空间大地测量(二)

世界时系统（6）
• 恒星时、真太阳时、平太阳时具有地方性，地方时 之差等于两地地理经度之差。 • 本初子午线：1884 年，在美国华盛顿的国际会议上 确定采用英国伦敦格林尼治天文台子午仪所在的子 午圈为本初子午圈，即零子午圈。 • 区时：分区统一的地方平时。美国人Word于1870年 首先提出，加拿大铁路工程师Fleming等完善。 • 日期变更线。 • 中国跨越 5 个时区，目前采用东 8 时区的时间为全国 统一的标准时间。
世界时的形式
• 世界时具有不同的形式 • 当地极坐标为零时，即x=y=0，这时的世界时记为 UT0，它与UT1的关系为：
UT 1 UT 0 ( x sin y cos ) tan
• 式中λ、φ为测站的经、纬度，x、y为极坐标。 当UT1中加入地球自转速率季节性变化改正ΔT 时，得到的世界时为UT2，它与UT1的关系为：
世界时系统（8）
• 目前发现地球自转不均匀有3个部分： • (1)长期减慢，约日长每世纪增加0.0016s， • (2)不规则变化，时而增加、时而减少几个毫秒， • (3)周期变化，有周年、半年、一月、半月等，周 年、半年项引起每年约±1ms的变化。 • 地球自转不均匀性直接导致平太阳日（世界时） 日长的不规则变化，经过季节等改正，平太阳时 秒在1年中仍然有±0.1μs的变化。
世界时系统（4）
• 平太阳时系统 • 参考点：平太阳视面中心 • 平太阳日的定义：平太阳视面中心连续两次经过 某地下子午圈所经历的时间间隔称做一个平太阳 日，1个平太阳日等分成86400s 。平太阳时（视 时）与平太阳时角关系如下：
m tm 12
h
世界时系统（5）
• 时差 • 时差达到极值 • 2月11日 • 5月14日 • 7月26日 • 11月3日 -14m24s 3m50s -6m18s 16m21s
原子时历史回顾(6)
• 研究原子钟理论和技术而获奖的部分物理学家
诺贝尔奖得主 I.Rabi C.Townes N.Basov A.Prokhorov N.Pamsey 朱棣文 获奖时间 1944年 1964年 1964年 1964年 1989年 1997年
原子时系统（1）
• 原子时Atomic Time • 原子频标输出的标准频率，经过适当分频，可以 带动一个时钟的钟面，给出一种由原子频标所确 定的时间，这样的时钟称为原子钟。 • 原子时秒长：位于海平面上的133铯（ 133 Cs）原 子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡 9192631770周所持续的时间为一个原子时秒。 • 原子时起点：定在1958年1月1日0时（UT1），事 后发现原子时与世界时相差0.0039秒。
力学时系统
• 地球动力学时Terrestrial Dynamic Time（TDT） • 地心历书的独立时间变量，秒长同原子时。 • 地球时Terrestrial Time（TT） • 用一个理想的钟在大地水准面上进行测量的均匀 时间变量。
原子时历史回顾(1)
• 1873年，麦克斯韦提出发射光谱的谱线波长和辐 射周期可以用来确定长度单位和时间单位。 • 20世纪30年代，电磁学、量子物理学、原子物理 学和波谱学的发展导致石英钟的问世。 • 石英钟在短期内测量时间的精度优于天文方法， 天体测量学家利用它发现了地球自转速率的季节 性变化。 • 石英钟的出现孕育了50年代分子钟和原子钟的诞 生。
空间大地测量(二) 时间系统
陈义 chenyi@tongji.edu.cn
时间系统 • 1.时间的基本知识 • 2.时间系统 • 3.各种时间系统之间的关系 • 4.时间系统之间的换算
时间：时间间隔与时刻
• 时间：物质存在和运动的基本形式之一。判别事 件发生的先后顺序和运动的快慢程度。 • 时间间隔：是指客观物质运动两个不同状态之间 所经过的时间历程。 • 时刻：是指客观物质在某种运动状态的瞬间与时 间坐标轴的原点之间的时间间隔。
