地球自转和时间系统
航海学Ⅱ天文航海3-时间
第三节 视时
• 视时(apparent time)是建立在地球自转基 础上的时间系统，它是以太阳⊙为参考点， 以其周日视运动的周期作为时间的计量单位。 • 一、视太阳日 • 在周日视运动中，太阳中心连续两次经过 某地子圈所经历的时间间隔称为l视太阳日。 l视太阳日可分为： • l视太阳日＝24视太阳小时(24h)； • l视太阳小时=60视太阳分钟(60m)； • l视太阳分钟=60视太阳秒钟(60s)。
• 正 跳 秒 ： 23h59m60s 之 后 是 次 日 的 00h00m00s 这实质上是把原子时AT的时 刻推迟ls。 • 负 跳 秒 ： 23h59m58s 之 后 是 次 日 的 00h00m00s 。这实质上是把原子时AT的 时刻提前1s。 • 具体跳秒时间和方法可查阅英版《无线 电信号表》第二卷或英版《航海通告》 第VI部分。
• 在天文航海中，恒星时是以春分点时角来表 示的。恒星时是天文学上采用的时间计量单 位。它不宜用于日常生活和工作中。这主要 是恒星时与昼夜关系不固定的缘故。我们已 知，春分点每天中天的时间比太阳提前约4m。 例如，3月21日，太阳位于春分点，这一天 春分点与太阳同时上中天，恒星日从中午开 始，到6月22日，春分点上中天的时间比太 阳提前约6h，恒星日从黎明开始。同理，9 月23日恒星日从午夜开始，12月22日恒星日 从黄昏开始，由此可见，恒星时的时刻与昼 夜的关系不固定。然而，人们的日常生活工 作一般是。根据“昼夜”来安排的，所以恒 星时不宜用于日常生活之中。
• 1．建立在地球自转基础上的世界时系统； • 2．建立在地球公转基础上由力学定律所 确定的历书时系统； • 3．建立在原子能级跃迁频率基础上的原 子时系统。
• 一、世界时系统 • 世界时系统(universal time system) 是建立在地球自转运动基础上的时间系 统。也就是说，以地球自转周期作为时 间的计量单位。 • 地球上的人们无法直接测量地球的自转 周期，但是，可以选择地球以外的一点 作为参考点，观测该点的周日视运动的 周期来间接地测出地球自转的周期，从 而得到时间的计量单位。选择不同的参 考点，得到的时间计量单位也不同。
大地测量学基础-第2章坐标系统与时间系统
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
黄道 赤道
PS
πS
πN
πS
6、春分点与秋分点
• 黄道与赤道的两个交点称为春 分点和秋分点。
• 从地球上看，太阳沿黄道逆时 针运动。
• 黄道和赤道在天球上存在相距 180°的两个交点，其中太阳沿 黄道从天赤道以南向北通过天 赤道的那一点，称为春分点（3 月21日前后），与春分点相隔 180°的另一点，称为秋分点（9 月23日前后） 。
• GAMT 表示格林尼治平太阳时角。
• 未经任何改正的世界时表示为UT0；
• 经过极移改正的世界时表示为UT1：
UT1=UT0+Δλ
§2－1 地球的运转 §2－2 时间系统 §2－3 坐标系统
§2－1 地球的运转
• 众所周知，我们生存的地球一直处于运动之中。 • 从不同的角度来看，地球的运转可分为四类： （1）与银河系一起在宇宙中运动 （2）与太阳系一起在银河系内运动 （3）与其它行星一起绕太阳旋转（公转） （4）绕其自身旋转轴(瞬时)旋转（自转，或叫周日视运动） • 大地测量学主要研究后两类运动。
• 考虑岁差和章动的共同影响时，相应的旋转轴、天极、天球赤道 等术语前加上“真”，即真旋转轴、真天极、真天球赤道。
• 若只考虑岁差，则分别称作平旋转轴、平天极、平天球赤道。
章动（周期18.6年）
岁差（周期25786年）
23.5 °
时间时间系统
时间时间系统确定时刻有两个条件：（1）时间单位（计量单位）。
在这连续的一直向前的时间进行中，可选择一种比较均匀的、有连续重复周期的物质运动现象作为时间的计量单位。
选择不同的计量单位就得到了不同的时间计量系统。
（2）确定时间计量的起点测量时间和发布时间信号是天文台的主要任务之一。
1．世界时系统(Universal Time System)（1）世界时系统建立在地球自转基础上的时间系统，分为：恒星时(s, Sidereal Time)：以春分点为参考点的视运动现象得出的时间。
