天球和天球坐标0378.ppt
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1、天文航海,上海海事大学 航海教研室 潘杰,天文航海主要内容,现代航海中,无线电航海技术迅猛发展,海上船位的精度 得到了充分的保证,但是作为船舶航行中原始的定位手段 之一,天文航海有其自身的特点,作为航海人员也应加以 充分掌握和了解。,天文航海主要包括两部分内容:,第一部分是观测天体定位:即船舶在海上航行时,可利用 太阳、行星和恒星等天体测定观测时刻的船位。,第二部分是观测天体求罗经差,即观测天体的罗方位同时 记下观测时间来确定罗经差。,航用天体,天体(Celestial body),是宇宙空间各种天体的统称。,例如恒星(包括太阳)、行星(包括地球)、卫星 (包括月亮)、小行星、彗星、流星等等。
2、,恒星是炽热发光的天体,围绕着恒星运行的天体称为行星, 围绕着行星运行的天体称为卫星。,航海上常用的天体称为航用天体(Navigational celestial body)。,航用天体有太阳、月亮和四大行星(金星、火星、土星和 木星)以及159颗航用恒星。即所谓的日、月、星辰。,航海上经常观测这些天体进行定位和测定罗经差。,天球和天球坐标系,船舶在海上航行时,为了利用太阳、行星和恒星等天体测定 船位,必须了解观测时刻的天体位置和观测所得到的天体与 测者之间的相互位置关系问题。,天球(Celestial Sphere),人们通过一个假想的天球,把天球与地球、天体与测者通过 球面几何关系联系起来
3、。,在实用天文学中,将测者为中心,任意长为半径的空心的 假想球面定义为天球。,根据研究不同对象的需要,可以将球心取在地球中心或太阳 中心。,在航海学中,天球的中心定义在地球中心,因此通常研 究的是地心天球。,天体在天球上的位置,可以 用投影的方法将天体投射在 天球面上。,天球,Z,A,PN,B,b,B,在天文航海中,通常是将地球作为圆球体进行研究的。,o,b是天体B在地球上的投影 点,称为天体的地理位置。 (Geographical position),B是天体B在天球上的位置。,空中每一个天体都可以求得 它在天球上的位置点,以及 与其相对应的地球上的地理 位置点。,天球赤道坐标,与地球上用纬
4、度和经度来确定某点位置相类似,确定天体 在天球上位置的球面坐标系称天球坐标系。 由于天球上采用的原点和基准大圆不同,可采用多种不同的天 球坐标系,在天文航海上常用的是赤道坐标系和地平坐标系。,天球上的基本点、线、圈,天球与地球点、线、圈对应表,PN,PS,Pn,Ps,o,Q,Q,q,q,1天极(Celestial pole),天极是天球赤道坐标系 的基本点,它是地轴PnPs 延伸后与天球所得的交点。,由地理北极Pn方向延长的 交点PN称为北天极;,由地理南极Ps方向延长的 交点PS称为南天极;,天轴(Celestial axis),天轴是两天极的连线PNPS, 它是天球赤道坐标系的基本线 。,
5、天赤道(Celestial equator),PN,PS,Pn,Ps,o,Q,Q,q,q,W,E,天赤道是天球赤道坐标系 的基本圈,它是地球赤道 面与天球相截而成的大圆 QEQW,它是地球赤道 在天球上的投影 。,天轴垂直于天赤道面, 天赤道上任意点至天极 的球面距离都是90。,天赤道面将天球分为 南、北两个半球。,北天半球,南天半球,包含北天极PN的半球称为 北天半球;,包含南天极PS的半球称为 南天半球;,4测者天顶(Zenith)和天底(Nadir),Z,A,o,测者天顶是测者铅垂线AO向上延伸与天球的交点。,Z,测者天底是测者铅垂线向 下延伸与天球的交点。,5天球子午圈 (Celest
6、ial meridian),PN,PS,天球子午圈是通过天极 PN、PS的大圆的统称, 它是地球子午圈在天球 上的投影。 两天极之间包括测者天顶 的半个大圆称为测者午圈; 两天极之间包括测者天底 的半个大圆称为测者子圈;,Q,Q,6格林天顶、格林午圈、格林子圈,Z,Z,PN,PS,Q,Q,o,ZG,g,格林天顶是格林尼治天 文台处测者铅垂线gO向 上延伸与天球的交点G。,两天极之间包括格林天 顶的半个大圆称为格林 午圈,PNZGPS半个大圆。,两天极之间包括格林天 底的半个大圆称为格林 子圈,PNZGPS半个大圆。,ZG,7天体时圈(Hour circle),Z,Z,PN,PS,Q,Q,天体时
