时间和坐标系统课件

授课内容,时间系统 坐标系统,1.1 时间是什么,时间是上天赐予每个人最宝贵、最公平的财富！,1.1 时间是什么,物理学中的时间：事件过程长短和发生顺序的度量，包括时段和时刻两个概念。,爱因斯坦的相对论认为：时间与空间一起组成四维时空，构成宇宙的基本结构。广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构，并且在大质量附近的时钟之时间流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢。,相对论成功解释了水星近日点进动现象。星近日点进动又成为广义相对论最有力的三个天文学验证之一。,1.2 时间的度量,时刻 = 时间基准原点 + 时间步长*步数,时段 = 时刻n 时刻m,时间基准原点的选取：公元,时间步长的选择的基本要求：精确，均匀,时间步长的选择：基本方法是测量物体的运动。随着人类科学技术的发展，观测手段的变化，在不断更新。,1.3 航天中时间的重要性,时间的准确。航天器运动速度快，差之毫厘，失之千里,时间的均匀。航天器在轨运行时间长，小错积累成大错,时间的同步。航天系统包括在轨航天器和多个地面测控站，需要天地大系统的时间同步。,1.4 航天中的时间,航天中常用的四个时间：恒星时，太阳时（协调时），动力学时，原子时,恒星时（太阳时）都是以地球自转为基础定义的时间系统，一天为基本单位，一天为当地子午面连续经过恒星（太阳）的时间间隔。,1.4 航天中的时间,讨论问题1：恒星时和太阳时是否相同？,恒星时和太阳时是不同的。因为恒星在天空中的位置是固定不动的，太阳相对地球的位置是变化的（地球的公转）。,1个太阳日 = 1个恒星日+3分56秒。,1.4 航天中的时间,如果地球自转速度均匀恒定的，则恒星时和太阳时都可以作为一个完美的时间间隔。,岁差：太阳和月球对地球赤道隆起的引力作用造成的，引发地轴相对于惯性空间的转动，称为日月岁差。周期大约为26000年。同时太阳系行星也会造成黄道面相对惯性空间的转动，称为行星岁差。日月岁差约为行星岁差的500倍。 仅考虑岁差的地球自转轴称为平天极，对应的赤道面为平赤道面。,1.4 航天中的时间,章动：月球围绕地球公转导致地球自转轴绕平天极左右摇摆的现象，周期约为18.6年，振幅为9.21秒。 考虑岁差和章动的地球自转轴称为真天极，对应的赤道为真赤道。,岁差和章动描述了地球自转轴在惯性空间的不稳定。,1.4 航天中的时间,极移：地球瞬时自转轴在地球本体内的运动。 1765年，欧拉在假定地球是刚体的前提下，最先从力学上预言极移的存在。 1888年德国的屈斯特纳才从纬度变化的观测中发现极移。,1.4 航天中的时间,天阳时：当地子午面连续通过太阳的时间为一个天阳日。 1day = 24h 1h = 60min = 3600 s 1day = 360° 1h = 15°,视天阳时：当地子午面连续通过真实的太阳的时间。（不均匀，为什么？）,平天阳时：当地子午面连续通过虚拟太阳（运行在赤道，速度均匀）的时间。,时间时（universal time，UT）：格林尼治的平太阳时。UT0（通过全球多个地面站测量得到），UT1（考虑了极移的修正），UT2（考虑了季节的修正）,1.4 航天中的时间,恒星时：当地子午面连续通过恒星为一个恒星日。,恒星时（Sidereal Time，ST）通过与春分点之间的角度来计算。与平春风点的角度为平恒星时(Mean Sidereal Time，MST)，与真春风点的角度为真恒星时。,相对于2000年1月1日12时（J2000）儒略日,1.4 航天中的时间,儒略日:由公元前4713年1月1日中午12时开始所经过的天数，多为天文学家采用，用以作为天文学的单一历法，把不同历法的年表统一起来。儒略日是由法国学者Joseph Justus 于1582年所创。,（year,mon,d,h,min,s）-JD 1900到2100,1.4 航天中的时间,课堂练习：已知1996年10月26日下午2：20（UT1）,计算儒略日JD。,JD= 2450383.097222222,JD = 367*yr - floor(7*(yr+floor(mo+9)/12)/4) + floor(275*mo/9) + d + 1721013.5 + (s/60+min)/60+h)/24,J2000 = 2451545,1.4 航天中的时间,课堂练习：计算东经50°在1996年10月26日下午2：20（UT1）的恒星时。,MJD = (JD - 2451545.0)/36525; GMST = 67310.54841 + (876600*3600 + 8640184.812866)*MJD + 0.093104*MJD2 -6.2e-6*MJD3 tem = mod(GMST,86400); thita = tem/240+ 50,Thita = 300.2342°= 20h0分56.16秒,1.4 航天中的时间,动力学时： 1、历书时（ephemeris time，ET）：由于地球自转的不均匀性，根据由天体力学的定律确定的均匀时间又称牛顿时。 2、质心力学时(TDB)和地球力学时(TDT)：考虑相对论效应，根据天体动力学定义的均匀时间，用于取代ET。