天球参考系与地球参考系之间的坐标转换研究进展

天球参考系(CRS)与地球参考系(TRS)之间的坐标转换是天体测量学、大地测量学和地球物理学共同关注的研究领域,也是高精度的军事测绘保障和空间大地测量技术实现的理论基础。基于IAU2000的有关决议,重新研究了CRS和TRS之间转换的有关问题,主要内容包括:天球历书极(CEP)目前存在的问题和天球中间极(CIP)的引入;非旋转原点(NRO)、天球历书原点(CEO)和地球历书原点(TEO)的基本概念;基于春分点和NRO的坐标转换模型以及其中的有关参数的确定。本文完整地综述了CRS和TRS之间转换的理论,也指出了其中存在的问题和有待改进的地方。

天球参考系的基本理论和方法研究进展

天球参考系的研究在天体测量、大地测量等研究领域中占有重要的地位。随着配置有CCD的地面光学望远镜和空间望远镜观测精度的不断提高 ,以及其它空间大地测量技术 (VLBI、LLR、SLR和GPS等 )的发展 ,对天球参考系也提出了越来越高的要求。本文从天球参考系的基本理论和方法出发 ,详细地介绍了天球参考系目前的发展状况 ,指出乌克兰里克米亚天文台、上海天文台和IERS在计算河外射电源参考架时采用的小角旋转法公式是错误的 。

国际天球参考系

阐述了１９９８年１月１日起ＩＡＵ采用的国际天球参考系的定义，以及它与以往采用的光学天球参考架ＦＫ５的关系。介绍了国际天球参考系在射电波段的实现过程、其稳定性的维持方法和它与依巴各星表之间的关系。重点描述了影响国际天球参考架稳定性的物理因素──河外射电源的结构及其变化、射电源喷流的视超光速现象和由银河系盘星和大质量致密晕的引力透镜效应引起的视自行等。最后，对我国ＶＬＢＩ基地在河外射电参考架维持方面可以开展的课题提出了若干建议。

国际天球参考系最新实现一ICRF3概述

新一代国际天球参考系——ICRF3已由IVS和IERS于2018年8月20日在第30次IAU大会上发布,并通过IAU决议于2019年1月1日起ICRF3取代ICRF2作为基本天球参考架。2019年8月,IUGG第27次大会下设的IAG理事会通过决议,也将ICRF3作为未来大地测量和天文测量的应用标准,并把实现ICRF3与ITRF和EOP之间的高度一致性作为未来的首要目标。本文主要介绍了ICRF3的发展历程、实现现状和具体结果。

云南天文台开展天球参考系工作的条件

本文叙述了判断一个天文台从事天球参考系实测工作是否有意义的条件。详细分析了云南天文台所具备的条件,并论证了应开展的具体工作及其意义。

新参考系的引入对天体测量学的影响

由于观测、参考架、模型、时间尺度精度的不断提高和完善,国际天球参考系(ICRS)被引入使用, IAU 2000年大会决定从2003年起采用新的天球中介极(CIP)、新的天球中介原点(CIO)、新的岁差-章动模型和新的UT1定义等,并定义了新的中介的运动参考架,由此给天体测量学带来很大的影响,天体测量学的内容和实践发生了许多重要的变化。据此,对天体测量学的术语、概念和定义的变化作了描述,并讨论了变化的原因和对天体测量学的影响。新的一套天体测量理论和方法正在变更之中,我们应及时跟上这个领域的发展步伐。

1988年至1995年IERS天球参考架的指向维持

本文分析了１９９２年至１９９５年期间国际地球自转服务（ＩＥＲＳ）天球参考架的指向维持情况，结合１９８８年至１９９２年的指向维持情况指出，该参考架在１９８８年至１９９５年期间历年的指向均存在显著变化，赤经零点和天极的最大年度漂移约为０．４ｍａｓ。至１９９５年，ＩＥＲＳ天球参考架的赤经零点和天极与各自预期位置的偏差不于０．４ｍａｓ。１９９４年和１９９５年的ＩＥＲＳ天球参考架基本上维持了１９９３年的ＩＥＲＳ天球参考指向，但是其实际维持精度约为０．０５ｍａｓ，并非０．００５ｍａｓ。０．００５ｍａｓ的维持精度只是数学上的平均效果，相当一部分基本源在相邻年度的ＩＥＲＳ天球参考架中的坐标差大于０．５ｍａｓ，这说明只有采用恰当的消除局部相对形变的方法，才能将天球参考架的指向真正维持在较高水平。

