時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)參照系GNSS.ppt

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(yáng)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(yáng)公轉(zhuǎn) 天球 以地球質(zhì)心為中心 半徑為任意長(zhǎng)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(lái)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(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí) 地球上的觀測(cè)者所見(jiàn)到的 太陽(yáng)在天球上運(yùn)動(dòng)的軌跡 黃極 通過(guò)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(chēng)為北黃極 靠近南天極的交點(diǎn)稱(chēng)為南黃極 春分點(diǎn) 當(dāng)太陽(yáng)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(guò)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(chēng)為天軸 天極 天軸與天球的交點(diǎn)稱(chēng)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(yáng)公轉(zhuǎn) 開(kāi)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(yáng)的質(zhì)心相重合 在開(kāi)普勒橢圓軌道上 地球離太陽(yáng)質(zhì)心最近的點(diǎn)稱(chēng)為近日點(diǎn) 而離太陽(yáng)質(zhì)心最遠(yuǎn)的點(diǎn)稱(chēng)為遠(yuǎn)日點(diǎn) 它們?cè)趹T性空間中的位置是固定不變的 地球繞太陽(yáng)運(yùn)行的軌道面 是一個(gè)通過(guò)太陽(yáng)質(zhì)心的靜止平面 軌道橢圓一般稱(chēng)開(kāi)普勒橢圓 其形狀和大小不變 1 1地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn) 開(kāi)普勒第二運(yùn)動(dòng)定律 地球的太陽(yáng)質(zhì)心向徑 即地球質(zhì)心與太陽(yáng)質(zhì)心間的距離向量 在相同的時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等 根據(jù)能量守恒定理 地球在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(kāi)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(zhǎng)半徑的立方之比為一常量 當(dāng)開(kāi)普勒橢圓的長(zhǎng)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(yáng)旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間是由其軌道的長(zhǎng)半軸的大小決定的 稱(chēng)為一恒星年 1 2地球的自轉(zhuǎn) 地球在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的同時(shí) 繞其自身的旋轉(zhuǎn)軸 地軸 自轉(zhuǎn) 從而形成晝夜變化 地軸是過(guò)地球中心和兩極的軸線 在某一時(shí)刻的旋轉(zhuǎn)軸稱(chēng)為瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸 它在空間的指向 與地球的相對(duì)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(zhǎng)變化 地軸方向相對(duì)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(lèi)似于旋轉(zhuǎn)陀螺在重力場(chǎng)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(chēng)為歲差 歲差是地軸方向相對(duì)于空間的長(zhǎng)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(duì)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(chēng)為白道 由于白道相對(duì)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(lèi)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(chēng)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(chēng)為真旋轉(zhuǎn)軸或瞬時(shí)軸 對(duì)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(duì)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(duì)于地球本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置變化 1 2地球的自轉(zhuǎn) 地球自轉(zhuǎn)軸存在相對(duì)于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(chēng)為極移 某一觀測(cè)瞬間地球極所在的位置稱(chēng)為瞬時(shí)極 某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置稱(chēng)為平極 地球極點(diǎn)的變化 幅度不會(huì)超過(guò)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(hào)相反 天文聯(lián)合會(huì) IAU 和大地測(cè)量與地球物理聯(lián)合會(huì) IUGG 建議采用國(guó)際上5個(gè)緯度服務(wù) ILS 站以1900 1905年的平均緯度所確定的平極作為基準(zhǔn)點(diǎn) 通常稱(chēng)為國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO ConventionalInternationalOrigin 其相對(duì)于1900 1905年平均歷元1903 0 地軸相對(duì)于地球本體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(duì)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(guó)際極移服務(wù) IPMS 和國(guó)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(cè)技術(shù)和VLBI等空間觀測(cè)技術(shù)計(jì)算得到新的協(xié)議地球極CTP ConventionalTerrestrialPole 以1984 0為參考?xì)v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(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(zhǎng)期變化 短周期變化是由于地球周期性潮汐影響 長(zhǎng)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(zhǎng)的視擾動(dòng)并緩慢變長(zhǎng) 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) www iers org 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(lèi) 2 1概述 1 對(duì)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 對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)或天文學(xué) 某一事件相應(yīng)的時(shí)刻稱(chēng)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(cè)的 選取的物理對(duì)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 SiderealTime 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(chēng)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(guò)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(duì)于這一地方子午圈的時(shí)角 