天球參考系變換及其應用

前言

天文學的研究對象是天體，其學科內容是研究各種天體（包括宇宙）的位置變化、運動規(guī)律、化學組成、內部結構、起源演化等，以及其在其他學科和人們生產生活中的應用。而精確測定天體在空間的位置和變化，并探索其運動規(guī)律是最基本的，也是應用最廣泛的研究領域。這也是天體測量學和天體力學的主要內容。研究天體在空間的位置變化和運動規(guī)律，必須在一定的參考系框架（包括確切的坐標原點、坐標架指向和時間系統(tǒng)）內進行。根據不同的對象和具體情況，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用，就成為這個研究領域的核心課題之一。隨著天文觀測技術的飛躍發(fā)展，特別是空間天體測量技術的成功實現(xiàn)，天體定位精度在20世紀80年代已達到毫秒級水平。而在不久（計劃于2012年）即將發(fā)射的衛(wèi)星GAIA，預計定位精度達微秒級。這對天球參考系的變換理論和應用提出更高的要求。當前這方面國際上公認機構是國際地球自轉服務（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際計算的最新范本。雖然在2005年、2007年作了一些補充，但理論系統(tǒng)和框架沒有改變。有關天球參考系及其變換理論和計算方法領域的研究論文非常多，國際天文學聯(lián)合會（IAu）還建立了專門的工作組。但系統(tǒng)并詳細講述這方面內容的專門著作，在國內外都未看到。李廣宇教授所著的這本《天球參考系變換及其應用》，正是這方面的專著，填補了空白。李廣宇畢業(yè)于西安交通大學數(shù)理力學系，后考入中國科學院紫金山天文臺做研究生，獲碩士學位，在數(shù)學、力學、天文學和電腦軟件等學科打下了深厚的基礎。他的導師是我國天體測量學和天體力學主要開創(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從事研究工作，先后擔任研究員、博士導師和太陽系創(chuàng)新團組首席科學家。所做的研究課題同參考系都有密切關系，如太陽系動力學、行星和月球精密歷表計算、航天器軌道設計和優(yōu)化、古代天象計算等；并先后在國內外重要學術刊物上發(fā)表研究論文40余篇。因此，他寫作該書，不僅理論上有深入的鉆研，而且還有多年應用經驗。

內容概要

天球參考系的變換理論和應用，是天文學研究領域的核心課題之一。隨著天文觀測技術，特別是空間天體測量技術的飛速發(fā)展，天體定位精度在20世紀80年代已達到毫角秒級水平。計劃于2012年發(fā)射的GAIA衛(wèi)星，預計進一步提高定位精度到微角秒級。這對天球參考系的變換理論和應用提出了新的要求。本書是為適應這一發(fā)展而寫的專著。    第1～4章先講述有關天文參考系的預備知識。第5～8章為核心內容，闡明IERS 2003規(guī)范參考系變換的基本理論和算法。第9～11章討論天文實用問題，如節(jié)氣、月相、日月食、公歷和農歷換算等。各項論題不僅闡明原理，導出公式，還給出具體算法、程序和算例，實用性很強。寫作深入淺出，有高中數(shù)理基礎就能閱讀。本書全部源程序和數(shù)據文件可到科學出版社網站：http：//www.sciencep.com上免費下載。    本書可供天文學、航天科學、航海導航、大地測量等學科及其他相關領域的科研和教學工作者；相關專業(yè)本科生和研究生；中等以上文化程度的天文愛好者、程序設計愛好者及其他有興趣人士使用。

作者簡介

作者應張培瑜研究員邀請參加夏商周斷代工程研究，在2002年前后研究了計算公元前3000年至公元3000年計6000年期間的儒略日、節(jié)氣、月相和日月食的算法，開發(fā)了軟件，于2007年出版了《夏商周時期的天象和月相》（世界圖書出版公司,isbn978-7-5062-6628-4）。2003年，又完成了精度與de405相當?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《矢量天體測量學》課程，結合以上兩項成果作為練習，效果頗好。2007年又應五院要求，研究和開發(fā)了國際地球自轉服務（iers2003）的時空基準和轉換程序。于是將最新時空轉換的理論和方法結合進原來的教材，形成本書初稿，除自用外先后提供給五院和南京大學天文系劉林教授的研究生使用。為保證學術上的正確和先進，作者于2008年請南京大學易照華教授和上海天文臺金文敬研究員審閱了第1－8章書稿。根據他們的意見進行了改寫，補充了材料。

