第2章
空间坐标系统与时间系统

2.1　地球的运动

通常描述一个物体在空间的位置是指这个物体在一个给定坐标系下的位置。卫星定位测量涉及两类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。这两类坐标系的定义都与人类生存的地球紧密相关。因此，本章首先介绍地球运动相关知识，然后详细描述天球坐标系和地球坐标系。地球是一个赤道略鼓、两极稍扁且不很规则的球体。极半径为6 357km，赤道半径为6 378km，赤道（大圆）周长约为40 000km，地球的表面积约为5.1亿km2。地球的半长轴和半短轴如图2-1所示。

在地球仪上，人为划定的连接南、北两极的线称为经线，又称子午线。国际上规定，通过英国伦敦格林尼治天文台附近的经线为0°经线（本初子午线）。经线如图2-2所示，从0°经线向东、向西各划分为180°，分别为东经和西经。

类似地，在地球仪上，人为划定的与经线垂直的线圈称为纬线。将赤道定为0°纬线，向北、向南各划分为90°，分别为北纬和南纬。南北半球的分界线是赤道。两个极点的纬度分别是90°N和90°S，纬线如图2-3所示。

在地球仪上，经线和纬线相交，就可以确定一点的位置，如图2-4所示。同样，地球表面上的任何一个点都可以用它的经纬度唯一确定。

2.1.1　地球自转

地球自转就是地球绕自转轴自西向东的转动。地球自转描述的是地球自身绕日运行的姿态，如果以距离地球遥远的同一恒星为参照点，则一日时间的长度为23时56分4秒，称为恒星日，这是地球自转的真正周期。如果以太阳为参照点，则24小时的自转周期称为太阳日，这是我们通常使用的地球自转周期。地球自转是地球出现朝、昼、暮、夜的原因，它是地球的一种重要运动形式。约每隔10年，地球自转周期就会增加或者减少千分之三至千分之四秒。

2.1.2　地球公转

地球公转就是地球按一定轨道围绕太阳转动（The Earth Revolution Around Sun），如图2-5所示。实质上，由于太阳引力场及自转的作用而导致的地球公转，也有其自身的运动规律。地球公转的规律从地球轨道、地球轨道面、黄赤交角、地球公转的周期、地球公转速度和地球公转的效应几个方面表现出来。

地球在公转过程中，所经过的路线上的每一点，都在同一个平面上，而且构成一条封闭曲线。这种地球在公转过程中所走的封闭曲线，称为地球轨道。如果我们把地球看作一个质点的话，那么地球轨道实际上是指地心的公转轨道。

地球的公转轨道是一个椭圆，太阳正好在其中一个焦点上。地球在公转时每年1月初处在距离太阳最近的轨道上，这个位置称为近日点。每年7月初距离太阳最远，这个位置称为远日点。近日点和远日点如图2-6所示，在近日点，单位时间内地球公转运动的弧线长，公转速度快。在远日点，公转速度就慢。

地球运动是自转与公转这两种运动的叠加。公转方向为自西向东（同自转方向）。公转周期为365.2564日，即365日6小时9分10秒，称为一恒星年。天文上所说的一年是365日5时48分46秒，称为回归年。公转轨道为近似正圆的椭圆（太阳位于其一焦点）。公转角速度约为1°/d；公转线速度约为30km/s。

2.1.3　地球自转角速度和线速度

1. 地球自转角速度

地球自转角速度定义为地球在单位时间内自转的角度。角速度在极点为零，地球上每一点都在24小时自转相同的角度（360°），所以除极点外，任何地方的角速度都一样。

2. 地球自转线速度

地球自转线速度定义为地球在单位时间内自转的弧度。线速度在赤道最大，极点为零。由于赤道是地球上最大的圆，向极点方向纬线圈越来越小，而地球上除极点以外的每一点都在24小时自转一周，所以，自转线速度从赤道向极点也越来越小。在南北纬60°，由于纬线圈缩小为原来的一半，所以线速度也为赤道处的一半。

