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测绘学

时间与卫星测距

作者：李志刚，杨旭海，吴风雷，成璇，钦伟瑾

出版社：科学出版社出版时间：2022-12-01

开本： B5 页数： 244

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时间与卫星测距版权信息

ISBN：9787030742070
条形码：9787030742070 ; 978-7-03-074207-0
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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测绘学

时间与卫星测距内容简介

本书主要介绍转发式为行测距观测方法与技术，包括伪码观测、多普勒侧轨原理、归真技术及误差分析。并介绍测量系统以及达到测量精度。前3章介绍时间科学，讲述近代时间的发展故事，帮助读者全面理解时间的前世与今生，目的是使读者更深层次理解和回味时间科学。本书第4章"相对论框架下的时间与时间同步"给出了涉及到时间范围的相对论改正。本书*后3章任务是对转发式卫星测轨观测方法与技术进行系统性描述。

时间与卫星测距目录

目录　
前言　
第1章　时间与导航　1　
1.1　时间　1　
1.1.1　记时与钟　3　
1.1.2　阳历与阴历　11　
1.1.3　星期的起源　13　
1.1.4　回归年　15　
1.2　导航与标准时间和时间同步　17　
1.2.1　航海与导航　17　
1.2.2　导航与标准时间和时间同步的关系　19　
1.2.3　无线电导航　22　
1.2.4　卫星导航　23　
1.2.5　卫星导航现代化　26　
参考文献　27　
第2章　国际天球参考系ICRS与国际地球参考系ITRS　30　
2.1　国际天球参考系　30　
2.1.1　IAU有关国际天球参考系的决议　31　
2.1.2　国际天球参考系ICRS与国际天球参考架ICRF　53　
2.1.3　J2000.0历元及历元改正　55　
2.2　国际地球参考系　57　
2.2.1　国际地球参考系ITRS　57　
2.2.2　IAG和IUGG有关地球参考系的决议　58　
2.3　国际地球参考系ITRS与国际天球参考系ICRS之间的转换　60　
2.3.1　中间坐标系与岁差章动　60　
2.3.2　ITRS与GCRS之间转换矩阵　69　
2.4　常用的几种天球坐标系　74　
2.4.1　赤道坐标系　75　
2.4.2　黄道坐标系　77　
2.4.3　地平坐标系　79
2.5　有关天球参考系的天文术语及解释　81　
参考文献　88　
第3章　时间与时间定义　92　
3.1　儒略日期JD和简化儒略日期MJD　93　
3.2　恒星时及世界时转换成恒星时　94　
3.3　世界时　97　
3.3.1　世界时、恒星时与地球自转角　98　
3.3.2　区时　101　
3.4　历书时　102　
3.4.1　历书秒与历书时　103　
3.4.2　历书时定义的讨论　104　
3.5　原子时　106　
3.5.1　原子秒的标定及原子时的定义　107　
3.5.2　原子时的建立　108　
3.6　协调世界时UTC与闰秒　110　
3.7　有关闰秒的讨论　112　
3.8　卫星导航系统时间　114　
3.9　国际地球自转与参考系服务　115　
3.10　我国时间服务　115　
参考文献　116　
第4章　相对论框架下的时间与时间同步　119　
4.1　相对论框架下的本征时与坐标时　120　
4.2　地心地固坐标系与Sagnac效应　125　
4.3　度规张量与坐标时　128　
4.3.1　地球时TT与地心坐标时TCG之间的转换　128　
4.3.2　地心坐标时TCG与质心坐标时TCB之间的转换　130　
4.3.3　质心力学时TDB与质心坐标时TCB之间的转换　133　
4.3.4　ECI坐标系中的无线电测距相对论改正　135　
4.4　卫星导航系统中的相对论改正　137　
4.4.1　本征时、TT与重力势间的关系　139　
4.4.2　地球质心引力势（广义相对论）引起的相对论影响　140　
4.4.3　卫星导航系统的相对论影响　141　
参考文献　143　
第5章　时间传递　145　
5.1　卫星时间传递技术　146
5.2　卫星双向时间与频率传递技术　149　
5.3　卫星双向时间与频率传递原理　151　
5.4　卫星双向时间与频率传递的系统误差　156　
5.4.1　卫星相对于地面运动的影响　157　
5.4.2　地球自转的影响——Sagnac效应　161　
5.4.3　电离层影响的改正　165　
5.4.4　仪器系统误差的校准　166　
参考文献　169　
第6章　卫星测距与测距改正　172　
6.1　卫星覆盖与卫星导航　173　
6.2　单向测距　175　
6.2.1　伪距、载波相位测量及其几何时延　176　
6.2.2　卫星距离差的相关测量几何时延　177　
6.2.3　地面VLBI观测河外源的几何时延　181　
6.3　双向测距及激光测距　185　
6.4　基准点定义与观测改正　187　
6.4.1　地平式装置的系统改正　188　
6.4.2　赤道式装置的系统改正　189　
参考文献　190　
第7章　统一载波测控系统　193　
7.1　统一载波测控系统简介　193　
7.2　统一载波测控系统的功能　194　
7.3　测控天线跟踪系统　196　
7.3.1　测控天线步进跟踪模式　196　
7.3.2　天线圆锥扫描跟踪模式　197　
7.3.3　天线相位单脉冲跟踪模式　197　
7.3.4　天线幅度单脉冲跟踪系统　201　
参考文献　202　
第8章　“对观测”卫星测轨方法与技术　203　
8.1　双向测距特征的“对观测”测距原理　204　
8.2　转发器时延　207　
8.3　高速伪码在“对观测”技术中的应用　208　
8.4　“对观测”测量模式的组合　210　
8.4.1　“对观测”自收自发测量及DOP讨论　211　
8.4.2　“对观测”主从式测量及测轨精度评估　219
8.4.3　“对观测”全视测量模式的优势　223　
8.5　“对观测”技术的仪器系统差精确测定　227　
8.5.1　“对观测”仪器系统改正　227　
8.5.2　“对观测”技术的仪器系统差测定原理　228　
8.5.3　“对观测”仪器系统差测定　230　
8.6　“对观测”模式在卫星测轨的优势　231　
参考文献　232

