GPS原理及其应用 chapter2_1

GPS原理及其应用原理及其应用2第二章第二章时间系统与坐标系统时间系统与坐标系统GPS原理及其应用原理及其应用32.1 有关时间系统的基本概念有关时间系统的基本概念GPS原理及其应用原理及其应用4基本概念基本概念时间时间 时间的含义时间的含义 时刻时刻 时间间隔时间间隔 时间的测量时间的测量 绝对时间测量绝对时间测量 相对时间测量相对时间测量 时间系统与时间系统框架时间系统与时间系统框架 时间系统时间系统 原点基准原点基准 尺度基准尺度基准 时间系统框架时间系统框架 实现和维持统一时间系统的技术实施实现和维持统一时间系统的技术实施GPS原理及其应用原理及其应用5基本概念基本概念时间基准时间基准 时间尺度基准时间尺度基准 定义方法定义方法 利用某个可观测到的周期性运动来定义利用某个可观测到的周期性运动来定义 作为时间尺度基准的运动需要满足的条件作为时间尺度基准的运动需要满足的条件 运动是连续的、具有稳定的周期性运动是连续的、具有稳定的周期性 运动周期有很好的复现性运动周期有很好的复现性 常用的时间尺度基准常用的时间尺度基准 地球自转周期地球自转周期（世界时，稳定度为（世界时，稳定度为10-8）行星绕日公转及月球公转周期（历书时，稳定度为行星绕日公转及月球公转周期（历书时，稳定度为10-10）原子中的电子跃迁时电磁波信号的振荡频率（原子中的电子跃迁时电磁波信号的振荡频率（10-14-10-16）脉冲星的自转周期脉冲星的自转周期（10-19）GPS原理及其应用原理及其应用6基本概念基本概念守时、授时与时间对比守时、授时与时间对比 守时系统守时系统 建立和维持时间基准，确定任一时刻的时间建立和维持时间基准，确定任一时刻的时间 评价系统内不同时钟的稳定度评价系统内不同时钟的稳定度 授时系统授时系统 用各种设备与技术将时间和频率信息传递给用户用各种设备与技术将时间和频率信息传递给用户 时间比对时间比对 用户与标准时间之间的时间比对用户与标准时间之间的时间比对授时授时 时间服务时间服务 由专门机构建立和维持时间系统，将时间与频率信息传由专门机构建立和维持时间系统，将时间与频率信息传递给用户的工作称为时间服务递给用户的工作称为时间服务 我国的时间服务机构是我国的时间服务机构是NTSCGPS原理及其应用原理及其应用7基本概念基本概念时钟（时钟（1）时钟的功能时钟的功能 守时工具守时工具 时钟误差的处理时钟误差的处理 通过比对时刻钟面时相对于标准时的钟差估计通过比对时刻钟面时相对于标准时的钟差估计任意时刻的钟差改正数任意时刻的钟差改正数GPS原理及其应用原理及其应用8基本概念基本概念时钟（时钟（2）时钟性能评价的技术指标时钟性能评价的技术指标 频率准确度频率准确度 频率准确度反映钟速是否正确频率准确度反映钟速是否正确 频率漂移率频率漂移率 频率准确度在单位时间内的变化量称为频漂频率准确度在单位时间内的变化量称为频漂 频漂反映钟速的变化率，即老化率频漂反映钟速的变化率，即老化率 频率稳定度频率稳定度 在一定时间间隔内所输出的平均频率的随机变化程度在一定时间间隔内所输出的平均频率的随机变化程度 数学定义式（式数学定义式（式2-2）实际估算式实际估算式 (式式2-4）频率稳定度要与采样时间同时给出频率稳定度要与采样时间同时给出 频率稳定度反映钟的随机误差频率稳定度反映钟的随机误差000dfdTfdTafaTffT GPS原理及其应用原理及其应用92.2 恒星时与太阳时恒星时与太阳时GPS原理及其应用原理及其应用10世界时系统世界时系统 以地球自转运动为尺度基准的时间系统以地球自转运动为尺度基准的时间系统 根据量测地球自转时所选的空间参考点不同，根据量测地球自转时所选的空间参考点不同，分为分为 恒星时恒星时 平太阳时平太阳时 世界时世界时GPS原理及其应用原理及其应用11恒星时恒星时 参考点：参考点：春分点春分点 恒星日的定义恒星日的定义 性质：地方时性质：地方时 两种不同恒星时两种不同恒星时 真恒星时真恒星时 对应真春分点对应真春分点 GAST,LAST 平恒星时平恒星时 对应平春分点对应平春分点 GMST,LMSTcosLASTLMSTGASTGMSTGMSTLMSTGASTLAST GPS原理及其应用原理及其应用12春分点的有关定义春分点的有关定义nPsPsn黄道黄道赤道赤道春分点春分点 天轴天轴：地球自转轴的延伸线。