1、 1第二章 坐标与时间主要内容主要内容 地球的运动地球的运动 天球及天球坐标系天球及天球坐标系 协议地球坐标系协议地球坐标系 GPS坐标系统坐标系统 时间系统时间系统 21.1 1.1 地球的运动地球的运动p极半径：极半径：6357kmp赤道半径：赤道半径：6378kmp地球是一个赤道略鼓、两极地球是一个赤道略鼓、两极稍扁、不很规则的球体。稍扁、不很规则的球体。地球的形状地球的形状 3经 线p经线：在地球仪上，人为经线：在地球仪上，人为划定的连接南、北两极的划定的连接南、北两极的线，即子午线。线，即子午线。p经度：国际上规定，通过经度：国际上规定，通过英国伦敦格林尼治天文台英国伦敦格林尼治天文
2、台附近的经线为附近的经线为0经线（经线（本初子午线）本初子午线）p从从0经线向东、向西各经线向东、向西各划分为划分为180，分别为东，分别为东经和西经。经和西经。4纬 线p纬线：在地球仪上，人为纬线：在地球仪上，人为划定的与经线垂直的线圈划定的与经线垂直的线圈。p纬度：纬度：将赤道定为将赤道定为0，向北、向南各划分为向北、向南各划分为90，分别为北纬和南纬。，分别为北纬和南纬。p南北半球的分界线是赤道南北半球的分界线是赤道。两个极点的纬度分别是。两个极点的纬度分别是90N和和90S。5经 纬 网p经线和纬线相交，就经线和纬线相交，就可以确定一点的位置。可以确定一点的位置。p在同一条经线上，每隔
3、在同一条经线上，每隔纬度纬度1，距离大约是，距离大约是_km。p在赤道上，每隔经度在赤道上，每隔经度1，距离大约是，距离大约是_km。61.2 1.2 地球的自转地球的自转p方向：自西向东方向：自西向东绕地轴绕地轴旋转旋转。p地轴北端始终指地轴北端始终指向北极星。向北极星。71.3 地球的公转p地球运动是自转与公转这两种运动的叠加地球运动是自转与公转这两种运动的叠加。p公转方向：自西向东（同自转方向）公转方向：自西向东（同自转方向）p公转周期：公转周期：1年年 365d6h9m10s 恒星年（以恒星为参照系）恒星年（以恒星为参照系）p公转轨道：近似正圆的椭圆（太阳位于其公转轨道：近似正圆的椭圆
4、（太阳位于其一焦点）一焦点）8黄 赤 交 角地球公转有两个基本特性：地球公转有两个基本特性：p 黄道与赤道之间的夹角为黄道与赤道之间的夹角为23度度26分，即是分，即是黄赤交角黄赤交角。p 地球在公转时地轴倾斜方地球在公转时地轴倾斜方向不变，始终指向北极星向不变，始终指向北极星。92.1 天球及天球坐标系坐标系统的三要素坐标系统的三要素p坐标原点位置坐标原点位置p坐标轴指向坐标轴指向p坐标尺度坐标尺度p在在GPS定位中，坐标系原点一般取定位中，坐标系原点一般取地球质心地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性。而坐标轴的指向具有一定的选择性。p协议坐标系：协议坐标系：国际上都通过协议来确定全球性
5、国际上都通过协议来确定全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。系称为协议坐标系。10坐 标 系在在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：定位中，通常采用两类坐标系统：p天球坐标系：天球坐标系：在空间固定的坐标系，与地球自转无关，对描述在空间固定的坐标系，与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。卫星的运行位置和状态极其方便。p地固坐标系：地固坐标系：地球体相固联的坐标系统，对表达地面观测站的地球体相固联的坐标系统，对表达地面观测站的位置和处理观测数据尤为方便。位置和处理观测数据尤为方便。112.2 天 球以地球质心为中心，
6、以地球质心为中心，半径半径r为任意长度的为任意长度的一个假想球体。一个假想球体。12天 球天球作用：天球作用：天文学中通常把参考坐标建立在天球上天文学中通常把参考坐标建立在天球上北天极南天极黄道天球赤道赤经赤纬太阳星体地球地球赤道本初子午圈 13天球上的主要点、线为建立球面坐标系统，必须确为建立球面坐标系统，必须确定球面上的一些参考点、线、定球面上的一些参考点、线、面和圈。面和圈。p天轴与天极：天轴与天极：地球自转轴的地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天延伸直线为天轴，天轴与天球的交点球的交点Pn(北天极北天极)Ps(南天南天极极)称为天极。称为天极。p天球赤道面与天球赤道：天球赤道面与天球赤
