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時間與衛星測距 版權信息
- ISBN：9787030742070
- 條形碼：9787030742070 ; 978-7-03-074207-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
時間與衛星測距 內容簡介
本書主要介紹轉發式為行測距觀測方法與技術，包括偽碼觀測、多普勒側軌原理、歸真技術及誤差分析。并介紹測量系統以及達到測量精度。前3章介紹時間科學，講述近代時間的發展故事，幫助讀者全面理解時間的前世與今生，目的是使讀者更深層次理解和回味時間科學。本書第4章"相對論框架下的時間與時間同步"給出了涉及到時間范圍的相對論改正。本書*后3章任務是對轉發式衛星測軌觀測方法與技術進行系統性描述。
時間與衛星測距 目錄
目錄
前言
第1章 時間與導航 1
1.1 時間 1
1.1.1 記時與鐘 3
1.1.2 陽歷與陰歷 11
1.1.3 星期的起源 13
1.1.4 回歸年 15
1.2 導航與標準時間和時間同步 17
1.2.1 航海與導航 17
1.2.2 導航與標準時間和時間同步的關系 19
1.2.3 無線電導航 22
1.2.4 衛星導航 23
1.2.5 衛星導航現代化 26
參考文獻 27
第2章 國際天球參考系ICRS與國際地球參考系ITRS 30
2.1 國際天球參考系 30
2.1.1 IAU有關國際天球參考系的決議 31
2.1.2 國際天球參考系ICRS與國際天球參考架ICRF 53
2.1.3 J2000.0歷元及歷元改正 55
2.2 國際地球參考系 57
2.2.1 國際地球參考系ITRS 57
2.2.2 IAG和IUGG有關地球參考系的決議 58
2.3 國際地球參考系ITRS與國際天球參考系ICRS之間的轉換 60
2.3.1 中間坐標系與歲差章動 60
2.3.2 ITRS與GCRS之間轉換矩陣 69
2.4 常用的幾種天球坐標系 74
2.4.1 赤道坐標系 75
2.4.2 黃道坐標系 77
2.4.3 地平坐標系 79
2.5 有關天球參考系的天文術語及解釋 81
參考文獻 88
第3章 時間與時間定義 92
3.1 儒略日期JD和簡化儒略日期MJD 93
3.2 恒星時及世界時轉換成恒星時 94
3.3 世界時 97
3.3.1 世界時、恒星時與地球自轉角 98
3.3.2 區時 101
3.4 歷書時 102
3.4.1 歷書秒與歷書時 103
3.4.2 歷書時定義的討論 104
3.5 原子時 106
3.5.1 原子秒的標定及原子時的定義 107
3.5.2 原子時的建立 108
3.6 協調世界時UTC與閏秒 110
3.7 有關閏秒的討論 112
3.8 衛星導航系統時間 114
3.9 國際地球自轉與參考系服務 115
3.10 我國時間服務 115
參考文獻 116
第4章 相對論框架下的時間與時間同步 119
4.1 相對論框架下的本征時與坐標時 120
4.2 地心地固坐標系與Sagnac效應 125
4.3 度規張量與坐標時 128
4.3.1 地球時TT與地心坐標時TCG之間的轉換 128
4.3.2 地心坐標時TCG與質心坐標時TCB之間的轉換 130
4.3.3 質心力學時TDB與質心坐標時TCB之間的轉換 133
4.3.4 ECI坐標系中的無線電測距相對論改正 135
4.4 衛星導航系統中的相對論改正 137
4.4.1 本征時、TT與重力勢間的關系 139
4.4.2 地球質心引力勢（廣義相對論）引起的相對論影響 140
4.4.3 衛星導航系統的相對論影響 141
參考文獻 143
第5章 時間傳遞 145
