Астрометрия и геодезическая астрономия (стр. 1 )

АСТРОМЕТРИЯ

И ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ

Новосибирск

СГГА

2010

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО “Сибирская государственная геодезическая академия”

АСТРОМЕТРИЯ

И ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ

Учебное пособие

по дисциплинам “Астрометрия”,

“Геодезическая астрономия с элементами астрометрии” для студентов,

обучающихся по направлению подготовки 120100”Геодезия”

Новосибирск

СГГА

2010

УДК 528.28

Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент кафедры астрономии и гравиметрии

Сибирской государственной геодезической академии

Кандидат технических наук, начальник сектора траекторных измерений

Сибирского научно-исследовательского института метрологии

Гиенко, Е. Г.

Астрометрия и геодезическая астрономия: учеб. пособие/ .- Новосибирск: СГГА, 20с.

Учебное пособие подготовлено кандидатом технических наук, доцентом на кафедре астрономии и гравиметрии Сибирской государственной геодезической академии, в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и программой курса “Астрометрия”, “Геодезическая астрономия с основами астрометрии” для направления подготовки дипломированных специалистов 120100 “Геодезия”.

Учебное пособие содержит теоретические понятия, положения и выводы, составляющие математический аппарат для решения задач астрометрии и геодезической астрономии. Описаны современные методы решения задач астрометрии: определение систем координат и времени, а также установление системы фундаментальных астрономических постоянных.

Учебное пособие одобрено кафедрой астрономии и гравиметрии и рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией Института геодезии и менеджмента Сибирской государственной геодезической академии.