展开全部

时间与卫星测距节选

第1章时间与导航 1.1时间我们生活在一个充满色彩的世界，要描述一天的活动，时间具有不可替代的作用。“现在几点了？”，随时随地都有可能随口问出这样一个*普通的问题，充分说明了时间在人类实践中不可替代的特殊地位。但是很少有人问“时间是什么？”，似乎这也是一个极为普通的问题，也许有人回答说时间是描写事件的基本物理参数，或说时间与空间组成四维时空坐标，如果进一步追问，很少有人能正确或是简明扼要地回答这个近乎极其简单的问题，实际上这不是简单的问题，甚至物理学家和时频专家也不是一两句话能说得清楚，这是一个深层次的问题，它涉及时空观和时间定义，是在人类认识论的发展史中一直为各个历史时期的哲学家们“争论”的*基本问题，唯心派认为时间是人类的先验直觉，唯物派认为时间是物质存在和运动的基本形式。尽管人们能够探测150亿光年之外的遥远天体，也可以洞察物质内部微观粒子的运动规律，还可以以千万分之一秒、几十亿分之一秒的精度去测定物质变化的时间历程，但还没有一个对时间本质的认识的“回答”为各学派所共同接受。 1600多年前罗马主教、思想家奥古斯丁（SaintAugustine）说过一段有关时间属性的趣话名言：“时间究竟是什么？没有人问我，我倒清楚；如果有人问我，我想说明白，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.）当然目前对时间属性的认识与奥古斯丁的“茫然不解”认识截然不同，时间属性认识随科技进步不断深化，本书并不展开阐述有关时间本质的深层次的、哲学范畴的讨论，我们还是回到*普通的问题：“现在几点了？”——普通老百姓乃至绝大部分科学家*关心的、*实际的问题，“现在几点”涉及时间的两个*基本属性，即时间起算点及时间间隔问题，不管是基于地球自转的恒星时（真恒星时——真春分点的时角，平恒星时——平春分点的时角）及世界时（基于地球自转的时间系统，现用地球自转角定义世界时，与恒星时时间系统的差别仅仅是基准参考点的不同），或以历表为准的力学时，或以原子跃迁频率为基准的原子时，或广义相对论框架下的坐标时，虽然时间定义基准不同，但上述两个时间*基本属性仍是*基本的定义参量，而时间起算点及时间间隔是不同时间系统之间的关联纽带。分或秒的精度也许已足够大部分人安排他的日常工作，国民经济或国防建设也许需要时间精度为毫秒、微秒或高至纳秒量级，科学研究也许需要飞秒级或更高的时间精度。尽管不同领域对时间精度的要求不尽相同，但是涉及同一范畴，即时间实际应用问题，本书涉及的问题是绝大多数人关心的“时间应用”问题。古代人根据太阳位置确定时间，“日出而作，日落而息”，这是*直观的、*基本的时间概念的描述。人类生活在地球上，自然用地球自转定义时间与他们日常生活习惯相一致，显然这“日出”与“日落”现象是地球自转*直观的反映，时间单位“天”的概念由此而产生。远古人们由*直观的“天”的时间概念安排他们日常的活动，随着生产的发展，特别是发现农、牧业与季节有着密切相关的“一岁一枯荣”的自然特征，显然仅仅用“天”这个时间计量单位不能满足人们生产的需求，需要与季节有关且比“天”更长周期的时间计量单位描述“一岁一枯荣”的自然特征。地球绕太阳公转，地球上观测者发现太阳视方向在恒星空间的位置在不断变化，人们根据日月在恒星空间的运行规律，给出与季节有关的周而复始的更长周期的时间计量单位“年”，“年”的概念与太阳在恒星空间的位置有关，太阳视运动规律揭示与农、牧业紧密相关的季节性气候变化特性，一年又人为地分为12个“月”。“天”（地球绕地轴自转一周）、“月”（近似于月球绕地球公转一周）和“年”（地球绕太阳公转一周），即地球自转、月球绕地球公转及地球绕太阳公转组成了历法*基本要素，同时也记载着时间的流逝和历史变迁。时间与科技进步密切相关。