2.2?時間系統

時間系統是由時間計算的起點和單位時間間隔的長度來定義的。由于探測器必須測量其相對地球、太陽、行星、恒星或小行星等天體的指向和位置,需要用到天文時間尺度。行星際的星歷信息同樣會涉及到時間系統。在本節中將給出本書所涉及的時間系統。

2.2.1　時間系統的定義

現行的時間系統[1?3]基本上分為五種:恒星時ST、世界時UT、歷書時ET、原子時TAI和動力學時。恒星時和世界時都是根據地球自轉測定的,歷書時則根據地球、月球和行星的運動來測定,而原子時是以原子的電磁振蕩作為標準的。

① 恒星時ST　以春分點作為參考點,由它的周日視運動所確定的時間稱為恒星時,春分點連續兩次上中天的時間間隔稱為一個恒星日。每一個恒星日等分成24個恒星小時,每一個恒星時再等分為60個恒星分,每一個恒星分又等分為60個恒星秒,所有這些單位稱為計量時間的恒星時單位。

② 太陽時和世界時UT　以真太陽視圓面中心作為參考點,由它的周日視運動所確定的時間稱為真太陽時,其視圓面中心連續兩次上中天的時間間隔稱為真太陽日。由于真太陽日的長度不是一個固定量,所以不宜作為計量時間的單位。為此,引入了假想的參考點——赤道平太陽,它是一個作勻速運動的點,與它對應的是平太陽時和平太陽日。事實上,太陽時和恒星時并不是互相獨立的時間計量單位,通常是由天文觀測得到恒星時,然后再換算成平太陽時,它們都是以地球自轉作為基準的。而世界時UT就是在平太陽時基礎上建立的,有UT0、UT1和UT2之分。UT0:格林尼治的平太陽時即稱為世界時UT0,它是直接由天文觀測測定的,對應瞬時極的子午圈。UT1:UT0加上極移修正后的世界時。UT2:UT1加上地球自轉速度季節性變化的修正。

③ 歷書時ET　這是由于恒星時、太陽時不能作為均勻的時間測量基準,而從1960年起引入的一種以太陽系內天體公轉為基準的時間系統,是太陽系質心框架下的一種均勻時間尺度。由于實際測定歷書時的精度不高,且提供結果比較遲緩,從1984年開始,它完全被原子時所代替。

④ 原子時TAI　是位于海平面上原子基態的兩個超精細能級在零磁場中躍遷輻射振蕩為9192631770周所經歷的時間。由這種時間單位確定的時間系統稱為國際原子時,取1958年1月1日世界時零時為其起算點。為了兼顧對世界時時刻和原子時秒長的需要,國際上規定以協調世界時UTC作為標準時間和頻率發布的基礎。協調世界時的秒長與原子時秒長一致,在時刻上要求盡量與世界時接近。

⑤ 動力學時　因原子時是在地心參考系中定義的具有國際單位制秒長的坐標時間基準,它就可以作為動力學中所要求的均勻的時間尺度。由此引入一種地球動力學時TDT,它與原子時TAI的關系為

TDT=TAI+32.184s(2?6)

此外,還引入了太陽系質心動力學時TDB(簡稱質心動力學時),TDT是地心時空坐標架的坐標時,而TDB是太陽系質心時空坐標架的坐標時,兩種動力學時的差別TDT-TDB是由相對論效應引起的,兩者之間只存在微小的周期性變化。

在軌道計算時,時間是獨立變量,但是,在計算不同的物理量時卻要使用不同的時間系統。例如,在計算探測器星下點軌跡時使用世界時UT;在計算日、月和行星及小行星的坐標時使用歷書時ET;各種觀測量的采樣時間是協調世界時UTC等。

2.2.2　儒略日的定義及轉換

在航天活動中,除了用上述時間尺度外,還常用儒略日(Julian Date)表示時間。

儒略年定義為365個平太陽日,每四年有一閏年(366日),因此儒略年的平均長度為365.25平太陽日,相應的儒略世紀(100年)的長度為36525平太陽日。計算相隔若干年的兩個日期之間的天數用的是儒略日JD,這是天文上采用的一種長期紀日法。它以倒退到公元前4713年1月1日格林尼治平午(即世界時12k)為起算日期,例如1992年2月1日0kUT的儒略日為2448653.5。

從1984年起采用的新標準歷元(在天文學研究中常常需要標出數據所對應的時刻,稱為歷元)J2000.0是2000年1月1.5日TDB,對應的儒略日為2451545.0。而每年的儒略年首與標準歷元的間隔為儒略年365.25的倍數,例如1992年儒略年首在1月1.5日,記作J1992.0,而1993年儒略年首在1月0.25日,記作J1993.0。

在航天活動中,使用儒略日表示時間是非常方便的,因為儒略日不需要任何復雜的邏輯,就像年和日一樣。但是,為了得到高精度的時間就需要較多的數字,精確到天需要7位數,精確到毫秒需要另加9位數,所以常用約化儒略日MJD(Modified Julian Date)代替儒略日。

由于儒略日的數字較大,一般應用中前二位都不變,而且以正午為起算點,與日常的習慣不符,因而常用約化儒略日MJD(Modified Julian Date)定義為

MJD=JD-2400000.5(2?7)

這樣儒略歷元就是指真正的年初,例如J2000.0,即2000年1月1日0時。

軌道計算中經常用到公歷日期與儒略日的轉換,這里給出如下。

(1)公歷日期轉換成儒略日

設給出公歷日期的年、月、日(含天的小數部分)分別為Y、M、D,則對應的儒略日為

JD=D-32075+

　　+

　　--0.5(2?8)

式中,[X]表示取X的整數部分,小數點后的位數省略。

(2)儒略日轉換成公歷日期

設某時刻的儒略日為JD(含天的小數部分),對應的公歷日期的年、月、日分別為Y、M、D(含天的小數部分),則有

(2?9)