Печатается по решению

редакционно-издательского совета СГГА

УДК 528.28

геодезическая академия “, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	5
1. СФЕРИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ………………………………………….	7
1.1. Системы координат в астрономии и связь между ними………………...	7
1.1.1. Вспомогательная небесная сфера……………………………………	7
1.1.2. Системы координат на небесной сфере …………………………….	10
1.1.3. Географические координаты точек на поверхности Земли………..	14
1.1.4. Связь между различными системами координат…………………...	15
1.1.5. Видимое суточное вращение небесной сферы……………………...	18
1.1.6. Составление эфемерид светил. Эфемерида Полярной звезды……	22
1.2. Измерение времени в астрономии………………………………………..	24
1.2.1. Общие положения…………………………………………………….	24
1.2.2. Звездное время………………………………………………………..	24
1.2.3. Истинное и среднее солнечное время. Уравнение времени……….	25
1.2.4. Юлианские дни ………………………………………………………	27
1.2.5. Местное время на разных меридианах. Всемирное, поясное и декретное время……………………………..	28
1.2.6. Связь между средним солнечным и звездным временем ………….	29
1.2.7. Неравномерность вращения Земли…………………………………..	32
1.2.8. Эфемеридное время ………………………………………………..	33
1.2.9. Атомное время ………………………………………………………..	33
1.2.10. Динамическое и координатное время……………………………	34
1.2.11. Системы Всемирного времени. Всемирное координированное время………………………………………………………………….	34
1.2.12. Время спутниковых навигационных систем…………………….	35
1.3. Астрономические факторы……………………………………………….	37
1.3.1. Общие положения……………………………………………………	37
1.3.2. Астрономическая рефракция…………………………………………	37
1.3.3. Параллакс………………………………………………………………	39
1.3.4. Аберрация……………………………………………………………..	42
1.3.5. Собственное движение звезд…………………………………………	46
1.3.6. Гравитационное отклонение света…………………………………...	47
1.3.7.Движение земных полюсов……………………………………………	48
1.3.8. Изменение положения оси мира в пространстве. Прецессия………	50
1.3.9. Изменение положения оси мира в пространстве. Нутация………...	53
1.3.10. Совместный учет редукций…………………………………………	56
1.3.11. Вычисление видимых мест звезд…………………………………...	58
2. ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ……………………………………….	61
2.1 Предмет и задачи геодезической астрономии…………………………..	61
2.1.1 Использование астрономических данных при решении задач геодезии…………………………………………………………	61
2.1.2. Астрономо-геодезические уклонения отвесной линии и уравнение Лапласа…………………………………………………	62
2.1.3. Современные задачи и перспективы развития геодезической астрономии…………………………………………..	65
2.2. Теория методов геодезической астрономии…………………………….	66
2.2.1. Общие принципы определения географических координат и азимутов направлений из наблюдений светил……………………	66
2.2.2. Выгоднейшие условия определения времени и широты в зенитальных способах астрономических определений…………...	68
2.2.3. Выгоднейшие условия определения азимута, времени и широты в азимутальных способах астрономических определений ………..	69
2.3. Приборное обеспечение в геодезической астрономии………………..	70
2.3.1. Особенности приборного обеспечения в геодезической астрономии……………………………………………………………	70
2.3.2. Астрономические теодолиты………………………………………..	71
2.3.3. Приборы для измерения и регистрации времени…………………..	72
2.4. Особенности наблюдения светил в геодезической астрономии. Редукции астрономических наблюдений………………………………...	73
2.4.1. Методы визирования светил………………………………………….	73
2.4.2. Поправки в измеренные зенитные расстояния……………………	73
2.4.3. Поправки в измеренные горизонтальные направления………..	75
2.5. Понятие о точных способах астрономических определений……….	79
2.5.1.Определение широты по измеренным малым разностям зенитных расстояний пар звезд в меридиане (способ Талькотта)….	79
2.5.2. Способы определения широты и долготы из наблюдений звезд на равных высотах (способы равных высот)………………………...	80
2.5.3. Определение астрономического азимута направления на земной предмет по наблюдениям Полярной…………………………………	82
2.6. Приближенные способы астрономических определений……….	83
2.6.1. Приближенные определения азимута земного предмета по наблюдениям Полярной……………………………………	83
2.6.2. Приближенные определения широты по наблюдениям Полярной……………………………………	84
2.6.3. Приближенные определения долготы и азимута по измеренным зенитным расстояниям Солнца……………	85
2.6.4. Приближенные определения широты по измеренным зенитным расстояниям Солнца…………………….	86
2.6.5. Определение дирекционного угла направления на земной предмет по наблюдениям светил…………………………………….	87
2.7. Авиационная и мореходная астрономия……………………………	88
2.7.1. Определение долготы и широты по высотам светил в произвольных азимутах…………………………………….	88
2.7.2. Элементы авиационной астрономии. Авиасекстант……………	91
3. АСТРОМЕТРИЯ……………………………………………………………..	94
3.1. Задачи астрометрии и методы их решения………………………………	94
3.1.1. Предмет и задачи астрометрии………………………………………	94
3. 1.2. Обзор методов астрометрии………………………………………...	95
3.1.3. Современное состояние и перспективы развития астрометрии……	98
3.2. Инструменты фундаментальной астрометрии…………………………..	99
3.2.1. Требования к инструментам фундаментальной астрометрии……...	99
3.2.2. Классические астрооптические инструменты……………………..	100
3.2.3. Современные астрономические инструменты………………………	104
3.3. Создание фундаментальной и инерциальной систем координат……….	108
3.3.1. Общие положения…………………………………………………….	108
3.3.2. Теоретические основы определения координат звезд и их изменений……………………………………………………….	109
3.3.3. Построение фундаментальной системы координат…………	115
3.3.4. Построение инерциальной системы координат……………………..	118
3.4. Установление систем измерения времени и определение параметров ориентации Земли…………………………………………...	124
3.4.1. Установление шкалы точного времени……………………………...	124
3.4.2. Определение параметров ориентации Земли……………………….	126
3.4.3. Организация службы времени, частоты и определения параметров ориентации Земли………………………..	129
3.5. Фундаментальные астрономические постоянные……………………….	131
3.5.1. Общие положения……………………………………………………..	131
3.5.2. Классификация фундаментальных астрономических постоянных………………………………………..	133
3.5.3. Международная система астрономических постоянных…………..	134
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………………	137
ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………………	138
1 Система фундаментальных астрономических постоянных МАС 1976 г…	139
2 Астрономические постоянные. Стандарты IERS 2003 г…………………..	140