如果度量是從格林尼治子午線起計(jì)的 那么恒星時(shí)就稱(chēng)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) 世界時(shí) UT UniversalTime 2 2時(shí)間系統(tǒng) 1 以真太陽(yáng)作為基本參考點(diǎn) 由其周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間 稱(chēng)為真太陽(yáng)時(shí) 一個(gè)真太陽(yáng)日就是真太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈上中天所經(jīng)歷的時(shí)間 由于真太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的 因而真太陽(yáng)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(yáng) 其速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度 一個(gè)平太陽(yáng)日就是平太陽(yáng)連續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈上中天所經(jīng)歷的時(shí)間 分為24個(gè)平太陽(yáng)時(shí) 2 以格林尼治子夜起算的平太陽(yáng)時(shí)稱(chēng)為世界時(shí) UT0 未經(jīng)任何改正的世界時(shí)UT1 經(jīng)過(guò)極移改正的世界時(shí)UT2 進(jìn)一步經(jīng)過(guò)地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性改正后的世界時(shí) 以太陽(yáng)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(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道也移動(dòng)很短的距離 約為59 08 因此 經(jīng)過(guò)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(yáng)達(dá)到最高點(diǎn) 因此 太陽(yáng)日比恒星日約長(zhǎng)4分鐘 一年中的太陽(yáng)日要比恒星日少一天 這使得恒星日 365 24 366 24 太陽(yáng)日 即為23小時(shí)56分4 1秒 歷書(shū)時(shí) ET EphemerisTime 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(cè)得的時(shí)間不均勻 1958年第10屆IAU決定 自1960年起開(kāi)始以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的歷書(shū)時(shí)來(lái)量度時(shí)間 用歷書(shū)時(shí)系統(tǒng)代替世界時(shí) 其秒長(zhǎng)規(guī)定為1900年1月1日12時(shí)整回歸年長(zhǎng)度的1 31556925 9747 2 根據(jù)廣義相對(duì)論 太陽(yáng)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(yáng)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(shū)時(shí) 已被原子時(shí)所代替 TerrestrialDynamicTime BarycentricDynamicTime 基于地球公轉(zhuǎn) 原子時(shí) AT AtomicTime 2 2時(shí)間系統(tǒng) 1 原子時(shí)是一種以原子諧振信號(hào)周期為標(biāo)準(zhǔn) 并對(duì)它進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo) 基本單位是原子時(shí)秒 其定義為 在零磁場(chǎng)下 銫原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時(shí)間 在1967年第13屆國(guó)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(guó)際參照時(shí)標(biāo) 規(guī)定為國(guó)際單位制中的時(shí)間單位 即SI InternationalSystem 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(chēng)為國(guó)際原子時(shí) 簡(jiǎn)稱(chēng)TAI TAI是基于原子秒的 IERS利用來(lái)自分布在全球的60多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的200多個(gè)鐘 來(lái)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 CoordinatedUniversalTime 2 2時(shí)間系統(tǒng) 1 原子時(shí)與地球自轉(zhuǎn)沒(méi)有直接聯(lián)系 由于地球自轉(zhuǎn)速度長(zhǎng)期變慢的趨勢(shì) 原子時(shí)與世界時(shí)的差異將逐漸變大 秒長(zhǎng)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(zhǎng) 又通過(guò)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差值超過(guò)限制 由IERS來(lái)控制UTC的跳秒 國(guó)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LeapSecond http www iers org dUT1 跳秒LeapSecond GPS時(shí) GPST GPSTime 2 2時(shí)間系統(tǒng) GPST也是一種原子時(shí) 由美國(guó)海軍觀測(cè)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(zhǎng) 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(lái)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(gè)由146097天所組成的400年周期為基礎(chǔ) 1年的平均長(zhǎng)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 JulianDate JD 儒勒日 是方便的平太陽(yáng)日連續(xù)計(jì)時(shí)系統(tǒng) 它從公元前4713年開(kāi)始 傳統(tǒng)上 儒勒日是從UT1的正午12時(shí)開(kāi)始計(jì)的 約化儒勒日MJD ModifiedJulianDate MJD JD 2400000 5儒勒日J(rèn)D到約化儒勒日MJD a 可以減小JD數(shù)值的大小 b MJD的日期從子夜0時(shí)起計(jì) 而改變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(chēng)為公元 相互轉(zhuǎn)換 儒勒歷元JulianEpoch J2000 0JulianEpochJuliandate2451545 0January1 2000 11 59 27 816TAIJanuary1 2000 11 58 55 816UTC一個(gè)儒勒年的長(zhǎng)度為365 25個(gè)平太陽(yáng)日 JulianEpoch 2000 0 JulianDate 2451545 0 365 25 2 2時(shí)間系統(tǒng) 作業(yè) 1 將格里高利歷2012 02 2411 25 30轉(zhuǎn)換成儒勒日 Year Doy2 將GPST2010 11 2723 59 59 999999999轉(zhuǎn)換成GPSWeek tow 三坐標(biāo)系統(tǒng) 3 1坐標(biāo)與坐標(biāo)系3 2基準(zhǔn)與坐標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)換 3 1坐標(biāo)與坐標(biāo)系 3 2基準(zhǔn)與坐標(biāo)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(xié)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(xù) 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續(xù) 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續(xù) 3 3地球參照系及參考框架 地心地固系ECEF 續(xù) 3 3地球參照系及參考框架 1 國(guó)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