第二章 坐标系统和时间系统

X
天球坐标系
地球坐标系
§ 2.3 坐标系统 ②、高程参考系统:
正高: 以大地水准面为参考面
正常高: 以似大地水准为参考面
H H
正
N
H H 正常
P
大地水准面 似大地水准面

H正常 H 正
N
参考椭球面
§ 2.3 坐标系统 ③、重力参考系统：重力观测的参考系统。
4、大地测量的参考框架(Geodetic Reference
o
天球赤 道
P 黄道 Y
X
春分 点
§ 2.3 坐标系统
2、协议天球坐标系转换到瞬时平天球坐标系
二者的差异是由于岁差引起的，可经坐标系的旋转来进行转换。
x y z x P y z
P R Z Z
CIS
A
R Y A R Z
黄赤交角23°27′
§ 2.3 坐标系统
3、大地测量参考系（Geodetic Reference
System） ①、坐标参考系统：天球坐标系 地球坐标系 点的坐标可用（x,y,z）表示，也可用（L，B，H）表示。
Z Z
P o X 春 分 点 天球 赤道 黄道 Y
首 子 午 线
L
B
P Y
地球 赤道
o
TDB TDT 0 . 001658 sin( g 0 . 0167 sin g ) g ( 357 . 258
0
35999 . 050 T )( 2 / 360 )
0
TDT TAI 32 . 184
§ 2.3 坐标系统
一、基本概念
1.大地基准(Geodetic Datum):
Z
Z
P0 ζA
A

