大地測量學基礎(chǔ)(第2章 天文大地測量+2012.02.13)課件

1、天文測量1 從不同的角度，地球的運轉(zhuǎn)可分為從不同的角度，地球的運轉(zhuǎn)可分為四類：四類：一、地球運動：一、地球運動： 太陽系在銀河系中的運動太陽系在銀河系中的運動 繞太陽旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)）繞太陽旋轉(zhuǎn)（公轉(zhuǎn)） 地球的自轉(zhuǎn)（周日視運動地球的自轉(zhuǎn)（周日視運動）天文測量2 地球的公轉(zhuǎn)：地球的公轉(zhuǎn)：開普勒三大運動定律開普勒三大運動定律： 運動的軌跡是橢圓，太陽位于其橢圓的一個焦點上；運動的軌跡是橢圓，太陽位于其橢圓的一個焦點上； 在單位時間內(nèi)掃過的面積相等；在單位時間內(nèi)掃過的面積相等； 運動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。運動的周期的平方與軌道的長半軸的立方的比為常數(shù)。天文測量3 地球的自轉(zhuǎn)：地球的自

2、轉(zhuǎn)： (1) 地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動）地軸方向相對于空間的變化（歲差和章動） 地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化，是日月引力的共同結(jié)地球自轉(zhuǎn)軸在空間的變化，是日月引力的共同結(jié)果。假設月球的引力及其運行軌道是固定不變的果。假設月球的引力及其運行軌道是固定不變的,由于由于日、月等天體的影響，地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極日、月等天體的影響，地球的旋轉(zhuǎn)軸在空間圍繞黃極發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)，類似于旋轉(zhuǎn)陀螺，形成一個倒圓錐體發(fā)生緩慢旋轉(zhuǎn)，類似于旋轉(zhuǎn)陀螺，形成一個倒圓錐體（見下圖），其錐角等于黃赤交角（見下圖），其錐角等于黃赤交角=23.5 ，旋轉(zhuǎn)周，旋轉(zhuǎn)周期為期為26000年，這種運動稱為年，這種運動稱為歲差歲差

3、，是地軸方向相對，是地軸方向相對于空間的于空間的長周期運動長周期運動。歲差使春分點每年向西移動。歲差使春分點每年向西移動50.3天文測量4天文測量5 月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，月球運行的軌道月球繞地球旋轉(zhuǎn)的軌道稱為白道，月球運行的軌道與月的之間距離是不斷變化的，使得月球引力產(chǎn)生的與月的之間距離是不斷變化的，使得月球引力產(chǎn)生的大小和方向不斷變化，從而導致北天極在天球上繞黃大小和方向不斷變化，從而導致北天極在天球上繞黃極旋轉(zhuǎn)的軌道不是平滑的小園，而是類似園的波浪曲極旋轉(zhuǎn)的軌道不是平滑的小園，而是類似園的波浪曲線運動，即地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加周期為線運動，即地球旋轉(zhuǎn)軸在歲差的基礎(chǔ)上疊加周期

4、為18.6年，且振幅為年，且振幅為9.21的的短周期運動短周期運動。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為章動。章動。 考慮歲差和章動的共同影響：考慮歲差和章動的共同影響：真旋轉(zhuǎn)軸、瞬時真天真旋轉(zhuǎn)軸、瞬時真天極、真天球赤道、瞬時真春分點。極、真天球赤道、瞬時真春分點。 考慮歲差的影響：考慮歲差的影響：瞬時平天極、瞬時平天球赤道、瞬時平天極、瞬時平天球赤道、瞬時平春分點。瞬時平春分點。天文測量6 (2)地軸相對于地球本身相對位置變化（極移）地軸相對于地球本身相對位置變化（極移） 地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對地球自轉(zhuǎn)軸存在相對于地球體自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的相對位置變化，從而導致極點在地球表面上的位置隨時

5、間而位置變化，從而導致極點在地球表面上的位置隨時間而變化，這種現(xiàn)象稱為變化，這種現(xiàn)象稱為極移極移。 某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為某一觀測瞬間地球極所在的位置稱為瞬時極瞬時極，某段，某段時間內(nèi)地極的平均位置稱為時間內(nèi)地極的平均位置稱為平極平極。地球極點的變化，導。地球極點的變化，導致地面點的緯度發(fā)生變化。致地面點的緯度發(fā)生變化。 天文聯(lián)合會天文聯(lián)合會(IAU)和大地測量與地球物理聯(lián)合會和大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG) 建議采用國際上建議采用國際上5個緯度服務個緯度服務(ILS)站以站以19001905年的平均緯度所確定的平極作為基準點，通常稱為年的平均緯度所確定的平極作為基準點，通常稱