5.1 衛星時間傳遞技術 146
5.2 衛星雙向時間與頻率傳遞技術 149
5.3 衛星雙向時間與頻率傳遞原理 151
5.4 衛星雙向時間與頻率傳遞的系統誤差 156
5.4.1 衛星相對于地面運動的影響 157
5.4.2 地球自轉的影響——Sagnac效應 161
5.4.3 電離層影響的改正 165
5.4.4 儀器系統誤差的校準 166
參考文獻 169
第6章 衛星測距與測距改正 172
6.1 衛星覆蓋與衛星導航 173
6.2 單向測距 175
6.2.1 偽距、載波相位測量及其幾何時延 176
6.2.2 衛星距離差的相關測量幾何時延 177
6.2.3 地面VLBI觀測河外源的幾何時延 181
6.3 雙向測距及激光測距 185
6.4 基準點定義與觀測改正 187
6.4.1 地平式裝置的系統改正 188
6.4.2 赤道式裝置的系統改正 189
參考文獻 190
第7章 統一載波測控系統 193
7.1 統一載波測控系統簡介 193
7.2 統一載波測控系統的功能 194
7.3 測控天線跟蹤系統 196
7.3.1 測控天線步進跟蹤模式 196
7.3.2 天線圓錐掃描跟蹤模式 197
7.3.3 天線相位單脈沖跟蹤模式 197
7.3.4 天線幅度單脈沖跟蹤系統 201
參考文獻 202
第8章 “對觀測”衛星測軌方法與技術 203
8.1 雙向測距特征的“對觀測”測距原理 204
8.2 轉發器時延 207
8.3 高速偽碼在“對觀測”技術中的應用 208
8.4 “對觀測”測量模式的組合 210
8.4.1 “對觀測”自收自發測量及DOP討論 211
8.4.2 “對觀測”主從式測量及測軌精度評估 219
8.4.3 “對觀測”全視測量模式的優勢 223
8.5 “對觀測”技術的儀器系統差精確測定 227
8.5.1 “對觀測”儀器系統改正 227
8.5.2 “對觀測”技術的儀器系統差測定原理 228
8.5.3 “對觀測”儀器系統差測定 230
8.6 “對觀測”模式在衛星測軌的優勢 231
參考文獻 232
前言
第1章 時間與導航 1
1.1 時間 1
1.1.1 記時與鐘 3
1.1.2 陽歷與陰歷 11
1.1.3 星期的起源 13
1.1.4 回歸年 15
1.2 導航與標準時間和時間同步 17
1.2.1 航海與導航 17
1.2.2 導航與標準時間和時間同步的關系 19
1.2.3 無線電導航 22
1.2.4 衛星導航 23
1.2.5 衛星導航現代化 26
參考文獻 27
第2章 國際天球參考系ICRS與國際地球參考系ITRS 30
2.1 國際天球參考系 30
2.1.1 IAU有關國際天球參考系的決議 31
2.1.2 國際天球參考系ICRS與國際天球參考架ICRF 53
2.1.3 J2000.0歷元及歷元改正 55
2.2 國際地球參考系 57
2.2.1 國際地球參考系ITRS 57
2.2.2 IAG和IUGG有關地球參考系的決議 58
2.3 國際地球參考系ITRS與國際天球參考系ICRS之間的轉換 60
2.3.1 中間坐標系與歲差章動 60
2.3.2 ITRS與GCRS之間轉換矩陣 69
2.4 常用的幾種天球坐標系 74
2.4.1 赤道坐標系 75
2.4.2 黃道坐標系 77
2.4.3 地平坐標系 79
2.5 有關天球參考系的天文術語及解釋 81
參考文獻 88
第3章 時間與時間定義 92
3.1 儒略日期JD和簡化儒略日期MJD 93
3.2 恒星時及世界時轉換成恒星時 94
3.3 世界時 97
3.3.1 世界時、恒星時與地球自轉角 98
3.3.2 區時 101
3.4 歷書時 102
3.4.1 歷書秒與歷書時 103