是天文学上的专用时间，在航海中实际应用较少。
视太阳时(T⊙,Apparent Time)：以视太阳(Apparent Sun)为参考点的视运动现象得出的时间。
平太阳时(T,Mean Solar Time)：以平太阳(Mean Sun)为参考点的运动得出的时间。
平太阳时又可分为地方平太阳时(Local Mean Time)和世界时(Universal Time，UT)：零度经线处的平太阳时间。
（2）地球自转不均匀地球自转不但不均匀，而且还有季节性和短期性的变化。
现已弄清的有以下几种原因：①地球自转长期减慢的现象引起长期减慢的原因，一般认为是受潮汐磨擦力的影响。
日长大约在100年内增长0s.0016。
②地球自转不规则的变化地球自转有时快有时慢。
在快慢交替的时候，变化相当显著，变化量将超过地球自转在100年内长期减慢所积累起的数值。
原因：多方面，①内部物质的移动；②太阳光斑喷射的微粒子流与地球磁场耦合而产生得阻尼影响。
③地球自转的季节性变化周期较短，变化周期为一年和半年，变化振幅最大可达0s.03左右。
原因：科学家们认为是由大气环流的季节性变化造成的。
④地球自转的短周期变换周期为一个月和半个月，振幅在1毫秒以下，全部积累起来的影响在最大时也不超过3豪秒。
⑤极移地球除自转速度不均匀外，地极在地球表面上24米×24米范围之内作反时针近似圆形螺旋曲线的周期运动，这种现象称为“极移”。
世界时、UTC、GPS时、本地时间、闰秒
世界时、UTC、GPS时、本地时间、闰秒（一）时间系统世界时是基于地球自转的一种时间计量系统，反映了地球在空间的位置。
原子时是基于原子物理技术的一种更加均匀的时间系统，对于测量时间间隔非常重要。
由于两种时间尺度速率上的差异，一般来说1～2年会差1秒。
协调世界时（UTC , Universal Time Coordinated）是我们日常生活所用的时间，是一种折衷的时间尺度，它用原子时的速率，而在时刻上逼近世界时，所用方法就是“闰秒”，当协调世界时和世界时之差即将超过±0.9秒时，就对协调世界时作一整秒的调整。
UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预（闰秒），尽量靠近世界时。
方法是：必要时对协调世界时作一整秒的调整（增加1秒或去掉1秒），使UTC和世界时的时刻之差保持在±0.9秒以内。
这一技术措施就称为闰秒（或跳秒），增加1秒称为正闰秒（或正跳秒）；去掉1秒称为负闰秒（或负跳秒）。
是否闰秒，由国际地球自转服务组织（IERS）决定。
闰秒的首选日期是每年的12月31日和6月30日，或者是3月31日和9月30日。
如果是正闰秒，则在闰秒当天的23时59分59秒后插入1秒，插入后的时序是：…58秒，59秒，60秒，0秒，…，这表示地球自转慢了，这一天不是86400秒，而是86401秒；如果是负闰秒，则把闰秒当天23时59分中的第59秒去掉，去掉后的时序是：…57秒，58秒，0秒，…，这一天是86399秒。
最近的一次闰秒是在2005年底实施的。
2005年7月4日，国际地球自转服务组织（IERS）发布C公报，协调世界时（UTC）将在2005年底实施一个正闰秒，即增加1秒。
届时，所有的时钟将拨慢1秒。
具体实施步骤如下：UTC协调世界时：23时59分59秒（2005年12月31日）23时59分60秒（2005年12月31日）00时00分00秒（2006年1月1日）相应地，北京时间：7时59分59秒（2006年1月1日）7时59分60秒（2006年1月1日）8时00分00秒（2006年1月1日）之前的一次闰秒发生在1999年1月1日。
第二章坐标系统和时间系统
• 4）黄 极
•天 球
•黄道
•黄赤交角23°27′
第一节 地球的运转
2. 地球自转：绕其自身旋转轴的转动。周期为24小时。 • 2.1 地轴方向相对于空间的变化：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。
• 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。
第一节 地球的运转
