第二章坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)(1)ppt課件

1、第二章坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng) (一)第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)1.地球公轉(zhuǎn)：圍繞太陽的旋轉(zhuǎn) 公轉(zhuǎn)一周的周期為一恒星年，為365.256354個太陽日 地球延續(xù)兩次經(jīng)過春分點所需的時間為一回歸年，長度為365.24219個太陽日。遠日點近日點地球春分點秋分點1滿足開普勒三大行星定律 行星運轉(zhuǎn)的軌道是一個橢圓，該橢圓的一個焦點與太陽的質(zhì)心相重合 行星質(zhì)心與太陽質(zhì)心間的間隔向量，在一樣的時間內(nèi)所掃過的面積相等 行星運動周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)：以地球質(zhì)心為中心以無窮大為半徑的假想球體。 天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸；天軸與天球的交點稱為天極( 為北天極， 為南天極

2、)。 天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過地球質(zhì)心O與天軸垂直的平面，稱為天球赤道面它與天球相交的大圓，稱為天球赤道。 天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點的平面，稱為天球子午面，它與天球相交的大圓，稱為天球子午圈。 時圈：經(jīng)過天球的平面與天球相交的半個大圓。第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)2)天球:地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，黃道面與赤道面的夾角，稱為黃赤交角，約為 。:當太陽在黃道上從天球南半球剛北半球運轉(zhuǎn)時，黃道與天球赤道的交點r。 ：太陽公轉(zhuǎn)的軌道，是一橢圓，稱為黃道。但由于其它星球的影響，使軌道產(chǎn)生攝動，并不嚴厲的橢圓。4黃極第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn) 黃道 春分點3黃道黃赤交角2327黃道天球2.

3、 地球自轉(zhuǎn)：繞其本身旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。周期為24小時。2.1 地軸方向相對于空間的變化：由于日月等天體的影響及地球本身的不規(guī)那么，地球自轉(zhuǎn)軸方向是不斷變化的。1歲差：在日月引力和其它天體引力對地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽運轉(zhuǎn)時，自轉(zhuǎn)軸的方向不再堅持不變，從而使春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種景象在天文學中稱為歲差。 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)(從北天極上方察看為順時針方向)，構(gòu)成一個倒圓錐體，其錐角等于黃赤交角2327。 歲差的周期約為25800年。歲差使春分點每年西移50.3。第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)歲差2章動：在日月引力等要素的影響下，瞬時北天極將繞瞬時平北天極產(chǎn)

4、生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長半徑約為9.2，周期約為18.6年。這種景象稱為章動。第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)真赤道: 某一時辰的赤道.(由于歲差和章動的影響,每一時辰赤道的位置不同)平赤道:只需歲差影響時的赤道.黃經(jīng)章動:章動引起的黃經(jīng)變化.即平春分點與真春點的角距.交角章動:章動引起的黃赤交角的變化.第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)2.2 地軸對于地球本體內(nèi)部構(gòu)造的相對位置變化極移 1.極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體本身內(nèi)部構(gòu)造的相對位置變化，從而導致極點在地球外表上的位置隨時間而變化，稱為地極挪動，簡稱極移。 2.瞬時極：與觀測瞬間相對應的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱為該瞬時的地球極軸，相應的極點稱為瞬時極。 3.平

5、極：某段時間內(nèi)地極的平均位置。 4.國際協(xié)定原點CIO：國際天文結(jié)合會IAU和國際大地丈量與物理結(jié)合會IUGG采用國際上5個緯度效力站的資料，以1900至1905年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時位置的平均位置作為地球的固定極稱為國際協(xié)定原點CIO。也稱協(xié)議地球極CTP。第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)5.地極坐標系：以CIO為原點，零子午線方向為X軸，以零子午線以西為了描畫90子午線為y軸。用來描畫極移規(guī)律。恣意瞬時t的極點位置可用( )表示。 6.平春分點：相應于平極的春分點。第一節(jié) 地球的運轉(zhuǎn)第二節(jié) 時間系統(tǒng) (1) 時辰：某一時間點，也就是發(fā)生某一景象的瞬間，也稱歷元。 (2) 時間間隔：兩個時辰之間的時間差。 (3