全球定位系统应用于改进协议地球参考系

本文简要地介绍了现有的协议地球参考系(CTS)

天球和地球历书原点

国际天球参考系的使用、观测精度的提高和方法的改善要求采用与地球轨道运动无关的运动赤道上的起算点，Ｇｕｉｎｏｔ提出的非旋转原点可作为这样一种选择。非旋转原点依赖于天球参考极。ＩＡＵ决定从２００３年起采用天球中间极作为天球参考极。非旋转原点在天球参考系的使用，可给出在天球中间极赤道上的天球历书原点，非旋转原点在地球参考系的使用，可给出在天球中间极赤道上的地球历书原点。回顾了非旋转原点的概念、以历书原点为参考的天球参考系和地球参考系的坐标变换，给出了在微角秒精度下天球参考极的坐标和历书原点的位置，讨论了采用历书原点对测定ＵＴＩ的影响，指出当岁差章动模型、天极补偿、分点改正得到改善时，基于历书原点的ＵＴＩ定义不需要更改，从而保证了ＵＴＩ的连续。

GCRS与ITRS之间的坐标转换研究

地球质心天球参考系(GCRS)与国际地球参考系(ITRS)之间的坐标转换是天文/测地学的主要研究问题之一。在基于春分点的坐标转换过程中,推导了瞬时天球中间极(C IP)在GCRS中的坐标表达式,它是基于非旋转原点(NRO)坐标转换的基础。根据选择的欧拉角,对J2000平天极相对GCRS的天极补偿和分点改正的概念进行了数学表述。同时给出了在基于春分点和NRO的坐标转换模型中引入的各种坐标系之间的关系。

导航卫星自主定轨中地球定向参数误差的修正

研究导航卫星自主定轨中地球定向参数误差的修正方法,建立了由于地球定向参数误差所引起的卫星坐标误差的改正公式,提出了两种地球定向参数误差的地面修正方法。试算结果表明:该方法具有很好的精度,足以满足广播星历的要求。

基于IERS 2003规范的坐标系转换实现及其方案应用

主要介绍了IERS2003规范中国际地球参考系(ITRS)到地球质心天球参考系(GCRS)的转换过程,以及与IAU2000决议一致的常规转换公式,并详细分析了以IERS计算程序为工具、“基于CEO”[注]和“基于春分点”的ITRS向GCRS转换的两种等价方案和相应的三种应用方法,最后对新坐标系转换模型的应用进行了探讨。

岁差章动模型更新等因素对坐标转换的影响

GCRS(Geocentric Celestial Reference System,地心天球参考系)与ITRS(International Terrestrial Reference System,国际地球参考系)之间的坐标转换方法与岁差章动模型密切相关,IERS(International Earth Rotation and reference systems Service,国际地球自转与参考系服务)规范先后推荐了3组不同的岁差章动模型。论文分析了基于春分点的坐标转换过程,在比较3组岁差章动模型间差异的基础上,以太阳系10个天体为例,计算了岁差章动模型更新、极移、世界时与地球时差值等因素对坐标转换影响的具体数值。结果表明,IAU 2006岁差-IAU 2000AR06章动与IAU 2000岁差-IAU 2000A章动间的差异,对坐标转换的影响在0.5mas以内;而IAU1976岁差-IERS 1996章动与前2组岁差章动间的差异,对坐标转换影响的最大值达到37mas;极移对坐标转换影响的最大值达到0.6″,远高于岁差章动模型更新所带来的影响;当忽略世界时与地球时的差异时,结果完全错误。通过此分析,明确了极移、世界时与地球时的差异对坐标转换影响的具体数值,可为工程计算中岁差章动模型的选取提供参考依据。

GCRS与ITRS的两种坐标转换模型计算与比较

地心天球参考系(GCRS)与国际地球参考系(ITRS)之间有两种坐标转换模型:基于春分点的岁差章动转换和基于CIO的无旋转原点转换。IERS 2003和2010规范针对这两种转换模型分别推荐了相应的转换参数。以DE421历表中太阳系10个天体为例,计算并分析了两种坐标转换模型之间、以及两个规范之间的差异对于坐标转换的影响。结果表明:对于同一个规范而言,两种坐标转换模型之间的差异对坐标转换的影响在5μas以内;对于同一种坐标转换模型而言,两个规范之间的差异对坐标转换的影响在0.5 mas以内。

