时间系统介绍

时间系统介绍儒略日数 Juiandaynumb JDN 的计算是从格林尼治标准时间的中午开始 包含一个整天的时间 起点的时间 0 日 回溯至儒略历的公元前 4713 年 1 月 1 日中午 12 点 在格里历是公元前 4

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时间系统是轨道计算的首要基础,时间概念的产生源自人类生产生活的需要。在对与航天器相关的学习过程中,需要用到多个时间系统。概括起来有三大类:世界时(以地球自转为依据建立的时间系统)、历书时(以地球公转为依据建立的计时系统)、原子时(以原子内部电子能级跃迁辐射电磁波的振荡频率为依据建立的计时系统)[1]。

1. 太阳时

世界时包含太阳时和恒星时。而太阳时和太阳日密切相关。太阳日是指一个昼夜的周期,即以太阳的视圆面中心为参考点,日地中心连线连续两次与某地经线相交的时间间隔。太阳日是依据太阳运动所定义的时间,可以分为真太阳日和平太阳日[2]。

真太阳日是依据视太阳定义的,也就是真实的太阳两次经过该地的子午线的时间间隔,可以使用日晷来测量。

平太阳日是以平太阳为参考点,以平太阳连续两次经过上中天的时间间隔定义,转360°59’需24小时。更明确地说,平太阳日是经由观察太阳相对于恒星的周日运动所获得的平均太阳时,再经由人为调整而显示在时钟上的时间。平太阳日的长度是固定的,为24小时,在一年中不会因为昼夜长短的变化而改变。

以真太阳日为标准来计算的称为真太阳时,日晷所表示的时间就是真太阳时。以平太阳日为标准来计算的称为平太阳时,钟表所表示的时间就是平太阳时。我们日常用的计时是平太阳时。平太阳时假设地球绕太阳的轨迹是标准的圆形,一年中每天都是均匀的。北京时间属于平太阳时,每天都是24小时。选取不同的时间计量起点会产生不同的时间系统。例如,以平太阳经过格林尼治子午线下中天的时刻开始计时的太阳时称为世界时(UT),以平太阳经过某地所在子午圈下中天的时刻开始计时的太阳时称为某地的地方时。

2. 恒星时(ST)

恒星时是指以地球相对于恒星的自转周期为基准的时间计量系统。在实际应用时,经常选用春分点代替恒星作为参考基准,春分点相继两次在同一地点上中天所经历的时间称为恒星日(为23时56分4.09秒平太阳时),并以春分点在该地上中天的瞬间作为这个计量系统的起点,即恒星时为零时,用春分点时角来计量。为了便于计量,把恒星日分为24个恒星小时,一恒星小时分为60恒星分,一恒星分分为60恒星秒。这些单位统称计量时间的恒星单位,简称恒星时单位。

恒星时可以作为基准时间,用于天文观测和测量,而太阳时则更常用于日常生活和一般的时间计量。恒星时与太阳日的直观区别可见下视频。

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3. 儒略日(Juian day)

在时间的计量中,我们还频繁接触到一种称为公元的“格里历”,由罗马教皇格里高利十三世(GregoryXⅢ)在1582年2月布实施,通行至今。格里历年长为365.2425日,400年含日,需要设97个闰年,但对世纪年(如2000,2100,…)只有能400除尽的才为闰年。格里历法分年和月,但在天文和航天计算中、经常需要一种以日为单位连续计时的系统,这就是“儒略日”。儒略日系统与天文学中的儒略历没有关系,它是法国学者史伽利格(Scaliger)以其父命名的不用年、月的长期纪日法,记为JD

儒略日以公元前4713年1月1日世界时12时(平太阳时正午)为起算日期,顺数而下,连续累计月数及日的小数。到2000年1月1日世界时平正午(可记做2000年1月15日)的略日就是JD.0,此即1976年第16届IAU大会指定的天文星表历元、记为J2000.0,前缀(“J”)代表这是一个儒略历元,并决定从1984年开始使用。

儒略日数JD不会重复,为所有日期提供唯一的序号数,而两个日期之间的天数可用儒略日相减得到。每儒略世纪固定有36525个世界时日,直接由儒略日计算给出。儒略世纪只是一种时间间隔的单位,主要用于统计固定日数。

儒略日采用积日计算,累积至今,已经是一个很大的数字,IAU于1973年推荐采用简化(Modified)儒略日MJD,其定义为

MJD=JD-2400000.5

这里,MJD的起算点为1858年11月17日世界时零时(平太阳时子昼)。在2000年以后,也有采用相对J2000.0的简化略日,指任一时刻JD离历元J2000.0的时间间隔,即

MJD_{2000}=JD-2451545.0

儒略日通过数学计算和历史日期推算而来,不需要依赖于实时的观测手段来确定当前的时间,故可以将儒略日视为一种历书时间系统。我们可以通过儒略日与其他时间系统(如协调世界时)的转换,从而将儒略日与实际时间对应起来。

儒略日在天文学和科学计算中广泛使用,因为它提供了一个统一的时间标准,方便精确地处理日期和时间。通过使用儒略日,可以进行日期计算、时间间隔的测量,以及对天体运动和位置的精确建模。由于其时间跨度较长,可直接计算相隔若干年两个日期之间的天数,不需要进行复杂的年月日计算,在航天器轨道计算中应用较广

4. 原子时(TAI)

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周所持续的时间。这是一种均匀的时间计量系统。由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低,1967年起,已将原子时取代历书时作为基本时间计量系统;规定原子时的秒长为国际单位制的时间单位,作为三大物理量的基本单位之一。原子时由原子钟的读数给出。国际计量局收集各国各实验室原子钟的比对和时号发播资料,进行综合处理,建立国际原子时。


参考文献:

[1]《近地航天器轨道基础》郗晓宁,王威等著,国防科技大学出版社;

[2]《航天器轨道动力学实践教程》高有涛、张汉清著,北京理工大学出版社;

[3]《深空探测轨道设计和分析》赵瑞安著,中国宇航出版社;

[4] BOULET D L. Methods of orbit determination for the microcomputer[M]. Virginia:Willmann-Bell,1991.

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