7、圈是天球赤道坐标系 的辅助圈,它是包含天体的 半个天球子午圈 。,B,它是通过两天极和天体的 半个大圆,是地球上天体 地理位置经度线在天球上 的投影。,8天体赤纬圈 (Paralled of diclination),赤纬圈也是天球赤道坐标 系的辅助圈,它是与天赤 道平行的球面小圆的统称, 它又称周日平行圈。,天球子午圈和天体时圈都 与天球赤纬圈相互垂直。,第一赤道坐标系,基本圈 相互垂直的天赤道和格林午圈或测 者午圈(可根据不同情况来选择),辅助圈 相互垂直的天体时圈和赤纬圈,位置坐标赤纬和时角,赤纬(Declination,Dec),Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,赤纬是第一赤道坐标系的纵
8、坐标。,天体赤纬是天赤道和天体中 心在天体时圈上所夹的大圆 弧距,自天赤道起,沿天体 时圈向北(天极)或向南 (天极)度量到天体中心, 范围在090之间,并用 (Dec)表示。,天体在北天半球的,其赤纬 命名为北(N); 天体在南天半球的,命名为 南(S)。,如:B天体赤纬= 60 N,2格林时角和地方时角,格林时角(Greenwich hour angle, GHA)是第一赤道坐标系的横坐标。,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,ZG,格林时角是从格林午圈沿天 赤道向西度量到天体时圈的 大圆弧距,它用tG表示, 或用GHA表示。,格林时角也可定义为在天极 处从格林午圈向西度量到天 体时圈的球面角
9、。,格林时角的范围在0360之间。,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,ZG,地方时角(Local hour angle)是测者午圈与天体时圈在天赤道上 夹的大圆弧距,并用t (LHA)表示。,地方时角也可定义为测者午 圈和天体时圈在天极处所形 成的球面角。,地方时角的度量方法有两种:,(1) 圆周法,圆周地方时角是从测者午圈 沿天赤道向西度量到天体时 圈的大圆弧距,范围在 0360之间。 圆周时角又称为西向时角。 由于度量方向是规定向西的, 因此,它无需命名。,如:B天体地方时角t= 120W,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,(2) 半圆法,半圆地方时角是从测者午圈 沿天赤道向东或向西度量到 天
10、体时圈的大圆弧距,范围 在0180之间。,当半圆地方时角是向东度量 时,必须在地方时角后面缀 以“E”字母;当向西度量时, 因与圆周地方时角是一致的, 故也无需命名。 因此,凡是未命名的地方时 角都应视为西向时角。,如:B天体地方时角t= 60 E,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,ZG,根据地方时角(t)和格林时角(tG)的定义和度量方法,不难 看出它们之间存在着如下的关系:,或,其记忆法则可以简单地归纳 为“东大西小”: 即东经的地方时角 t 格林时角tG 西经的地方时角 t格林时角tG,例已知某天体的格林时角tG=29830.0,求经度=12620.0 处,该天体的半圆地方时角t。,解:对
11、于同一天体,东经的地方时角比格林时角大,由小求 大,因此,该天体的地方时角由格林时角加上经度求得。 其计算格式为:,t 29830.0 +) 12620.0 t 42450.0 (超过360,应减去360) 即 6450.0 (仍为西,故无需命名),思考题:已知经度12025.0处某天体的圆周时角 t 6010.0,求该天体的格林时角tG。,天体在天球上的位置除了用 上述的球面坐标赤纬和时角 表示外,还可用球面极坐标 表示。,极距(Polar distance),Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,与测者纬度同名的天极称为 仰极(Elevated pole), 异名的天极称为俯极 (Depress
