大地测量学基础讲义2.pdfVIP

第二章. 坐标系统和时间系统 §2.1 地球的运动 2.1.1 天球的基本概念 所谓天球，是指以地球质心O 为中心，半径 r 为任意长度的一个假想的球体。在天文 学中，通常均把天体投影到天球的球面上，并利用球面坐标来表达或研究天体的位置及天体 之间的关系。 建立球面坐标系统，如图2－1所示。 图2－1 天球的概念 参考点、线、面和园 天轴与天极：地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点 PN 和 PS 称为天极， 其中PN 称为北天极， PS 为南天极。 天球赤道面与天球赤道：通过地球质心 O 与天轴垂直的平面称为天球赤道面。天球赤 道面与地球赤道面相重合。该赤道面与天球相交的大圆称为天球赤道。 天球子午面与子午圈：含天轴并通过任一点的平面，称为天球子午面，天球子午面与天 球相交的大园称为天球子午圈。 时圈：通过天轴的平面与天球相交的大圆均称为时圈。 黄道：地球公转的轨道面(黄道面)与天球相交的大园称为黄道，黄道面与赤道面的夹角 称为黄赤交角，约为23.5 度。 黄极：通过天球中心，且垂直于黄道面的直线与天球的交点，称为黄极。其中靠近北天 极的交点称为北黄极，靠近南天极的交点称为南黄极。 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。视太阳在黄道上从南半 球向北半球运动时，黄道与天球赤道的交点称为春分点，用 γ表示。 在天文学中和研究卫星运动时，春分点和天球赤道面，是建立参考系的重要基准点和 基准面 赤经与赤纬：地球的中心至天体的连线与天球赤道面的夹角称为赤纬,春分点的天球子 午面与过天体的天球子午面的夹角为赤经。 2.1.2 地球的公转：开普勒三大运动定律： — 运动的轨迹是椭圆，太阳位于其椭圆的一个焦点上； — 在单位时间内扫过的面积相等； — 运动的周期的平方与轨道的长半轴的立方的比为常数。 2.1.3 地球的自转的特征： (1) 地轴方向相对于空间的变化（岁差和章动） 地球自转轴在空间的变化，是日月引力的共同结果。假设月球的引力及其运行轨道 是固定不变的,由于日、月等天体的影响，地球的旋转轴在空间围绕黄极发生缓慢旋转， 类似于旋转陀螺，形成一个倒圆锥体（见下图），其锥角等于黄赤交角ε=23.5 ″，旋 转周期为26000 年，这种运动称为岁差，是地轴方向相对于空间的长周期运动。岁差使 春分点每年向西移动50.3″。 月球绕地球旋转的轨道称为白道，月球运行的轨道与月的之间距离是不断变化的， 使得月球引力产生的大小和方向不断变化，从而导致北天极在天球上绕黄极旋转的轨道 不是平滑的小园，而是类似园的波浪曲线运动，即地球旋转轴在岁差的基础上叠加周期 为18.6 年，且振幅为9.21″的短周期运动。这种现象称为章动。 考虑岁差和章动的共同影响：真旋转轴、瞬时真天极、真天球赤道、瞬时真春分点。 考虑岁差的影响：瞬时平天极、瞬时平天球赤道、瞬时平春分点。 (2) 地球自转轴存在相对于地球体自身内部结构的相对位置变化，从而导致极点在地球 表面上的位置随时间而变化，这种现象称为极移。 某一观测瞬间地球极所在的位置称为瞬时极，某段时间内地极的平均位置称为平 极。地球极点的变化，导致地面点的纬度发生变化。 天文联合会(IAU)和大地测量与地球物理联合会(IUGG) 建议采用国际上5个纬度服 务(ILS)站以1900～1905 年的平均纬度所确定的平极作为基准点，通常称为国际协议原 点CIO (Conventional International Origin) 国际极移服务 ( IPMS ) 和国际时间局( BIH )等机构分别用不同的方法得到地极 原点。 与CIO 相应的地球赤道面称为平赤道面或协议赤道面 。 (3) 地球自转不是均匀的，存在着多种短周期变化和长期变化，短周期变化是由于地球 周期性潮汐影响，长期变化表现为地球自转速度缓慢变小。地球的自转速度变化，导致 日长的视扰动和缓慢变长，从而使以地球自转为基准的时间尺度产生变化。 描述上述三种地球自转运动规律的参数称为地球定向参数 (EOP)，描