7、道：通通过地球质心与天轴垂直的平过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。球相交的大圆为天球赤道。14天球上的主要点、线p天球子午面与天球子午圈：天球子午面与天球子午圈：包含天轴并经过地球上包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈。圆为天球子午圈。p黄道：黄道：地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当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的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹
8、角称为在天球上的运动轨迹。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角黄赤交角，约，约23.50度。度。p黄极：黄极：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。靠近北天极的交点称北黄极，靠近南天极的交点。靠近北天极的交点称北黄极，靠近南天极的交点称南黄极。的交点称南黄极。p春分点：春分点：当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点行时，黄道与天球赤道的交点。p春分点和天球赤道面春分点和天球赤道面是建立参考系的重要基准点和是建立参考系的重要基准点和基准面。基准面。152.3 天球坐标系天球坐标系又称为恒星坐标系
9、天球坐标系又称为恒星坐标系天球空间直角坐标系：天球空间直角坐标系：p原点位于地球的质心原点位于地球的质心pz轴指向天球的北极轴指向天球的北极Pnpx轴指向春分点轴指向春分点py轴与轴与x、z轴构成右手轴构成右手坐标系坐标系 16天球球面坐标系p原点位于地球的质心原点位于地球的质心p赤经赤经为含天轴和春分点为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体的天球子午面与经过天体的天球子午面之间的交角的天球子午面之间的交角p赤纬赤纬为原点至天体的连为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角线与天球赤道面的夹角p向径向径r为原点至天体的距离为原点至天体的距离 17坐 标 转 换p天球赤道坐标系天球赤道坐标系(,r)p
10、天球直角坐标系天球直角坐标系(x,y,z)p天球直角坐标系与天球球面天球直角坐标系与天球球面坐标系在表达同一天体的位坐标系在表达同一天体的位置时是等价的，二者可相互置时是等价的，二者可相互转换。转换。coscoscossinsinxyrz 22222arctanarctanrxyzyxzxy 18岁 差 p天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的天球坐标系的建立是假定地球的自转轴在空间的方向上是固定的，春分点在天球上的位置保持不方向上是固定的，春分点在天球上的位置保持不变。变。p实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日实际上地球接近于一个赤道隆起的椭球体，在日月和其它天体引力对地球隆起部分
11、的作用下，地月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，使地球自转轴产生进动力矩球在绕太阳运行时，使地球自转轴产生进动力矩，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差岁差，它使春分点每年沿赤道移动，它使春分点每年沿赤道移动0.13秒。秒。p岁差主要包括岁差主要包括赤道岁差赤道岁差（日月岁差）和（日月岁差）和黄道岁差黄道岁差（行星岁差）。（行星岁差）。p春分点每年西移春分点每年西移50.2，周期约为，周期约为25800年。年。19章 动 p在岁差的影响下，地球自