6、) 時間系統(tǒng)的要素：時間原點、度量單位時間尺度。 (4) 任何一個周期運動滿足如下要求方可作為計量時間的方法： a.運動是延續(xù)的； b.周期有足夠的穩(wěn)定性； c.運動可觀測； 大地丈量學研討的對象是隨時間變化的，大地丈量觀丈量與時間親密相關(guān)、在衛(wèi)星定位與導航技術(shù)中，時間系統(tǒng)是描畫衛(wèi)星運轉(zhuǎn)位置的重要基準。 在實踐運用中，根據(jù)需求選取滿足上述條件的周期運動，從而定義了多種時間系統(tǒng)。 例如： 1以地球自轉(zhuǎn)運動為根底，建立了恒星時(ST)和世界時(UT)； 2以地球公轉(zhuǎn)運動為根底，建立了歷書時(ET)，并進一步開展 為太陽系質(zhì)心力學時(TDB)和地球質(zhì)心力學時(TDT)； 3以物質(zhì)內(nèi)部原子運動特征為根

7、底，建立了原子時(TAI)。第二節(jié) 時間系統(tǒng)1. 恒星時ST 定義：以春分點為參考點，由它的周日視運動所確定的時間稱為恒星時。 計量時間單位：恒星日、恒星時、恒星分、恒星秒；1恒星日：春分點延續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天的時間間隔。 一恒星日=24恒星時=1440恒星分=86400恒星秒2分類：真恒星時和平恒星時。 真恒星時等于真春分點的地方時角(LAST)，平恒星時等于平春分 點的地方時角(LMST) 3某一地點的恒星時：在數(shù)值上等于春分點相對于這一地方子午圈 的時角。 第二節(jié) 時間系統(tǒng)(4) 真春分點的格林尼治時角(GAST)、平春分點的格林尼治時角 (GMST)與LAST、LMST的關(guān)系：

8、 其中，為黃經(jīng)章動，黃赤交角第二節(jié) 時間系統(tǒng)2.平太陽時MT1真太陽時:以真太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的 時間；2平太陽:由于真太陽的視運動速度是不均勻的，因此真太陽時 不是均勻的時間尺度。為此引入虛擬的在赤道上勻速運轉(zhuǎn)的 平太陽，其速度等于真太陽周年運動的平均速度。3平太陽時:以平太陽作為參考點，由它的周日視運動所確定的 時間。4計量時間單位：平太陽日、平太陽小時、平太陽分、平太陽 秒；第二節(jié) 時間系統(tǒng)5平太陽日:平太陽延續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔. 一回歸年=365.24219879平太陽日 一平太陽日=24平太陽小時=1440平太陽分=86400平太陽秒。 平太陽時與日常

9、生活中運用的時間系統(tǒng)是一致的，通常鐘表所指 示的時辰正是平太陽時。3.世界時UT 1定義：以平子午夜為零時起算的格林尼治平太陽時定義為世界時UT。第二節(jié) 時間系統(tǒng)UT0:未經(jīng)任何矯正的世界時UT1:經(jīng)過極移矯正的世界時UT2:在UT1的根底上經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性矯正的世界時第二節(jié) 時間系統(tǒng)4.原子時AT1原子時：是以物質(zhì)內(nèi)部原子運動的特征為根底建立的時 間系統(tǒng)。2原子時的尺度規(guī)范：(在海平面實現(xiàn)的原子秒)國際制秒 SI。3原子秒：在零磁場下，銫-133原子基態(tài)兩個超精細能級 間躍遷輻射9192631770周所繼續(xù)的時間。4國際原子時TAI：起點定在1958年1月1日0時0分0秒 UT2即

10、規(guī)定在這一瞬間原子時時辰與世界時辰重 合。但事后發(fā)現(xiàn)，在該瞬間TAI與世界時的時辰之差為 0.0039秒。 國際原子時(TAI)的原點由下式確定：AT=UT2-0.0039(s)第二節(jié) 時間系統(tǒng)5 .協(xié)調(diào)世界時UTC1協(xié)調(diào)世界時UTC:由于地球自轉(zhuǎn)速度有變慢的趨勢，為了 防止世界時和原子時產(chǎn)生過大偏向而采用的一種以原子 時秒長為根底，在時辰上盡量接近世界時的一種折衷的 時間系統(tǒng)。 當二者之差超越0.9秒時，便在協(xié)調(diào)世界時UTC加 入一閏秒。閏秒一 般在12月31日或6月30日參與。 協(xié)調(diào)世界時UTC的秒長與原子時秒長一致。2協(xié)調(diào)時與國際原子時之間的關(guān)系，如下式所示： TAI=UTC+1sn 式