3.4.2 歷書時定義的討論 104
3.5 原子時 106
3.5.1 原子秒的標定及原子時的定義 107
3.5.2 原子時的建立 108
3.6 協調世界時UTC與閏秒 110
3.7 有關閏秒的討論 112
3.8 衛星導航系統時間 114
3.9 國際地球自轉與參考系服務 115
3.10 我國時間服務 115
參考文獻 116
第4章 相對論框架下的時間與時間同步 119
4.1 相對論框架下的本征時與坐標時 120
4.2 地心地固坐標系與Sagnac效應 125
4.3 度規張量與坐標時 128
4.3.1 地球時TT與地心坐標時TCG之間的轉換 128
4.3.2 地心坐標時TCG與質心坐標時TCB之間的轉換 130
4.3.3 質心力學時TDB與質心坐標時TCB之間的轉換 133
4.3.4 ECI坐標系中的無線電測距相對論改正 135
4.4 衛星導航系統中的相對論改正 137
4.4.1 本征時、TT與重力勢間的關系 139
4.4.2 地球質心引力勢（廣義相對論）引起的相對論影響 140
4.4.3 衛星導航系統的相對論影響 141
參考文獻 143
第5章 時間傳遞 145
5.1 衛星時間傳遞技術 146
5.2 衛星雙向時間與頻率傳遞技術 149
5.3 衛星雙向時間與頻率傳遞原理 151
5.4 衛星雙向時間與頻率傳遞的系統誤差 156
5.4.1 衛星相對于地面運動的影響 157
5.4.2 地球自轉的影響——Sagnac效應 161
5.4.3 電離層影響的改正 165
5.4.4 儀器系統誤差的校準 166
參考文獻 169
第6章 衛星測距與測距改正 172
6.1 衛星覆蓋與衛星導航 173
6.2 單向測距 175
6.2.1 偽距、載波相位測量及其幾何時延 176
6.2.2 衛星距離差的相關測量幾何時延 177
6.2.3 地面VLBI觀測河外源的幾何時延 181
6.3 雙向測距及激光測距 185
6.4 基準點定義與觀測改正 187
6.4.1 地平式裝置的系統改正 188
6.4.2 赤道式裝置的系統改正 189
參考文獻 190
第7章 統一載波測控系統 193
7.1 統一載波測控系統簡介 193
7.2 統一載波測控系統的功能 194
7.3 測控天線跟蹤系統 196
7.3.1 測控天線步進跟蹤模式 196
7.3.2 天線圓錐掃描跟蹤模式 197
7.3.3 天線相位單脈沖跟蹤模式 197
7.3.4 天線幅度單脈沖跟蹤系統 201
參考文獻 202
第8章 “對觀測”衛星測軌方法與技術 203
8.1 雙向測距特征的“對觀測”測距原理 204
8.2 轉發器時延 207
8.3 高速偽碼在“對觀測”技術中的應用 208
8.4 “對觀測”測量模式的組合 210
8.4.1 “對觀測”自收自發測量及DOP討論 211
8.4.2 “對觀測”主從式測量及測軌精度評估 219
8.4.3 “對觀測”全視測量模式的優勢 223
8.5 “對觀測”技術的儀器系統差精確測定 227
8.5.1 “對觀測”儀器系統改正 227
8.5.2 “對觀測”技術的儀器系統差測定原理 228
8.5.3 “對觀測”儀器系統差測定 230
8.6 “對觀測”模式在衛星測軌的優勢 231
參考文獻 232
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時間與衛星測距 節選
