天球參考系變換及其應(yīng)用

前言

天文學(xué)的研究對(duì)象是天體，其學(xué)科內(nèi)容是研究各種天體（包括宇宙）的位置變化、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、起源演化等，以及其在其他學(xué)科和人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。而精確測(cè)定天體在空間的位置和變化，并探索其運(yùn)動(dòng)規(guī)律是最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的研究領(lǐng)域。這也是天體測(cè)量學(xué)和天體力學(xué)的主要內(nèi)容。研究天體在空間的位置變化和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，必須在一定的參考系框架（包括確切的坐標(biāo)原點(diǎn)、坐標(biāo)架指向和時(shí)間系統(tǒng)）內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)不同的對(duì)象和具體情況，又必須建立各種不同的參考系。因此，天球參考系的變換理論和應(yīng)用，就成為這個(gè)研究領(lǐng)域的核心課題之一。隨著天文觀測(cè)技術(shù)的飛躍發(fā)展，特別是空間天體測(cè)量技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，天體定位精度在20世紀(jì)80年代已達(dá)到毫秒級(jí)水平。而在不久（計(jì)劃于2012年）即將發(fā)射的衛(wèi)星GAIA，預(yù)計(jì)定位精度達(dá)微秒級(jí)。這對(duì)天球參考系的變換理論和應(yīng)用提出更高的要求。當(dāng)前這方面國(guó)際上公認(rèn)機(jī)構(gòu)是國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（IERS）所公布的IERS規(guī)范2003，至今仍為天球參考系變換理論和實(shí)際計(jì)算的最新范本。雖然在2005年、2007年作了一些補(bǔ)充，但理論系統(tǒng)和框架沒(méi)有改變。有關(guān)天球參考系及其變換理論和計(jì)算方法領(lǐng)域的研究論文非常多，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAu）還建立了專門的工作組。但系統(tǒng)并詳細(xì)講述這方面內(nèi)容的專門著作，在國(guó)內(nèi)外都未看到。李廣宇教授所著的這本《天球參考系變換及其應(yīng)用》，正是這方面的專著，填補(bǔ)了空白。李廣宇畢業(yè)于西安交通大學(xué)數(shù)理力學(xué)系，后考入中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)做研究生，獲碩士學(xué)位，在數(shù)學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)和電腦軟件等學(xué)科打下了深厚的基礎(chǔ)。他的導(dǎo)師是我國(guó)天體測(cè)量學(xué)和天體力學(xué)主要開(kāi)創(chuàng)者之一的張鈺哲先生及其大弟子張家祥教授。近十余年他在紫金山天文臺(tái)從事研究工作，先后擔(dān)任研究員、博士導(dǎo)師和太陽(yáng)系創(chuàng)新團(tuán)組首席科學(xué)家。所做的研究課題同參考系都有密切關(guān)系，如太陽(yáng)系動(dòng)力學(xué)、行星和月球精密歷表計(jì)算、航天器軌道設(shè)計(jì)和優(yōu)化、古代天象計(jì)算等；并先后在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表研究論文40余篇。因此，他寫(xiě)作該書(shū)，不僅理論上有深入的鉆研，而且還有多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