12、转轴在空间绕北黄极顺时针旋在岁差的影响下，地球自转轴在空间绕北黄极顺时针旋转，因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转。在转，因而使北天极以同样方式绕北黄极顺时针旋转。在天球上这种顺时针规律运动的北天极称为天球上这种顺时针规律运动的北天极称为瞬时平北天极瞬时平北天极（简称（简称平北天极平北天极），相应的天球赤道和春分点称为），相应的天球赤道和春分点称为瞬时瞬时天球平赤道和瞬时平春分点天球平赤道和瞬时平春分点。p在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运动轨道以及在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运动轨道以及月地之间的距离在不断变化，北天极绕北黄极顺时针旋月地之间的距离在不断变化，北天极绕北黄极顺
13、时针旋转的轨迹十分复杂。如果观测时的北天极称为转的轨迹十分复杂。如果观测时的北天极称为瞬时北天瞬时北天极极（或（或真北天极真北天极），相应的天球赤道和春分点称为），相应的天球赤道和春分点称为瞬时瞬时天球赤道和瞬时春分点天球赤道和瞬时春分点（或（或真天球赤道和真春分点真天球赤道和真春分点）。）。则在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平则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，轨道大致为椭圆。这种现象称为北天极产生旋转，轨道大致为椭圆。这种现象称为章动章动。p章动的周期是章动的周期是18.6年。年。20岁差和章动 p岁差：北天极沿圆形轨道岁差：北天极沿圆形轨道绕北黄极
14、的运动绕北黄极的运动p章动：北天极沿椭圆形轨章动：北天极沿椭圆形轨道运动道运动 21协议天球坐标系 p协议天球坐标系协议天球坐标系(Conventional Inertial SystemCIS)经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系。当前经协商指定的某一特定时刻的平天球坐标系。当前，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和，国际上所采用的天球坐标系国际大地测量协会和国际天文协议联合会确定国际天文协议联合会确定p2000年年1月月15日日12h（J2000.0）的平天球坐标系）的平天球坐标系u Z轴指向轴指向J2000.0的平北天极的平北天极u X轴指向轴指向J2000.0的平春分点的平春分
15、点 22协议天球坐标系 协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系协议天球坐标系与真天球坐标系间的关系 需要进行需要进行岁差和章动改正岁差和章动改正特定时刻的特定时刻的真天球坐标真天球坐标章动改正章动改正特定时刻的特定时刻的平天球坐标平天球坐标J2000.0的平天球坐标的平天球坐标（协议天球坐标）（协议天球坐标）岁差改正岁差改正 232.4 协议地球坐标系(CTS)p 地固坐标系地固坐标系:天球坐标系与地球自转无关，导天球坐标系与地球自转无关，导致地球上一固定点在天球坐标系中的坐标随地致地球上一固定点在天球坐标系中的坐标随地球自转而变化，应用不方便。球自转而变化，应用不方便。p 为了描述地面观测点的
16、位置，有必要建立与地为了描述地面观测点的位置，有必要建立与地球体相固联的坐标系球体相固联的坐标系。p 地球坐标系有两种表达方式：地球坐标系有两种表达方式：地心空间直角坐标系和大地坐标系。地心空间直角坐标系和大地坐标系。24地心空间直角坐标系p原点与地球质心重合原点与地球质心重合pz轴指向地球北极轴指向地球北极px轴指向格林尼治平子午轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点面与赤道的交点Epy轴垂直于轴垂直于xoz平面构成右平面构成右手坐标系。手坐标系。25大地坐标系p地球椭球的中心与地球质心重合地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，椭球短轴与地球自转轴重合p大地纬度大地纬度B为过地
17、面点的椭球法为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角线与椭球赤道面的夹角p大地经度大地经度L为过地面点的椭球子为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角间的夹角p大地高大地高H为地面点沿椭球法线至为地面点沿椭球法线至椭球面的距离椭球面的距离 26大地坐标系 27地球坐标系的坐标转换 p 任一地面点在地球坐标系任一地面点在地球坐标系中可表示为（中可表示为（X，Y，Z）和（和（B，L，H），两者可），两者可进行互换。进行互换。p 空间大地坐标依附于参考空间大地坐标依附于参考椭球。为建立大地坐标与椭球。为建立大地坐标与直角坐标之间的关系，必直角坐标之间的关系，必
