Система определения положения небесных объектов
В астрономии системы координат используются для указания положений небесных объектов ( спутников , планет , звезд , галактик и т. д.) относительно заданной системы отсчета на основе физических точек отсчета, доступных наблюдателю (например, истинный горизонт и север для наблюдателя на поверхности Земли). [ 1] Системы координат в астрономии могут указывать относительное положение объекта в трехмерном пространстве или отображать его только по его направлению на небесной сфере , если расстояние до объекта неизвестно или тривиально.
Сферические координаты , спроецированные на небесную сферу, аналогичны географической системе координат , используемой на поверхности Земли . Они отличаются выбором фундаментальной плоскости , которая делит небесную сферу на два равных полушария вдоль большого круга . Прямоугольные координаты , в соответствующих единицах , имеют ту же фундаментальную ( x, y ) плоскость и основное ( x -ось) направление , например, ось вращения . Каждая система координат названа в честь выбора фундаментальной плоскости.
Системы координат
В следующей таблице перечислены общие системы координат, используемые астрономическим сообществом. Фундаментальная плоскость делит небесную сферу на два равных полушария и определяет базовую линию для широтных координат, аналогично экватору в географической системе координат . Полюса расположены на ±90° от фундаментальной плоскости. Первичное направление является начальной точкой долготных координат. Началом является точка нулевого расстояния, «центр небесной сферы», хотя определение небесной сферы неоднозначно относительно определения ее центральной точки.
Горизонтальная система
Горизонтальная , или высотно-азимутальная , система основана на положении наблюдателя на Земле, который вращается вокруг своей оси один раз за звездные сутки (23 часа, 56 минут и 4,091 секунды) по отношению к звездному фону. Позиционирование небесного объекта горизонтальной системой меняется со временем, но является полезной системой координат для обнаружения и отслеживания объектов для наблюдателей на Земле. Она основана на положении звезд относительно идеального горизонта наблюдателя.
Экваториальная система
Экваториальная система координат центрирована в центре Земли, но фиксирована относительно небесных полюсов и мартовского равноденствия . Координаты основаны на расположении звезд относительно экватора Земли, если бы он был спроецирован на бесконечное расстояние. Экваториальная система описывает небо, как оно видно из Солнечной системы , и современные карты звездного неба почти исключительно используют экваториальные координаты.
Экваториальная система является обычной системой координат для большинства профессиональных и многих любителей астрономии, имеющих экваториальную монтировку, которая отслеживает движение неба в течение ночи. Небесные объекты обнаруживаются путем регулировки шкал телескопа или другого инструмента таким образом, чтобы они соответствовали экваториальным координатам выбранного для наблюдения объекта .
Популярными вариантами полюса и экватора являются старая система B1950 и современная система J2000 , но также можно использовать полюс и экватор "даты", то есть соответствующий рассматриваемой дате, например, когда производится измерение положения планеты или космического корабля. Существуют также подразделения на координаты "среднего значения даты", которые усредняют или игнорируют нутацию , и "истинного значения даты", которые включают нутацию.
Эклиптическая система
Фундаментальная плоскость — это плоскость орбиты Земли, называемая плоскостью эклиптики. Существует два основных варианта эклиптической системы координат: геоцентрические эклиптические координаты с центром на Земле и гелиоцентрические эклиптические координаты с центром в центре масс Солнечной системы.
Геоцентрическая эклиптическая система была основной системой координат для древней астрономии и до сих пор полезна для вычисления видимых движений Солнца, Луны и планет. [ 3] Например, она использовалась для определения двенадцати астрологических знаков зодиака .
Гелиоцентрическая эклиптическая система описывает орбитальное движение планет вокруг Солнца и центрируется на барицентре Солнечной системы (т.е. очень близко к центру Солнца). Система в основном используется для вычисления положений планет и других тел Солнечной системы, а также для определения их орбитальных элементов .
Галактическая система
Галактическая система координат использует приблизительную плоскость Галактики Млечный Путь в качестве своей фундаментальной плоскости. Солнечная система по-прежнему является центром системы координат, а нулевая точка определяется как направление к Галактическому центру . Галактическая широта напоминает высоту над галактической плоскостью, а галактическая долгота определяет направление относительно центра галактики.
Сверхгалактическая система
Сверхгалактическая система координат соответствует фундаментальной плоскости, которая содержит большее, чем среднее количество местных галактик на небе, наблюдаемом с Земли.
Преобразование координат
Приведены преобразования между различными системами координат. [4] Перед использованием этих уравнений ознакомьтесь с примечаниями.