內(nèi)容概要

天球參考系的變換理論和應(yīng)用，是天文學(xué)研究領(lǐng)域的核心課題之一。隨著天文觀測(cè)技術(shù)，特別是空間天體測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展，天體定位精度在20世紀(jì)80年代已達(dá)到毫角秒級(jí)水平。計(jì)劃于2012年發(fā)射的GAIA衛(wèi)星，預(yù)計(jì)進(jìn)一步提高定位精度到微角秒級(jí)。這對(duì)天球參考系的變換理論和應(yīng)用提出了新的要求。本書(shū)是為適應(yīng)這一發(fā)展而寫(xiě)的專著。    第1～4章先講述有關(guān)天文參考系的預(yù)備知識(shí)。第5～8章為核心內(nèi)容，闡明IERS 2003規(guī)范參考系變換的基本理論和算法。第9～11章討論天文實(shí)用問(wèn)題，如節(jié)氣、月相、日月食、公歷和農(nóng)歷換算等。各項(xiàng)論題不僅闡明原理，導(dǎo)出公式，還給出具體算法、程序和算例，實(shí)用性很強(qiáng)。寫(xiě)作深入淺出，有高中數(shù)理基礎(chǔ)就能閱讀。本書(shū)全部源程序和數(shù)據(jù)文件可到科學(xué)出版社網(wǎng)站：http：//www.sciencep.com上免費(fèi)下載。    本書(shū)可供天文學(xué)、航天科學(xué)、航海導(dǎo)航、大地測(cè)量等學(xué)科及其他相關(guān)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作者；相關(guān)專業(yè)本科生和研究生；中等以上文化程度的天文愛(ài)好者、程序設(shè)計(jì)愛(ài)好者及其他有興趣人士使用。

作者簡(jiǎn)介

作者應(yīng)張培瑜研究員邀請(qǐng)參加夏商周斷代工程研究，在2002年前后研究了計(jì)算公元前3000年至公元3000年計(jì)6000年期間的儒略日、節(jié)氣、月相和日月食的算法，開(kāi)發(fā)了軟件，于2007年出版了《夏商周時(shí)期的天象和月相》（世界圖書(shū)出版公司,isbn978-7-5062-6628-4）。2003年，又完成了精度與de405相當(dāng)?shù)膒moe2003高精度行星月球歷表。2005年為研究生講授了c.a.murray的《矢量天體測(cè)量學(xué)》課程，結(jié)合以上兩項(xiàng)成果作為練習(xí)，效果頗好。2007年又應(yīng)五院要求，研究和開(kāi)發(fā)了國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)（iers2003）的時(shí)空基準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換程序。于是將最新時(shí)空轉(zhuǎn)換的理論和方法結(jié)合進(jìn)原來(lái)的教材，形成本書(shū)初稿，除自用外先后提供給五院和南京大學(xué)天文系劉林教授的研究生使用。為保證學(xué)術(shù)上的正確和先進(jìn)，作者于2008年請(qǐng)南京大學(xué)易照華教授和上海天文臺(tái)金文敬研究員審閱了第1－8章書(shū)稿。根據(jù)他們的意見(jiàn)進(jìn)行了改寫(xiě)，補(bǔ)充了材料。

