第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)(1)ppt課件

1、第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng) (一)第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)1.地球公轉(zhuǎn)：圍繞太陽(yáng)的旋轉(zhuǎn) 公轉(zhuǎn)一周的周期為一恒星年，為365.256354個(gè)太陽(yáng)日 地球延續(xù)兩次經(jīng)過(guò)春分點(diǎn)所需的時(shí)間為一回歸年，長(zhǎng)度為365.24219個(gè)太陽(yáng)日。遠(yuǎn)日點(diǎn)近日點(diǎn)地球春分點(diǎn)秋分點(diǎn)1滿(mǎn)足開(kāi)普勒三大行星定律 行星運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道是一個(gè)橢圓，該橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)與太陽(yáng)的質(zhì)心相重合 行星質(zhì)心與太陽(yáng)質(zhì)心間的間隔向量，在一樣的時(shí)間內(nèi)所掃過(guò)的面積相等 行星運(yùn)動(dòng)周期的平方與軌道橢圓長(zhǎng)半徑的立方之比為一常量第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)：以地球質(zhì)心為中心以無(wú)窮大為半徑的假想球體。 天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線(xiàn)為天軸；天軸與天球的交點(diǎn)稱(chēng)為天極( 為北天極， 為南天極

2、)。 天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過(guò)地球質(zhì)心O與天軸垂直的平面，稱(chēng)為天球赤道面它與天球相交的大圓，稱(chēng)為天球赤道。 天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過(guò)地球上任一點(diǎn)的平面，稱(chēng)為天球子午面，它與天球相交的大圓，稱(chēng)為天球子午圈。 時(shí)圈：經(jīng)過(guò)天球的平面與天球相交的半個(gè)大圓。第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)2)天球:地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，黃道面與赤道面的夾角，稱(chēng)為黃赤交角，約為 。:當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南半球剛北半球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，黃道與天球赤道的交點(diǎn)r。 ：太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道，是一橢圓，稱(chēng)為黃道。但由于其它星球的影響，使軌道產(chǎn)生攝動(dòng)，并不嚴(yán)厲的橢圓。4黃極第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn) 黃道 春分點(diǎn)3黃道黃赤交角2327黃道天球2.

3、 地球自轉(zhuǎn)：繞其本身旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。周期為24小時(shí)。2.1 地軸方向相對(duì)于空間的變化：由于日月等天體的影響及地球本身的不規(guī)那么，地球自轉(zhuǎn)軸方向是不斷變化的。1歲差：在日月引力和其它天體引力對(duì)地球隆起部分的作用下，地球在繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自轉(zhuǎn)軸的方向不再堅(jiān)持不變，從而使春分點(diǎn)在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移，這種景象在天文學(xué)中稱(chēng)為歲差。 在歲差的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸在空間繞北黃極產(chǎn)生緩慢的旋轉(zhuǎn)(從北天極上方察看為順時(shí)針?lè)较?，構(gòu)成一個(gè)倒圓錐體，其錐角等于黃赤交角2327。 歲差的周期約為25800年。歲差使春分點(diǎn)每年西移50.3。第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)歲差2章動(dòng)：在日月引力等要素的影響下，瞬時(shí)北天極將繞瞬時(shí)平北天極產(chǎn)

4、生旋轉(zhuǎn)，大致成橢圓形軌跡，其長(zhǎng)半徑約為9.2，周期約為18.6年。這種景象稱(chēng)為章動(dòng)。第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)真赤道: 某一時(shí)辰的赤道.(由于歲差和章動(dòng)的影響,每一時(shí)辰赤道的位置不同)平赤道:只需歲差影響時(shí)的赤道.黃經(jīng)章動(dòng):章動(dòng)引起的黃經(jīng)變化.即平春分點(diǎn)與真春點(diǎn)的角距.交角章動(dòng):章動(dòng)引起的黃赤交角的變化.第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)2.2 地軸對(duì)于地球本體內(nèi)部構(gòu)造的相對(duì)位置變化極移 1.極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于地球體本身內(nèi)部構(gòu)造的相對(duì)位置變化，從而導(dǎo)致極點(diǎn)在地球外表上的位置隨時(shí)間而變化，稱(chēng)為地極挪動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)極移。 2.瞬時(shí)極：與觀(guān)測(cè)瞬間相對(duì)應(yīng)的自轉(zhuǎn)軸所處的位置，稱(chēng)為該瞬時(shí)的地球極軸，相應(yīng)的極點(diǎn)稱(chēng)為瞬時(shí)極。 3.平