TDB是以太阳系质心为参考系，TDT是以地球质心为参考系，TDT又成为TT。目前最先进的行星和月球历表以TDB为时间函数，卫星和测地的资料处理也常用TT。,1.4 航天中的时间,原子时（TAI）：以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统。原子时的初始历元规定为 1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯 -133 原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间 。这是一种均匀的时间计量系统。,时间协调时（UTC）：以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时（UT1）的一种时间计量系统。为确保UTC与UT1相差不会超过0.9秒，在有需要的情况下会在协调世界时内加上正或负闰秒。因此协调世界时与国际原子时之间会出现若干整数秒的差别。,1.5 时间的相互转换,一般已知UTC,UT1 = UTC + UT1（由国际地球自转服务( I E R S)发布的 公报A查询）,TAI = UTC + AT（由国际地球自转服务( I E R S)发布的 公报C查询）,TT = TAI + 32.184s,TDB = TT + 0.001658sin(M)+0.00001385sin(2M) M = 357.5277233°+35999.05034*TT,授课内容,时间系统 坐标系统,2.1 坐标系的定义,2.2 航天任务常用坐标系地心惯性坐标系（ECI）,主要用途：轨道分析，天文学，惯性运动 原点：地心（航天器） 基准平面：赤道 ，轴为基准平面的法线 主轴：指向春分点 第三轴y：由右手定则确定,是惯性坐标系吗？,2.2 航天任务常用坐标系惯性坐标系,解决办法 选取一个指定的时间点作为参考，及标准历元 所以实用的地心惯性坐标系都是与参考历元有关的 航天领域常用的地心惯性坐标系 J2000地心惯性坐标系（ 以2000年1月1日12时为标准历元）,2.2 航天任务常用坐标系地球固连坐标系（ECF）,主要用途：地理位置确定，卫星视在运动 原点：地心 基准平面：协议赤道 ，轴为协议地极 主轴：地心指向经度零点的单位矢量 第三轴y：由右手定则确定,国际大地测量与地球物理联合会决定以1900年到1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的协议地极,2.2 航天任务常用坐标系航天器本体坐标系,主要用途：航天器仪器的定位与定向，姿态运动 原点：目标航天器的质心 基准平面：航天器的纵对称面 ，轴为基准平面的法线 主轴：沿飞行器纵轴，指向头部的单位矢量 第三轴：由右手定则确定,2.2 航天任务常用坐标系RIC坐标系,主要用途：地球观测，航天器相对运动 原点：航天器的质心 基准平面：轨道面 ，z轴为轨道面的角动量方向 主轴x：航天器质心指向地心的单位矢量 第三轴y：由右手定则确定,2.3 坐标系统的相互转换,1、J2000（ECI）到地球固定坐标系（ECF）,P 岁差修正矩阵，修正后的坐标系称为历元平坐标系,N章动修正矩阵，修正后的坐标系称为历元真坐标系,S地球旋转修正矩阵，修正后的坐标系称为历元真地固坐标系,W地球极移修正矩阵，修正后的坐标系称为协议地固坐标系,2.3 坐标系统的相互转换,P 岁差修正矩阵（国际天文联合会IAU1976岁差理论）, = 2306.2181t + 0.30188t2 + 0.017998t3（单位角秒） = 2004.3109t 0.42665t2 0.041833t3 （单位角秒） z = 2306.2181t + 1.09468t2 + 0.018203t3 （单位角秒）,2.3 坐标系统的相互转换,N 章动修正矩阵（国际天文联合会IAU1980章动理论）,2.3 坐标系统的相互转换,S地球旋转修正矩阵,2.3 坐标系统的相互转换,W地球极移修正矩阵,总结：J2000到协议地固坐标系,2.3 坐标系统的相互转换,问题：速度矢量如何转换？,或,http:/www.iers.org/IERS/EN/Home/home_node.html 国际地球自转服务( I E R S)有最新的模型文档和程序,2.3 坐标系统的相互转换,2、J2000（ECI）到卫星本体坐标系,3、J2000（ECI）到卫星RIC坐标系,2.4 实例：坐标系选择的重要性,近地轨道航天器阴影分析,问题：航天器运行在轨道高度1000 km，倾角32°的近圆轨道，求其任一天阴影区的比例（蚀区因子），同时也确定一年中蚀区的最大值与最小值？,你们如何解决这个问题？,2.4 实例：坐标系选择的重要性,第一种视点,2.4 实例：坐标系选择的重要性,第二种视点,2.4 实例：坐标系选择的重要性,第三种视点,2.4 实例：坐标系选择的重要性,根据球面三角的公式,根据卫星覆盖公式,在-55°-55°取值（轨道倾角+黄赤交角）,蚀区因子,太阳在轨道面时最大,本章小结,时间系统：恒星时，太阳时（协调时），动力学时，原子时,UT1 = UTC + UT1,TAI = UTC + AT,TT = TAI + 32.184s，在精度要求不高时，等同于TDB,本章小结,