1、时间系统与坐标参照系 授课教师：刘志强授课教师：刘志强 单单 位：河海大学位：河海大学 主要内容（一）地球的运转（一）地球的运转 （二）时间系统（二）时间系统 （三）坐标系统（三）坐标系统 一 地球的运转 1.1 天文学基本概念天文学基本概念 1.2 地球绕太阳公转地球绕太阳公转 1.3 地球的自转地球的自转 1.1 天文学基本概念天文学基本概念 天球坐标系天球坐标系 北天极北天极 1.1 地球绕太阳公转地球绕太阳公转 天球：以地球质心为中心，半径为任意长的假想球体。以地球质心为中心，半径为任意长的假想球体。在天文学中，通常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在天文学中，通常均
2、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。究天体的位置及天体之间的关系。黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的，太阳在天球上运动的轨迹。球上的观测者所见到的，太阳在天球上运动的轨迹。黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。其中靠近北天极的通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点。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。交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。春分点：当太阳在黄道上从天球的南半球向北半球运行时，黄
3、道与天球赤当太阳在黄道上从天球的南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。道的交点。天球赤道面：通过地球质心且与天轴垂直的平面。通过地球质心且与天轴垂直的平面。天轴：地球自转轴的延伸线称为天轴。地球自转轴的延伸线称为天轴。天极：天轴与天球的交点称为天极（北天极与南天极）。天轴与天球的交点称为天极（北天极与南天极）。在天文学中和研究卫星运动时，在天文学中和研究卫星运动时，春分点春分点和和天球赤道面天球赤道面，是建立参考系，是建立参考系的重要基准点和基准面。的重要基准点和基准面。1.1 地球绕太阳公转地球绕太阳公转 开普勒第一运动定律开普勒第一运动定律：地球运行的轨道是一个椭圆，：地球运行的轨道
4、是一个椭圆，而椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合。而椭圆的一个焦点与太阳的质心相重合。在开普勒椭圆轨道上，地球离太阳质心最近的点称为在开普勒椭圆轨道上，地球离太阳质心最近的点称为近日点近日点，而离而离太阳质心太阳质心最远的点称为最远的点称为远日点远日点；它们在惯性空间中的位置是；它们在惯性空间中的位置是固定不变的。固定不变的。地球绕太阳运行的轨道面，是一个通过太阳质心的静止平面。地球绕太阳运行的轨道面，是一个通过太阳质心的静止平面。轨道椭圆一般称轨道椭圆一般称开普勒椭圆开普勒椭圆，其形状和大小不变。，其形状和大小不变。1.1 地球绕太阳公转地球绕太阳公转 开普勒第二运动定律开普勒第二运动定律：地
5、球的太阳质心向径，即地球质心：地球的太阳质心向径，即地球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。等。根据根据能量守恒能量守恒定理定理，地球在运动过程中，其位能和动能之和应，地球在运动过程中，其位能和动能之和应保持不变。保持不变。地球在椭圆上的地球在椭圆上的运行速度运行速度是不断变化的，在近日点处速度为最大，是不断变化的，在近日点处速度为最大，而在远日点处速度为最小。而在远日点处速度为最小。开普勒第三运动定律开普勒第三运动定律：地球运行周期的平方，与轨道：地球运行周期的平方，与轨道椭圆长半径的立方之比为一常量。椭圆长半径的立
6、方之比为一常量。当开普勒椭圆的长半径确定后，地球运行的当开普勒椭圆的长半径确定后，地球运行的平均角速度平均角速度便随之确便随之确定，且保持不变。定，且保持不变。地球绕太阳旋转一圈的时间是由其轨道的长半轴的大小决定的，称地球绕太阳旋转一圈的时间是由其轨道的长半轴的大小决定的，称为一为一恒星年恒星年。1.2 地球的自转地球的自转 地球在绕太阳公转的同时，绕其自身的旋转轴（地地球在绕太阳公转的同时，绕其自身的旋转轴（地轴）自转，从而形成昼夜变化。轴）自转，从而形成昼夜变化。地轴是过地球中心和两极的轴线，在某一时刻的旋是过地球中心和两极的轴线，在某一时刻的旋转轴称为转轴称为瞬时旋转轴，它在，它在空间的
7、指向空间的指向、与地球的相与地球的相对关系对关系、地球绕地轴的旋转速度地球绕地轴的旋转速度是不断变化的，具体表是不断变化的，具体表现为：现为：岁差和章动 极移 日长变化 地轴方向相对于空间的变化地轴方向相对于空间的变化 1.2 地球的自转地球的自转 地球绕地轴旋转，可以看做地球绕地轴旋转，可以看做巨大的巨大的陀螺旋转陀螺旋转。由于日、月等天体的影响，。由于日、月等天体的影响，类似于旋转陀螺在重力场中的进动。地类似于旋转陀螺在重力场中的进动。地球旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，球旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转，形成一个倒圆椎体，形成一个倒圆椎体，这种运动称为这种运动称为岁差岁差。岁差是岁差是
8、地轴方向相对于空间的长周期运地轴方向相对于空间的长周期运动动，其锥角等于黄赤交角其锥角等于黄赤交角=23.5 旋转旋转周期为周期为26000年，并使春分点每年向西年，并使春分点每年向西移动移动50.3。地轴方向相对于空间的变化地轴方向相对于空间的变化 1.2 地球的自转地球的自转 月球绕地球旋转的轨道称为白道。由月球绕地球旋转的轨道称为白道。由于白道相对于黄道有约于白道相对于黄道有约5 的倾斜，且月球的倾斜，且月球运行的轨道与地球之间距离是不断变化的，运行的轨道与地球之间距离是不断变化的，使得使得月球引力产生的大小和方向不断变化月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致从而导致北天极北天极在天