岁差章动量的关系与坐标转换方法

国际天文联合会(IAU)2006决议1推荐采用P03岁差模型代替IAU2000A岁差模型,该模型的岁差参数由用户选择。针对这一决议,绘制了表示岁差章动参数之间关系的天极图和分点图,讨论了与目前决议相一致的坐标转换规律,并对岁差章动参数的各种选择方案及其特点进行了详细研究。这不仅为新决议中P03岁差模型的推广应用提供了有力的支持,同时也进一步明确了各种岁差章动参数之间的关系及其在实用中应注意的问题。

地球定向参数高精度预报方法研究

地球自转表征了固体地球与大气、海洋、地幔和地核在各种时空尺度上的耦合过程，地球的自转运动可以用地球定向参数（EOP）（主要包括极移两个分量和日长变化）来描述．EOP是地球参考系和天球参考系之间的转换参数，在深空探测、卫星精密定轨和天文地球动力学研究等领域都有重要应用．由于复杂的数据处理过程，空间大地测量技术获取的EOP存在几天至两个星期的延迟．现代空间导航等对EOP预报值的需求日益增长，使得寻求高精度EOP预报方法成为一项需要深入研究的课题．本文主要从以下几个方面展开，探讨提高EOP预报精度的方法．

天文常数研究的进展——IAU 2009天文常数系统

回顾了1900年以来IAU采用天文常数系统的简况,以及一些天文常数之间的数学关系,并描述了以前每次改变天文常数系统的主要原因。介绍了1991年以来IAU在天文常数方面的工作:包括IAU天文常数工作组和天文常数最佳估计值的情况。叙述了IAU 2009年天文常数系统替代IAU 1976天文常数系统的原因:随着人类对太阳系的探测,获得新的天文常数测定值;1991年以来在相对论框架下BCRS和GCRS的使用;P03岁差模型和MHB2000章动模型的采用。比较了IAU2009和1976天文常数系统的差异。最后介绍中国在天文常数方面工作的情况和今后工作的建议。

依巴谷星(104297)相对于伽里略卫星Callisto的CCD位置测量

１９９７年１１月１４日晚，在中国科学院云南天文台１米望远镜上用新安装的１０２４２ＣＣＤ观测到了木星的两颗伽里略卫星；Ｅｕｒｏｐａ和Ｃａｌｌｉｓｔｏ及一颗依巴谷星（星号为 １０４２９７）．当采用新的 ＪＰＬ ＤＥ４０５和 Ｓａｍｐｓｏｎ－Ｌｉｅｓｋｅ理论（Ｇ５）计算卫星的理论位置并相对于Ｃａｌｌｉｓｔｏ测量恒星位置时，视位置的观测值与计算值之差的平均值在赤经和赤纬方向分别为△α＝－０″０２９±０．″０１２，△δ＝０．″００５± ０．″０１１．这对应于平均观测历元（ＵＴ）：１９９７年１１月１４日１３时４３分５０秒．这一试验结果与 Ｃａｓａｓ等在同一时期内ＣＣＤ观测的结果有着很好的一致性 它反映了依巴谷星表体现的光学参考系与ＤＥ４０５体现的动力学参考系在观测历元具有较好的一致性．单次位置测定的标准误差在赤经赤纬方向分别为±０．″０５２和０．″０４７．这一精度明显优于 Ｃａｓａｓ等人发表的 Ｃａｌｌｉｓｔｏ的处理精度。

中国开展的星表和天文常数研究活动(1990.7～1993.1)

叙述了1990年7月至1993年1月期间中国的星表和天文常数工作。它包括仪器的改进与研制,星表的观测和编算,天文常效、天球参考系的研究,以及其相应的方法与技术.

太阳系质心加速度的确定及其对ICRS的影响

自1998年1月1日开始,国际天球参考系由一组遥远的射电源实现,取代了传统的恒星参考架.河外源的距离在亿光年尺度,实现了在空间固定的天球参考架.光行差效应由观测者的运动引起,与天体的距离无关.由于太阳系质心在空间的运动存在着微小的加速度,该加速度引起长期光行差发生漂移,使得在太阳系质心处观测到的河外射电源的位置有长期的偏折.空间固定的参考架为该观测现象提供了观测资料,进而可以确定太阳系质心在空间的运动加速度.