2 时间系统,时间系统与坐标参照系课件,第28页,11:25:30转换成儒勒日、Year+Doy,2）将GPST-11-27 23:59:59.999999999转换成,GPS Week+tow,时间系统与坐标参照系课件,第30页,三 坐标系统,3.1 坐标与坐标系,3.2 基准与坐标参考系,3.3 地球参考系及参考框架,3.4 地心惯性参考系,3.5 坐标转换,时间系统与坐标参照系课件,第31页,3.1 坐标与坐标系,时间系统与坐标参照系课件,第32页,时间系统与坐标参照系课件,第33页,3.2,基准与坐标参考系,时间系统与坐标参照系课件,第34页,3.3,地球参考系及参考框架,地球参考系,时间系统与坐标参照系课件,第35页,3.3,地球参考系及参考框架,协议地球参考系及参考框架,时间系统与坐标参照系课件,第36页,3.3,地球参考系及参考框架,地心地固系ECEF,X,Y,Z,时间系统与坐标参照系课件,第37页,3.3,地球参考系及参考框架,地心地固系ECEF,（续）,时间系统与坐标参照系课件,第38页,3.3,地球参考系及参考框架,地心地固系ECEF,（续）,B,L,H,时间系统与坐标参照系课件,第39页,3.3,地球参考系及参考框架,地心地固系ECEF,（续）,时间系统与坐标参照系课件,第40页,3.3,地球参考系及参考框架,地心地固系ECEF,（续）,时间系统与坐标参照系课件,第41页,3.3,地球参考系及参考框架,1）国际地球参考系ITRS及参考框架ITRF,时间系统与坐标参照系课件,第42页,ITRF,itrf.ensg.ign.fr,时间系统与坐标参照系课件,第43页,3.3,地球参考系及参考框架,2）WGS84,时间系统与坐标参照系课件,第44页,3.5,坐标转换,问题由来,时间系统与坐标参照系课件,第45页,时间系统与坐标参照系课件,第46页,3.4,地心惯性参考系,地心惯性系ECI（地心空固系）,时间系统与坐标参照系课件,第47页,3.4,地心惯性参考系,ECI与ECEF间相互转换,时间系统与坐标参照系课件,第48页,3.4,地心惯性参考系,ECI与ECEF间相互转换,时间系统与坐标参照系课件,第49页,3.5,坐标转换,概 述,同一坐标参考系下,e.g.,不一样坐标参考系下,坐标系变换,基准变换,基准变换,坐标系变换,e.g.,e.g.,时间系统与坐标参照系课件,第50页,3.5,坐标转换,空间直角坐标系与大地坐标系间转换,B,L,H X,Y,Z,时间系统与坐标参照系课件,第51页,3.5,坐标转换,X,Y,Z B,L,H,空间直角坐标系与大地坐标系间转换,时间系统与坐标参照系课件,第52页,3.5,坐标转换,不一样,空间直角,坐标系间转换,时间系统与坐标参照系课件,第53页,时间系统与坐标参照系课件,第54页,时间系统与坐标参照系课件,第55页,时间系统与坐标参照系课件,第56页,3.5,坐标转换,空间直角,坐标系与,站心,坐标系间转换,时间系统与坐标参照系课件,第57页,时间系统与坐标参照系课件,第58页,时间系统与坐标参照系课件,第59页,