① 行星运行的轨道是一个椭圆，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
第一节 地球的运转
• 2)天 ：以地球质心为中心以无穷大为半径的假想球体。 球
① 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴；天轴与天
• 其中，Δψ为黄经章动 ，ε黄赤交角
•第二节 时间系 统
•2.平太阳时（MT） •（1）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； •（2）平太阳:由于真太阳的视运动速度是不均匀的，因而真太阳 时 • 不是均匀的时间尺度。为此引入虚拟的在赤道上匀速运行的 • 平太阳，其速度等于真太阳周年运动的平均速度。 •（3）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。 •（4）计量时间单位：平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳 • 秒；
•第一节 地球的运转
•⑤
• :地球公转的轨道面与天球相交的大圆，黄道面
黄道
与赤道面的夹角，称为黄赤交角，约为 。
• ⑥ 春分 • :当太阳在黄道上从天球南半球刚北半球运行时
GPS时间系统概述和世界时系统
GPS时间系统概述和世界时系统6．1 GPS时间系统概述 时间包含“时刻”和“时间间隔”2个概念。
所谓时刻，即发⽣某⼀现象的瞬间。
在天⽂学和卫星定位中、与所获数据对应的时刻也称为历元。
时间间隔则是指发⽣某⼀现象所经历的过程，是这⼀过程始末的时刻之差。
所以，时间间隔测量也称为相对时间测量，⽽时刻测量相应地称为绝对时间测量。
要测量时间，必须建⽴⼀个测量基准，即时间的单位（尺度）和原点（起始历元）其中，时间的尺度是关键．⽽原点可以根据实际应⽤加以选定。
⼀般地，任何⼀个可观察的周期运动现象，只要符合以下要求．都可以⽤做确定时问的基推： （1）运动应是连续的，周期性的。
（2）运动的周期应具有充分的稳定性。
（3）运动的周期必须具有复现性、即要求在任何地⽅和时间，都可以通过观测和实验，复现这种周期性运动。
时间测量基准不同，则描述的时刻和时间间隔都不相同，从⽽得到了不同的时间系统。
在天⽂学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和⼈造卫星运⾏位置及其相互关系的重要基准，因⽽也是⼈类利⽤卫星进⾏定位的重要基难。
在GPS卫星定位中，时间系统的重要意义主要表现为如下⼏点。
（1）GPS卫星作为⼀个⾼空观测⽬标，其位置是不断变化的。
因此，在给出卫星运⾏位置的同时．必须给出相应的瞬间时刻。
例如，当要求GPS卫星的位置误差⼩于1M时，则相应的时刻误差应⼩于2．6xl0。
（2）GPS定位是通过接收和处理GPS卫星发射的⽆线电信号来确定⽤户接收机（即观测站）⾄卫星间的距离（或距离差），进⽽确定观测站的位置的。
因此，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。
若要求其距离误差⼩于1M，则信号传播时间的测定误差应⼩于3xlo—10。
（3）由于地球的⾃转，地球上点在天球坐标系中的位置是不断交化的。
若要求⾚道上⼀点的位置误差不超过1cm，则时间的测定误差应⼩于2x10-5s。
显然，利⽤GPS进⾏精密的导航与测量，应尽可能获得⾼精度的时间信息。
参心坐标系名词解释
参心坐标系名词解释
参心坐标系是一种描述地球表面位置和方向的坐标系统，其中参考椭球中心、地球自转轴、地球短轴、经度与纬度、大地水准面、高度和深度、地球引力场以及时间系统等概念在系统中扮演重要角色。
1. 参考椭球中心：参考椭球中心是参心坐标系的原点，通常与地球质心重合，但并不一定。
参考椭球中心的位置通过定位测量和天文观测等方式来确定。
2. 地球自转轴：地球自转轴是地球绕其自身轴线旋转的轴线，其方向与地球公转轨道面垂直，并指向北极星附近。
在参心坐标系中，地球自转轴通常与参考椭球的长轴重合。
3. 地球短轴：地球短轴是参考椭球赤道面与地球自转轴的交点之间的距离，也称为短半轴或横截面半径。
4. 经度与纬度：经度和纬度是用来描述地球表面点位置的坐标系。