Обозначение
- Горизонтальные координаты
- Экваториальные координаты
- Эклиптические координаты
- Галактические координаты
- Разнообразный
Часовой угол ↔ прямое восхождение
Экваториальный ↔ эклиптический
Классические уравнения, полученные из сферической тригонометрии , для продольной координаты представлены справа от скобок; деление первого уравнения на второе дает удобное уравнение касательной, показанное слева. [5] Эквивалент матрицы вращения приведен под каждым случаем. [6] Это деление неоднозначно, поскольку tan имеет период 180° ( π ), тогда как cos и sin имеют периоды 360° (2π ) .
Экваториальный ↔ горизонтальный
Азимут ( A ) измеряется от точки юга, поворачивая на запад. [7]
Зенитное расстояние, угловое расстояние по большому кругу от зенита до небесного объекта, является просто дополнительным углом высоты: 90° − a . [8]
При решении уравнения tan( A ) для A , чтобы избежать неоднозначности арктангенса , рекомендуется использовать двухаргументный арктангенс , обозначаемый arctan( x , y ) . Двухаргументный арктангенс вычисляет арктангенс у/х , и учитывает квадрант, в котором он вычисляется. Таким образом, в соответствии с соглашением об азимуте, измеряемом с юга и открывающемся положительно на запад,
- ,
где
- .
Если приведенная выше формула дает отрицательное значение для A , его можно сделать положительным, просто прибавив 360°.
- [а]
Опять же, при решении уравнения tan( h ) для h рекомендуется использовать двухаргументный арктангенс, который учитывает квадрант. Таким образом, снова в соответствии с соглашением об азимуте, измеряемом с юга и открывающемся положительно на запад,
- ,
где
Экваториальный ↔ галактический
Эти уравнения [14] предназначены для преобразования экваториальных координат в галактические координаты.
- run_going
являются экваториальными координатами Северного галактического полюса, а является галактической долготой Северного небесного полюса. Относительно J2000.0 значения этих величин следующие:
Если экваториальные координаты относятся к другому равноденствию , то перед применением этих формул их необходимо прецессировать на место в J2000.0.
Эти уравнения преобразуются в экваториальные координаты, относящиеся к B2000.0 .
- >пропускной_канал>11.3
Заметки о конверсии
- Углы в градусах ( ° ), минутах ( ′ ) и секундах ( ″ ) шестидесятеричной меры должны быть преобразованы в десятичные перед выполнением вычислений. Преобразуются ли они в десятичные градусы или радианы, зависит от конкретной вычислительной машины или программы. С отрицательными углами следует обращаться осторожно; –10° 20′ 30″ должны быть преобразованы как −10° −20′ −30″ .
- Углы в часах ( ч ), минутах ( м ) и секундах ( с ) измерения времени должны быть преобразованы в десятичные градусы или радианы перед выполнением вычислений. 1 ч = 15°; 1 м = 15′; 1 с = 15″
- Углы больше 360° (2π ) или меньше 0° может потребоваться уменьшить до диапазона 0°−360° (0–2π ) в зависимости от конкретной вычислительной машины или программы.
- Косинус широты (склонение, эклиптическая и галактическая широта, а также высота) по определению никогда не бывает отрицательным, поскольку широта изменяется в пределах от −90° до +90°.
- Обратные тригонометрические функции арксинус, арккосинус и арктангенс являются квадрантно -неоднозначными, и результаты должны быть тщательно оценены. Использование второй функции арктангенса (обозначаемой в вычислениях как atn2( y , x ) или atan2( y , x ) , которая вычисляет арктангенс у/х использование знака обоих аргументов для определения правого квадранта) рекомендуется при расчете долготы/прямого восхождения/азимута. Уравнение, которое находит синус , за которым следует функция арксинуса , рекомендуется при расчете широты/склонения/высоты.
- Азимут ( A ) здесь относится к южной точке горизонта , общепринятому астрономическому исчислению. Объект на меридиане к югу от наблюдателя имеет A = h = 0° при таком использовании. Однако в AltAz Astropy, в соглашении о файлах FITS Большого бинокулярного телескопа , в XEphem , в библиотеке IAU Standards of Fundamental Astronomy и разделе B Astronomical Almanac , например, азимут — это к востоку от севера. В навигации и некоторых других дисциплинах азимут вычисляется от севера.
- Уравнения для высоты ( а ) не учитывают атмосферную рефракцию .
- Уравнения для горизонтальных координат не учитывают суточный параллакс , то есть небольшое смещение положения небесного объекта, вызванное положением наблюдателя на поверхности Земли . Этот эффект существенен для Луны , менее существенен для планет , незначителен для звезд или более удаленных объектов.