Mt
R Z Z
A

cos Z A sin Z A 0 0 1 0
A A
sin Z cos Z 0
A
A
0 0 1 0 0 1
Pi
R Y
A

cos A 0 sin A
儒略历：是公元前罗马皇帝儒略· 凯撤所实行的一种历法。儒略日（JD） 是从公元前4713年儒略历1月1日格林尼治平正午起算的连续天数。一 个儒略世纪有36525个儒略日。标准历元J2000.0为2451545.0儒略日. 简化儒略日（MJD）等于儒略日减去2400000.5日. 1900年3月以后2100年2月儒略日计算公式:
sin 0 cos sin cos 0
A A
zA
A
Y
Y
r0
R Z
A
cos sin 0
A
X X ri
θA
瞬时平赤道
标准历元平赤道
其中ZA，θA，ζA为岁差参数
§ 2.3 坐标系统
3、瞬时平天球坐标系转换到瞬时天球坐标系
二者的差异是由于章动引起的，可经坐标系的旋转来进行转换。
Frame) ①、坐标参考框架： 具体实现：国家平面控制网，GPS网
②、高程参考框架: 具体实现：国家高程控制网（水准网） ③、重力参考框架： 具体实现：国家重力基本（控制）网
§ 2.3 坐标系统
5、椭球的定位和定向
①、椭球定位：确定椭球中心的位置。 地心定位：椭球面与大地水准面全球最佳符合。椭球中 心与地球质心一致或最为接近。 局部定位：椭球面与大地水准面局部最佳符合。 ②、椭球定向：确定旋转轴和起始子午面的方向。 a.椭球短轴平行于地球旋转轴； b.大地起始子午面平行于天文起始子午面. ③、参考椭球：具有确定参数（a,α ),经过局部定位和定向的 地球椭球。 ④、总地球椭球：具有确定参数（a,α ),经过地心定位和定向， 与全球大地水准面最为密合的地球椭球。
a).椭球参数: 长半径和扁率
地球椭球
b).椭球定向:椭球旋转轴平行于地球旋转轴,椭球起始 子午面平行于地球起始子午面. c).椭球定位:确定椭球中心与地球中心的相对位置.
§ 2.3 坐标系统
2、天球：
以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。 天轴，天极，天球赤道，天球赤道面，天球子午面，天球子 午圈，时圈，黄道，黄极，春分点。
§ 2.3 坐标系统
二、天球坐标系 1、惯性坐标系（CIS）与协议天球坐标系
① 惯性坐标系（CIS）:在空间不动或做匀速直线运动的坐标系. ② 协议天球坐标系：以某一约定时刻t0作为参考历元，把该时刻对应 的瞬时自转轴经岁差和章动改正后作为Z轴，以对应的春分点为X 轴的指向点，以XOZ的垂直方向为Y轴方向建立的天球坐标系。 Z 是一种近似的惯性坐标系。 目前采用的协议天球坐标系是以标准历元 J2000.0（2000年1月1.5日）的平赤 道和平春分点为依据的。 ③ 瞬时平天球坐标系：以某一瞬时平 天球赤道和对应的春分点为依据。 ④ 瞬时真天球坐标系：以某一瞬时北 天极和对应的真春分点为依据。
§ 2.2 时间系统
七、历书时(ET)与力学时(DT)
历书时(ET):以地球公转运动为基准的时间系统. 起始历元为1900年1月12时. 秒长为1900年1月12时整回归年长度的1/31556925.9747. 力学时(DT):天体运动力学理论建立的运动方程所采用的时间参数. 太阳系质心力学时(TDB):相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数. 地球质心力学时(TDT):相对于太阳系质心的运动方程所采用的时间参数. 力学时(DT)所采用的基本单位是国际制秒(SI),与原子时的尺度一致.
春分点
远日 点
近日点
地球
秋分点
§ 2-1、地球的运转 天球：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。
天轴，天极，天球赤道，天球赤道面，天球子午面，天球子 午圈，时圈，黄道，黄极，春分点。 太阳的周日视运动
黄赤交角23°27′
黄道与赤道
§ 2-1、地球的运转
二、地球自转：
由于日月等天体的影响及地球自身的不规则，地球自转轴方向是不断变化的。
x x y N y z z t Mt
§ 2-1、地球的运转
2、章动：在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕
瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆形轨迹，其长半径约 为9.2″，周期约为18.6年。这种现象称为章动。 真赤道: 某一时刻的赤道.(由于岁差和章动的影响,每一时刻赤道的位置不同) 平赤道:只有岁差影响时的赤道. 黄经章动:章动引起的黄经变化.即平春分点与真春点的角距. 交角章动:章动引起的黄赤交角的变化.
五 .协调世界时UTC
协调世界时UTC:由于地球自转速度有变慢的趋势，为了避免世界时和原 子时产生过大偏差而采用的一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近 世界时的一种折衷的时间系统。 当二者之差超过±0.9秒时，便在协调世界时UTC加入一闰秒。闰秒一 般在12月31日或6月30日加入。 协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致。 协调时与国际原子时之间的关系，如下式所示： TAI=UTC+1s×n 式中n为调整参数