：地球自转轴的延伸线。天极天极：天轴与天球面的交点，：天轴与天球面的交点，Pn、Ps。天球赤道面天球赤道面：过球心且与天：过球心且与天轴垂直的平面。轴垂直的平面。赤道赤道 黄道黄道：地球公转的轨道面：地球公转的轨道面与天球相交的大圈。与天球相交的大圈。黄道面与黄道面与赤道面的夹角赤道面的夹角称为称为黄赤交角黄赤交角，约为约为23.5。黄极黄极：通过天球中心，垂直：通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点，于黄道面的直线与天球的交点，n、s。春分点春分点：当太阳在黄道上从：当太阳在黄道上从天球南半球到北半球运行时，天球南半球到北半球运行时，黄道与天球赤道的交点黄道与天球赤道的交点。GPS原理及其应用原理及其应用13真太阳时与平太阳时真太阳时与平太阳时 真太阳时真太阳时 真太阳日的定义真太阳日的定义 真太阳时真太阳时=太阳中心相对于本地子午圈的时角太阳中心相对于本地子午圈的时角+12h 真太阳时不具备作为时间系统的基本条件真太阳时不具备作为时间系统的基本条件 平太阳时（平太阳时（Mean Solar Time-MT）平太阳平太阳 周年视运动轨迹位于赤道平面周年视运动轨迹位于赤道平面 平太阳在赤道上的运动角速度是恒定的平太阳在赤道上的运动角速度是恒定的 平太阳时平太阳时 以平太阳中心为参考点建立的时间系统以平太阳中心为参考点建立的时间系统 平太阳日的定义平太阳日的定义 平太阳时平太阳时=平太阳时角平太阳时角+12h 地方时地方时GPS原理及其应用原理及其应用14世界时（世界时（Universal Time-UT）时区时区 全球划分为全球划分为24个标准时区（个标准时区（1884，国际子午线会议），国际子午线会议）划分方法划分方法 区时区时 在同一时区内，采用该时区中央子午线上的平太阳在同一时区内，采用该时区中央子午线上的平太阳时，即区时时，即区时 世界时世界时 格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时GPS原理及其应用原理及其应用15UT0、UT1与与UT2 问题的引出问题的引出UT（UT0）不完全均匀）不完全均匀 地球自转速度的不均匀地球自转速度的不均匀 长期变缓、季节变化、短周期变化长期变缓、季节变化、短周期变化 极移现象极移现象 解决方法解决方法 引入极移改正引入极移改正 再进行地球自转速度季节性改正再进行地球自转速度季节性改正10UTUT210UTUTTUTT GPS原理及其应用原理及其应用162.3 原子时、协调世界时与原子时、协调世界时与GPS时时GPS原理及其应用原理及其应用17原子时（原子时（Atomic Time-AT）原始定义原始定义 尺度：尺度：1967年年10月，第十三届国际计量大会通月，第十三届国际计量大会通过：位于海平面上的铯过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为周所持续的时间为1原子时秒。原子时秒。原点：原本规定原点：原本规定AT与与UT在在1958年年1月月1日日0h时时相同，但实际相差相同，但实际相差0.0039秒，即：秒，即：(AT-UT)1958.0=-0.0039秒秒 扩展定义扩展定义 以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统。