自转是地球的一种重要运动形式，地球自转的平均角速度为7.292×10-5rad/s，在赤道上的自转线速度为465m/s。20世纪初人们发现地球自转速度是不均匀的，存在着以下3种变化情况。

（1）长期减慢。这种变化使1日的长度在一个世纪内增长1～2ns，使以地球自转周期为基准所计量的时间2000年来累计慢了两个多小时。科学家发现在37 000年以前的泥盆纪中期地球上一年大约为400天。引起地球自转长期减慢的原因主要是潮汐摩擦。

（2）周期性变化。20世纪50年代从天文测时的分析发现，地球自转速度有季节性的周期变化，春天变慢，秋天变快，此外还有半年周期的变化。周年变化的振幅为20～25ns，主要是由风的季节性变化引起的。

（3）不规则变化。地球自转还存在着时快时慢的不规则变化。其原因尚待进一步分析研究。

2.1.4　地球公转特性

1. 地球公转的基本特性

（1）黄道面（当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹所在的平面）与地球赤道面的夹角称为黄赤交角。黄赤交角与黄道面、赤道面的几何关系图如图2-7所示，由于黄赤交角的存在，地球自转轴与地球轨道面是倾斜的。

（2）地球在公转时地轴倾斜方向不变，始终指向北极星。换句话说，地球在绕太阳进行公转时，地轴是平行移动的。

因此，无论地球公转到什么位置，黄赤交角都是不变的，即始终保持约23°26′。通常我们所见到的地球仪，自转轴与地面不是垂直的，而是倾斜的，倾斜角度就是黄赤交角，从这里我们也可以直观地理解黄赤交角。

2. 黄赤交角的意义

在地球绕日公转时，太阳有时直射北半球，直射的最北界限为北纬23°26′，这条纬线称为北回归线，每年6月22日前后太阳直射北回归线，这一天为夏至日；有时直射南半球，直射的最南界限为南纬23°26′，这条纬线称为南回归线，每年12月22日前后太阳直射南回归线，这一天为冬至日；有时直射赤道，每年3月21日与9月23日前后太阳直射赤道，分别称为春分和秋分。这样，地球以一年为周期绕太阳运转，太阳直射点相应的在南北回归线之间往返移动。

黄赤交角的存在是地球四季变换和五带划分的根本原因，具有重要的天文和地理意义。当黄赤交角变大时，太阳直射点的位置会超过现在的最北及最南界限（23°26′），同时极线（66°34′）也会向赤道靠近，即温带范围缩小，这使得地表获得热量会随时间和空间的变化而发生变化。由于极地范围的扩大，极昼极夜的范围也会相应增大。当黄赤交角变小时，北半球昼变短夜变长（有极昼现象的地区除外），也就是昼夜的差距缩小了，即各地一年中昼长的年变幅随黄赤交角的增大而增大，随黄赤交角的减小而减小。由于正午太阳高度和昼夜长短在一年中的变化是有规律的，因此产生了四季的更替，并影响着五带的范围。此外，黄赤交角还影响着其他自然地理现象，如气压带、风带移动范围变化、气候带分布范围变化、自然带分布范围变化等。

2.1.5　地球自转的意义

1. 地球自转产生了昼夜更替现象

由于地球是一个不发光、也不透明的球体，而太阳是一个点光源，太阳光平行发射，所以太阳只能使地球的一半被照亮，形成昼半球，而另一半则形成夜半球。昼夜半球的分界线叫晨昏线。

2. 不同地方产生不同地方时

地方时的定义：在地球上某个特定地点，根据太阳的具体位置所确定的时刻，称为“地方时”，它是观察者所在的子午线的时间。

地方时产生的原理：由于地球的自转，在地球上同一纬线上的两点，东边的时刻总是早于西边。地球每24小时自转一周，所以地球上经度相差15°的地方，时间相差1小时。国际上将不同的地方时统一划分为24个时区。各时区的“中央经线”规定为0°（即“本初子午线”）、东西经15°、东西经30°、东西经45°直到180°经线，在每条中央经线东西两侧各7.5°范围内的所有地点，一律使用该中央经线的地方时作为标准时刻，如北京的时间要比合肥的晚，即合肥比北京先见到太阳。但为了方便两地都会统一采用东八时区的区时，即我们所说的北京时间。