18、须首先定义参考椭球。须首先定义参考椭球。28坐标转换公式设地球参考椭球长半径为设地球参考椭球长半径为a，短半径为短半径为b，偏心率为，偏心率为e，N为椭球卯酉圈的曲率半径。为椭球卯酉圈的曲率半径。地心纬度，即观测点和地心连线地心纬度，即观测点和地心连线与赤道面的夹角与赤道面的夹角,tan=Z/（X2+Y2）1/2；R地心向径，地心向径，R=（X2+Y2+Z2）1/2。2()coscos()cossin(1)sinXNHBLYNHBLZNeHB12arctanarctan tan1coscosYLXNBeNHRHNB122222221sinaNeBabea 29极 移p地球自转轴受日月引力作用使
19、其在空间变化地球自转轴受日月引力作用使其在空间变化，导致，导致章动和岁差章动和岁差。而且还受到地球内部质量。而且还受到地球内部质量不均匀影响，在地球体内部运动，导致不均匀影响，在地球体内部运动，导致极移极移。p极移：极移：地球自转轴相对于地球体的位置不是地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象。极移将使地球坐标系的变化的现象。极移将使地球坐标系的Z轴方向轴方向发生变化。主要引起地球瞬时坐标系相对协议发生变化。主要引起地球瞬时坐标系相对协议地球坐标系的旋转。地球坐标系的旋转。p地极移动与岁差和章动是不同的概念，岁差
20、地极移动与岁差和章动是不同的概念，岁差和章动是指地球自转轴在空间指向的移动，而和章动是指地球自转轴在空间指向的移动，而地极移动则是指地球北极与地面参照物的相对地极移动则是指地球北极与地面参照物的相对移动。移动。30极 移p极移现象主要引起地极移现象主要引起地球瞬时坐标系相对协议球瞬时坐标系相对协议地球坐标系的旋转。地球坐标系的旋转。31地球与天球之间的坐标转换p 根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义：根据协议地球坐标系和协议天球坐标系的定义：u两坐标系的原点位置相同；u两坐标系的z轴指向相同；u两坐标系x轴的指向不同，其间夹角为春分点的格林尼治恒星时。GAST：春分点的格林尼治恒星时春分点
21、的格林尼治恒星时（Greenwich Apparent Sidereal Time）32坐标转换过程zTTXxYRGASTyZz zyzxzxyxzCTSCISXxYR RRyZz 两者的坐标原点一致，只需多次旋转坐标轴即可两者的坐标原点一致，只需多次旋转坐标轴即可 332.5 GPS坐标系统p在在GPS系统中，为确定用户接收机的位置，系统中，为确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置应转换到统一的地球坐标系统。卫星的瞬时位置应转换到统一的地球坐标系统。pGPS试验阶段，卫星瞬时位置的计算采用试验阶段，卫星瞬时位置的计算采用1972年年世界大地坐标系（世界大地坐标系（WGS-72），），19
22、87年年1月月10日日开始采用改进的大地坐标系统开始采用改进的大地坐标系统WGS-84。p世界大地坐标系（世界大地坐标系（World Geodetic System）WGS属于协议地球坐标系属于协议地球坐标系CTS，p WGS可看成可看成CTS的近似系统。的近似系统。34WGS-84坐标系pWGS-84坐标系是美国坐标系是美国84年在卫星大地测年在卫星大地测量的基础上建立的以地球质心为原点的大地量的基础上建立的以地球质心为原点的大地测量基准。测量基准。u Z轴指向轴指向1984北极北极u X轴指向轴指向1984格林威治子午线与赤道交点格林威治子午线与赤道交点u Y轴与轴与X、Z轴构成右手坐标系
23、。轴构成右手坐标系。35WGS-84坐标系p由由GPS卫星发布的星卫星发布的星历参数是历参数是WGS-84坐标坐标系的数据，故系的数据，故GPS测量测量时，先求得测站点的时，先求得测站点的WGS-84坐标，再换算坐标，再换算为当地使用的坐标。为当地使用的坐标。36椭 球WGS-72与与WGS-84的基本大地参数：的基本大地参数：长半径、扁率、自转角速度、万有引力常数长半径、扁率、自转角速度、万有引力常数基本大地参数基本大地参数WGS-72WGS-84长半径长半径a(m)63781356378137椭球扁率椭球扁率f1/298.261/298.257(rad/s)7.292115 10-57.2