ВВЕДЕНИЕ

В настоящем издании рассматриваются вопросы, относящиеся к специальным дисциплинам «Астрометрия», «Геодезическая астрономия». Изучение этих вопросов предусматривает приобретение студентами теоретических знаний и практических навыков в области сферической, геодезической астрономии и астрометрии. Выпускники направления 120100 – Геодезия, специальностей 120103 – Космическая геодезия, 120102 – Астрономогеодезия, должны не только уметь решать задачи, относящиеся непосредственно к упомянутым выше разделам астрономии, но также применять полученные знания при изучении и практическом использовании теории и методов других специальных дисциплин. К этим дисциплинам относятся небесная механика, космическая геодезия, космическая навигация, высшая геодезия, теория фигуры Земли и планет и другие.

Задачами изучения курса следует считать возможность использования дипломированными специалистами геодезических специальностей полученных знаний для решения геодезических и геодинамических проблем научного и прикладного характера.

В результате изучения дисциплины «Астрометрия и геодезическая астрономия» дипломированные специалисты должны знать:

- геометрию небесной сферы, явления суточного движения звезд;

- системы координат и системы измерения времени, применяемые в астрономии и астрометрии, и принципы их установления;

- основные задачи астрометрии и методы их решения;

- организацию и работу Служб определения параметров вращения Земли и координат полюса;

- теорию и методику астрономических редукций координат, создание звездных каталогов;

- интерполирование видимых мест светил и вычисление их на ПЭВМ;

- устройство астрономических инструментов;

- теорию и практику астрономических определений;

- точные способы определения астрономических координат и азимутов, их назначение;

А так же уметь:

- составлять эфемериды светил;

- вычислять видимые места звезд;

- работать с Астрономическим Ежегодником;

- пользоваться бюллетенями Служб определения ПВЗ и координат полюса;

- работать с астрономическими инструментами;

- выполнять астрономические наблюдения и их обработку.

Теоретической основой курса является сферическая астрономия – раздел астрономии, в котором рассматриваются математические методы решения задач, связанных с положением светил и видимым их движением, с использованием вспомогательной небесной сферы. В разделе “Сферическая астрономия” рассмотрены системы небесных координат и связь между ними, астрономические системы измерения времени, методы учета изменений координат светил, вызванных различными явлениями.

Астрометрия и геодезическая астрономия были выделены как самостоятельные дисциплины из раздела “Практическая астрономия”. Геодезическая астрономия изучает способы определения географических координат точек земной поверхности и азимутов направлений по наблюдению светил. Астрометрия решает фундаментальные задачи установления инерциальной системы координат и создания комплекса астрономических постоянных, на основе наблюдений светил, искусственных спутников Земли, космических аппаратов, внегалактических источников. Подробное описание решения задач геодезической астрономии и астрометрии приведено в соответствующих разделах. Здесь значительное место занимает рассмотрение современных методов астрометрии, основанных на наблюдениях Луны, искусственных спутников Земли, галактик и квазаров.

1. СФЕРИЧЕСКАЯ АСТРОНОМИЯ

1.1. Системы координат, используемые в геодезической астрономии

1.1.1. Вспомогательная небесная сфера

Географические широты и долготы точек земной поверхности и азимуты направлений определяются из наблюдений небесных светил – Солнца и звезд. Для этого необходимо знать положение светил как относительно Земли, так и относительно друг друга. Положения светил могут задаваться в целесообразно выбранных системах координат. Как известно из аналитической геометрии, для определения положения светила s можно использовать прямоугольную декартову систему координат XYZ или полярную a, b, R (рис.1.1.).

В прямоугольной системе координат положение светила s определяется тремя линейными координатами X, Y,Z. В полярной системе координат положение светила s задается одной линейной координатой, радиусом-вектором R = Оs и двумя угловыми: углом a между осью X и проекцией радиуса-вектора на координатную плоскость XOY, и углом b между координатной плоскостью XOY и радиусом-вектором R. Связь прямоугольных и полярных координат описывается формулами

X = R cosb cosa,

Y = R cosb sina,

Z = R sinb,

где R=.

