第2章 坐标系统与时间系统

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月球绕地球旋转的轨道称为白道， 月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨 道与月的之间距离是不断变化的，使得月球引力产生 道与月的之间距离是不断变化的， 的大小和方向不断变化， 的大小和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕 黄极旋转的轨道不是平滑的小圆， 黄极旋转的轨道不是平滑的小圆，而是类似圆的波浪 曲线运动， 曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期为 18.6年 且振幅为9.21″ 短周期运动。 9.21″的 18.6年，且振幅为9.21″的短周期运动。这种现象称 章动。 为章动。 考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、 考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真 天极、真天球赤道、瞬时真春分点。 天极、真天球赤道、瞬时真春分点。 考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、 考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、 瞬时平春分点。 瞬时平春分点。
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恒星时(ST) 一、恒星时(ST)
以春分点作为基本参考点， 以春分点作为基本参考点，由春分点周日视运动确定 的时间，称为恒星时 恒星时。 的时间，称为恒星时。 春分点连续两次经过同一子午圈上中天 上中天的时间间隔为 春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔为 一个恒星日 分为24个恒星时， 恒星日， 24个恒星时 一个恒星日，分为24个恒星时，某一地点的地方恒星 时，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时 角。 地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、 地方真恒星时、平恒星时、格林尼治真恒星时、 格 林尼治平恒星时之间的关系 之间的关系： 林尼治平恒星时之间的关系：
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春分点与秋分点 黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。 黄道与赤道的两个交点称为春分点和秋分点。视太 春分点 阳在黄道上从南半球向北半球运动时，黄道与天球 阳在黄道上从南半球向北半球运动时， 赤道的交点称为春分点， 表示。 赤道的交点称为春分点，用 γ表示。 表示 在天文学中和研究卫星运动时，春分点和 在天文学中和研究卫星运动时，春分点和天球赤道 是建立参考系的重要基准点 基准点和 面，是建立参考系的重要基准点和基准面 赤经与赤纬 地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称 赤纬,春分点的天球子午面与过天体的天球子午面 为赤纬 春分点的天球子午面与过天体的天球子午面 的夹角为赤经 赤经。 的夹角为赤经。
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(2)地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地轴相对于地球本身相对位置变化（极移） 地轴相对于地球本身相对位置变化
地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置 变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化， 变化，从而导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，这 种现象称为极移 极移。 种现象称为极移。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极 瞬时极， 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间 平极。 内地极的平均位置称为平极 地球极点的变化， 内地极的平均位置称为平极。地球极点的变化，导致地面点 的纬度发生变化。 的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) (IAU)和大地测量与地球物理联合会 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议 采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900 1905年的平均纬度 (ILS)站以1900～ 采用国际上5个纬度服务(ILS)站以1900～1905年的平均纬度 国际协议原点CIO 所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点 所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原点CIO (Conventional International Origin)
运动是连续的； 运动是连续的； 运动的周期具有足够的稳定性； 运动的周期具有足够的稳定性； 运动是可观测的。 运动是可观测的。
选取的物理对象不同，时间的定义不同: 选取的物理对象不同，时间的定义不同: 地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。 地球的自转运动、地球的公转、物质的振动等。
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时圈 通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 黄道 地球公转的轨道面(黄道面 与天球相交的大圆称为黄道 黄道面)与天球相交的大圆称为黄道。 地球公转的轨道面 黄道面 与天球相交的大圆称为黄道。 黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为23.5度。 黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约为 度 黄极 通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点， 通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点， 称为黄极 其中靠近北天极的交点称为北黄极 黄极。 北黄极， 称为黄极。其中靠近北天极的交点称为北黄极，靠近南 天极的交点称为南黄极 南黄极。 天极的交点称为南黄极。
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(3)地球自转速度变化（日长变化） (3)地球自转速度变化（日长变化） 地球自转速度变化
地球自转不是均匀的， 地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长 期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响， 期变化，短周期变化是由于地球周期性潮汐影响，长期变 化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化， 化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化， 导致日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准 导致日长的视扰动和缓慢变长， 的时间尺度产生变化。 的时间尺度产生变化。 描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向 描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向 参数 (EOP)，描述地球自转速度变化的参数和描述极移的 (EOP)， 参数称为地球自转参数(ERP)， 地球自转参数(ERP) 参数称为地球自转参数(ERP)，EOP 即为 ERP 加上岁差和 章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS) (IERS)网站 章动，其数值可以在国际地球旋转服务(IERS)网站 上得到。 ( )上得到。
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2.2 时间系统
时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。 时间的描述包括时间原点、单位（尺度）两大要素。 原点 时间是物质运动过程的连续的表现， 时间是物质运动过程的连续的表现，选择测量时间单 位的基本原则是选取一种物质的运动。 位的基本原则是选取一种物质的运动。时间的特点是 连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。 连续、均匀，故一种物质的运动也应该连续、均匀。 周期运动满足如下三项要求， 周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方 法。
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未经任何改正的世界时表示为UT0， 未经任何改正的世界时表示为UT0，经过极移改正的世 UT0 界时表示为UT1 UT1， 界时表示为UT1，进一步经过地球自转速度的季节性改正后 的世界时表示为UT2 UT2。 的世界时表示为UT2。 UT1=UT0+Δλ, UT2=UT1+ΔT
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天文学的基本概念（预备知识） 天文学的基本概念（预备知识） 天球的基本概念 所谓天球，是指以地球质心O为中心， 所谓天球，是指以地球质心O为中心，半径 r 为任意长度的一个假想的球体。在天文学中， 为任意长度的一个假想的球体。在天文学中，通常 均把天体投影到天球的球面上， 均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来 表达或研究天体的位置及天体之间的关系。 表达或研究天体的位置及天体之间的关系。 建立球面坐标系统，如图2 建立球面坐标系统，如图2－1所示. 所示.
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地球绕太阳公转：开普勒三大运动定律： 一、地球绕太阳公转：开普勒三大运动定律：
— 运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上； 运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上； — 在单位时间内扫过的面积相等； 在单位时间内扫过的面积相等； — 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。
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二、 地球的自转
地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） (1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） 地球自转轴在空间的变化， 地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结 假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的, 果。假设月球的引力及其运行轨道是固定不变的,由 于日、月等天体的影响， 于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄 极发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺， 极发生缓慢旋转，类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥 见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5 ），其锥角等于黄赤交角 体（见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5 ″ ， 旋转周期为26000 26000年 这种运动称为岁差 岁差， 旋转周期为26000年，这种运动称为岁差，是地轴方 长周期运动。 向相对于空间的长周期运动 向相对于空间的长周期运动。岁差使春分点每年向西 移动50.3″ 移动50.3″
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图2－1 天球的概念
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天轴与天极 地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点 PN 地球自转轴的延伸直线为天轴， 天极， 称为北天极， 为南天极。 称为天极 和 PS 称为天极，其中 PN 称为北天极， PS 为南天极。 天球赤道面与天球赤道 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。 通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。 天球赤道面与地球赤道面相重合。 天球赤道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相 交的大圆称为天球赤道 天球赤道。 交的大圆称为天球赤道。 天球子午面与子午圈 含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面 天球子午面. 含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面 天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈 天球子午圈。 天球子午面与天球相交的大圆称为天球子午圈。源自2012年3月8日4时13分
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和国际时间局( )等机 国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机 构分别用不同的方法得到地极原点。 CIO相应的 构分别用不同的方法得到地极原点。 与CIO相应的 地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 。