经度是以本初子午线为0°，以东为东经，以西为西经；纬度是以赤道为0°，向北为北纬，向南为南纬。
5. 大地水准面：大地水准面是指与平均海水面重合并延伸至大陆内部的连续曲面。
大地水准面是参心坐标系中描述地球表面位置的基础。
6. 高度和深度：在参心坐标系中，高度是指从大地水准面到地球表面上任意一点的垂直距离；深度则是指从大地水准面到地下任意一点的垂直距离。
7. 地球引力场：地球引力场是地球对周围物体产生的引力作用分布。
在参心坐标系中，地球引力场是用来描述地球表面点和地球自转轴之间引力关系的。
8. 时间系统：时间系统是用来描述时间变化的系统。
在参心坐标系中，时间系统是用来确定地球自转速度和其他天体位置变化的基础。
地球自转
岁差和章动、极移的两个分量X 和Y 以及世界时（Universal Time，UT1）和协调世界时（Universal Time coordinated，UTC）之差UT1-UTC 或者日长变化（其为UT1-UTC 的衍生物）常用来反映地球自转的变化，称为地球定向参数（EarthOrientation Parameters，EOP）。
其中，极移、UT1-UTC 和日长变化称为地球自转参数（EarthRotation Parameters，ERP）（孔祥元等，2010）。
随着现代空间大地测量技术如甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）、卫星激光测距（Satellite Laser Ranging，SLR）、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等的不断发展，已能为人们提高更高精度、更高分辨率的地球定向参数。
与经典光学测量技术相比，其观测精度提高了两个数量级（王保卫，1999）。
在极移方面，目前观测精度达到0.1 mas（相当于地面上3mm 的距离），日长变化的观测精度可达到0.01 ms（Wlofgang，2008；徐君毅，2010）由于复杂的数据处理过程，利用现在测量技术所获取的海量数据并不能实时的给出地球定向参数解算值，如运用VLBI、SLR 等高精度的观测手段来获取EOP 值往往要延迟2~5 天，而利用GPS，其解算速度相对较快，也要延迟2~3 个小时来获取EOP变化值。
但GPS 技术解算时受系统影响较大，长期性并不好，需要VLBI 和SLR 技术解算值来进行修正（王琪洁，2007；徐君毅，2010）。
基于此，地球自转参数是无法实时获取的，为了解决这一矛盾，利用已有观测资料对EOP 进行预测，建立高精度的预报模型就显得尤为重要。
极移主要包括两种：周期为12 个月的周年受迫摆动和周期为14 个月的Chandler 自由摆动，一般有平均极移和瞬时极移两种方式表示。
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一、地球绕太阳公转
（1） 符合开普勒三大定律 ） （2） 旋转的椭圆轨道称为黄道 ）
二、地球的自转
地轴， 地轴，瞬时旋转轴 1. 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） 岁差：地轴在空间绕黄极发生缓慢的旋转的现象。 岁差：地轴在空间绕黄极发生缓慢的旋转的现象。 周期为26000年。 周期为 年 章动：由于月球引力的影响， 章动：由于月球引力的影响，导致地轴在岁差的基础上叠加 了周期为18.6年的短周期运动，这种现象称为章动。 年的短周期运动， 了周期为 年的短周期运动 这种现象称为章动。 周期为18.6年。 周期为 年
1960 年以前，CIPM（世界度量衡標準會議）以地球自轉為基礎，定義以平均 太陽日之 86400 分之一作為秒定義。即 1秒 = 1/86400 1967年舉行的第13屆國際計量大會(General Conference on Weights and Measures)選擇了以銫原子的躍遷做為秒的新定義，即銫原子同位素133基態超精 細能階躍遷的9192631770個週期所持續的時間定為1秒，稱作原子秒，新定義使 得計時進入了原子時的時代。
上节回顾