6、為國際協(xié)議原點國際協(xié)議原點CIO (Conventional International Origin) 天文測量7 國際極移服務國際極移服務 ( IPMS ) 和國際時間局和國際時間局( BIH )等機構(gòu)等機構(gòu)分別用不同的方法得到地極原點。分別用不同的方法得到地極原點。 與與CIO相應的地相應的地球赤道面稱為球赤道面稱為平赤道面或協(xié)議赤道面平赤道面或協(xié)議赤道面 。天文測量8 (3)地球自轉(zhuǎn)速度變化（日長變化）地球自轉(zhuǎn)速度變化（日長變化） 地球自轉(zhuǎn)不是均勻的，存在著多種短周期變化和長地球自轉(zhuǎn)不是均勻的，存在著多種短周期變化和長期變化，短周期變化是由于地球周期性潮汐影響，長期變期變化，短周期變化

7、是由于地球周期性潮汐影響，長期變化表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)速度緩慢變小。地球的自轉(zhuǎn)速度變化，化表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)速度緩慢變小。地球的自轉(zhuǎn)速度變化，導致日長的視擾動和緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準導致日長的視擾動和緩慢變長，從而使以地球自轉(zhuǎn)為基準的時間尺度產(chǎn)生變化。的時間尺度產(chǎn)生變化。 描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運動規(guī)律的參數(shù)稱為描述上述三種地球自轉(zhuǎn)運動規(guī)律的參數(shù)稱為地球定向地球定向參數(shù)參數(shù) (EOP)，描述地球自轉(zhuǎn)速度變化的參數(shù)和描述極移的，描述地球自轉(zhuǎn)速度變化的參數(shù)和描述極移的參數(shù)稱為參數(shù)稱為地球自轉(zhuǎn)參數(shù)地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(ERP)，EOP 即為即為 ERP 加上歲差加上歲差和章動和章動，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服

8、務，其數(shù)值可以在國際地球旋轉(zhuǎn)服務(IERS)網(wǎng)站網(wǎng)站( )上得到。上得到。天文測量9二、天球的基本概念二、天球的基本概念 所謂天球，是指以地球質(zhì)心所謂天球，是指以地球質(zhì)心O為中心，半為中心，半徑徑 r為任意長度的一個假想的球體。在天文學為任意長度的一個假想的球體。在天文學中，通常均把天體投影到天球的球面上，并中，通常均把天體投影到天球的球面上，并利用球面坐標來表達或研究天體的位置及天利用球面坐標來表達或研究天體的位置及天體之間的關(guān)系。體之間的關(guān)系。 建立球面坐標系統(tǒng)，如圖建立球面坐標系統(tǒng)，如圖21所示所示.天文測量10天文測量11圖圖2 21 1 天球的概念天球的概念天文測量12 天軸與天極天

9、軸與天極 地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線為天軸，天軸與天球的交點 PN 和和 PS 稱為稱為天極天極，其中，其中 PN 稱為北天極，稱為北天極， PS 為南天極。為南天極。 天球赤道面與天球赤道天球赤道面與天球赤道 通過地球質(zhì)心通過地球質(zhì)心 O 與天軸垂直的平面稱為天球赤道面。與天軸垂直的平面稱為天球赤道面。天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相天球赤道面與地球赤道面相重合。該赤道面與天球相交的大圓稱為交的大圓稱為天球赤道天球赤道。 天球子午面與子午圈天球子午面與子午圈 含天軸并通過任一點的平面，稱為含天軸并通過任一點的平面，稱為天球子午面天球子午面.