以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统。GPS原理及其应用原理及其应用18国际原子时（国际原子时（International Atomic Time TAI）引入引入 每台原子钟给出的时间并不严格相同每台原子钟给出的时间并不严格相同 需要建立一个统一的时间系统需要建立一个统一的时间系统 建立建立 1971年由国际时间局建立年由国际时间局建立 现由国际计量局（现由国际计量局（BIPM）的时间部门维持）的时间部门维持 利用全球约利用全球约60个实验室的大概个实验室的大概240台自由运转的台自由运转的原子钟给出的数据统一处理得到原子钟给出的数据统一处理得到GPS原理及其应用原理及其应用19协调世界时协调世界时(Universal Time Coordinated UTC)建立建立 20实际实际60年代由国际无线电科学协会建立年代由国际无线电科学协会建立 定义定义 与与AT秒长相同秒长相同 通过跳秒，与通过跳秒，与UT的时刻差保持在的时刻差保持在0.9秒内（通常在秒内（通常在6月月30日日24h或或12月月31日日24h进行跳秒）进行跳秒）,即即UTC+跳秒跳秒TAI（）类型类型 局部性局部性UTC，如，如UTC(USNO)全球性全球性UTC，由，由BIPM维持维持 应用应用 应用广泛，已取代应用广泛，已取代UT成为无线电通信中的标准时间成为无线电通信中的标准时间 利用利用IERS公报中给出的参数可内插任意时刻的公报中给出的参数可内插任意时刻的UT1-UTC，得到，得到UT1 GPS导航电文中给出了导航电文中给出了GPS时与时与UTC(USNO)之差之差1STAIUTCnGPS原理及其应用原理及其应用20GPS时时 建立建立 由由GPS地面监控系统和卫星中的原子钟建立和维地面监控系统和卫星中的原子钟建立和维持的一种原子时持的一种原子时 起点为起点为1980年年1月月6日日0h，在该时刻，在该时刻GPST与与UTC对齐对齐 与其它时间系统的关系与其它时间系统的关系 TAI-GPST=19s，实际上，实际上TAI-GPST=19s+C0 UTC-GPST=n整秒整秒+C0GPS原理及其应用原理及其应用21GLONASS时时 采用莫斯科时，与采用莫斯科时，与UTC存在存在3h偏差偏差 UTC+3h=GLONASS+C1GPS原理及其应用原理及其应用222.4 建立在相对论框架下的时间系统建立在相对论框架下的时间系统GPS原理及其应用原理及其应用23地球动力学时地球动力学时(Terrestrial Dynamic Time TDT)解算围绕地心运动的天体的运动方程、编算解算围绕地心运动的天体的运动方程、编算卫星星历时采用的时间系统卫星星历时采用的时间系统 起始时刻为起始时刻为1977年年1月月1日日0h，在该时刻与历，在该时刻与历书时相同书时相同 TDT=TAI+32.184s=GPST+51.184s 1991年后改称为地球时（年后改称为地球时（TT）目前，目前，GPS卫星运动方程的计算及星历的编卫星运动方程的计算及星历的编算均采用算均采用TT时间系统时间系统GPS原理及其应用原理及其应用24太阳系质心动力学时（太阳系质心动力学时（Barycentric Dynamic Time-TDB）解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程、编制解算坐标原点位于太阳系质心的运动方程、编制行星星表时所用的一种时间系统行星星表时所用的一种时间系统 TDB与与TT之间的关系（之间的关系（2-12式）式）由于地心坐标系和太阳系质心坐标系运动速度及所受引由于地心坐标系和太阳系质心坐标系运动速度及所受引力位的不同，力位的不同，TT与与TDB之间实际上存在一个尺度比（之间实际上存在一个尺度比（2-13式）式）IAU规定两个时间系统不存在系统性的尺度比，而只存规定两个时间系统不存在系统性的尺度比，而只存在周期性变化项在周期性变化项 