書籍目錄

序前言第1章  公歷和儒略日  1.1  時間的計量  1.2  儒略歷和格里歷  1.3  儒略日    1.3.1  積日的計算    1.3.2  儒略日的計    1.3.3  儒略日計算的計算機語言實現(xiàn)  1.4  由儒略日求年月日第2章  Delphi程序設計入門  2.1  集成開發(fā)環(huán)境  2.2  應用程序設計    2.2.1  程序界面    2.2.2  事件響應過程    2.2.3  儒略日化年月日    2.2.4  程序的優(yōu)化  2.3  面向對象編程第3章  太陽和月亮歷表  3.1  歷表史話  3.2  數(shù)值歷表  3.3  多項式逼近  3.4  歷表文件的結構和讀取  3.5  月、日和火星位置的讀取    3.5.1  單個天體的處理    3.5.2  主程序  3.6  DE 405歷表第4章  矩陣、向量、坐標變換及有關程序設計  4.1  矩陣  4.2  向量  4.3  平面直角坐標系的旋轉  4.4  空間直角坐標系的旋轉    4.4.1  基本旋轉    4.4.2  交線和歐拉角    4.4.3  極向量  4.5  矩陣向量運算的程序設計    4.5.1  向量運算子程序    4.5.2  方法的重載，關于乘法的子程序    4.5.3  動態(tài)數(shù)組、高維向量和矩陣    4.5.4  直角坐標和極坐標轉換的子程序    4.5.5  旋轉矩陣第5章  天球參考系、歲差、章動和經典變換  5.1  赤道坐標系  5.2  國際天球參考系  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  5.5  真赤道系天球參考系變換  5.6  程序設計第6章  地球參考系和地球一天球參考系變換  6.1  國際地球參考系和參考框架  6.2  觀測站的坐標  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  地球自轉角和格林尼治真恒星時    6.4.2  極移矩陣  6.5  地球自轉參數(shù)    6.5.1  協(xié)調世界時化原子時    6.5.2  協(xié)調世界時化世界時、極移參數(shù)    6.5.3  數(shù)據庫技術的應用    6.5.4  地球自轉參數(shù)的讀取    6.5.5  地球力學時與世界時之差的多項式表達  6.6  經典地球天球參考系變換第7章  中介參考系和CEO變換  7.1  再談真赤道系一天球參考系變換  7.2  極向量變換  7.3  天球歷書原點  7.4  用直角坐標表示變換矩陣  7.5  有關參數(shù)x，y和s的程序設計    7.5.1  展開式的數(shù)據結構    7.5.2  展開式系數(shù)數(shù)據文件    7.5.3  計算基本幅角的過程    7.5.4  計算參數(shù)x，y和s的過程  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  天球坐標系變換類    7.6.3  算法和程序的檢驗    7.6.4  算例第8章  星歷表的計算  8.1  光行差  8.2  星歷表計算  8.3  計算星歷表的程序  8.4  算例  8.5  精密星歷表  8.6  天體地平坐標  8.7  天體升落和中天時刻第9章  節(jié)氣和月相的計算  9.1  太陽  9.2  節(jié)氣  9.3  節(jié)氣的計算    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  計算節(jié)氣的函數(shù)  9.4  月亮  9.5  月相的計算  9.6  程序設計    9.6.1  項目文件的組織    9.6.2  PStmp項目    9.6.3  窗體設計    9.6.4  事件響應程序第10章  日月食的計算  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  月食的過程  10.2  日食    10.2.1  從全球看日食    10.2.2  地面測站看日食  10.3  日月食的算法    10.3.1  影錐參數(shù)    10.3.2  中心線、最大見食地和界線圖    10.3.3  影心距的計算    10.3.4  0.618法求一元單峰函數(shù)的極小值    10.3.5  貝塞爾坐標系和貝塞爾根數(shù)    10.3.6  日月視圓面切點的方位角  10.4  程序設計    10.4.1  計算日月食的類TEclipse    10.4.2  計算日月食的類函數(shù)CalcuEclipse    10.4.3  TEclipse類的私有方法    10.4.4  程序界面設計    10.4.5  數(shù)據表Eclipse.db    10.4.6  事件響應過程  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)的計算第11章  公歷和農歷的換算  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)據表    11.3.1  創(chuàng)建朔日數(shù)據表    11.3.2  寫朔日數(shù)據表　11.4  程序設計    11.4.1  公歷農歷換算類    11.4.2  儒略日和農歷年月日的換算    11.4.3  主程序和界面設計主要參考文獻

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)學家兼天文學家索西琴尼（Sosigenes，公元前1世紀）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日起實行的。這兩種歷法都是太陽歷，只考慮太陽的周年視運動，不考慮月亮的視運動。為了對太陽的視運動有個明確的概念，先認識一下天球上有關的點與線。當站在地球上某處觀測天象時，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，鑲嵌在叫做天球的球面上，其間遠近的差別是無法直覺感受的。由于地球的自轉，整個天球都在自東向西地轉動，只有圖1.5所示的叫做天極的兩個點是不動的，通過兩極的大圓是赤經線。連接兩極的轉軸叫做天軸，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。除了周日運動之外，恒星似乎牢牢地鑲嵌在天球上，不容易察覺到其他運動。日月行星則不然，短期觀測就能斷定它們沒有固定在天球上，而是游走于恒星間。用圭表測量正午時刻表影的長度，就能發(fā)現(xiàn)它是逐日變化的。這意味著太陽每天正午在天空中的高度在變化著；而太陽正午時刻的高度又依賴于它的赤緯，這就表明太陽的赤緯是變化的。比較太陽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)太陽的赤經也是變化的。

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《天球參考系變換及其應用》可供天文學、航天科學、航海導航、大地測量等學科及其他相關領域的科研和教學工作者；相關專業(yè)本科生和研究生；中等以上文化程度的天文愛好者、程序設計愛好者及其他有興趣人士使用。

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