一．课程的必要性和特点和学好本 门课方法 二 、 大地测量学概念 。 又称测地学 , 是地 大地测量学概念。 又称测地学, 球科学的一个分支学科。 球科学的一个分支学科。是一门研究地球形状 及行星几何和物理形态特征及其变化规律的基 础科学。包括：物理大地测量学、 础科学。包括：物理大地测量学、几何大地测 量学、卫星大地测量学和空间大地测量学。 量学、卫星大地测量学和空间大地测量学。
在恒星背景上的相对运动﹐即周年视运动 在恒星背景上的相对运动﹐即周年周日视运动 绕其瞬时旋转轴旋转(自转或周日视运动 绕其瞬时旋转轴旋转 自转或周日视运动)
(由于地球自转﹐地面上的观测者看到天体自东向西沿着与赤道平行的小圆 由于地球自转﹐ 由于地球自转 转过一周。这种直观的运动称为天体的周日视运动) 转过一周。这种直观的运动称为天体的周日视运动
第2章 坐标系统与时间系统 章
2.1 地球的运转 地球的运转分为四类: 地球的运转分为四类 (1) 与银河系一起在宇宙中运动 (2) 在银河系内与太阳系一起运转 (3) 与其他行星一起绕太阳旋转(公转或周年视运动) 与其他行星一起绕太阳旋转(公转或周年视运动 公转或周年视运动) (太阳除参与因地球自转引起的周日视运动外﹐还存在因地球公转引起的 太阳除参与因地球自转引起的周日视运动外﹐
三、大地测量的发展和展望 圆球阶段:同一时间,同一子午线上不同点处天 顶距差别子午线弧长. 椭球阶段：长度单位的确立;最小二乘法地提 出;椭球大地测量学的形成;弧度测量大规模展开 ;推算了不同的地球椭球参数 大地水准面阶段：国家天文网的布设;几何水 准,因瓦基线尺,平行测微器;大规模三角测量;新 椭球;平差. 现代大地测量：大规模水准网布设;工程控制 网;卫星多普勒技术,海洋卫星雷达测高,以及激 光卫星测距等都得到应用;优化设计,配置;国家 区域,GPS网大会战.
2.2 时间系统
课程中细讲， （GPS课程中细讲，大地测量中不多讲） 课程中细讲 大地测量中不多讲）
1、 意义 描述卫星或天文现象相应的时间（时空合一）。 描述卫星或天文现象相应的时间（时空合一）。 2、 时间系统组成 一维时间坐标轴＋时间原点为＋ 一维时间坐标轴＋时间原点为＋时间度量单位 3、秒的定義 、
2. 地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化（极移） 地轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化（极移） 极移：地极点在地球表面的位置随时间变化的现象。 极移：地极点在地球表面的位置随时间变化的现象。 国际协议原点CIO 国际协议原点 3. 地球自转的速度变化（日长变化） 地球自转的速度变化（日长变化） 地球的自转速度变化， 地球的自转速度变化，导致日长的视扰动和缓慢 变长， 变长，从而 使以地球自转为基准的时间尺度发生变化。 使以地球自转为基准的时间尺度发生变化。 小结：掌握岁差，章动， 小结：掌握岁差，章动，极移的基本概念
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0.005
英国原子钟 美国原子钟
大地测量技术
GPS(Global Positioning System) GLONASS (Global Navigation Satellite System) Galileo SLR(Satellite Laser Ranging) VLBI(Very Long Baseline Interferometry) DORIS(Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite) INS(Inertial Navigation System) 以及组合导航系统： 以及组合导航系统：GNSS,GPS+GLONASS,GPS+INS, GPS+INS+Pseudolite、CHAMP、 GPS+INS+Pseudolite、CHAMP、GAOCE
守时精度和稳定度
钟的类型 机械钟 石英钟 铷 钟 6 834 682 613 铯 钟 氢 钟 9 192 631 770 1 410 405 751 振荡频率（GHz） 精度（秒） 稳定度（⊿f/f）
10-1 10-4 10-7 10-8 10-10
10-6 10-9 10-12 10-13 10-15