第1章時間與導航 1.1時間 我們生活在一個充滿色彩的世界，要描述一天的活動，時間具有不可替代的作用。“現在幾點了？”，隨時隨地都有可能隨口問出這樣一個*普通的問題，充分說明了時間在人類實踐中不可替代的特殊地位。但是很少有人問“時間是什么？”，似乎這也是一個極為普通的問題，也許有人回答說時間是描寫事件的基本物理參數，或說時間與空間組成四維時空坐標，如果進一步追問，很少有人能正確或是簡明扼要地回答這個近乎極其簡單的問題，實際上這不是簡單的問題，甚至物理學家和時頻專家也不是一兩句話能說得清楚，這是一個深層次的問題，它涉及時空觀和時間定義，是在人類認識論的發展史中一直為各個歷史時期的哲學家們“爭論”的*基本問題，唯心派認為時間是人類的先驗直覺，唯物派認為時間是物質存在和運動的基本形式。盡管人們能夠探測150億光年之外的遙遠天體，也可以洞察物質內部微觀粒子的運動規律，還可以以千萬分之一秒、幾十億分之一秒的精度去測定物質變化的時間歷程，但還沒有一個對時間本質的認識的“回答”為各學派所共同接受。 1600多年前羅馬主教、思想家奧古斯丁（SaintAugustine）說過一段有關時間屬性的趣話名言：“時間究竟是什么？沒有人問我，我倒清楚；如果有人問我，我想說明白，便茫然不解了。”（What then is time？If no one asks me，I know what it is.If I wish to explain it to him who asks，I do not know.）當然目前對時間屬性的認識與奧古斯丁的“茫然不解”認識截然不同，時間屬性認識隨科技進步不斷深化，本書并不展開闡述有關時間本質的深層次的、哲學范疇的討論，我們還是回到*普通的問題：“現在幾點了？”——普通老百姓乃至絕大部分科學家*關心的、*實際的問題，“現在幾點”涉及時間的兩個*基本屬性，即時間起算點及時間間隔問題，不管是基于地球自轉的恒星時（真恒星時——真春分點的時角，平恒星時——平春分點的時角）及世界時（基于地球自轉的時間系統，現用地球自轉角定義世界時，與恒星時時間系統的差別僅僅是基準參考點的不同），或以歷表為準的力學時，或以原子躍遷頻率為基準的原子時，或廣義相對論框架下的坐標時，雖然時間定義基準不同，但上述兩個時間*基本屬性仍是*基本的定義參量，而時間起算點及時間間隔是不同時間系統之間的關聯紐帶。 分或秒的精度也許已足夠大部分人安排他的日常工作，國民經濟或國防建設也許需要時間精度為毫秒、微秒或高至納秒量級，科學研究也許需要飛秒級或更高的時間精度。盡管不同領域對時間精度的要求不盡相同，但是涉及同一范疇，即時間實際應用問題，本書涉及的問題是絕大多數人關心的“時間應用”問題。 古代人根據太陽位置確定時間，“日出而作，日落而息”，這是*直觀的、*基本的時間概念的描述。人類生活在地球上，自然用地球自轉定義時間與他們日常生活習慣相一致，顯然這“日出”與“日落”現象是地球自轉*直觀的反映，時間單位“天”的概念由此而產生。遠古人們由*直觀的“天”的時間概念安排他們日常的活動，隨著生產的發展，特別是發現農、牧業與季節有著密切相關的“一歲一枯榮”的自然特征，顯然僅僅用“天”這個時間計量單位不能滿足人們生產的需求，需要與季節有關且比“天”更長周期的時間計量單位描述“一歲一枯榮”的自然特征。地球繞太陽公轉，地球上觀測者發現太陽視方向在恒星空間的位置在不斷變化，人們根據日月在恒星空間的運行規律，給出與季節有關的周而復始的更長周期的時間計量單位“年”，“年”的概念與太陽在恒星空間的位置有關，太陽視運動規律揭示與農、牧業緊密相關的季節性氣候變化特性，一年又人為地分為12個“月”。“天”（地球繞地軸自轉一周）、“月”（近似于月球繞地球公轉一周）和“年”（地球繞太陽公轉一周），即地球自轉、月球繞地球公轉及地球繞太陽公轉組成了歷法*基本要素，同時也記載著時間的流逝和歷史變遷。 時間與科技進步密切相關。1892年，菲茨杰拉德（G.F.FitzGerald）和洛倫茲（H.A.Lorentz）根據邁克耳孫–莫雷實驗提出長度收縮假設，認為物體在運動中其長度會沿著運動方向以因子收縮，于1904年提出著名的公式——洛倫茲變換。