書(shū)籍目錄

序前言第1章  公歷和儒略日  1.1  時(shí)間的計(jì)量  1.2  儒略歷和格里歷  1.3  儒略日    1.3.1  積日的計(jì)算    1.3.2  儒略日的計(jì)    1.3.3  儒略日計(jì)算的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)  1.4  由儒略日求年月日第2章  Delphi程序設(shè)計(jì)入門  2.1  集成開(kāi)發(fā)環(huán)境  2.2  應(yīng)用程序設(shè)計(jì)    2.2.1  程序界面    2.2.2  事件響應(yīng)過(guò)程    2.2.3  儒略日化年月日    2.2.4  程序的優(yōu)化  2.3  面向?qū)ο缶幊痰?章  太陽(yáng)和月亮歷表  3.1  歷表史話  3.2  數(shù)值歷表  3.3  多項(xiàng)式逼近  3.4  歷表文件的結(jié)構(gòu)和讀取  3.5  月、日和火星位置的讀取    3.5.1  單個(gè)天體的處理    3.5.2  主程序  3.6  DE 405歷表第4章  矩陣、向量、坐標(biāo)變換及有關(guān)程序設(shè)計(jì)  4.1  矩陣  4.2  向量  4.3  平面直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)  4.4  空間直角坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)    4.4.1  基本旋轉(zhuǎn)    4.4.2  交線和歐拉角    4.4.3  極向量  4.5  矩陣向量運(yùn)算的程序設(shè)計(jì)    4.5.1  向量運(yùn)算子程序    4.5.2  方法的重載，關(guān)于乘法的子程序    4.5.3  動(dòng)態(tài)數(shù)組、高維向量和矩陣    4.5.4  直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的子程序    4.5.5  旋轉(zhuǎn)矩陣第5章  天球參考系、歲差、章動(dòng)和經(jīng)典變換  5.1  赤道坐標(biāo)系  5.2  國(guó)際天球參考系  5.3  平赤道系天球參考系變換、歲差  5.4  真赤道系平赤道系變換，章動(dòng)  5.5  真赤道系天球參考系變換  5.6  程序設(shè)計(jì)第6章  地球參考系和地球一天球參考系變換  6.1  國(guó)際地球參考系和參考框架  6.2  觀測(cè)站的坐標(biāo)  6.3  地球的軸、極和極移  6.4  地球參考系真赤道系變換    6.4.1  地球自轉(zhuǎn)角和格林尼治真恒星時(shí)    6.4.2  極移矩陣  6.5  地球自轉(zhuǎn)參數(shù)    6.5.1  協(xié)調(diào)世界時(shí)化原子時(shí)    6.5.2  協(xié)調(diào)世界時(shí)化世界時(shí)、極移參數(shù)    6.5.3  數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的應(yīng)用    6.5.4  地球自轉(zhuǎn)參數(shù)的讀取    6.5.5  地球力學(xué)時(shí)與世界時(shí)之差的多項(xiàng)式表達(dá)  6.6  經(jīng)典地球天球參考系變換第7章  中介參考系和CEO變換  7.1  再談?wù)娉嗟老狄惶烨騾⒖枷底儞Q  7.2  極向量變換  7.3  天球歷書(shū)原點(diǎn)  7.4  用直角坐標(biāo)表示變換矩陣  7.5  有關(guān)參數(shù)x，y和s的程序設(shè)計(jì)    7.5.1  展開(kāi)式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)    7.5.2  展開(kāi)式系數(shù)數(shù)據(jù)文件    7.5.3  計(jì)算基本幅角的過(guò)程    7.5.4  計(jì)算參數(shù)x，y和s的過(guò)程  7.6  基于CEO的地球天球參考系變換    7.6.1  生成CEO變換矩陣的函數(shù)    7.6.2  天球坐標(biāo)系變換類    7.6.3  算法和程序的檢驗(yàn)    7.6.4  算例第8章  星歷表的計(jì)算  8.1  光行差  8.2  星歷表計(jì)算  8.3  計(jì)算星歷表的程序  8.4  算例  8.5  精密星歷表  8.6  天體地平坐標(biāo)  8.7  天體升落和中天時(shí)刻第9章  節(jié)氣和月相的計(jì)算  9.1  太陽(yáng)  9.2  節(jié)氣  9.3  節(jié)氣的計(jì)算    9.3.1  確定求解區(qū)間    9.3.2  平分區(qū)間求方程的根    9.3.3  計(jì)算節(jié)氣的函數(shù)  9.4  月亮  9.5  月相的計(jì)算  9.6  程序設(shè)計(jì)    9.6.1  項(xiàng)目文件的組織    9.6.2  PStmp項(xiàng)目    