24、92115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.5 372000中国大地坐标系（CGCS2000）pZ轴指向国际地球自转服务组织（轴指向国际地球自转服务组织（IERS）定义的参）定义的参考极（考极（IRP）方向；）方向；pX轴为轴为IERS定义的参考子午面（定义的参考子午面（IRM）与通过原点）与通过原点且同且同Z轴正交的赤道面的交线；轴正交的赤道面的交线；pY轴与轴与Z、X轴构成右手直角坐标系。轴构成右手直角坐标系。382.6 时间系统 p时间系统时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基
25、关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。准。p时间系统的时间系统的重要性重要性：uGPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应瞬间时刻。例如当要求行位置同时，必须给出相应瞬间时刻。例如当要求GPS卫星卫星位置误差小于位置误差小于1cm，则相应的时刻误差应小于，则相应的时刻误差应小于2.6 X10-6s。u准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误，则信号传播时间的测定
26、误差应小于差应小于3 X10-11s 39时间概念p由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上由于地球的自转现象，在天球坐标系中地球上点的位置是不断变化的，在地心坐标系中，即点的位置是不断变化的，在地心坐标系中，即使卫星不动，地面点位置与卫星的相互位置关使卫星不动，地面点位置与卫星的相互位置关系也是变化的。系也是变化的。p若要求赤道上一点的位置误差不超过若要求赤道上一点的位置误差不超过1cm，则，则时间测定误差要小于时间测定误差要小于2 X 10-5s。p时间包含了时间包含了“时刻时刻”和和“时间间隔时间间隔”两个概念两个概念。u时刻时刻是指发生某一现象的瞬间，与所获取数据对应的是指发生某一现象
27、的瞬间，与所获取数据对应的时刻也称历元。时刻也称历元。u时间间隔时间间隔是指发生某一现象所经历的过程，是这一过是指发生某一现象所经历的过程，是这一过程始末的时间之差。程始末的时间之差。40时间基准p测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单测量时间必须建立一个测量的基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺位（尺度）和原点（起始历元）。其中时间的尺度是关键，而原点可根据实际应用加以选定。度是关键，而原点可根据实际应用加以选定。p符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象符合下列要求的任何一个可观察的周期运动现象，都可用作确定时间的基准：，都可用作确定时间的基准：u 运动是连续的
28、、周期性的。u 运动的周期应具有充分的稳定性。u 运动的周期必须具有复现性，即在任何地方和时间，都可通过观察和实验，复现这种周期性运动。41世界时系统p地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最地球的自转运动是连续的，且比较均匀。最早建立的时间系统是以地球自转运动为基准早建立的时间系统是以地球自转运动为基准的世界时系统。的世界时系统。p由于观察地球自转运动时所选取的空间参考由于观察地球自转运动时所选取的空间参考点不同，世界时系统包括点不同，世界时系统包括:u 恒星时恒星时u 平太阳时平太阳时u 世界时世界时 42恒星日和太阳日p真正的自转周期是恒星日真正的自转周期是恒星日p常说的常说的1天是太阳日
29、天是太阳日p恒星日恒星日23时时56分分4秒，是地球自转的秒，是地球自转的真正周期真正周期p太阳日太阳日24时，是地球自转时，是地球自转36059 的的时间时间 参照物不同，结果不同 43恒星时(Siderdal Time,ST)p以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时。确定的时间称为恒星时。p春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，即一恒星日，即24个恒星小时。个恒星小时。p恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原恒星时以春分点通过本地子午圈时刻为起算原点，在数值上等于春分点相对于