1898年，法國物理學家龐加萊（H.Poincar′e）在《時間之測量》一文中首先提出光速對所有觀測者都是常數的假設，指出“光速不變并在所有方向上均相同”成為公設，這個公設成為測量光速的基礎。愛因斯坦從研究時間同時性入手，1905年在著名的《論動體的電動力學》一文中提出了狹義相對論，其基石是相對性原理和光速不變公設，論斷運動時鐘會“變慢”的效應；他在1916年又提出廣義相對論，指出引力場引起時空彎曲，狹義相對論和廣義相對論是打破牛頓傳統觀念的創新性理論。1938年，伊維斯（H.Ives）和史迪威（G.Stilwell）兩位物理學家通過實驗，測得運動時鐘確實“變慢”，證實愛因斯坦的論斷；1971年，美國海軍天文臺進行環球飛機搬運鐘實驗，測得機載原子鐘變慢量與理論計算值完全一致，再一次驗證相對論的正確性。不難理解，驗證相對論的實驗基礎是依賴于高精度的時間測量，如果時間測量不能達到納秒或更高量級的精度，這些實驗無法得到滿意的結果，更不可能有今天的全球衛星導航定位系統的發展。 有杰出貢獻的研究中國科技史的學者李約瑟（Joseph Needham，1900～1995）編撰的15卷《中國科學技術史》[18]中提出問題：“盡管中國古代對人類科技發展做出了很多重要貢獻，但為什么科學和工業革命沒有在近代中國發生？”1976年美國經濟學家肯尼思 博爾丁稱之為“李約瑟難題”。很多人把“李約瑟難題”進一步推廣和延伸，出現“中國近代科學為什么會落后”“中國為什么在近代落后了”等問題，對此問題的爭論一直非常熱烈，學者從不同角度研究這個問題，有學者認為，17世紀機械鐘表的進步，特別是擺鐘的進展促使歐洲18世紀航海事業的大發展，認為工業時代的關鍵不是蒸汽機的轟鳴聲，時間科學技術的大發展開創了18世紀歐洲的工業革命，中國缺乏現代時間體系是未誕生近代科學的重要原因之一，當然這些是一派之見，但從某個側面說明時間與科技進步有著密切的關系。 1.1.1記時與鐘 人類活動與時間息息相關，隨著人類文明的進展，對時間精度的要求越來越高。公元前2000年左右，古埃及人把白晝與黑夜各分為12小時，但人們真實認知為夏日白天長、冬日黑夜長，白晝與黑夜的時間間隔隨著季節而變化，古埃及人定義的“小時”顯然是不等長的，另外，白晝或黑夜的時間間隔還與緯度有關，這種粗略的、不精確的時間間隔定義不滿足時間間隔等時性的基本特征。大約公元前150年古希臘天文學家依巴谷（Hipparchus）、公元150年托勒密（Claudius Ptolemy）給出了更為精確的“小時”定義：一天平均時間的1/24定義為1小時，避免以前時間間隔定義不等時的缺陷，并采用簡單小時分數記時方式，如1/2小時、2/3小時等，顯然，這樣的“小時”定義避免了古埃及人明顯不等時的定義。分、秒定義要比“小時”定義晚得多，*早有關“秒”的記載是1267年中世紀科學家羅杰（Roger Bacon）記錄滿月之間時間間隔出現小時、分、秒等單位，以及1/3秒、1/4秒的分數計時方式。從“日”到“小時”再到“秒”是人類發展對時間精度需求的反映。 我國有十二時辰和晝夜百刻相并行的記時系統[4]。一日分為十二時辰：夜半者子時也、雞鳴者丑也、平旦者寅也、日出者卯也、食時者辰也、隅中者巳也、日中者午也、日昳者未也、晡時者申也、日入者酉也、黃昏者戌也、人定者亥也。不難理解十二時辰以太陽視運動為準：日出為“卯”時，日中為“午”時，日沒為“酉”時，顯然十二時辰的定義也有時間間隔不等時長的缺陷。北宋時開始將十二時辰細分，每個時辰又分為“初”“正”兩個時刻，將十二時辰分為二十四分部，但并沒有改變十二時辰的時間間隔不等時長的缺陷。 我國還有晝夜百刻的記時系統：由于百刻不能被十二時辰整除，百刻與時辰間相互換算不便，為了與十二時辰配合，西漢時晝夜百刻改成120刻，南北朝曾改為96刻、108刻，到南朝陳文帝（公元544年）又恢復百刻制，后又改成96刻。