11、中n為調(diào)整參數(shù)第二節(jié) 時間系統(tǒng)6.GPS時間系統(tǒng)GPST1定義：基于美國海軍觀測實驗室維持的原子時的時間系統(tǒng)。 GPST屬于原子時系統(tǒng)，它的秒長即為原子時秒長，GPST的原點與國際原子時TAI相差19s。有關(guān)系式： TAI-GPST=19s 在1980年1月6日，GPST與UTC相等，它們的關(guān)系為： GPST = UTC + n(13秒2005年) 2GPS時間系統(tǒng)與各種時間系統(tǒng)的關(guān)系見圖所示：第二節(jié) 時間系統(tǒng)7.歷書時(ET)與力學時(DT)1歷書時(ET)：以地球公轉(zhuǎn)運動為基準的時間系統(tǒng).起始歷 元為1900年1月1日12時.秒長為1900年1月1日12時整回歸 年長度的1/3155692

12、5.9747.2力學時(DT):天體運動力學實際建立的運動方程所采用的 時間參數(shù).3太陽系質(zhì)心力學時(TDB):相對于太陽系質(zhì)心的運動方程所 采用的時間參數(shù).4地球質(zhì)心力學時(TDT):相對于地心系的運動方程所采用的 時間參數(shù).第二節(jié) 時間系統(tǒng) 力學時(DT)所采用的根本單位是國際制秒(SI),與原子時的尺度一致.第二節(jié) 時間系統(tǒng)第三節(jié) 坐 標 系 統(tǒng)1.根本概念 1大地基準(Geodetic Datum):用來代表地球形體的旋轉(zhuǎn)橢球，建立大地基準就是求定旋轉(zhuǎn)橢球的參數(shù)及其定向和定位，即地球橢球。 a) 橢球參數(shù):長半徑和扁率 b) 橢球定向:橢球旋轉(zhuǎn)軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸,橢球起始子午面平 行于

13、地球起始子午面. c) 橢球定位:確定橢球中心與 地球中心的相對位置.2) 天球：以地球質(zhì)心為中心以無窮大為半徑的假想球體。 天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸；天軸與天球的交 點稱為天極( 為北天極， 為南天極)。 天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過地球質(zhì)心O與天軸垂直的平面，稱 為天球赤道面它與天球相交的大圓，稱為天球赤道。 天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過地球上任一點的平面， 稱為天球子午面，它與天球相交的大圓，稱為天球子午圈。 時圈：經(jīng)過天球的平面與天球相交的半個大圓。 黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，黃道面與赤道面 的夾角，稱為黃赤交角，約為 。 春分點：當太陽在黃道上從天球南

14、半球剛北半球運轉(zhuǎn)時，黃道 與天球赤道的交點r。第三節(jié) 坐 標 系 統(tǒng)黃赤交角2327天球3大地丈量參考系統(tǒng)Geodetic Reference System 坐標參考系統(tǒng)：天球坐標系 地球坐標系 點的坐標可用x,y,z表示，也可用L，B，H表示。XYZoP春分點黃道天球赤道天球坐標系地球坐標系XYZoP地球赤道首子午線LBB地球坐標系：用于研討地球上物體的定位與運動，是以旋轉(zhuǎn)橢球為參照體建立的坐標系統(tǒng)，分為大地坐標系和空間直角坐標系兩種方式.天球坐標系:用于研討天體和人造衛(wèi)星的定位與運動。第三節(jié) 坐 標 系 統(tǒng) 高程參考系統(tǒng):正高: 以大地水準面為參考面 PH正HN正常高: 以似大地水準為參考

15、面第三節(jié) 坐 標 系 統(tǒng) 重力參考系統(tǒng)：重力觀測的參考系統(tǒng)。4大地丈量的參考框架(Geodetic Reference Frame) 坐標參考框架： 詳細實現(xiàn)：國家平面控制網(wǎng)，GPS網(wǎng) 高程參考框架: 詳細實現(xiàn)：國家高程控制網(wǎng)水準網(wǎng) 重力參考框架： 詳細實現(xiàn)：國家重力根本控制網(wǎng) 定義：是大地丈量參考系統(tǒng)的詳細實現(xiàn)，是經(jīng)過大地丈量手段確定的固定在地面上的控制網(wǎng)(點)所構(gòu)建的。第三節(jié) 坐 標 系 統(tǒng)5橢球的定位和定向 橢球定位：確定橢球中心的位置。 地心定位：橢球面與大地水準面全球最正確符合。橢球中心與地 球質(zhì)心一致或最為接近。 部分定位：橢球面與大地水準面部分最正確符合。 橢球定向：確定旋轉(zhuǎn)軸和起始子午面的方向。 a.橢球短軸平行