Эти системы используются в тех случаях, когда линейные расстояния до небесных светил известны (например, для Солнца, Луны, планет, искусственных спутников Земли). Однако для многих светил, наблюдаемых за пределами Солнечной системы, эти расстояния либо чрезвычайно велики по сравнению с радиусом Земли, либо неизвестны. Чтобы упростить решение астрономических задач и обходиться без расстояний до светил, полагают, что все светила находятся на произвольном, но одинаковом расстоянии от наблюдателя. Обычно это расстояние принимают равным единице, вследствие чего положение светил в пространстве может определяться не тремя, а двумя угловыми координатами a и b полярной системы. Известно, что геометрическое место точек, равноудаленных от данной точки “О”, есть сфера с центром в этой точке.

Вспомогательная небесная сфера – воображаемая сфера произвольного или единичного радиуса, на которую проецируются изображения небесных светил (рис.1.2.). Положение любого светила s на небесной сфере определяется при помощи двух сферических координат, a и b:

x = cosb cosa,

y = cosb sina,

z = sinb.

В зависимости от того, где расположен центр небесной сферы О, различают:

1) топоцентрическую небесную сферу - центр находится на поверхности Земли;

2) геоцентрическую небесную сферу – центр совпадает с центром масс Земли;

3) гелиоцентрическую небесную сферу – центр совмещен с центром Солнца;

4) барицентрическую небесную сферу – центр находится в центре тяжести Солнечной системы.

Основные круги, точки и линии небесной сферы

Основные круги, точки и линии небесной сферы изображены на рис.1.3.

Одним из основных направлений относительно поверхности Земли является направление отвесной линии, или силы тяжести в точке наблюдения. Это направление пересекает небесную сферу в двух диаметрально противоположных точках - Z и Z'. Точка Z находится над центром и называется зенитом, Z' – под центром и называется надиром.

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную отвесной линии ZZ'. Большой круг NESW, образованный этой плоскостью, - небесный (истинный) или астрономический горизонт. Это есть основная плоскость топоцентрической системы координат. На ней имеются четыре точки S, W, N, E, где S - точка Юга, N - точка Севера, W - точка Запада, E - точка Востока. Прямая NS называется полуденной линией.

Прямая PNPS, проведенная через центр небесной сферы параллельно оси вращения Земли, называется осью Мира. Точки PN - северный полюс мира; PS - южный полюс мира. Вокруг оси Мира происходит видимое суточное движение небесной сферы.

Проведем через центр плоскость, перпендикулярную оси мира PNPS. Большой круг QWQ'E, образованный в результате пересечения этой плоскостью небесной сферы, называется небесным (астрономическим) экватором. Здесь Q - верхняя точка экватора (над горизонтом), Q'- нижняя точка экватора (под горизонтом). Небесный экватор и небесный горизонт пересекаются в точках W и E.

Плоскость PNZQSPSZ'Q'N, содержащая в себе отвесную линию и ось Мира, называется истинным (небесным) или астрономическим меридианом. Это плоскость параллельна плоскости земного меридиана и перпендикулярна к плоскости горизонта и экватора. Ее называют начальной координатной плоскостью.

Проведем через ZZ' вертикальную плоскость, перпендикулярную небесному меридиану. Полученный круг ZWZ'E называется первым вертикалом.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9

Астрометрия и геодезическая астрономия (стр. 1 )

1.1.5. Видимое суточное вращение небесной сферы……………………...

1.2.2. Звездное время………………………………………………………..

1.2.5. Местное время на разных меридианах.

Всемирное, поясное и декретное время……………………………..

1.2.8. Эфемеридное время ………………………………………………..

1.2.10. Динамическое и координатное время……………………………

1.2.11. Системы Всемирного времени. Всемирное координированное

время………………………………………………………………….

1.2.12. Время спутниковых навигационных систем…………………….

2.5. Понятие о точных способах астрономических определений……….

2.6. Приближенные способы астрономических определений……….

2.6.1. Приближенные определения азимута земного предмета

по наблюдениям Полярной……………………………………

2.6.2. Приближенные определения широты

по наблюдениям Полярной……………………………………

2.6.3. Приближенные определения долготы и азимута

по измеренным зенитным расстояниям Солнца……………

Домашний очаг

Справочная информация

Техника

Общество

Образование и наука

Мир

Бизнес и финансы