5、極：某段時(shí)間內(nèi)地極的平均位置。 4.國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO：國(guó)際天文結(jié)合會(huì)IAU和國(guó)際大地丈量與物理結(jié)合會(huì)IUGG采用國(guó)際上5個(gè)緯度效力站的資料，以1900至1905年地球自轉(zhuǎn)軸瞬時(shí)位置的平均位置作為地球的固定極稱(chēng)為國(guó)際協(xié)定原點(diǎn)CIO。也稱(chēng)協(xié)議地球極CTP。第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)5.地極坐標(biāo)系：以CIO為原點(diǎn)，零子午線(xiàn)方向?yàn)閄軸，以零子午線(xiàn)以西為了描畫(huà)90子午線(xiàn)為y軸。用來(lái)描畫(huà)極移規(guī)律。恣意瞬時(shí)t的極點(diǎn)位置可用( )表示。 6.平春分點(diǎn)：相應(yīng)于平極的春分點(diǎn)。第一節(jié) 地球的運(yùn)轉(zhuǎn)第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng) (1) 時(shí)辰：某一時(shí)間點(diǎn)，也就是發(fā)生某一景象的瞬間，也稱(chēng)歷元。 (2) 時(shí)間間隔：兩個(gè)時(shí)辰之間的時(shí)間差。 (3

6、) 時(shí)間系統(tǒng)的要素：時(shí)間原點(diǎn)、度量單位時(shí)間尺度。 (4) 任何一個(gè)周期運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足如下要求方可作為計(jì)量時(shí)間的方法： a.運(yùn)動(dòng)是延續(xù)的； b.周期有足夠的穩(wěn)定性； c.運(yùn)動(dòng)可觀(guān)測(cè)； 大地丈量學(xué)研討的對(duì)象是隨時(shí)間變化的，大地丈量觀(guān)丈量與時(shí)間親密相關(guān)、在衛(wèi)星定位與導(dǎo)航技術(shù)中，時(shí)間系統(tǒng)是描畫(huà)衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)位置的重要基準(zhǔn)。 在實(shí)踐運(yùn)用中，根據(jù)需求選取滿(mǎn)足上述條件的周期運(yùn)動(dòng)，從而定義了多種時(shí)間系統(tǒng)。 例如： 1以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為根底，建立了恒星時(shí)(ST)和世界時(shí)(UT)； 2以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為根底，建立了歷書(shū)時(shí)(ET)，并進(jìn)一步開(kāi)展 為太陽(yáng)系質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDB)和地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDT)； 3以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)特征為根

7、底，建立了原子時(shí)(TAI)。第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)1. 恒星時(shí)ST 定義：以春分點(diǎn)為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的時(shí)間稱(chēng)為恒星時(shí)。 計(jì)量時(shí)間單位：恒星日、恒星時(shí)、恒星分、恒星秒；1恒星日：春分點(diǎn)延續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈上中天的時(shí)間間隔。 一恒星日=24恒星時(shí)=1440恒星分=86400恒星秒2分類(lèi)：真恒星時(shí)和平恒星時(shí)。 真恒星時(shí)等于真春分點(diǎn)的地方時(shí)角(LAST)，平恒星時(shí)等于平春分 點(diǎn)的地方時(shí)角(LMST) 3某一地點(diǎn)的恒星時(shí)：在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于這一地方子午圈 的時(shí)角。 第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)(4) 真春分點(diǎn)的格林尼治時(shí)角(GAST)、平春分點(diǎn)的格林尼治時(shí)角 (GMST)與LAST、LMST的關(guān)系：

8、 其中，為黃經(jīng)章動(dòng)，黃赤交角第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)2.平太陽(yáng)時(shí)MT1真太陽(yáng)時(shí):以真太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的 時(shí)間；2平太陽(yáng):由于真太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)速度是不均勻的，因此真太陽(yáng)時(shí) 不是均勻的時(shí)間尺度。為此引入虛擬的在赤道上勻速運(yùn)轉(zhuǎn)的 平太陽(yáng)，其速度等于真太陽(yáng)周年運(yùn)動(dòng)的平均速度。3平太陽(yáng)時(shí):以平太陽(yáng)作為參考點(diǎn)，由它的周日視運(yùn)動(dòng)所確定的 時(shí)間。4計(jì)量時(shí)間單位：平太陽(yáng)日、平太陽(yáng)小時(shí)、平太陽(yáng)分、平太陽(yáng) 秒；第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)5平太陽(yáng)日:平太陽(yáng)延續(xù)兩次經(jīng)過(guò)同一子午圈的時(shí)間間隔. 一回歸年=365.24219879平太陽(yáng)日 一平太陽(yáng)日=24平太陽(yáng)小時(shí)=1440平太陽(yáng)分=86400平太陽(yáng)秒。 平太陽(yáng)時(shí)與日常