30、本地子午圈的点，在数值上等于春分点相对于本地子午圈的时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有时角，同一瞬间不同测站的恒星时不同，具有地方性，也称地方恒星时。地方性，也称地方恒星时。44平太阳时(Mean solar Time,MT)p由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律由于地球公转的轨道为椭圆，根据天体运动的开普勒定律，可知太阳的视运动速度是不均匀的，如果以真太阳作为，可知太阳的视运动速度是不均匀的，如果以真太阳作为观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基观察地球自转运动的参考点，则不符合建立时间系统的基本要求。本要求。p假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平
31、均假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点速度，且在天球赤道上作周年视运动，这个假设的参考点在天文学中称为平太阳。在天文学中称为平太阳。p平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日，包含，包含24个平太阳时。平太阳时也具有地方性。个平太阳时。平太阳时也具有地方性。45世界时(Universal Time,UT)p以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时称为世世界时界时。世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算。世界时与平太阳时的时间尺度相同，起算
32、点不同。秒定义为一个平太阳日的点不同。秒定义为一个平太阳日的1/86400，是，是以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。以地球自转这一周期运动作为基础的时间尺度。p地球自转存在极移现象，加入极移改正得地球自转存在极移现象，加入极移改正得UT1。加入地球自转角速度的季节改正得加入地球自转角速度的季节改正得UT2。经过改。经过改正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不正，其中仍包含地球自转角速度的长期变化和不规则变化的影响，世界时规则变化的影响，世界时UT2不是严格均匀的时不是严格均匀的时间系统。间系统。46原子时(Atomic Time-AT)p物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，
33、具有物质内部的原子跃迁所辐射和吸收的电磁波频率，具有很高的稳定度，由此建立的原子时成为最理想的时间系很高的稳定度，由此建立的原子时成为最理想的时间系统。统。1967年年10月，第十三届国际度量衡大会通过。月，第十三届国际度量衡大会通过。p秒长定义：位于海平面上的铯秒长定义：位于海平面上的铯133原子基态的两个超精原子基态的两个超精细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡细能级，在零磁场中跃迁辐射震荡9192631770周所周所持续的时间为一原子时秒，是国际制秒（持续的时间为一原子时秒，是国际制秒（SI）的时间单）的时间单位。位。p原子时系统包括原子时系统包括:u 国际原子时国际原子时u 协调世界时协调世
34、界时u GPS时时 47国际原子时p起点：起点：1958年年1月月1日日0时时0秒。秒。AT-UT2=-0.0039秒秒p地方原子时之间存在差异，因此地方原子时之间存在差异，因此国际上大约国际上大约100座原子钟，通过座原子钟，通过相互比对，经数据处理推算出统相互比对，经数据处理推算出统一的原子时系统，称为国际原子一的原子时系统，称为国际原子时时(IAT)。p原子时作为高精度的时间基准，原子时作为高精度的时间基准，普遍用于精密测定卫星信号的传普遍用于精密测定卫星信号的传播时间。播时间。48协调世界时p为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从为避免发播的原子时与世界时之间产生过大偏差，从1
