Инерциальная система с центром на Земле

Геоцентрические инерциальные ( ECI ) системы координат берут начало в центре масс Земли и неподвижны относительно звезд. ^[1] «I» в «ECI» означает инерциальный (т. е. «не ускоряющийся »), в отличие от «геоцентрических – неподвижных на Земле» ( ECEF ) систем, которые остаются неподвижными относительно поверхности Земли при ее вращении , а затем вращаются относительно звезд.

Для объектов в космосе уравнения движения , описывающие орбитальное движение , проще в невращающейся системе отсчета, такой как ECI. Система ECI также полезна для указания направления на небесные объекты :

Для представления положений и скоростей наземных объектов удобно использовать координаты ECEF или широту , долготу и высоту .

В двух словах:

ECI: инерциальный , не вращающийся относительно звезд; полезен для описания движения небесных тел и космических аппаратов.
ECEF: неинерциальный , ускоренный , вращающийся относительно звезд; полезен для описания движения объектов на поверхности Земли.

Степень, в которой система ECI фактически инерциальна, ограничена неоднородностью окружающего гравитационного поля . Например, гравитационное влияние Луны на спутник, находящийся на высокой околоземной орбите, существенно отличается от ее влияния на Землю, поэтому наблюдатели в системе ECI должны будут учитывать эту разницу ускорений в своих законах движения. Чем ближе наблюдаемый объект к началу ECI, тем менее значительным является эффект гравитационного неравенства. ^[2]

Определения систем координат

Ориентацию системы ECI удобно определять с помощью плоскости орбиты Земли и ориентации оси вращения Земли в пространстве. ^[3] Плоскость орбиты Земли называется эклиптикой , и она не совпадает с экваториальной плоскостью Земли. Угол между экваториальной плоскостью Земли и эклиптикой, ε , называется наклоном эклиптики и ε ≈ 23,4°.

Равноденствие происходит, когда Земля находится в таком положении на своей орбите, что вектор от Земли к Солнцу указывает на место пересечения эклиптики с небесным экватором. Равноденствие, которое происходит около первого дня весны (по отношению к Северному полушарию), называется весенним равноденствием . Весеннее равноденствие можно использовать в качестве главного направления для кадров ECI. ^[4] Солнце находится в направлении весеннего равноденствия около 21 марта. Фундаментальной плоскостью для кадров ECI обычно является либо экваториальная плоскость, либо эклиптика.

Местоположение объекта в пространстве можно определить в терминах прямого восхождения и склонения , которые измеряются от точки весеннего равноденствия и небесного экватора . Прямое восхождение и склонение — сферические координаты, аналогичные долготе и широте соответственно. Местоположение объектов в пространстве также можно представить с помощью декартовых координат в системе координат ECI.

Гравитационное притяжение Солнца и Луны на экваториальном выступе Земли заставляет ось вращения Земли прецессировать в пространстве, подобно действию волчка. Это называется прецессией . Нутация — это колебание с меньшей амплитудой и коротким периодом (<18,6 лет), которое накладывается на прецессионное движение небесного полюса . Оно происходит из-за колебаний с более коротким периодом в силе крутящего момента, оказываемого на экваториальный выступ Земли Солнцем, Луной и планетами. Когда краткосрочные периодические колебания этого движения усредняются, они считаются «средними», а не «истинными» значениями. Таким образом, весеннее равноденствие, экваториальная плоскость Земли и плоскость эклиптики изменяются в зависимости от даты и указаны для конкретной эпохи . Модели, представляющие постоянно меняющуюся ориентацию Земли в пространстве, доступны в Международной службе вращения Земли и систем отсчета .

Вот несколько примеров:

J2000: Одна из наиболее часто используемых систем координат ECI определяется средним экватором Земли и средним равноденствием (MEME) в 12:00 по земному времени 1 января 2000 года. Она может обозначаться как J2K , J2000 или EME2000. Ось x совпадает со средним весенним равноденствием. Ось z совпадает с осью вращения Земли (или, что эквивалентно, с небесным Северным полюсом ), как это было в то время. Ось y повернута на 90° к востоку вокруг небесного экватора. ^[5]
M50: Эта система отсчета похожа на J2000, но определяется средним экватором и равноденствием в начале бесселевского года 1950, что равно B1950.0 = JDE 2433282.423357 = 1950 Январь 0.9235 TT = 1949 Декабрь 31 22:09:50.4 TT. ^[6]
GCRF: Геоцентрическая небесная система отсчета — это геоцентрический аналог Международной небесной системы отсчета .
MOD: средний по дате фрейм (MOD) определяется с использованием среднего экватора и равноденствия на определенную дату.
TEME: система координат ECI, используемая для двухлинейных элементов NORAD , иногда называется истинным экватором, средним равноденствием (TEME), хотя она не использует обычное среднее равноденствие.

Пример геоцентрической системы отсчета

Земля · ИРНСС-1Б · ИРНСС-1С · ИРНСС-1Е · ИРНСС-1Ф · ИРНСС-1Г · ИРНСС-1И

Смотрите также

Ссылки

^ Эшби, Нил (2004). "Эффект Саньяка в системе глобального позиционирования". В Гвидо Рицци, Маттео Лука Руджеро (ред.). Относительность во вращающихся системах отсчета: релятивистская физика во вращающихся системах отсчета . Springer. стр. 11. ISBN 1-4020-1805-3.
^ Tapley, Byron D; Schutz, Bob E; Born, George H (2004). Статистическое определение орбиты. Elsevier Academic Press. С. 61–63. ISBN 978-0-12-683630-1.
^ Дэвид А. Вальядо и Уэйн Д. МакКлейн, «Основы астродинамики и их применение», 3-е изд. Microcosm Press, 2007, стр. 153–162.
^ Роджер Б. Бейт, Дональд Д. Мюллер, Джерри Э. Уайт, «Основы астродинамики», Довер, 1971, Нью-Йорк, стр. 53–57.
^ Тэпли, Шутц и Борн, «Статистическое определение орбиты», Elsevier Academic Press, 2004, стр. 29–32.
↑ Дэвид Г. Эдвардс, «Справочник по процедурам полета с определением положения и направления», Версия A, январь 1985 г., документ НАСА JSC-10511, стр. 1–10.