10、 天球子午面與天球相交的大園稱為天球子午面與天球相交的大園稱為天球子午圈天球子午圈。參考點、線、面和園參考點、線、面和園天文測量13 時圈時圈 通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。通過天軸的平面與天球相交的大圓均稱為時圈。 黃道黃道 地球公轉(zhuǎn)的軌道面地球公轉(zhuǎn)的軌道面(黃道面黃道面)與天球相交的大園稱為與天球相交的大園稱為黃道黃道。 黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，約為23.5度。度。 黃極黃極 通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，通過天球中心，且垂直于黃道面的直線與天球的交點，稱為稱為黃極黃極。其中靠近北天極的交點稱為。其中靠近北天極的

11、交點稱為北黃極北黃極，靠近南，靠近南天極的交點稱為天極的交點稱為南黃極南黃極。天文測量14 春分點與秋分點春分點與秋分點 黃道與赤道的兩個交點稱為黃道與赤道的兩個交點稱為春分點春分點和和秋分點秋分點。視太。視太陽在黃道上從南半球向北半球運動時，黃道與天球陽在黃道上從南半球向北半球運動時，黃道與天球赤道的交點稱為春分點，用赤道的交點稱為春分點，用 表示。表示。 在天文學中和研究衛(wèi)星運動時，在天文學中和研究衛(wèi)星運動時，春分點春分點和和天球赤道天球赤道面面，是建立參考系的重要，是建立參考系的重要基準點基準點和和基準面基準面 赤經(jīng)與赤緯赤經(jīng)與赤緯 地球的中心至天體的連線與天球赤道面的夾角稱為地球的中心

12、至天體的連線與天球赤道面的夾角稱為赤緯赤緯,春分點的天球子午面與過天體的天球子午面的春分點的天球子午面與過天體的天球子午面的夾角為夾角為赤經(jīng)赤經(jīng)。天文測量15v 時間的描述包括時間時間的描述包括時間原點、單位（尺度）兩大要素原點、單位（尺度）兩大要素。 時間是物質(zhì)運動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單時間是物質(zhì)運動過程的連續(xù)的表現(xiàn)，選擇測量時間單位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運動。時間的特點是位的基本原則是選取一種物質(zhì)的運動。時間的特點是連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運動也應該連續(xù)、均勻。連續(xù)、均勻，故一種物質(zhì)的運動也應該連續(xù)、均勻。v 周期運動滿足如下三項要求，可以作為計量時間的方周期運動滿足如下三項

13、要求，可以作為計量時間的方法。法。 運動是連續(xù)的；運動是連續(xù)的； 運動的周期具有足夠的穩(wěn)定性；運動的周期具有足夠的穩(wěn)定性； 運動是可觀測的。運動是可觀測的。v 選取的物理對象不同，時間的定義不同選取的物理對象不同，時間的定義不同: 地球的自轉(zhuǎn)運動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。地球的自轉(zhuǎn)運動、地球的公轉(zhuǎn)、物質(zhì)的振動等。 三、時間系統(tǒng)三、時間系統(tǒng)天文測量16 恒星時恒星時(ST)v 以春分點作為基本參考點，由春分點周日視運動確定以春分點作為基本參考點，由春分點周日視運動確定的時間，稱為的時間，稱為恒星時恒星時。v 春分點連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈春分點連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈上中天上中天的時間間隔為的時間

14、間隔為一個一個恒星日恒星日，分為，分為24個恒星時。個恒星時。v 某一地點的地方恒星時，在數(shù)值上等于春分點相某一地點的地方恒星時，在數(shù)值上等于春分點相 對對于這一地方子午圈的于這一地方子午圈的時角：時角：v 地方真恒星時地方真恒星時、平恒星時平恒星時、格林尼治真恒星時格林尼治真恒星時、 格林格林尼治平恒星時尼治平恒星時之間的關(guān)系：之間的關(guān)系：天文測量17 平太陽時平太陽時MTv 以真太陽作為基本參考點，由其周日視運動確定的以真太陽作為基本參考點，由其周日視運動確定的時間，稱為時間，稱為真太陽時真太陽時。一個。一個真太陽日真太陽日就是真太陽連續(xù)就是真太陽連續(xù)兩次經(jīng)過某地的上中天（上子午圈）所經(jīng)歷

15、的時間。兩次經(jīng)過某地的上中天（上子午圈）所經(jīng)歷的時間。 地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度不均勻。近日點快、遠日地球繞太陽公轉(zhuǎn)的速度不均勻。近日點快、遠日點慢。真太陽日在近日點最長、遠日點最短點慢。真太陽日在近日點最長、遠日點最短。v 假設以平太陽作為參考點，其速度等于真太陽周年假設以平太陽作為參考點，其速度等于真太陽周年運動的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈運動的平均速度。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過同一子午圈的時間間隔，稱為一個的時間間隔，稱為一個平太陽日平太陽日天文測量18 平太陽日是以平子夜的瞬時作為時間的起算零點，如平太陽日是以平子夜的瞬時作為時間的起算零點，如果果LAMT 表示平太陽時角，則某地的平