百刻制記時系統以太陽出沒為準并兼顧季節變化：冬至晝刻為40刻、夜刻為60刻；夏至晝刻為60刻、夜刻為40刻；春分、秋分晝、夜各為50刻，冬至與夏至相隔182天或183天，每隔9天晝刻增加1刻、夜刻減少1刻，這種記時系統粗略考慮了晝長、夜長的季節變化特性。但冬至及夏至季節晝長與夜長的變化緩慢，而春分與秋分季節附近晝長與夜長變化要快得多，顯然用簡單的直線變化表征晝長與夜長的變化規律是不夠精確的。 中國在計時方面做出了自己獨*的貢獻。差不多與托勒密同時代的東漢，公元117年，文學家、天文學家張衡發明“漏水轉渾天儀”。渾天儀相當于現代天球儀，標有黃道、赤道、二十四節氣，把記時的漏壺（水鐘）和渾天儀用齒輪聯系起來，漏壺推動渾天儀均勻轉動，一天轉動一圈，演示真實的天象，顯示了當時中國時間測量的精密水平，為水鐘的發展做出了突出貢獻。 北宋初年蘇頌（1020～1101）設計制造的“水運儀象臺”（見圖1.1），是中國在世界時鐘發展史上*為突出的貢獻，國際上稱為“蘇頌鐘樓”（Su Sung Clock Tower），“水運儀象臺”繼承和發展了漢、唐以來的天文學成就，是集渾儀、渾象和報時三種功能于一體的杰出的天文儀器，可以說這是世界上*早的天文時鐘，充分體現了中國勞動人民的聰明才智和創造精神。 圖1.1“水運儀象臺”復原圖 公元1092年建成的“水運儀象臺”高三丈五尺六寸五分（約12米），寬二丈一尺（約7米），是一座上狹下廣的上、中、下三層木結構建筑（見圖1.1），“水運儀象臺”頂層有一架體積龐大的銅制天文儀器稱為“渾儀”（天文測時儀器），渾儀用中國特有風格的龍柱支撐，用水槽以定水平，用于觀測星象，相當于以鉛垂線為基準的天文測時儀器，“水運儀象臺”*上端為活動屋頂，是今天天文臺活動圓頂的雛形。 “水運儀象臺”中層是沒有窗戶的“密室”，密室中放置“渾象”（相當于現在的天球儀），渾象的赤道帶裝有齒牙，與機輪軸相接，與天穹同步旋轉，可隨時根據天文觀測進行校準，真實地再現了星辰起落的晝夜天象變化，是當時精確的守時系統。 “水運儀象臺”下層為報時系統和整個系統的動力機構。“水運儀象臺”南向設有大門，門內有五層木閣，后面為機械傳動系統，蘇頌發明了相當于現代鐘表中的擒縱器的技術，通過大小齒輪的嚙合控制水斗轉動和樞輪運轉（水鐘）。 五層木閣中**層名為“正衙鐘鼓樓”，負責標準時刻的報時。層內設有三扇閣門，每門均有一個木人，木人報時動作由“晝時鐘鼓輪”控制，每個時辰的“時初”時刻有紅衣木人在左閣門里搖鈴，“時正”時刻有紫衣木人在右閣門里扣鐘，每“刻”有綠衣木人在中門擊鼓，即“一刻中門打鼓，時初左門搖鈴，時正右門敲鐘”，用鐘、鼓、鈴聲進行標準時間的授時服務。 五層木閣中第二層是時間顯示系統（相當于時鐘鐘面）。由24個手抱時辰牌的司辰木人負責顯示“時初”和“時正”：每逢“時初”紅衣木人持時辰牌出現在小門前，“時正”紫衣木人拿著時辰牌出現在小門前，紅衣和紫衣木人各為12個，時辰牌上依次寫著子初、子正、丑初、丑正等，12個時辰的時初、時正組合相當于24小時記時系統。 五層木閣中第三層是以“刻數”為準的時間顯示系統。這層有96個（96刻制）綠衣抱牌司辰木人，木人由“報刻司辰輪”控制，每刻會出現持“刻數”牌的綠衣木人，“刻數”牌上依次寫著初刻、二刻、三刻、四刻等。 五層木閣中第四層負責報告與太陽有關的晚上特殊時刻。由夜漏金鉦輪控制，按季節調整白天晚上的變化，逢日落、黃昏、各更、每更五籌、破曉、日出之時，拉動木人按“更”序法鉦。 五層木閣中第五層顯示晚上的時間，共有38個抱牌司辰木人，木
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