9.6.3  窗體設(shè)計(jì)    9.6.4  事件響應(yīng)程序第10章  日月食的計(jì)算  10.1  月食    10.1.1  地球影錐    10.1.2  月食發(fā)生的條件    10.1.3  月食的過(guò)程  10.2  日食    10.2.1  從全球看日食    10.2.2  地面測(cè)站看日食  10.3  日月食的算法    10.3.1  影錐參數(shù)    10.3.2  中心線、最大見(jiàn)食地和界線圖    10.3.3  影心距的計(jì)算    10.3.4  0.618法求一元單峰函數(shù)的極小值    10.3.5  貝塞爾坐標(biāo)系和貝塞爾根數(shù)    10.3.6  日月視圓面切點(diǎn)的方位角  10.4  程序設(shè)計(jì)    10.4.1  計(jì)算日月食的類TEclipse    10.4.2  計(jì)算日月食的類函數(shù)CalcuEclipse    10.4.3  TEclipse類的私有方法    10.4.4  程序界面設(shè)計(jì)    10.4.5  數(shù)據(jù)表Eclipse.db    10.4.6  事件響應(yīng)過(guò)程  10.5  沙羅周期和日月食的全景觀    10.5.1  交食周期    10.5.2  沙羅序列    10.5.3  Inex序列和交食全景    10.5.4  沙羅序列數(shù)和inex序列數(shù)的計(jì)算第11章  公歷和農(nóng)歷的換算  11.1  歷法  11.2  置閏規(guī)則和年月日序數(shù)    11.2.1  朔日和日序數(shù)    11.2.2  中氣和年月序數(shù)    11.2.3  雙中氣月和去閏    11.2.4  地支和月建    11.2.5  干支序數(shù)  11.3  朔日數(shù)據(jù)表    11.3.1  創(chuàng)建朔日數(shù)據(jù)表    11.3.2  寫(xiě)朔日數(shù)據(jù)表　11.4  程序設(shè)計(jì)    11.4.1  公歷農(nóng)歷換算類    11.4.2  儒略日和農(nóng)歷年月日的換算    11.4.3  主程序和界面設(shè)計(jì)主要參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：現(xiàn)在通用的公歷是意大利醫(yī)生兼哲學(xué)家里利烏斯（Aloysius Lilius，1510-1576年）主持制定，羅馬教皇格里高利十三世（Gregory xIII）在1582年2月頒布實(shí)行的格里歷。此前通用的儒略歷是由埃及亞歷山大的希臘數(shù)學(xué)家兼天文學(xué)家索西琴尼（Sosigenes，公元前1世紀(jì)）主持制定，羅馬統(tǒng)治者蓋厄斯?儒略?愷撒（GaiusJulius Caesar the Great，約公元前100一前44年）頒布，從公元前46年1月1日起實(shí)行的。這兩種歷法都是太陽(yáng)歷，只考慮太陽(yáng)的周年視運(yùn)動(dòng)，不考慮月亮的視運(yùn)動(dòng)。為了對(duì)太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)有個(gè)明確的概念，先認(rèn)識(shí)一下天球上有關(guān)的點(diǎn)與線。當(dāng)站在地球上某處觀測(cè)天象時(shí)，看到的只是日月星辰在天空中的方位，它們似乎距離我們同樣遙遠(yuǎn)，鑲嵌在叫做天球的球面上，其間遠(yuǎn)近的差別是無(wú)法直覺(jué)感受的。由于地球的自轉(zhuǎn)，整個(gè)天球都在自東向西地轉(zhuǎn)動(dòng)，只有圖1.5所示的叫做天極的兩個(gè)點(diǎn)是不動(dòng)的，通過(guò)兩極的大圓是赤經(jīng)線。連接兩極的轉(zhuǎn)軸叫做天軸，垂直于天軸中分天球的大圓是天球赤道，與赤道平行的圓周是赤緯線。除了周日運(yùn)動(dòng)之外，恒星似乎牢牢地鑲嵌在天球上，不容易察覺(jué)到其他運(yùn)動(dòng)。日月行星則不然，短期觀測(cè)就能斷定它們沒(méi)有固定在天球上，而是游走于恒星間。用圭表測(cè)量正午時(shí)刻表影的長(zhǎng)度，就能發(fā)現(xiàn)它是逐日變化的。這意味著太陽(yáng)每天正午在天空中的高度在變化著；而太陽(yáng)正午時(shí)刻的高度又依賴于它的赤緯，這就表明太陽(yáng)的赤緯是變化的。比較太陽(yáng)和恒星從東方地平升起或從西方地平落下的先后，就能發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的赤經(jīng)也是變化的。

編輯推薦

《天球參考系變換及其應(yīng)用》可供天文學(xué)、航天科學(xué)、航海導(dǎo)航、大地測(cè)量等學(xué)科及其他相關(guān)領(lǐng)域的科研和教學(xué)工作者；相關(guān)專業(yè)本科生和研究生；中等以上文化程度的天文愛(ài)好者、程序設(shè)計(jì)愛(ài)好者及其他有興趣人士使用。

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