12、ed pole)。,天球极坐标系的极是仰极, 极轴为格林午圈或测者午圈。 天体的坐标是天体的极距和 格林时角或地方时角。,极距是仰极到天体中心的天 体时圈弧距,用p表示。 它自仰极起,沿天体时圈度 量到天体中心,范围在 0180之间。,极距和赤纬间有关系式:,第二赤道坐标系,基本圈天赤道和春分点时圈 辅助圈天体时圈和赤纬圈 位置坐标赤纬和共轭赤经或赤经,春分点和秋分点,第二赤道坐标系与第一赤道坐标系是所取的纵坐标轴不同, 因此第二赤道坐标系的纵坐标也是赤纬。它的横坐标是从 春分点时圈起算的,称为共轭赤经和赤经。,地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆称黄道。,黄道和天赤道相交两点分别称春分点
13、 (vernal equinox) 和秋分点 (autumnal equinox)。,PN,PS,Q,Q,春分点是天球坐标系的一个原点, 它位于天赤道上。,春分点时圈 (hour circle of vernal equinox),过两天极和春分点的半个大圆 PNPS称春分点时圈。,共轭赤经(Sidereal hour angle,S.H.A.),是从春分点起,沿着天赤道 向西度量到天体时圈的大圆 弧距,范围在0360之间, 并用表示。 因为只向西度量,故不需命 名。如图所示,天体B的共 轭赤经=M。,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,M,赤经(Right ascension),是从春分点起,沿
14、天赤道 向东度量到天体时圈的大 圆弧距,范围在0360 之间,并用表示。 因为只向东度量,也无需命名。 天体B的赤经= QQM。,K,同一天体的共轭赤经和赤经度量的起点和终点是相同的,只是度量方向相反,因此两者间的关系是共轭的。即 360,天体的格林时角和共轭赤经都是沿天赤道度量的横坐标,只是 它们有各自的起算点。 因此,两者间一定可以找出相互换算的关系。,式中弧距M是从春分点起,沿天赤道向西度量到天体B的时圈的弧距。根据定义,它是天体B的共轭赤经。弧距K则是从格林午圈起,沿天赤道向西度量到春分点时圈的弧距。若将春分点也看作一个天体,那么,根据定义它是春分点的格林时角t。于是,得关系式: tG
15、 tGr,不难看出,只要将春分点的地方时角t r代替式中的春分点格林时角tGr ,就可求得天体的地方时角t。即 t t r,ZG,PN,B,天赤道面平面图,例已知某天体的格林时角tG29830.0,求经度=12620.0处,该天体的半圆地方时角t。,Z,t 29830.0 +) 12620.0 t 42450.0 (超过360,应减去360) 即 6450.0 (仍为西,故无需命名),t,t,基本圈测者真地平圈和测者子午圈 辅助圈天体垂直圈和天体高度圈 位置坐标天体的高度和方位,地平坐标系,(Celestial horizon coordinate system),地平坐标系的基本点、线、圈和
16、辅助圈,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,1天球地平坐标系的基本点和基本线,天顶(Z)和天底(Z)是天球 地平坐标系的基本点。,测者天顶和天底的连线ZZ 即测者的铅垂线是天球地平 坐标系的基本线,2天球地平坐标系的基本圈,测者真地平圈是天球地平坐标 系的基本圈,它是通过地心与 测者铅垂线垂直的平面与天球 相交的大圆,如图中的大圆NESW。,N,S,E,W,测者真地平圈又称为地心真地平。显然,它与测者地面真地平 是相互平行的,它们都与测者天顶、天底的连线是垂直的。,Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,N,S,E,W,天顶和天底是测者真地平圈 的极,因此,测者真地平圈 上任意点到天顶或天底的球 面距离等
17、于90。,天球上的方向是在测者真 地平圈上划分的。测者子 午圈与真地平圈的交线称 为南北线N-S,其中靠近 北天极的交点N称为北点 (North point),靠近南 天极的交点S称为南点。 天赤道与真地平圈的交线 称为东西线E-W,测者面 北背南,右侧的交点E称为 东点,左侧的交点W称为西点。 北、东、南、西四个点是确定天体方位的基点。,(Celestial horizon),Z,Z,PN,PS,Q,Q,B,N,S,E,W,测者子午圈也是天球地平坐标系的基本圈。,我们已经知道测者子午圈 把天球等分为东、西两个 半球。显然,东天半球实 际上是包含东点E的半球; 西天半球是包含西点W的 半球。测
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