在人类的发展历史上，以地球运动为基础而建立的各种时间和空间上的参考系统发挥了重要作用。实际应用中，以地球自转运动为基础建立起来的恒星时和世界时，以地球公转运动为基础建立起来的历书时等都为研究地球的运动提供了重要的参考基准。

地球自转的变化主要体现在三个方面：①地球自转轴方向相对于空间的变化。地球的自转轴相对于远处的恒星并不是固定不变的，由于受到太阳、月球等天体吸引力的影响，其自转轴的运动类似于一个巨大的陀螺，旋转周期约为25 800年（称为岁差，常用表示）；另一方面，由于月球让地球旋转使得月球引力的大小和方向不断变化，从而导致地球旋转轴在岁差的基础上还产生一周期为18.6年的短期圆周运动（称为章动，常用表示），见图1。②地球自转轴相对于地球本体内部结构的相对位置变化。此变化导致极点在地球表面上的位置随时间而变化，此现象称为地极运动，简称为极移，见图2。③地球自转速度变化。地球自转不是均匀的，短周期变化受潮汐影响，表现为视扰动，长期变化表现为地球自转速度的缓慢变小，这种现象称为日长变化，见图3。

地球本体通过地球质心旋转轴自西向东旋转，单位时间内绕过的角度，称为地球自转角速度，常用表示，大小约为：角度，即：弧度。

地球自转轴与地球表面的交点称为地极，故又称“地球两极”和“南北极”。它们是地理坐标系的极点和地面上正南、正北的标志。南极位于南极大陆，北极位于北冰洋。它们是地球上南方和北方的终极。在南极四面皆北；在北极四面皆南。地球瞬时自转轴与地球表面的交点称为瞬时极。

由于地球表面上的物质运动（如海潮、洋流等）和地球内部的物质运动（如地幔对流等），地球自转轴将通过地球质心在顶角约为的圆锥面上运动，会使极点的位置产生变化，这种现象称为极移。极移主要包括两种：周期为12个月的周年受迫摆动和周期为14个月的钱德勒自由摆动，一般有平均极移和瞬时极移两种方式表示。瞬时极移是以地极坐标（）来表示的，该坐标系的原点为国际协议原点，X轴为起始子午线，Y轴为的子午线。某段时间内地极的平均位置称为平极。由几个纬度观测台站的固定平纬所确定的平均地极称为固定平极，例如国际协议原点。由一个或几个观测台站的历元平纬所确定的平均地极称为历元平极。

以通过极移轨迹中心与地球表面相切的平面来表示地极的瞬时位置的坐标系统，称为地极坐标系统。相应的切点为坐标系的原点，以通过原点指向格林威治子午线的方向为X轴的正向，指向格林威治以西90°的子午线的方向为Y轴的正向。

图1 岁差与章动图示

图2 地极运动

图3 日长变化

对于极移的研究已有200多年的历史，1758年理论研究得到地球存在极移，并得到其周期为305天，但受当时的天体测量观测精度的影响，他并没有得到实际观测结果的支持。1844年，俄国普尔科沃天文台首先发现纬度观测结果存在周期变化，40年后，柏林天文台发现1884～1886年的纬度观测资料存在同样的现象。1891～1892年，经过柏林、布拉格、檀香山三地的国际纬度联测数据结果证实纬度变化起因于极移，至此极移现象才被实测数据所验证。大量研究表明，极移运动的主要分量有：线性长期趋势变化、长周期变化、钱德勒摆动、季节性摆动和高频极移变化。极移主要是由固体地球（地壳和地幔）的形变及地球流体层（大气和海洋）与固体地球间的角动量交换造成的，因而极移主要的激发源就是地球上物质分布的变化。对于日长变化的研究也已有100多年的历史，上古时期人们所熟知的最精准的时钟就是地球自转，所以不可能检测到地球自转速率的变化。而一个多世纪以前，人们通过对月球运动的观测，首次发现地球自转速率是不稳定的，它随着时间的推移而不断发生变化。随着天体力学的发展，人们将月球或其他行星作为时钟成为可能，也就逐渐的发现地球自转在百年至十年尺度的变化。量子力学的发展为人们提供了更短周期的振荡系统，进而也使人们发现了地球自转速率的季节性、亚季节性变化。现代测量研究发现，UT1-UTC/LOD大致可分为长期缓慢变化、长周期变化、10年尺度不规则变化以及短期变化。

地球自转参数的测定方法有传统方法和现代测量方法两种。传统的测量方法主要是利用光学仪器进行观测。自19世纪以来已为人们提供了大量的光学观测资料，为研究地球自转提供了很好的基础，但其观测精度低且容易受外界因素影响，故对现代高精度导航要求用处不大。20世纪60年代以来，随着现代空间大地测量观测手段：甚长基线干涉测量（VLBI）、激光测卫（SLR）、全球定位系统（GPS）的快速发展，地球自转参数的观测精度也大大提高。不同阶段的地球自转参数的观测精度见表。

地球自转参数的传统观测方法是经典光学测量，精确确定恒星连续两次上中天的时间间隔，也就确定了相对于某一时间标准的日长（LOD）。也就是说日长的量度包括恒星中天的天文观测和时间标准的建立。因需要观测大量的恒星，所以经典光学观测是数日之后地球自转比参考时间标准的超前或滞后的累积量。根据地球自转确定的时间称为世界时（UT）。而极移的经典光学观测是通过测定恒星的位置来进行纬度观测，进一步确定极移的变化量。经典光学技术的主要测量仪器有：天顶仪、等高仪和照相天顶筒。由于仪器结构和观测条件的限制，他们的测量精度很难进一步提高，这也就决定了传统的方法有很大的缺陷。但是他们为人类提供了宝贵的光学观测资料，是人们研究地球自转的初步手段，因此意义非凡。

现代空间测量技术测定地球自转参数的方法可分为两种：①几何学测量，这种技术的主要代表是甚长基线干涉测量（VLBI）。②动力学测量，它的主要代表是激光测卫（SLR）、全球定位系统（GPS）和人卫多普勒跟踪（DORIS）。

VLBI是20世纪60年代发展起来的一门新兴测量技术，属于射电天文学领域。今天VLBI已经发展成为精度最高的空间测量技术，其在大地测量学、空间技术、地球物理及天文学领域得到广泛的应用。VLBI是建立准惯性参考系和全球地球参考框架、测定地球定向参数、监测板块运动及区域性地壳形变的一种强有力的基本手段。VLBI仍是唯一能够同时提供天球参考框架（CRF）和地球参考框架（TRF）以及地球定向参数（EOP）的空间技术。同时，VLBI获取的地球定向参数不仅精度高而且稳定性好。现在VLBI测定极移的精度为0.1毫角秒，测定UT1的精度为0.05毫秒。