9、生活中運(yùn)用的時(shí)間系統(tǒng)是一致的，通常鐘表所指 示的時(shí)辰正是平太陽(yáng)時(shí)。3.世界時(shí)UT 1定義：以平子午夜為零時(shí)起算的格林尼治平太陽(yáng)時(shí)定義為世界時(shí)UT。第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)UT0:未經(jīng)任何矯正的世界時(shí)UT1:經(jīng)過(guò)極移矯正的世界時(shí)UT2:在UT1的根底上經(jīng)過(guò)地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性矯正的世界時(shí)第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)4.原子時(shí)AT1原子時(shí)：是以物質(zhì)內(nèi)部原子運(yùn)動(dòng)的特征為根底建立的時(shí) 間系統(tǒng)。2原子時(shí)的尺度規(guī)范：(在海平面實(shí)現(xiàn)的原子秒)國(guó)際制秒 SI。3原子秒：在零磁場(chǎng)下，銫-133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí) 間躍遷輻射9192631770周所繼續(xù)的時(shí)間。4國(guó)際原子時(shí)TAI：起點(diǎn)定在1958年1月1日0時(shí)0分0秒 UT2即

10、規(guī)定在這一瞬間原子時(shí)時(shí)辰與世界時(shí)辰重 合。但事后發(fā)現(xiàn)，在該瞬間TAI與世界時(shí)的時(shí)辰之差為 0.0039秒。 國(guó)際原子時(shí)(TAI)的原點(diǎn)由下式確定：AT=UT2-0.0039(s)第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)5 .協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC1協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC:由于地球自轉(zhuǎn)速度有變慢的趨勢(shì)，為了 防止世界時(shí)和原子時(shí)產(chǎn)生過(guò)大偏向而采用的一種以原子 時(shí)秒長(zhǎng)為根底，在時(shí)辰上盡量接近世界時(shí)的一種折衷的 時(shí)間系統(tǒng)。 當(dāng)二者之差超越0.9秒時(shí)，便在協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC加 入一閏秒。閏秒一 般在12月31日或6月30日參與。 協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC的秒長(zhǎng)與原子時(shí)秒長(zhǎng)一致。2協(xié)調(diào)時(shí)與國(guó)際原子時(shí)之間的關(guān)系，如下式所示： TAI=UTC+1sn 式

11、中n為調(diào)整參數(shù)第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)6.GPS時(shí)間系統(tǒng)GPST1定義：基于美國(guó)海軍觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室維持的原子時(shí)的時(shí)間系統(tǒng)。 GPST屬于原子時(shí)系統(tǒng)，它的秒長(zhǎng)即為原子時(shí)秒長(zhǎng)，GPST的原點(diǎn)與國(guó)際原子時(shí)TAI相差19s。有關(guān)系式： TAI-GPST=19s 在1980年1月6日，GPST與UTC相等，它們的關(guān)系為： GPST = UTC + n(13秒2005年) 2GPS時(shí)間系統(tǒng)與各種時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系見(jiàn)圖所示：第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)7.歷書(shū)時(shí)(ET)與力學(xué)時(shí)(DT)1歷書(shū)時(shí)(ET)：以地球公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng).起始?xì)v 元為1900年1月1日12時(shí).秒長(zhǎng)為1900年1月1日12時(shí)整回歸 年長(zhǎng)度的1/3155692