1892年，菲茨杰拉德（G.F.FitzGerald）和洛伦兹（H.A.Lorentz）根据迈克耳孙–莫雷实验提出长度收缩假设，认为物体在运动中其长度会沿着运动方向以因子收缩，于1904年提出著名的公式——洛伦兹变换。1898年，法国物理学家庞加莱（H.Poincar′e）在《时间之测量》一文中首先提出光速对所有观测者都是常数的假设，指出“光速不变并在所有方向上均相同”成为公设，这个公设成为测量光速的基础。爱因斯坦从研究时间同时性入手，1905年在著名的《论动体的电动力学》一文中提出了狭义相对论，其基石是相对性原理和光速不变公设，论断运动时钟会“变慢”的效应；他在1916年又提出广义相对论，指出引力场引起时空弯曲，狭义相对论和广义相对论是打破牛顿传统观念的创新性理论。1938年，伊维斯（H.Ives）和史迪威（G.Stilwell）两位物理学家通过实验，测得运动时钟确实“变慢”，证实爱因斯坦的论断；1971年，美国海军天文台进行环球飞机搬运钟实验，测得机载原子钟变慢量与理论计算值完全一致，再一次验证相对论的正确性。不难理解，验证相对论的实验基础是依赖于高精度的时间测量，如果时间测量不能达到纳秒或更高量级的精度，这些实验无法得到满意的结果，更不可能有今天的全球卫星导航定位系统的发展。有杰出贡献的研究中国科技史的学者李约瑟（Joseph Needham，1900～1995）编撰的15卷《中国科学技术史》[18]中提出问题：“尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代中国发生？”1976年美国经济学家肯尼思博尔丁称之为“李约瑟难题”。很多人把“李约瑟难题”进一步推广和延伸，出现“中国近代科学为什么会落后”“中国为什么在近代落后了”等问题，对此问题的争论一直非常热烈，学者从不同角度研究这个问题，有学者认为，17世纪机械钟表的进步，特别是摆钟的进展促使欧洲18世纪航海事业的大发展，认为工业时代的关键不是蒸汽机的轰鸣声，时间科学技术的大发展开创了18世纪欧洲的工业革命，中国缺乏现代时间体系是未诞生近代科学的重要原因之一，当然这些是一派之见，但从某个侧面说明时间与科技进步有着密切的关系。 1.1.1记时与钟人类活动与时间息息相关，随着人类文明的进展，对时间精度的要求越来越高。公元前2000年左右，古埃及人把白昼与黑夜各分为12小时，但人们真实认知为夏日白天长、冬日黑夜长，白昼与黑夜的时间间隔随着季节而变化，古埃及人定义的“小时”显然是不等长的，另外，白昼或黑夜的时间间隔还与纬度有关，这种粗略的、不精确的时间间隔定义不满足时间间隔等时性的基本特征。大约公元前150年古希腊天文学家依巴谷（Hipparchus）、公元150年托勒密（Claudius Ptolemy）给出了更为精确的“小时”定义：一天平均时间的1/24定义为1小时，避免以前时间间隔定义不等时的缺陷，并采用简单小时分数记时方式，如1/2小时、2/3小时等，显然，这样的“小时”定义避免了古埃及人明显不等时的定义。分、秒定义要比“小时”定义晚得多，*早有关“秒”的记载是1267年中世纪科学家罗杰（Roger Bacon）记录满月之间时间间隔出现小时、分、秒等单位，以及1/3秒、1/4秒的分数计时方式。从“日”到“小时”再到“秒”是人类发展对时间精度需求的反映。我国有十二时辰和昼夜百刻相并行的记时系统[4]。一日分为十二时辰：夜半者子时也、鸡鸣者丑也、平旦者寅也、日出者卯也、食时者辰也、隅中者巳也、日中者午也、日昳者未也、晡时者申也、日入者酉也、黄昏者戌也、人定者亥也。不难理解十二时辰以太阳视运动为准：日出为“卯”时，日中为“午”时，日没为“酉”时，显然十二时辰的定义也有时间间隔不等时长的缺陷。北宋时开始将十二时辰细分，每个时辰又分为“初”“正”两个时刻，将十二时辰分为二十四分部，但并没有改变十二时辰的时间间隔不等时长的缺陷。