16、太陽時表示平太陽時角，則某地的平太陽時 MT = LAMT + 12 (平子夜與平正午差平子夜與平正午差12小時）小時） 世界時世界時UT： 以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為以格林尼治平子夜為零時起算的平太陽時稱為世界時世界時。 UT = GAMT + 12 GAMT 代表格林尼治平太陽時角。代表格林尼治平太陽時角。天文測量19v 未經(jīng)任何改正的世界時表示為未經(jīng)任何改正的世界時表示為UT0，經(jīng)過極移改正的，經(jīng)過極移改正的世界時表示為世界時表示為UT1，進一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)，進一步經(jīng)過地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正后的世界時表示為性改正后的世界時表示為UT2。 UT1=UT0+, UT

17、2=UT1+T 歷書時歷書時ET與力學時與力學時 DTv 由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導致用其測得的時間不均由于地球自轉(zhuǎn)速度不均勻，導致用其測得的時間不均勻。勻。1958年第年第10屆屆IAU決定，自決定，自1960年起開始年起開始以地球以地球公轉(zhuǎn)運動為基準公轉(zhuǎn)運動為基準的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)的歷書時來量度時間，用歷書時系統(tǒng)代替世界時。代替世界時。v 歷書時的秒長規(guī)定為歷書時的秒長規(guī)定為1900年年1月月1日日12時整回歸年長度時整回歸年長度的的131556925.9747天文測量20v 在天文學中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學理論建立在天文學中，天體的星歷是根據(jù)天體動力學理論建立的運動方

18、程而編寫的，其中采用的獨立變量是時間參的運動方程而編寫的，其中采用的獨立變量是時間參數(shù)數(shù)T,其變量被定義為力學時，力學時是均勻的。其變量被定義為力學時，力學時是均勻的。v 參考點不同，力學時分為兩種：參考點不同，力學時分為兩種： 1) 太陽系質(zhì)心力學時太陽系質(zhì)心力學時TDB 2) 地球質(zhì)心力學時地球質(zhì)心力學時TDTv TDT和和TDB可以看作是可以看作是ET分別在兩個坐標系中的實現(xiàn)，分別在兩個坐標系中的實現(xiàn)，TDT代替了過去的代替了過去的ETv 地球質(zhì)心力學時的基本單位國際秒制，與原子時的尺地球質(zhì)心力學時的基本單位國際秒制，與原子時的尺度相同。度相同。IGU規(guī)定：規(guī)定：1977年年1月月1日原

19、子時（日原子時（TAI) 0時與時與地球力學時嚴格對應為：地球力學時嚴格對應為： TDT=TAI+32.184 天文測量21 原子時原子時(AT) 原子時是一種以原子諧振信號周期為標準。原子時的原子時是一種以原子諧振信號周期為標準。原子時的基本單位是原子時秒，定義為：在零磁場下，位于?；締挝皇窃訒r秒，定義為：在零磁場下，位于海平面的銫原子基態(tài)兩個超精細能級間躍遷輻射平面的銫原子基態(tài)兩個超精細能級間躍遷輻射192631770周所持續(xù)的時間為原子時秒，規(guī)定為國際周所持續(xù)的時間為原子時秒，規(guī)定為國際單位制中的時間單位。單位制中的時間單位。 原子時的原點定義：原子時的原點定義：1958年年1月月1

20、日日UT2的的0時。時。 AT=UT20.0039(s) 地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累。地球自轉(zhuǎn)的不均性，原子時與世界時的誤差逐年積累。天文測量22 協(xié)調(diào)世界時協(xié)調(diào)世界時(UTC)v 原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度原子時與地球自轉(zhuǎn)沒有直接聯(lián)系，由于地球自轉(zhuǎn)速度長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，長期變慢的趨勢，原子時與世界時的差異將逐漸變大，秒長不等，大約每年相差秒長不等，大約每年相差1秒，便于日常使用，協(xié)調(diào)秒，便于日常使用，協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，建立以原子時秒長為計量單位、在時好兩者的關(guān)系，建立以原子時秒長為計量單位、在時刻上與平太陽時之差小于刻上與

