2.2 时间系统

时间系统是由时间计算的起点和单位时间间隔的长度来定义的。由于探测器必须测量其相对地球、太阳、行星、恒星或小行星等天体的指向和位置,需要用到天文时间尺度。行星际的星历信息同样会涉及到时间系统。在本节中将给出本书所涉及的时间系统。

2.2.1　时间系统的定义

现行的时间系统[1⁃3]基本上分为五种:恒星时ST、世界时UT、历书时ET、原子时TAI和动力学时。恒星时和世界时都是根据地球自转测定的,历书时则根据地球、月球和行星的运动来测定,而原子时是以原子的电磁振荡作为标准的。

① 恒星时ST　以春分点作为参考点,由它的周日视运动所确定的时间称为恒星时,春分点连续两次上中天的时间间隔称为一个恒星日。每一个恒星日等分成24个恒星小时,每一个恒星时再等分为60个恒星分,每一个恒星分又等分为60个恒星秒,所有这些单位称为计量时间的恒星时单位。

② 太阳时和世界时UT　以真太阳视圆面中心作为参考点,由它的周日视运动所确定的时间称为真太阳时,其视圆面中心连续两次上中天的时间间隔称为真太阳日。由于真太阳日的长度不是一个固定量,所以不宜作为计量时间的单位。为此,引入了假想的参考点——赤道平太阳,它是一个作匀速运动的点,与它对应的是平太阳时和平太阳日。事实上,太阳时和恒星时并不是互相独立的时间计量单位,通常是由天文观测得到恒星时,然后再换算成平太阳时,它们都是以地球自转作为基准的。而世界时UT就是在平太阳时基础上建立的,有UT0、UT1和UT2之分。UT0:格林尼治的平太阳时即称为世界时UT0,它是直接由天文观测测定的,对应瞬时极的子午圈。UT1:UT0加上极移修正后的世界时。UT2:UT1加上地球自转速度季节性变化的修正。

③ 历书时ET　这是由于恒星时、太阳时不能作为均匀的时间测量基准,而从1960年起引入的一种以太阳系内天体公转为基准的时间系统,是太阳系质心框架下的一种均匀时间尺度。由于实际测定历书时的精度不高,且提供结果比较迟缓,从1984年开始,它完全被原子时所代替。

④ 原子时TAI　是位于海平面上原子基态的两个超精细能级在零磁场中跃迁辐射振荡为9192631770周所经历的时间。由这种时间单位确定的时间系统称为国际原子时,取1958年1月1日世界时零时为其起算点。为了兼顾对世界时时刻和原子时秒长的需要,国际上规定以协调世界时UTC作为标准时间和频率发布的基础。协调世界时的秒长与原子时秒长一致,在时刻上要求尽量与世界时接近。

⑤ 动力学时　因原子时是在地心参考系中定义的具有国际单位制秒长的坐标时间基准,它就可以作为动力学中所要求的均匀的时间尺度。由此引入一种地球动力学时TDT,它与原子时TAI的关系为

TDT=TAI+32.184s(2⁃6)

此外,还引入了太阳系质心动力学时TDB(简称质心动力学时),TDT是地心时空坐标架的坐标时,而TDB是太阳系质心时空坐标架的坐标时,两种动力学时的差别TDT-TDB是由相对论效应引起的,两者之间只存在微小的周期性变化。

在轨道计算时,时间是独立变量,但是,在计算不同的物理量时却要使用不同的时间系统。例如,在计算探测器星下点轨迹时使用世界时UT;在计算日、月和行星及小行星的坐标时使用历书时ET;各种观测量的采样时间是协调世界时UTC等。

2.2.2　儒略日的定义及转换

在航天活动中,除了用上述时间尺度外,还常用儒略日(Julian Date)表示时间。

儒略年定义为365个平太阳日,每四年有一闰年(366日),因此儒略年的平均长度为365.25平太阳日,相应的儒略世纪(100年)的长度为36525平太阳日。计算相隔若干年的两个日期之间的天数用的是儒略日JD,这是天文上采用的一种长期纪日法。它以倒退到公元前4713年1月1日格林尼治平午(即世界时12k)为起算日期,例如1992年2月1日0kUT的儒略日为2448653.5。

从1984年起采用的新标准历元(在天文学研究中常常需要标出数据所对应的时刻,称为历元)J2000.0是2000年1月1.5日TDB,对应的儒略日为2451545.0。而每年的儒略年首与标准历元的间隔为儒略年365.25的倍数,例如1992年儒略年首在1月1.5日,记作J1992.0,而1993年儒略年首在1月0.25日,记作J1993.0。

在航天活动中,使用儒略日表示时间是非常方便的,因为儒略日不需要任何复杂的逻辑,就像年和日一样。但是,为了得到高精度的时间就需要较多的数字,精确到天需要7位数,精确到毫秒需要另加9位数,所以常用约化儒略日MJD(Modified Julian Date)代替儒略日。

由于儒略日的数字较大,一般应用中前二位都不变,而且以正午为起算点,与日常的习惯不符,因而常用约化儒略日MJD(Modified Julian Date)定义为

MJD=JD-2400000.5(2⁃7)

这样儒略历元就是指真正的年初,例如J2000.0,即2000年1月1日0时。

轨道计算中经常用到公历日期与儒略日的转换,这里给出如下。

(1)公历日期转换成儒略日

设给出公历日期的年、月、日(含天的小数部分)分别为Y、M、D,则对应的儒略日为

JD=D-32075+

　　+

　　--0.5(2⁃8)

式中,[X]表示取X的整数部分,小数点后的位数省略。

(2)儒略日转换成公历日期

设某时刻的儒略日为JD(含天的小数部分),对应的公历日期的年、月、日分别为Y、M、D(含天的小数部分),则有

(2⁃9)