24 18 10 ~ 10 • 目前人类认识时间的水平为 秒
• 例：天体的年龄可达100多亿年，人类有文字记 载的历史有数千年，某些基本粒子的寿命只有 10 24 秒。
度量时间的运动
• 选择一种连续的、均匀的物质运动量度时间， 这种运动必须满足下列要求： • 1．必须是连续的周期性运动。 • 2．运动的周期必须有足够的稳定性。 • 3．这种周期运动必须可复现，即可观测的。 • 目前选择的物质运动有： • 1．地球的自转：世界时系统。 • 2．地球的公转：历书时、力学时系统。 • 3 ．原子内部电子跃迁时的电磁波震荡：原子 时系统。
T (m ) m t tm
• 时差等于零： • 4月16日， 6月14日 • 9月2日， 12月25日
平恒星时与平太阳时的转换
• 格林尼治的平太阳时与平恒星时如下
G UT tm 12h , S tG
• 则平太阳时和平恒星时之差为：
G S UT tG tm 12h Am 12h
原子时历史回顾(4)
• 1953年，美国哥伦比亚大学Townes和中国学者王天眷 等人利用受激辐射放大原理研制成功激射型氨分子钟。 • 1955年，埃森在英国皇家物理实验室研制成功世界上第 一台铯束原子频率标准，开创了实用型原子钟的新纪 元。同时， Rabi的学生萨卡里斯在MIT研制成功实用型 铯原子钟，并于1956年投入商业化生产。 • 目前，铯束频标的准确度为±1×10-12，长期稳定度可 达±2×10-14。 • 1954-55年， Townes 在美国，Basov、Prokhorov在 原苏联完成氢微波激射器。1956年，氢原子钟在美国生 产。
历书时系统（1）
• 历书时Ephemeris Time（ET）秒定义 • 任何一个满足牛顿万有引力定律的天体运行历表都 可以给出这样的秒。 • 1950年，IAU选用纽康给出的反映地球公转的太阳 历表作为定义新时间基础，1956年国际计量委员会 给出如下新时间测量标准的秒定义：1900年1月0 日12时正回归年长度的1/31556925.9747，起点为 1900年初太阳几何平黄经为279°41′48.04″的 瞬间,作为历书时1900年1月0日12时正。
原子时历史回顾(3)
• 1920年，达尔文第一个把磁场中晶体的旋转与谐振 现象联系起来。1927年，菲普斯等人进行了原子非 绝热跃迁实验。 • 1936年，Rabi提出了分子和原子束谐振理论，并进 行了相应实验，得到了原子跃迁频率只取决于其内部 固有特征而与外界电磁场无关的重要结论，揭示了利 用量子跃迁实现频率控制的可能性。 • 1948年，史密斯在美国国家标准局利用拉比方法做 成了吸收型氨分子钟。 • 1949年，Ramsey提出分离振荡场方法
世界时系统（3）
• 由于真太阳时的不均匀性，1820年，法国科学院 提出秒长定义为：全年中所有真太阳日平均长度的 1/86400为1s，实际工作中无法实时得到秒长。 • 19世纪末。美国天文学家纽康(S.Newcomb)提出 用假想的太阳代替真太阳，简称平太阳。 • 1886年，在法国巴黎召开的国际讨论会同意采用 纽康方法定义平太阳日，从而产生了真正科学意义 上的平太阳时秒长。
S UT Am 12h UT 6h 38m 45s.836 8640184 s.542T 0 s.0929T 2
• Am为平太阳赤经，T为从1900年起算的儒略世纪数
Am 18h38m 45s.836 8640184s.542T 0 s.0929T 2
• 当UT=0时，格林尼治平太阳0的平恒星时为： S 6h38m 45s.836 8640184 s.542T 0 s.0929T 2
• 由此历书时的单位可表示为：
dT dL /(129602768.13 1.089T )
历书时系统（3）
• 太阳平黄经每增加360°为一个回归年，相应一个 回归年所包含的历书时秒为：
360 60 60 36525 86400 N 129602768.13 2.178T 31556925.9747 0.5303T
历书时系统（2）