12、5.9747.2力學(xué)時(shí)(DT):天體運(yùn)動(dòng)力學(xué)實(shí)際建立的運(yùn)動(dòng)方程所采用的 時(shí)間參數(shù).3太陽(yáng)系質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDB):相對(duì)于太陽(yáng)系質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程所 采用的時(shí)間參數(shù).4地球質(zhì)心力學(xué)時(shí)(TDT):相對(duì)于地心系的運(yùn)動(dòng)方程所采用的 時(shí)間參數(shù).第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng) 力學(xué)時(shí)(DT)所采用的根本單位是國(guó)際制秒(SI),與原子時(shí)的尺度一致.第二節(jié) 時(shí)間系統(tǒng)第三節(jié) 坐 標(biāo) 系 統(tǒng)1.根本概念 1大地基準(zhǔn)(Geodetic Datum):用來(lái)代表地球形體的旋轉(zhuǎn)橢球，建立大地基準(zhǔn)就是求定旋轉(zhuǎn)橢球的參數(shù)及其定向和定位，即地球橢球。 a) 橢球參數(shù):長(zhǎng)半徑和扁率 b) 橢球定向:橢球旋轉(zhuǎn)軸平行于地球旋轉(zhuǎn)軸,橢球起始子午面平 行于

13、地球起始子午面. c) 橢球定位:確定橢球中心與 地球中心的相對(duì)位置.2) 天球：以地球質(zhì)心為中心以無(wú)窮大為半徑的假想球體。 天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸直線(xiàn)為天軸；天軸與天球的交 點(diǎn)稱(chēng)為天極( 為北天極， 為南天極)。 天球赤道面與天球赤道：經(jīng)過(guò)地球質(zhì)心O與天軸垂直的平面，稱(chēng) 為天球赤道面它與天球相交的大圓，稱(chēng)為天球赤道。 天球子午面與子午圈：包含天軸并經(jīng)過(guò)地球上任一點(diǎn)的平面， 稱(chēng)為天球子午面，它與天球相交的大圓，稱(chēng)為天球子午圈。 時(shí)圈：經(jīng)過(guò)天球的平面與天球相交的半個(gè)大圓。 黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，黃道面與赤道面 的夾角，稱(chēng)為黃赤交角，約為 。 春分點(diǎn)：當(dāng)太陽(yáng)在黃道上從天球南

14、半球剛北半球運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，黃道 與天球赤道的交點(diǎn)r。第三節(jié) 坐 標(biāo) 系 統(tǒng)黃赤交角2327天球3大地丈量參考系統(tǒng)Geodetic Reference System 坐標(biāo)參考系統(tǒng)：天球坐標(biāo)系 地球坐標(biāo)系 點(diǎn)的坐標(biāo)可用x,y,z表示，也可用L，B，H表示。XYZoP春分點(diǎn)黃道天球赤道天球坐標(biāo)系地球坐標(biāo)系XYZoP地球赤道首子午線(xiàn)LBB地球坐標(biāo)系：用于研討地球上物體的定位與運(yùn)動(dòng)，是以旋轉(zhuǎn)橢球?yàn)閰⒄阵w建立的坐標(biāo)系統(tǒng)，分為大地坐標(biāo)系和空間直角坐標(biāo)系兩種方式.天球坐標(biāo)系:用于研討天體和人造衛(wèi)星的定位與運(yùn)動(dòng)。第三節(jié) 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) 高程參考系統(tǒng):正高: 以大地水準(zhǔn)面為參考面 PH正HN正常高: 以似大地水準(zhǔn)為參考

15、面第三節(jié) 坐 標(biāo) 系 統(tǒng) 重力參考系統(tǒng)：重力觀(guān)測(cè)的參考系統(tǒng)。4大地丈量的參考框架(Geodetic Reference Frame) 坐標(biāo)參考框架： 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)：國(guó)家平面控制網(wǎng)，GPS網(wǎng) 高程參考框架: 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)：國(guó)家高程控制網(wǎng)水準(zhǔn)網(wǎng) 重力參考框架： 詳細(xì)實(shí)現(xiàn)：國(guó)家重力根本控制網(wǎng) 定義：是大地丈量參考系統(tǒng)的詳細(xì)實(shí)現(xiàn)，是經(jīng)過(guò)大地丈量手段確定的固定在地面上的控制網(wǎng)(點(diǎn))所構(gòu)建的。第三節(jié) 坐 標(biāo) 系 統(tǒng)5橢球的定位和定向 橢球定位：確定橢球中心的位置。 地心定位：橢球面與大地水準(zhǔn)面全球最正確符合。橢球中心與地 球質(zhì)心一致或最為接近。 部分定位：橢球面與大地水準(zhǔn)面部分最正確符合。 橢球定向：確定旋轉(zhuǎn)軸和起始子午面的方向。 a.橢球短軸平行