相应的，两个坐标系中的长度单位含有一个尺度比，太相应的，两个坐标系中的长度单位含有一个尺度比，太阳系质心坐标系中的阳系质心坐标系中的1m长于地心坐标系中的长于地心坐标系中的1mGPS原理及其应用原理及其应用25地心坐标时地心坐标时TCG与太阳系质心坐标时与太阳系质心坐标时TCB 时间的分类时间的分类 原时：直接由标准钟确定，如原子时原时：直接由标准钟确定，如原子时 类时：在相对论框架下导得的时间，如类时：在相对论框架下导得的时间，如TDB、TCG、TCB TCG:原点位于地心的天球坐标系中所使用的第四维原点位于地心的天球坐标系中所使用的第四维坐标坐标 TCB:太阳系质心天球坐标系中的第四维坐标太阳系质心天球坐标系中的第四维坐标 TCG与与TT的关系的关系 TCB与与TCG之间的关系（之间的关系（2-16式）式）(43144.0)86400GTCGTTLMJDsGPS原理及其应用原理及其应用262.5 GPS中涉及的一些长时间计时方法中涉及的一些长时间计时方法GPS原理及其应用原理及其应用27历法历法 功能功能 规定年、月、日的长度及它们之间的关系规定年、月、日的长度及它们之间的关系 分类分类 阳历（公历）阳历（公历）回归年的概念回归年的概念:太阳中心连续两次通过春分点的时间间隔太阳中心连续两次通过春分点的时间间隔 儒略历儒略历 格里历（现行公历）格里历（现行公历）格里历与儒略历相比较，对闰年的规定作了修改（对世纪年而言，格里历与儒略历相比较，对闰年的规定作了修改（对世纪年而言，只有被只有被400整除的世纪年才是闰年）整除的世纪年才是闰年）格里历每格里历每400年比儒略历少年比儒略历少3天，平均每年长天，平均每年长365.2425日，与回归日，与回归年长度更为接近年长度更为接近 阴历阴历 阴阳历（农历）阴阳历（农历）GPS原理及其应用原理及其应用28儒略日、简化儒略日与年积日儒略日、简化儒略日与年积日 儒略日（儒略日（JD）不涉及年、月等概念的长期连续计日法不涉及年、月等概念的长期连续计日法 起点为公元前起点为公元前4713年年1月月1日日12h JD与公历年月日之间的互算公式与公历年月日之间的互算公式（2-192-21式）式）标准历元标准历元J2000.0（JD2451545.0）简化儒略日（简化儒略日（MJD）MJD=JD-2400000.5 MJD采用采用1858年年11月月17日平子夜为计时起点日平子夜为计时起点 年积日年积日 仅在一年内使用的连续计时法仅在一年内使用的连续计时法GPS原理及其应用原理及其应用29 思考题思考题 GAST属于什么时间系统？世界时与平太阳时之属于什么时间系统？世界时与平太阳时之间有何联系？间有何联系？UTC与与UT有何联系与区别？有何联系与区别？TAI、UTC 与与GPST之间有何关系？之间有何关系？TT与与TAI之间有何关系？之间有何关系？GPS原理及其应用原理及其应用30 请编制请编制MJD与公历年、月、日互相转换的小程序，与公历年、月、日互相转换的小程序，计算计算 2010年年11月月1日日0h0min(UT)所对应的所对应的MJD MJD=53500.0所对应的年、月、日所对应的年、月、日 请编制年、月、日与年积日互换的小程序请编制年、月、日与年积日互换的小程序 上交时间上交时间 12月月10日（下下周日（下下周5）之前）之前 上交方式上交方式 源代码、可执行程序，输入文件及结果文件压缩打包，源代码、可执行程序，输入文件及结果文件压缩打包，发送到发送到 收件人：何平老师（本课程的助教）收件人：何平老师（本课程的助教）邮件地址：邮件地址： 压缩文件名的格式为：学号压缩文件名的格式为：学号_姓名姓名.rar e.g:冯博上交的压缩文件为：冯博上交的压缩文件为：2008301040005_冯博冯博.rar课后作业课后作业