岁差和章动——GPS系统坐标

时间:2015-01-31     点击:加载中   【打印此页】  【关闭


  理想的惯性系,其参考点、线和圈都应该保持其惯性。天球坐标系中的点、线和圈的定 义都依赖于地球的自转和公转运动,由于地球弹性、液态外核以及其它天体摄动力作用的影 响,地球的运动状态不可能保持恒定不变,于是就引起岁差(Precession)和章动(Nutation)。 它们可以简单地阐释为:在日、月以及行星引力的联合作用下,地球公转轨道面与地球自转 轴之间的相互位置发生改变。

  人类研究岁差和章动的历史由来已久。早在公元前125 年,希腊天文学家依巴谷 (Hipparchus)根据对以往天文观测资料的分析和比较发现,春分点在黄道上每百年西移约 1°。经过近代长期的观测和研究,现在可以精确知道春分点大约每72 年西移1°,每年西 移约50.2″。春分点西移是由于地球自转轴在空间中位置的改变而引起的。根据推算,4 000 多年前占据北极星(Polaris)位置的是天龙座(Dragon)的右枢星(Thuban);到公元10 000yr 将是天鹅座(Cygnus)的天津四(Deneb);在公 元14 000yr 之后,天琴座(Lyra)织女星(Vega) 又将成为那时的“北极星”。春分点每年在黄道 上西移的这种现象叫岁差。

  岁差产生的原因,主要是由于地球的自转轴 与黄道和白道(Moon’s Path)都不垂直,且地球 也不是一个圆球,而是椭球,因而日、月对地球 赤道的隆起部分的引力作用,使自转轴产生一个 力矩,这个力矩把赤道面推向黄道面,类似于旋 转的陀螺在重力场中产生进动。其次,太阳系行 星引力对地球公转轨道面产生摄动作用,使黄道 也发生变化。因此,北天极和北黄极在天球上并 非固定不动,它们都在缓慢移动,相比之下,北 天极的移动更为显著。

  如图2-3 所示。如果日月引力固定不变,且 忽略行星引力,从天球以外观察北半天球,可以 看到北天极(NCP)在绕着北黄极(NEP)顺时 针缓缓转动,自转轴围绕北黄极画出一个圆锥, 其锥角等于黄赤交角ε(=23.5°),它的周期约为 25 800yr。而事实上,由于日、月对地球的引力作用的大小和方向都不断地周期性变化,北天极与北黄极的相对运动更趋复杂。通常把绕北 黄极均匀移动的北天极称作瞬时平北天极,简称平北天极(Mean North Celestial Pole),而观 测瞬间的北天极叫瞬时北天极(Instantaneous North Celestial Pole)。瞬时北天极围绕平北天极 产生旋转,其轨迹大致成一个椭圆,椭圆长半轴约9.2″,主周期约18.6yr。该椭圆叫章动椭 圆(Nutation Ellipse),这种现象叫章动。

  由于北天极与北黄极的相对运动比较复杂,为了便于分析,把这一运动分成两个部分: 一个是北天极绕北黄极25 800yr 转动一圈的长周期运动,也就是岁差。另一个是瞬时北天极 以18.6yr 为周期围绕平北天极运动的短周期运动,也就是章动。这两种运动合成的结果使北 天极的真实运动并不是作均匀的圆周运动,而是沿着一个似圆非圆的波浪状曲线围绕北黄极 顺时针运动(如图2-3 所示,图中CC′表示赤道面,EE′表示黄道面)。

  地球在空间的定向主要由3 种运动描述:一是地轴方向相对于空间的变化;二是地轴方 向相对于地球本体的变化;三是地球自转速度的变化。第一项变化主要是来自岁差和章动的 影响;第二项变化称作极移;第三项称作地球自转速度变化或日长变化。第二、三两项也合 称为地球自转不均匀。一般说来,对上述3 种地球自转运动定量描述的参数,称地球定向参 数(EOP-Earth Orientation Parameter)。EOP 主要包括岁差、章动、地球自转速度变化和地 极坐标(XP,YP)等参数。(锐峰汇智 http://www.rf-gsm.com/)

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