• 这样定义的时间测量系统称为历书时（简写ET） • 1960年起，测量时间的标准是历书时秒 • 纽康给出的太阳几何平黄经的表达式为：
L 27941 48.04 129602768.13T 1.089T 2 dL / dT 129602768.13 1.089T
世界时系统（1）
• 恒星时系统 • 参考点：春分点 • 恒星时的定义：春分点连续两次经过某地上子 午圈的时间间隔称为一个恒星日 ， 1 个恒星日 等分成86400个恒星秒。恒星时与春分点的时间 以及天体的赤经和时角的关系如下：
S t t S S 12h
世界时系统（2）
• 真太阳时系统 • 参考点：真太阳视面中心 • 真太阳日的定义：真太阳视面中心连续两次经 过某地上子午圈所经历的时间间隔称做一个真 太阳日， 1 个真太阳日等分成 86400s 。真太阳 时（视时）与真太阳时角关系如下：
T t 12
h
• 真太阳时是不均匀的，真太阳日的最长日与最 短日相差可达51s。
• 1900.0，T=0，1回归年含历书时秒为 N=31556925.9747 • 历书时与世界时的关系：
T ET UT
• 根据对太阳、月球和行星的长期观测，该差值可表 示为： T 24s.394 72s.318T 29s.950T 2 1.82144 B • B为月球黄经变化项。
• 1.频率准确度 • 频率准确度是指振荡器所产生的实际振荡频率与 其理论值（标准值）之间的相对偏差。 • 2.频率漂移率 • 频率准确度在单位时间内的变化量称为频率偏移 率。 • 3.频率稳定度 • 频率稳定度反映频标在一定时间间隔内所输出的 平均频率的随机变化程度。
人造钟的质量比较
时间系统
• 地球自转：世界时（Universal Time）系统 • 恒星时，真太阳时，平太阳时 • 世界时，区时 • 地球公转：历书时（Ephemeris Time）系统 • 历书时，地球动力学时 • 质心动力学时，地球时 • 原子振荡：原子时（Atomic Time）系统 • 国际原子时，协调时 • GPS时间GPST
ห้องสมุดไป่ตู้
原子时历史回顾(5)
• 1969年，梅乔提出激光冷却和离子囚禁理论。 • 1979年，美国斯坦福大学汉斯克于利用这一理论在 实验室实现了对钠原子的激光减速。 • 1985年，朱棣文等人利用光学黏团首次实现对钠原 子的激光减速。 • 1989年，威曼在美国科罗拉多大学也实现了上述技 术。 • 1996年，法国国家标准实验室利用激光冷却和囚禁 技术研制出第一台铯原子喷泉频率标准。它的准确 度为±3×10-15，长期稳定度可达±2×10-15。
原子时历史回顾(2)
• 普朗克建立了量子理论基础 • 爱因斯坦引进了光子受激发射概念 • 波尔运用光子理论解释原子结构并提出能级概念 • 赫兹奠定了无线电频率检测基础 • 布鲁格利、海森堡和薛定谔创立并发展了波动力学 • 施特恩和格拉赫发现了原子磁性和它的空间量子化 • 二次大战后，无线电技术蓬勃发展，频率测量可以达 到30GHz
UT 2 UT 1 T 0 s.022sin 2 t 0 s.012 cos 2 t 0 s.006sin 4 t 0 s.007 cos 4 t
• T以年为单位，从贝赛尔年岁首起算。
世界时系统（7）
• 长期来，人们将地球自转看成是均匀的，包括哥 白尼。 • 1695年，哈雷在计算古代和中世纪的交食时发现 月球运动长期加速现象。 • 1754年，康德提出海洋潮汐摩擦会使地球自转速 度减慢的假说，可以解释哈雷发现的月球运动长 期加速现象，后续发现太阳、水星、金星也有类 似现象。
时间频率基础
• 周期过程重复出现一次所需要的时间，记为T • 频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振 动的次数，记为f。频率与周期的关系如下：
1 f T
• 过去选择周期比较长的运动来计量时间，如 日、年。 • 现在选择周期非常短、频率非常高的运动来计 量时间，如原子运动。
时钟的主要技术指标