2.1.6　地球公转的意义

1. 产生昼夜长短变化的原因

晨昏线是地球昼半球和夜半球的分界线，它与太阳直射光线相互垂直。由于太阳直射点的位置变化，晨昏线把所经过的纬线分割成不同的昼弧和夜弧，从而导致经过地球自转一周产生不同长度的白昼和黑夜。从另一个角度来说，地球自转的同时还在公转，公转时地轴与轨道面的铅垂线有23°26′的倾斜，而且倾斜方向不变，始终指向北极星附近。这使得太阳直射点在赤道南北两侧的往复运动，导致不同纬度（赤道除外）在不同季节里（春分和秋分日除外），昼弧和夜弧大小的变化，最终引起昼夜长短变化。

2. 昼夜长短变化规律

自春分日至秋分日，太阳直射点在北半球移动，北半球各地昼长于夜，且纬度越高昼越长夜越短。夏至日这一天，北半球达到昼最长夜最短，北极圈以北出现极昼现象；自秋分到次年春分，太阳直射点在南半球移动，北半球各地昼短夜长，且纬度越高夜越长昼越短。冬至日这一天，北半球达到昼最短夜最长，北极圈以北出现极夜现象。南半球则相反。每年春分日和秋分日，太阳直射赤道，全球各地昼夜等长，各为12小时。北半球昼夜长短变化规律图，如图2-8所示。

3. 形成四季更替

由于黄赤交角的存在，地球在以一年为时间的公转中，不同的时间有不同的太阳高度和不同的昼夜长短，因此在同一地点不同的时间，地球上有热量多少的差异。也就是出现了冷暖的时间差异。从天文含义看：夏季就是一年内白昼最长，太阳最高的季节，以北半球为例，夏季太阳直射地球的北半球，斜射南半球，因此在北半球所接受的能量比南半球要多，北半球的人感觉到十分炎热；冬季是一年内白昼最短，太阳最低的季节，因此这个时候太阳直射南半球，斜射北半球，北半球所接受的太阳的辐射能量比南半球少，北半球的人感觉比较寒冷，南半球则反之。春、秋季就是冬、夏季节的过渡季节，这个时候太阳在赤道附近。

4. 太阳日和恒星日

太阳日：天文学上的定义是真太阳连续两次过同一子午圈的时间间隔。它是以太阳作为参考的地球自转周期，其周期为24小时，也是我们通常讲的一天，是地球自转360°59′所用的时间。

恒星日：把某地天文子午面两次通过同一恒星的时间间隔称为恒星日，有时候也把它描述为春分点连续两次过同一子午圈的时间间隔。它是以恒星作为参考的地球自转周期，一个恒星日等于23小时56分4秒。由于实际春分点会因为岁差的影响不断向西移动，这使得恒星日与太阳日有所不同。

由于地球离恒星非常遥远，从恒星上看来，地球似乎是不动的，地球的公转轨道相对于遥远的距离来说已变作一个点了。从遥远天体来的光线我们认为它们是平行的，无论地球处于公转轨道上的哪一点，某地子午面两次对向某星的时间间隔都没有变化。与遥远的恒星相比，太阳离地球的距离却近多了，从地球上看，太阳沿黄道自西向东移动，一昼夜差不多移动1°。对于某地子午面来说，当完成一个恒星日后，由于太阳已经移动，地球自转也是自西向东的，因此地球必须再转过一个角度，太阳才再次过这个子午面，即完成了一个真太阳日。这也是恒星日总是比真太阳日要短一些的原因。恒星日一般在天文学中使用，而我们通常所说的一日是指太阳日。