第二章 坐标系统和时间系统
地球的运转 时间系统 坐标系统

徐卓揆
公路工程学院
§ 2-1、地球的运转
一、地球公转：围绕太阳的旋转
公转一周的周期为一恒星年，为365.256354个太阳日 地球连续两次经过春分点所需的时间为一回归年，长度为365.24219个太阳日。
1）、黄道：太阳公转的轨道，是一椭圆。但由于其它星球的影 响，使轨道产生摄动，并不严格的椭圆。 2）、满足开普勒三大行星定律 ①、行星运行的轨道是一个椭圆，而 该椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合 ②、行星质心与太阳质心间的距离向 量，在相同的时间内所扫过的面积相等 ③、行星运动周期的平方与轨道椭圆 长半径的立方之比为一常量
§ 2.2 时间系统
六 .GPS时间系统GPST
基于美国海军观测实验室维持的原子时的时间系统。 GPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的 原点与国际原子时TAI相差19s。有关系式： TAI-GPST=19（s） 在1980年1月6日，GPST与UTC相等，它们的关系为： GPST = UTC + n GPS时间系统与各种时间系统的关系见图所示：
§ 2-1、地球的运转
3、极移：地球瞬时自转轴在地球上随时间而变，称为地极移动，简称
极移。 瞬时极：与观测瞬间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的 地球极轴， 相应的极点称为瞬时极。 平 极：某段时间内地极的平均位置。 国际协定原点CIO：国际天文联合会IAU和国际大地测量与物理联合会IUGG 采用国际上5个纬度服务站的资料，以1900.00至1905.05年地球自转轴瞬 时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。也称协议 地球极CTP。 国际时间局BIH的CIO有：BIH1968.0，BIH1979.0，BIH1984.0 地极坐标系：以CIO为原点，零子 午线方向为X轴，以零子午线以西 90°子午线为y轴。 用来描述极移规律。 平春分点：相应于平极的春分点。
GAST GMST GAST LAST
1 . 0027379093
S 2
s
UT 1
S
24110 . 54841 0 . 093104
s
8640184 . 812866 6 . 2 10
6
T
来自百度文库
T
T
3
§ 2.2 时间系统
其中，Δ ψ 为黄经章动，ε 黄赤交角，T为标准历元J2000.0 到计算历元之间的儒略世纪数
JD=367×Y-7×[Y+（M+9）/12]/4+275×M/9+D+1721014 其中Y,M,D表示年月日,/表示整除.
§ 2.2 时间系统
二 .平太阳时MT
真太阳时:以真太阳作为参考点，由它的周 日视运动所确定的时间 平太阳时:以平太阳作为参考点，由它的周 日视运动所确定的时间。 计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、 平太阳分、平太阳秒； 平太阳日:平太阳连续两次经过同一子午圈 的时间间隔. 一回归年=365.24219879平太阳日 一平太阳日=24平太阳小时=1440平 太阳分=86400平太阳秒。 平太阳时与日常生活中使用的时间系统是 一致的，通常钟表所指示的 时刻正是平太阳 时。
§ 2.2 时间系统
一、恒星时ST 定义：以春分点为参考点，由它的周日视运动所确定的时间
称为恒星时。 计量时间单位：恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒； 恒星日：春分点连续两次经过同一子午圈上中天的时间间隔。 分类：真恒星时和平恒星时。
LAST LMST cos GMST LMST GMST
§ 2-1、地球的运转
§ 2.2 时间系统
时刻：某一时间点，也就是发生某一现象的瞬间，也称历元。 时间间隔：两个时刻之间的时间差。 时间系统的要素：时间原点、度量单位（时间尺度）。 任何一个周期运动满足如下要求方可作为计量时间的方法： a.运动是连续的； b.周期有足够的稳定性； c.运动是可观测的。 在实际中有多种时间系统。

1 15
x p sin
y p cos tan

T 0 . 022 sin 2 t 0 . 012 cos 2 t 0 . 006 sin 4 t 0 . 007 cos 4 t
§ 2.2 时间系统
四.原子时AT
原子时：是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。 原子时的尺度标准：(在海平面实现的原子秒)国际制秒（SI）。 原子秒：在零磁场下，铯-133原子基态两个超精细能级间跃迁 辐射9192631770周所持续的时间。
1、岁差：在日月引力和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球
在绕太阳运行时，自转轴的方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓 慢的西移，这种现象在天文学中称为岁差。 在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极产生缓慢的旋转(从北天极上 方观察为顺时针方向)，形成一个倒圆锥体，其锥角等于 黄赤交角23°27′。 岁差的周期约为 25800年。岁差使春 分点每年西移50.3″。
§ 2.2 时间系统
三 .世界时UT
定义：以平子午夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为 世界时UT。(就是将格林尼冶午夜定为零点的平太阳时) UT0:未经任何改正的世界时 UT1:经过极移改正的世界时 UT2:在UT1的基础上经过地球自转速度的季节性改正的世界时
UT 1 UT 0 UT 2 UT 1 T