35、972年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上年采用了一种以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的折衷时间系统，称为尽量接近于世界时的折衷时间系统，称为协调世界时协调世界时或协调时（或协调时（Coordinate universal TimeUTC）p采用闰秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相采用闰秒或跳秒的方法，使协调时与世界时的时刻相接近。即当协调时与世界时的时刻差超过接近。即当协调时与世界时的时刻差超过 0.9s时，时，便在协调时中引入一闰秒。便在协调时中引入一闰秒。p协调时与国际原子时的关系定义为：协调时与国际原子时的关系定义为：IAT=UTC+1s n n为调整参数为调整参
36、数 49GPS时间系统（GPST）p为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制主控站的原子钟控制。pGPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即但与国际原子时的原点不同，即GPST与与IAT在在任一瞬间均有一常量偏差。任一瞬间均有一常量偏差。IAT-GPST=19s 50GPS时与协调时pGPS时与协调时的时刻，规定在时与协调时的时刻，规定在1980年年1月月6日日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将时一致，随着时间的积累，两者的差异
37、将表现为秒的整数倍。表现为秒的整数倍。pGPS时与协调时之间关系：时与协调时之间关系：GPST=UTC+1s n-19sp到到1987年，调整参数年，调整参数n为为23，两系统之差为，两系统之差为4秒，到秒，到1992年调整参数为年调整参数为26，两系统之差，两系统之差已达已达7秒。秒。51北斗时（BDT）系统pBDT采用国际单位制（采用国际单位制（SI）秒为基本单位连续）秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为累计，不闰秒，起始历元为2006年年1月月1日协日协调世界时（调世界时（UTC）00时时00分分00秒，采用周和秒，采用周和周内秒计数。周内秒计数。pDT通过通过UTC（NTSC）与国
38、际）与国际UTC建立联系，建立联系，BDT与与UTC的偏差保持在的偏差保持在100纳秒以内（模纳秒以内（模1秒秒）。）。pBDT与与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报之间的闰秒信息在导航电文中播报。52时间系统及其关系 53自 转 周 期p 恒星距地球非常遥远，恒星距地球非常遥远，“三颗三颗恒星恒星”实际上是同一颗恒星。实际上是同一颗恒星。p 地球自转同时，绕太阳公转。地球自转同时，绕太阳公转。p 计时的开始与结束都是计时的开始与结束都是“三点三点一线一线”。p 恒星日（恒星日（E1E2）：）：360 23h56m4sp 太阳日（太阳日（E1E3）：）：36059 24h 54自转角速度p地
39、球表面除南北极点外，地球表面除南北极点外，任何地方角速度都一样。任何地方角速度都一样。p地球自转角速度地球自转角速度=地球自转地球自转角度角度/自转时间自转时间p 360/周期周期 15/hp自转角速度两极点为零，自转角速度两极点为零，其余均约为其余均约为15/h。55自转线速度p 地球自转线速度随纬度升地球自转线速度随纬度升高而降低。高而降低。赤道最大，极赤道最大，极点为零。点为零。p线速度线速度v纬线圈周长纬线圈周长周期周期赤道周长赤道周长cos24h1670cos（km/h）p南北两极点的自转角速度南北两极点的自转角速度和线速度都为零。和线速度都为零。56 地球自转的意义地球自转产生地球
40、自转产生昼夜更替昼夜更替现象：现象：p 地球是一个不发光、也不透明的地球是一个不发光、也不透明的球体。球体。p 太阳是一个点光源，平行照射的太阳是一个点光源，平行照射的太阳光，只能使地球的一半被照太阳光，只能使地球的一半被照亮，形成昼半球，而另一半则形亮，形成昼半球，而另一半则形成夜半球。成夜半球。p 昼夜半球的分界线叫晨昏线。昼夜半球的分界线叫晨昏线。57晨 昏 线APB晨线晨线昏线昏线晨昏线晨昏线晨线晨线黑夜转向白天的交界线黑夜转向白天的交界线昏线昏线白天转向黑夜的交界线白天转向黑夜的交界线 58 地 方 时不同地方产生不同不同地方产生不同地方时地方时：由于地球的自转，在地球上同一纬线上的