我国还有昼夜百刻的记时系统：由于百刻不能被十二时辰整除，百刻与时辰间相互换算不便，为了与十二时辰配合，西汉时昼夜百刻改成120刻，南北朝曾改为96刻、108刻，到南朝陈文帝（公元544年）又恢复百刻制，后又改成96刻。百刻制记时系统以太阳出没为准并兼顾季节变化：冬至昼刻为40刻、夜刻为60刻；夏至昼刻为60刻、夜刻为40刻；春分、秋分昼、夜各为50刻，冬至与夏至相隔182天或183天，每隔9天昼刻增加1刻、夜刻减少1刻，这种记时系统粗略考虑了昼长、夜长的季节变化特性。但冬至及夏至季节昼长与夜长的变化缓慢，而春分与秋分季节附近昼长与夜长变化要快得多，显然用简单的直线变化表征昼长与夜长的变化规律是不够精确的。中国在计时方面做出了自己独*的贡献。差不多与托勒密同时代的东汉，公元117年，文学家、天文学家张衡发明“漏水转浑天仪”。浑天仪相当于现代天球仪，标有黄道、赤道、二十四节气，把记时的漏壶（水钟）和浑天仪用齿轮联系起来，漏壶推动浑天仪均匀转动，一天转动一圈，演示真实的天象，显示了当时中国时间测量的精密水平，为水钟的发展做出了突出贡献。北宋初年苏颂（1020～1101）设计制造的“水运仪象台”（见图1.1），是中国在世界时钟发展史上*为突出的贡献，国际上称为“苏颂钟楼”（Su Sung Clock Tower），“水运仪象台”继承和发展了汉、唐以来的天文学成就，是集浑仪、浑象和报时三种功能于一体的杰出的天文仪器，可以说这是世界上*早的天文时钟，充分体现了中国劳动人民的聪明才智和创造精神。图1.1“水运仪象台”复原图公元1092年建成的“水运仪象台”高三丈五尺六寸五分（约12米），宽二丈一尺（约7米），是一座上狭下广的上、中、下三层木结构建筑（见图1.1），“水运仪象台”顶层有一架体积庞大的铜制天文仪器称为“浑仪”（天文测时仪器），浑仪用中国特有风格的龙柱支撑，用水槽以定水平，用于观测星象，相当于以铅垂线为基准的天文测时仪器，“水运仪象台”*上端为活动屋顶，是今天天文台活动圆顶的雏形。 “水运仪象台”中层是没有窗户的“密室”，密室中放置“浑象”（相当于现在的天球仪），浑象的赤道带装有齿牙，与机轮轴相接，与天穹同步旋转，可随时根据天文观测进行校准，真实地再现了星辰起落的昼夜天象变化，是当时精确的守时系统。 “水运仪象台”下层为报时系统和整个系统的动力机构。“水运仪象台”南向设有大门，门内有五层木阁，后面为机械传动系统，苏颂发明了相当于现代钟表中的擒纵器的技术，通过大小齿轮的啮合控制水斗转动和枢轮运转（水钟）。五层木阁中**层名为“正衙钟鼓楼”，负责标准时刻的报时。层内设有三扇阁门，每门均有一个木人，木人报时动作由“昼时钟鼓轮”控制，每个时辰的“时初”时刻有红衣木人在左阁门里摇铃，“时正”时刻有紫衣木人在右阁门里扣钟，每“刻”有绿衣木人在中门击鼓，即“一刻中门打鼓，时初左门摇铃，时正右门敲钟”，用钟、鼓、铃声进行标准时间的授时服务。五层木阁中第二层是时间显示系统（相当于时钟钟面）。由24个手抱时辰牌的司辰木人负责显示“时初”和“时正”：每逢“时初”红衣木人持时辰牌出现在小门前，“时正”紫衣木人拿着时辰牌出现在小门前，红衣和紫衣木人各为12个，时辰牌上依次写着子初、子正、丑初、丑正等，12个时辰的时初、时正组合相当于24小时记时系统。五层木阁中第三层是以“刻数”为准的时间显示系统。这层有96个（96刻制）绿衣抱牌司辰木人，木人由“报刻司辰轮”控制，每刻会出现持“刻数”牌的绿衣木人，“刻数”牌上依次写着初刻、二刻、三刻、四刻等。五层木阁中第四层负责报告与太阳有关的晚上特殊时刻。由夜漏金钲轮控制，按季节调整白天晚上的变化，逢日落、黄昏、各更、每更五筹、破晓、日出之时，拉动木人按“更”序法钲。五层木阁中第五层显示晚上的时间，共有38个抱牌司辰木人，木

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