21、平太陽時之差小于0.9秒的時間系統(tǒng)，秒的時間系統(tǒng)，稱之為稱之為世界協(xié)調(diào)時世界協(xié)調(diào)時(UTC)。v 當大于當大于0.9秒，采用秒，采用12月月31日或日或6月月30日調(diào)秒。調(diào)秒由日調(diào)秒。調(diào)秒由國際計量局來確定公布。國際計量局來確定公布。v 世界各國發(fā)布的時號均以世界各國發(fā)布的時號均以UTC為準。為準。v TAI=UTC+1n(秒）秒）天文測量23 GPS時間系統(tǒng)時間系統(tǒng)v 時間的計量對于衛(wèi)星定軌、地面點與衛(wèi)星之間距離測量時間的計量對于衛(wèi)星定軌、地面點與衛(wèi)星之間距離測量至關(guān)重要，精確定時設備是導航定位衛(wèi)星的重要組成部至關(guān)重要，精確定時設備是導航定位衛(wèi)星的重要組成部分。分。v GPS的時間系統(tǒng)采用基

22、于美國海軍觀測實驗室的時間系統(tǒng)采用基于美國海軍觀測實驗室USNO維維持的原子時稱為持的原子時稱為GPST，它與國際原子的原點不同，瞬，它與國際原子的原點不同，瞬時相差一常量：時相差一常量： TAIGPST=19(s)v GPST的起點，規(guī)定的起點，規(guī)定1980年年1月月6日日0時時GPS與與UTC相等。相等。天文測量24 四、天文測量四、天文測量 通過觀測太陽或其他恒星位置以確定地面通過觀測太陽或其他恒星位置以確定地面點的經(jīng)度、緯度和至某點天文方位角的測量點的經(jīng)度、緯度和至某點天文方位角的測量方法。方法。 由于地球和天體處于運動之中，所以必須由于地球和天體處于運動之中，所以必須精確測定觀測時刻

23、的時間。精確測定觀測時刻的時間。 某天體在某時刻在天球上的位置應當是已某天體在某時刻在天球上的位置應當是已知的，一般可由已經(jīng)多年天文觀測資料推算。知的，一般可由已經(jīng)多年天文觀測資料推算。天文測量25天文測量26天文測量27 第一赤道坐標系（時角坐標系）第一赤道坐標系（時角坐標系） 以天球赤道和過天頂（地方）天球子午線為基準面；用（赤緯 +時角）表示。 注意：時角與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)。 第二赤道坐標系第二赤道坐標系 以天球赤道和過春分點的天球子午線為基準面；用（赤緯 +赤經(jīng)）表示。 注意：赤經(jīng)與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)。天文測量28時時 角：角： 一個天體的時角表示該天體是否通過了當?shù)匾粋€天體的時角表示該天體是否

24、通過了當?shù)氐淖游缛Φ淖游缛? (中天中天) )。其數(shù)值則表示了該天體與當。其數(shù)值則表示了該天體與當?shù)刈游缛Φ慕蔷嚯x，并借用時間的單位，以地子午圈的角距離，并借用時間的單位，以小時來計量小時來計量(1HA = 15(1HA = 15度度) )。 例如：一個天體的時角是例如：一個天體的時角是2.5HA2.5HA，就表示，就表示他已經(jīng)在他已經(jīng)在2.52.5個小時之前通過當?shù)氐淖游缛?，個小時之前通過當?shù)氐淖游缛?，并且在當?shù)刈游缛Φ奈鞣讲⑶以诋數(shù)刈游缛Φ奈鞣?7.537.5度的距離上。度的距離上。負數(shù)則表示在多少小時之后將通過當?shù)氐淖迂摂?shù)則表示在多少小時之后將通過當?shù)氐淖游缛?。當然，當時角為午圈。當然，當時角為0 0時的意思就是這個天時的意思就是這個天體就在當?shù)氐淖游缛ι?。體就在當?shù)氐淖游缛ι稀Ｌ煳臏y量29 測站恒星時：S = + t 鐘面時：SL= S S = + t S 1 1、測站的天文測站的天文經(jīng)度等于測站與經(jīng)度等于測站與格林威治天文臺格林威治天文臺在同一瞬間同類在同一瞬間同類正確時刻之差。正確時刻之差。天文測量30 2、天文緯度測量基本原理、天文緯度測量基本原理鉛錘線與天球赤道面的交角等于測站緯度。 = i+/- Zi天