空间环境仿真

空间环境的时空基准袁仁进摘要：在空间环境中，目标实体无时无刻不在演化。运转，时间和空间是物体存在的两种基本形式。建立时空模型是研究空间环境中实体模型的基础。本文主要介绍了在研究空间环境中的空间坐标系和时间系统。为进行空间环境研究提供时空基准模型。关键词：空间环境空间坐标系时间系统一、 空间坐标系空间坐标系是研究空间环境分布、航天器运行的基础。可以说，不选择适当的坐标系，就无法正确描述空间环境及其变化、航天器与之相互作用在空间的位置。空间坐标系一般分为两大类：一类是地球坐标系，该坐标系是一种非惯性坐标，是固定在地球上的，随着地球一起旋转，又称为地固坐标系，如地心大地坐标系、地球固连坐标系；另一类是天球坐标系该坐标系与地球自转无关，可以建立惯性坐标系，用此坐标系可以方便地描述航天器轨道，如地心天球球坐标系。（一） 地心大地坐标系此坐标系原点是地球椭球中心；Z轴指向北极，X轴由坐标系原点指向格林尼治子午面，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系统。它的三个坐标为（h,L,B）。h为从地球椭球表面延其外法线方向的距离，通常称为大地高；L在赤道内，为从格林尼治子午线向东的地心角，通常称为大地经度；B为赤道平面与地球椭球法线的夹角，通常称为大地纬度，向北为正。（二） 地球固连坐标系此坐标系的三轴定向与地心大地坐标系相同，地心球面固连坐标系的三个坐标是（Y，入，中）。Y是地心到空间某点N的距离；入在赤道面内，为从格林尼治子午线向东到N点的矢径在赤道面上投影的角距，通常称为地心经度；中为N点的矢径与赤道面的夹角，向北为正，通常称为地心纬度。（三） 地心赤道坐标系地心赤道坐标系可以分为地心第一赤道坐标系Oxyz、地心第二赤道坐标eer1er1er1系Oxyz、地心第三赤道坐标系Oxyz和地心第四赤道坐标系eer2er2er2 eer3er3er3Oxyzeer4er4er4。地心第一赤道坐标系Oxyz坐标轴Ox在赤道面内，指向春分点；Ozeer1er1er1 eer1 eer1轴垂直于赤道面，与地球自转角速度矢量一致；Oy与OxOz构成右手坐eer1eer1，eer1标系系统。地心第二、第三、第四赤道坐标系的基本面与地心第一赤道坐标系的基本面一样，都是赤道面。Z轴也都与地球自转角速度矢量一致，不同的是X轴的指向不同。（四）地心天球球坐标系该坐标系以地球质心为坐标原点，Z轴指向天球北天极方向，X轴指向春分点方向，Y轴与X、Z轴构成右手坐标系统；以赤道面为赤纬基准面；以过春分点的天球子午面为赤经基准面。地心天球球坐标系的三个坐标是（Y,a,0）。Y为地心到空间某点N的距离；a在赤道面内，为春分点向东到N点的矢径在赤道面上的投影的角距，通常称为赤经；0为N点的矢径与赤道面的夹角，向北为正，通常称为赤纬。由于日、月引力的影响，春分点会随着天轴的变动而变化，因此该坐标系是一个变动的坐标系。根据Z轴的变化，又有瞬时天球球坐标系、瞬时平天球球坐标系、标准历元平天球球坐标系等。二、时间基准系统时间系统是表示空间环境信息时间特性的基准。时间系统包含有“时刻”和“事件间隔”两个概念。时刻即指发生某件事情的瞬时；时间间隔即指发生某一事件所经历的过程，是这一过程始末的时刻之差。就运动而言，既需要一个联系天体位置的确定时刻，又需要一个反映天体运动过程经历的均匀时间间隔。建立一个时间系统要明确时间尺度，即时间的单位；二要明确时间的原点，即起始历元。地球自转曾作为时间系统主要基准，但由于地球的自转不均匀性和地极移动使得时间系统变得比较复杂，因此又建立了地球自转为基准和易原子振荡为基准的时间系统。时间系统主要有恒星时、太阳时、世界时、动力学时、儒略年等。（一） 恒星时恒星时S在数值上等于春分点的时角。春分点连续两次过中天的时间间隔称为一“恒星日”。然而，春分点是观测不到的，只能通过观测恒星来间接推算春分点的所在位置，从而有S=t+a式中：t、a分别为被观测恒星时的时角和赤经。当恒星上中天时，t=0，上式变为S=a此式表明，任何时刻的地方恒星时正好等于该瞬间上中天恒星的赤经。相对于格林尼治子午圈的恒星时称为格林尼治恒星时，记为S^。（二） 平太阳时与世界时以赤道平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平太阳时。平太阳时与恒星时并不是相互独立的时间计量单位，通常是由天文观测得到的恒星时，然后再换算成平太阳时，他们都是以地球自转作为基准的。平太阳时与平恒星时的时长有如下关系：平恒星时=平太阳时*（1-r）式中：1-r=0.997269566329084世界时（UT）系统是在平太阳时基础上建立的，有UT,UT,UT之分。UT0:格林尼治的平太阳时即称为世界时UT0，他是直接由天文观2测测定的。UT0：UT加上极移改正后的世界时，由于地球自转的不均匀性，UT1并不是均匀的时间尺度。 1对于一般精度要求，可用UT作为统一的时间系统。（三） 国际原子时 1以原子能级跃迁辐射频率定义的标准时间单位，取1958年1月1日世界时零时为其起算点。国际原子时（TAI）与UT1有如下关系：（UT1-TAI）19580=+0.0039（四） 动力学时动力学时分两种：相对于太阳系质心的运动方程组及以此得出的历表，时间度量用太阳系质心动力学时表示，记作TDB；用于地心视位置历表的时间度量为地球动力学时，记作TDT。地球动力学时是建立在国际原子时基础上的，它与原子时TAI的关系为TDT=TAI+32.184（五） 儒略年与儒略日儒略年规定每年为365平太阳日，每四年有一闰年，所以儒略年的平均长度为365.25平太阳日。儒略日（JD）用于计算相隔若十年的两个日期之间的天数，儒略日起算于公元前4713年1月1日格林尼治平午。对于新历元J2000，规定2000年1月1.5日TDB，对应的儒略日为2451545.0.随着岁月的推移，儒略日数字太大，为了便于使用，引入约简略日（MJD）其定义为MJD二JD-2400000.5三、结论在时空关系中，“空间”刻画了目标实体的空间位置、空间分布以及空间相互关系；“时间”刻画了目标实体的存在随时间变化的状况和时间相关性。