- Долгота наблюдателя ( λ o ) здесь измеряется в положительном направлении на запад от нулевого меридиана ; это противоречит действующим стандартам МАС .
Смотрите также
Примечания
- ^ В зависимости от используемого соглашения об азимуте знаки cos A и sin A появляются во всех четырех различных комбинациях. Карттунен и др., [9] , Тафф [10] и Рот [11] определяют A по часовой стрелке с юга. Лэнг [12] определяет его с севера на восток, Смарт [13] с севера на запад. Миус (1991), [4] стр. 89: sin δ = sin φ sin a − cos φ cos a cos A ; Пояснительное приложение (1961), [5] стр. 26: sin δ = sin a sin φ + cos a cos A cos φ .
Ссылки
- ^ Канас, Ник (2021). «Карты звезд и солнечной системы: история небесной картографии». Научные заметки AAS . 5 (4). Американское астрономическое общество : 69. Bibcode : 2021RNAAS...5...69K. doi : 10.3847/2515-5172/abf35c . S2CID 233522547.
- ^ Маевски, Стив. «Системы координат». Кафедра астрономии UVa. Архивировано из оригинала 12 марта 2016 года . Получено 19 марта 2011 года .
- ^ Аабо, Асгер . 2001 Эпизоды из ранней истории астрономии. Нью-Йорк: Springer-Verlag., стр. 17–19.
- ^ аб Меус, Жан (1991). Астрономические алгоритмы . Willmann-Bell, Inc., Ричмонд, Вирджиния. ISBN 0-943396-35-2., гл. 12
- ^ ab Военно-морская обсерватория США, Управление морского альманаха; Управление морского альманаха Ее Величества (1961). Пояснительное дополнение к Астрономическим эфемеридам и Американскому эфемеридному и морскому альманаху . Канцелярия Ее Величества, Лондон., сек. 2А
- ^ Военно-морская обсерватория США, Морской альманах (1992). П. Кеннет Зайдельман (ред.). Пояснительное приложение к Астрономическому альманаху . University Science Books, Mill Valley, CA. ISBN 0-935702-68-7., раздел 11.43
- ^ Монтенбрюк, Оливер; Пфлегер, Томас (2000). Астрономия на персональном компьютере . Шпрингер-Верлаг Берлин Гейдельберг. ISBN 978-3-540-67221-0., стр. 35-37
- ^ Военно-морская обсерватория США, Морской альманах; Гидрографическое управление Великобритании, HM Nautical Almanac Office (2008). Астрономический альманах за 2010 год . Типография правительства США. стр. M18. ISBN 978-0160820083.
- ^ Карттунен, Х.; Крегер, П.; Оджа, Х.; Путанен, М.; Доннер, HJ (2006). Фундаментальная астрономия (5-е изд.). Спрингер. Бибкод : 2003fuas.book.....K. ISBN 978-3-540-34143-7.
- ^ Тафф, LG (1981). Вычислительная сферическая астрономия . Wiley. Bibcode :1981csa..book.....T. ISBN 0-471-06257-X.
- ↑ Рот, Джорджия (23 октября 1989 г.). Handbuch für Sternenfreunde . Спрингер. ISBN 3-540-19436-3.
- ^ Лэнг, Кеннет Р. (1978). Астрофизические формулы . Springer. Bibcode :1978afcp.book.....L. ISBN 3-540-09064-9.
- ^ Смарт, Уильям Маршалл (1949). Учебник по сферической астрономии . Cambridge University Press . Bibcode :1965tbsa.book.....S.
- ^ Полески, Радослав (2013). «Трансформация экваториального собственного движения в галактическую систему». arXiv : 1306.2945 [astro-ph.IM].
Внешние ссылки
На Викискладе есть медиафайлы по теме «Астрономические системы координат» .
- NOVAS — программное обеспечение векторной астрометрии Военно-морской обсерватории США , интегрированный пакет подпрограмм и функций для вычисления различных часто используемых величин в позиционной астрономии.
- SuperNOVAS — поддерживаемая версия NOVAS C 3.1 с исправлениями ошибок, улучшениями, новыми функциями и онлайн-документацией.
- SOFA, Стандарты фундаментальной астрономии МАС , доступный и авторитетный набор алгоритмов и процедур, реализующих стандартные модели, используемые в фундаментальной астрономии.
- Первоначально эта статья была основана на Astroinfo Джейсона Харриса , который сопровождается KStars , KDE Desktop Planetarium для Linux / KDE .