几种时间尺度用途和转换关系探析

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1、几种时间尺度用途和转换关系探析　　摘要：本文详细介绍几种时间尺度TDT、TDB、TCG、TCB。在时间基准的发展历程的基础上，讨论了这几种时间尺度的引进原因、定义、用途等，最后给出了这几种时间尺度之间的转换关系式。关键词：TDT；TDB；TCG；TCB中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：时间尺度和时间系统在各个科学领域都扮演着十分重要的角色。在测量科学中，时间作为重要的“第四维”元素，对测量结果有极为重要的影响。随着VLBI、GPS、SLR等空间大地测量技术的不断发展，建立更高精度的时空基准成为科学发展的必然要求。以前测量领域通常采用的时间基准是基于经典

2、牛顿力学理论框架的，坐标系的转换只需要考虑平移和旋转。但是随着空间大地测量技术的发展，人们越来越需要在广义相对论框架下来建立时空基准，因此有必要引入新的时间尺度。本文结合时间尺度的发展历程，重点探讨了TDT、TDB、TCG、TCB的引进原因及其含义，最后给出了这几种时间尺度之间的转换关系式。时间尺度的发展历程7历史上最早出现的时间系统是世界时系统，由于它以地球自转为基础，与太阳保持着密切的联系，因此在日常生活中被广泛采用。但是世界时含有地球自转速度的长期变化项和不规则的变化项，并不是严格均匀的的时间系统。这导致很多高科技、高精度的应用领域无法使用世界时系统。因此

3、从1960年开始使用力学时系统。最早的力学时是历书时（ET），它以地球绕日公转为基础。定义历书时的起点为1900年1月0.5日，秒长为1900年1月0.5日所对应的回归年长度的1/31556925.9747，也就是平太阳时的1秒。历书时可以通过对太阳、月球或其他行星的观测而获得，但是这种方法获得的历书时稳定性不太好，只能达到10-10s级别。由于以上原因，1979年第17届国际天文联合会（IAU）引进了两个新的相对论时标——地球质心力学时（TDT）和太阳质心力学时（TDB）。但是这两个相对论时标的引入并没有完全解决时间基准面临的问题，反而出现了很多争议，典型的比

4、如：1）对“动力学”(Dynamical)一词如何解释？2）TDT被定义为“IAT理想化形式”的时候是坐标时，但在某些情况下又被解释成是在地心的本征时[1]等等。针对这些问题，1991年IAU第21届大会决定用地球时（TT）取代地球质心力学时（TDT）；定义了相对论框架下的太阳系质心天球参考系（BCRS）和地球质心天球参考系（GCRS），7同时相应地引入了太阳质心坐标时（TCB）和地球质心坐标时（TCG）[2]。原时与坐标时在相对论框架中有两种不同性质的时间：一类是用于观测者局域参考系并可由观测者所携带的钟实现的时间，另一类是由全局坐标系钟的时空度规所确定的，用

5、来作为时间坐标的“类时变量”。其中由观测站所携带的理想钟所计量的时间称为观测者的“原时”，全局坐标系中的“类时”坐标，称为“坐标时”[3]。从原时和坐标时的定义可见，原时是一个物理量，是由观测者使用钟等物理计量工具实际观测得到的，是一个唯一的量，与坐标系的选择无关。而坐标时则是一个数学量，与坐标系的选择密切相关，在不同的坐标系中，得到的坐标时也可能不同。有关“坐标时”概念的理解是理解TCG和TCB的概念的基础。几种时间尺度的定义及其用途地球质心力学时（TDT）一个时间系统的定义包括对其时间起点和秒长两个因素的约定。地球质心力学时（TDT）的基本单位为秒，秒长为原

6、子时的秒长，故它是一个均匀的时间系统；同时IAU规定国际原子时（IAT）1977年1月1日0h00m00s瞬间对应的地球质心力学时（TDT）为1977年1月1日0h00m32.1847s。TDT主要用于给出天体在地心坐标系中的视位置；也可用视地心历表中的时间引数。计算天体在地心坐标系中的方程中的时间变量也应该使用TDT。太阳系质心力学时（TDB）太阳系质心力学时（TDB）是太阳系质心参考系内天体运动方程中的时间变量，定义TDB与TDT的平均钟速相等，即两者之差只有周期项，且这种周期性差异是由于相对论效应而引起的。太阳系质心力学时TDB是一种抽象的均匀的时间系，月

7、球，太阳，行星的历表都是以TDB为时间变量的，岁差、章动计算公式也是以TDB为时间变量的[5]。地球时（TT）IAU于1991年决定将地球质心力学时（TDT）改名为地球时（TT），并对地球时做出了如下明确定义[4]。视地心历表的时间参考基准是地球时（TT）；TT是与地球质心坐标时（TCG）相差一比例常数的时标，其计量单位的选择应与大地水准面上的SI秒相一致；在1977年1月1日0h00m00sTAI的瞬间，TT的读数为1977年1月1日0h00m32.184s。7地球时TT和TDT的秒长和起点都相同，可以认为是等价的。不过在上述定义中，更加明确了地球时是一种坐标

8、时，从而解决了TDT定义