41、两由于地球的自转，在地球上同一纬线上的两点，东边的时刻总是早于西边。每点，东边的时刻总是早于西边。每24小时自小时自转一周，所以地球上经度相差转一周，所以地球上经度相差15度的地方，度的地方，时间相差时间相差1小时。小时。59时 区国际上将不同的地方时统一划分为国际上将不同的地方时统一划分为24个时区个时区。60公转速度R1.5亿亿km 61自转和公转的比较平均约平均约30km/s平均约平均约1/d近日点处较快近日点处较快远日点处较慢远日点处较慢1个恒星年个恒星年365d6h9m10s自自西西向向东东太阳太阳公转公转由赤道向两极递由赤道向两极递减，赤道减，赤道1670km/h，两极两极为为0两
42、极为两极为0，其余各地约其余各地约15/h1个恒星日个恒星日23h56m4s自自西西向向东东地轴地轴自转自转线速度线速度角速度角速度速速 度度周周 期期方方向向旋转旋转中心中心运动运动形式形式 62黄赤交角的意义 63黄赤交角的意义p 在地球绕日公转时，太阳有时直射北半球，直射的最北界在地球绕日公转时，太阳有时直射北半球，直射的最北界限为北纬限为北纬2323度度2626分，这条纬线被称为分，这条纬线被称为北回归线北回归线，每年，每年6 6月月2222日前后太阳直射北回归线这一天为日前后太阳直射北回归线这一天为夏至日夏至日。p 有时直射南半球，直射的最南界限为南纬有时直射南半球，直射的最南界限为
43、南纬2323度度2626分，这条分，这条纬线被称为纬线被称为南回归线南回归线。每年。每年1212月月2222日前后太阳直射南回归日前后太阳直射南回归线，这一天为线，这一天为冬至日冬至日。p 每年每年3 3月月2121日前后太阳直射赤道，日前后太阳直射赤道，春分春分。每年每年9 9月月2323日前后太阳直射赤道，日前后太阳直射赤道，秋分秋分。p 地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应地在南北地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应地在南北回归线之间往返移动。回归线之间往返移动。64地球公转的意义产生昼夜长短变化产生昼夜长短变化p 晨昏线与太阳直射光线的晨昏线与太阳直射光线的关系是相互垂直，
44、由于太关系是相互垂直，由于太阳直射点的位置变化，使阳直射点的位置变化，使得晨昏线把所经过的纬线得晨昏线把所经过的纬线分割成不同的昼弧和夜弧分割成不同的昼弧和夜弧，从而导致经过地球自转，从而导致经过地球自转一周产生不同长度的白昼一周产生不同长度的白昼和黑夜。和黑夜。太阳直射点的移动太阳直射点的移动 65昼夜长短变化规律p北半球自春分日至秋分日，太阳直射点在北半球移动，各北半球自春分日至秋分日，太阳直射点在北半球移动，各地昼长于夜，纬度越高昼越长夜越短。南半球相反。地昼长于夜，纬度越高昼越长夜越短。南半球相反。p北半球自秋分到次年春分，太阳直射点在南半球移动，各北半球自秋分到次年春分，太阳直射点在
45、南半球移动，各地昼短夜长，纬度越高夜越长昼越短。南半球相反。地昼短夜长，纬度越高夜越长昼越短。南半球相反。66极 昼 极 夜p夏至日北半球达到昼最长夜最短，北极圈以内出现极昼。夏至日北半球达到昼最长夜最短，北极圈以内出现极昼。p冬至日北半球达到昼最短夜最长，北极圈以内出现极夜。冬至日北半球达到昼最短夜最长，北极圈以内出现极夜。p春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各为为12小时。小时。67四 季 更 替p由于黄赤交角的存在，地球在以一年为时间由于黄赤交角的存在，地球在以一年为时间的公转中，不同的时间有不同的太阳高度和的公转中，不同的
46、时间有不同的太阳高度和不同的昼夜长短，因此在同一地点不同的时不同的昼夜长短，因此在同一地点不同的时间，地球上有热量多少的差异。也就出现了间，地球上有热量多少的差异。也就出现了冷暖的时间差异。冷暖的时间差异。p从天文含义看：夏季就是一年内白昼最长，从天文含义看：夏季就是一年内白昼最长，太阳最高的季节。冬季就是一年内白昼最短太阳最高的季节。冬季就是一年内白昼最短，太阳最低的季节。春、秋季就是冬夏季节，太阳最低的季节。春、秋季就是冬夏季节的过渡季节。的过渡季节。68地球的运动总结地球自转地球自转地球公转地球公转 平面平面 平面平面昼夜长短的昼夜长短的 变化，变化，的季节变化的季节变化 交角交角太阳直射点的回归运动太阳直射点的回归运动 的更替、的更替、的划分的划分赤道赤道黄道黄道黄赤黄赤季节季节正午太阳高度正午太阳高度四季四季五带五带