9、球上绕黄极旋转的轨在天球上绕黄极旋转的轨道不是平滑的小圆，而是道不是平滑的小圆，而是类似圆的波浪曲类似圆的波浪曲线运动线运动。地球旋转轴在岁差的基础上叠加。地球旋转轴在岁差的基础上叠加18.6年的短周期运动，振幅为年的短周期运动，振幅为9.21“，这“，这种现象称为种现象称为章动章动。在在岁差和章动的共同影响岁差和章动的共同影响下，地球在某一时刻的实际旋转轴，称为下，地球在某一时刻的实际旋转轴，称为真旋转真旋转轴轴或或瞬时轴瞬时轴，对应的赤道为，对应的赤道为真赤道真赤道。（。（瞬时瞬时真真天极、瞬时天极、瞬时真真春分点春分点）假定假定只有岁差只有岁差的影响，则地球旋转轴为的影响，则地球旋转轴为
10、平轴平轴，对应的赤道为，对应的赤道为平赤道平赤道。（。（瞬瞬时时平平天极、瞬时天极、瞬时平平春分点春分点）地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化 1.2 地球的自转地球的自转 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极点在地球表面上的位置随时间而变化（有一定周期性、约（有一定周期性、约434天），这种天），这种现象称为现象称为极移极移。某一观测瞬间地球极所在的位置称为某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极瞬时极，某段时间内地极的平均，某
11、段时间内地极的平均位置称为位置称为平极平极。地球极点的变化（幅度不会超过地球极点的变化（幅度不会超过10m），），导致地面点的纬度发生变化导致地面点的纬度发生变化。同一经线上的点，纬度变化相同；经度相差同一经线上的点，纬度变化相同；经度相差180 的经线上的点，纬度变化的经线上的点，纬度变化符号相反。符号相反。天文联合会（天文联合会（IAU）和大地测量与地球物理联合会（）和大地测量与地球物理联合会（IUGG）建议采用国）建议采用国际上际上5个纬度服务（个纬度服务（ILS）站）站以以19001905年的平均纬度所确定的平极年的平均纬度所确定的平极作为作为基准点，通常称为基准点，通常称为国际协议原
12、点国际协议原点CIO（Conventional International Origin），其相对于），其相对于19001905年平均历元年平均历元1903.0。地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化 1.2 地球的自转地球的自转 在在1984年之前，采用年之前，采用刚体地球理论刚体地球理论计算地球旋转轴相对于计算地球旋转轴相对于CIO的变的变化，其变化规律是以化，其变化规律是以CIO作为坐标原点、以作为坐标原点、以零子午线的方向零子午线的方向作为作为x轴、以轴、以270 子午线子午线方向作为方向作为y轴而建立的轴而建立的地极坐标系进行描述，进行描述，
13、任意瞬时的极点任意瞬时的极点位置位置可用可用 表示。表示。(,)ppxy 国际极移服务（国际极移服务（IPMS）和国际时间局）和国际时间局（BIH）采用）采用非刚体地球理论非刚体地球理论并融合传统光并融合传统光学观测技术和学观测技术和VLBI等空间观测技术计算得到等空间观测技术计算得到新新的协议地球极的协议地球极CTP（Conventional Terrestrial Pole），以，以1984.0为参考历元为参考历元的的CTP被广泛采被广泛采用，如：用，如：WGS84（GPS）ITRF（IERS）都是采用都是采用BIH1984.0的的CTP作为作为Z轴的指向。轴的指向。地球自转速度变化地球自
14、转速度变化 1.2 地球的自转地球的自转 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，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。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，导致日长的视扰动并缓慢变长，从而使以地球自转地球的自转速度变化，导致日长的视扰动并缓慢变长，从而使以地球自转为基准的为基准的时间尺度产生变化。1.2 地球的自转地球的自转 EOP-地球定向参数地球定向参数 ERP-地球自转参数地球自转参数 EOP ERP 岁差岁差&章动章动 极移极移&地球
15、自转速度变化地球自转速度变化 二 时间系统 2.1 概述概述 2.2 时间系统时间系统 时间系统分类时间系统分类 2.1 概述概述 1）对于时间的描述，有）对于时间的描述，有原点原点和和尺度（度量单位）两大要素。（度量单位）两大要素。原点可以根据需要进行指定，度量单位采用时刻和时间间隔两种形式。原点可以根据需要进行指定，度量单位采用时刻和时间间隔两种形式。（对于卫星系统或天文学，某一事件相应的时刻称为（对于卫星系统或天文学，某一事件相应的时刻称为历元。）。）2）周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。）周期运动满足如下三项要求，可以作为计量时间的方法。运动是可观测的。运动是可观测的。
16、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、地球的公转、物质的振动等。地球的自转、地球的公转、物质的振动等。恒星时恒星时（ST-Sidereal Time）2.2 时间系统时间系统 1）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）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。恒星时是地球旋转的一种度量，它被定义为春分点的是地球旋转的一种度量，它被定义为春分点的时角。春分点连续两次。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经过同一子午圈上中天的时间间隔为一个恒星日，分为，分为24个恒星时。个恒星时。某一地点的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。，在数值上等于春分点相对于这一地方子午圈的时角。如果度量是从格林尼治子午线起计的，那么恒星时就称为如果度量是从格林尼治子午线起计的，那么恒星时就称为格林尼治恒星时。2）由于）由于岁差岁差和和章动章动的影响，地球自转轴的指向在空间是变化的，的影响，地球自转轴的指向在空间是变化的，从而从而导致春分点的位置发生变化。导致春分点的位置发生变化
