前文所述,计算一个天象就是解决:某时某地看到某象问题炒股配资交流,时间已经讲过了,那么现在来说说空间。这里从两个方面说明,一个是某地,我们一般是地球视角。另一个是某象,可以是太阳、月亮,也可以是行星、彗星,当然最多的是恒星和星云等。这里涉及到的是就是天球坐标体系了。
observer.at(t).observe(star)本文先探究observer。
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地球经纬度以地球视角看,我们在地球上任何一点,都可以使用三个参数唯一进行确定:经度,纬度和海拔。
🧭 经度:以本初子午线为基准,东西划分经度(Longitude)是东西方向的位置本初子午线(0°经线)通过英国格林尼治天文台向东为“东经”,向西为“西经”,最大到180°📌 北京经度:东经116.4°
🧭 纬度:以赤道为基准,南北划分纬度(Latitude)是南北方向的位置赤道是 0°纬线,向北叫“北纬”,向南叫“南纬”最南是 南极点 -90°,最北是 北极点 +90°📌 北京纬度:北纬39.9°
🗺️ 经纬网就像“地球坐标格子”想象你把一个橘子(地球)画上横线和竖线,这些线就是:
横的:纬线竖的:经线它们交织成一个“全球定位网格”。背景(纬度, 经度) = (39.9°N, 116.4°E)。📍就像地图上的一枚图钉!
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https://www.icsm.gov.au/education/fundamentals-mapping/datums
📉 经纬度与地图的误差?地球是个“扁球”,不是完美的球体。因此:
1° 纬度 ≈ 111.3 公里(恒定,比如北纬10°到11°)1° 经度 ≈ 赤道约111公里,极地趋近于0(因子午线收敛)例子下面以Skyfield为例,展示下如何定义个地点,也就是observer。
from skyfield.api import load, wgs84# 加载星历数据eph = load('de421.bsp')earth = eph['earth']# 设置观测者位置beijing = earth + wgs84.latlon(39.55, 116.25, 44)
在上面的代码段中,最后的beijing就是我们需要的observer,也就是说,站在这里观测天象。
地球模型延伸以下关于地球模型的知识,我们知道,地球本质是一个不规则的椭球体,那么如何理想化的描述我们地球上的每一个点呢?那么就需要构造模型,简单的说,这个模型要有个球心,有南北极,还要要有一个海平面,这样就可以唯一确定地球上的一个点了。因为这些因素就可以定出经纬度和海拔高度。
那么如何构造这个模型呢?
WGS(World Geodetic System,世界大地测量系统)是由美国国防部(DoD)主导建立的全球坐标参考框架,主要用于军事测绘、卫星导航和地球科学。自1960年首次发布以来,WGS经历了多次更新,以适应更精确的测量技术和地球模型。比如WGS60、WGS66、WGS72和WGS84,目前最新版本是WGS84模型的改进型。
1980年代,全球定位系统 GPS 正在建设中,为了使 GPS 达到全球导航精度,需要一个:
地球质心为原点的参考框架;一致的椭球体定义;与惯性坐标系一致的坐标系统。因此,美国国防地图局(DMA,现 NGA)在 1984 年正式提出 WGS84,其目标是成为:
“A consistent set of coordinate systems, datum, and models for mapping, charting, navigation and geodetic applications worldwide.”
一套全球统一的坐标系、基准面及模型,用于地图制图、海图测绘、导航及大地测量应用
WGS84 是 GPS 默认使用的大地基准和参考系,其坐标原点为地球质心,Z轴对准地球自转轴,X轴穿过本初子午线。
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https://en.wikipedia.org/wiki/World_Geodetic_System
WGS84椭球参数:
参数数值长半轴 6378137.0 m扁率 1 / 298.257223563地球质心作为坐标原点坐标轴Z轴指向国际地球自转轴,X轴穿越格林尼治本初子午线每颗 GPS 卫星都会广播 WGS84 下的自身轨道信息(广播星历),用户终端通过三维伪距定位解算出自身 WGS84 坐标。
而在传统的大地测量和监测领域,还有两个个古老的组织,一个是1912年成立的BIH(国际时间局,Bureau International de l’Heure),提供统一的世界时(UT)和地球自转参数(DUT1、UT1)。还有一个是成立于1962年的IPMS(国际极移服务,International Polar Motion Service),主要监测地极运动,提供极移数据。
而天文学家为了更高精度的测量恒星的位置,也需要精确的地球运动参数。这样,天文与大地就开始了合作。
由于天文观测与空间地球测量技术迅速发展,国际社会希望建立统一的权威组织,合并 BIH 和 IPMS,统一提供:
地球参考系统(如 ITRS)地球自转参数(EOP)精密坐标转换与模型标准(如 IERS Conventions)因此1987年,国际天文学联合会(IAU)和国际大地测量学与地球物理学联合会 (International Union of Geodesy and Geophysics)联合设立的科学服务机构IERS正式成立,最初名称为:International Earth Rotation Service。1990年代起,IERS 扩展任务至参考系统,正式改名为:International Earth Rotation and Reference Systems Service。
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IERS 主要任务是:
提供关于地球自转和地球参考框架的标准和数据;定义和维护地球空间参考系统(如 ITRS, GCRS);监测和预测 极移(polar motion)、世界时UT1-UTC差值、章动岁差等;提供高精度的时间和空间变换参数(通过 IERS Conventions)。也就是说,IERS是天文学家和大地测量学家共同构建的一个机构组织,并建构了共同使用的一个模型。
我们再看看IERS的发展历史:
阶段主要工作重点1987–1995统一极移、UT1、章动数据,推动 ITRF 建立(最早版本 1988)1996–2003发布 IERS Conventions(1996, 2003),融合 VLBI/SLR/GPS 数据2004–2010紧密结合 IAU 新定义(如IAU 2000/2006章动模型),发布 ITRF2000、20052010–至今发布 IERS Conventions 2010,推动多技术融合站网(DORIS、GNSS),持续更新 ITRF(2014,2020)在这里,我们发现,2010年至今的IERS2010,已经拓展至全球定位系统服务(GNSS)了。那么这个就和WGS84产生了'碰撞',最终的结果是,由于IERS是一个全球公共使用的体系,WGS84也将其标准与IERS进行了对齐。
WGS84的技术演进:
版本发布年份参考框架说明原始 WGS841984WGS84原始框架初始定义,椭球已较准确WGS84(G730)1994对应 ITRF91GPS轨道与ITRF对齐WGS84(G873)1997对应 ITRF94精度提升,广泛用于早期 GPSWGS84(G1150)2002对应 ITRF2000更精确地心、速度矢量建模WGS84(G1674)2012对应 ITRF2008对站点速度建模更准确WGS84(G2139)2021对应 ITRF2014目前最新版,对接 ITRF 高精度站网可以说,WGS84和IERS已经实现了融合。那么对于我们普通用户来说,洋洋洒洒说这些概念有什么意义呢?
因为我们要进行天象计算,得先计算我们所处的位置,而这些位置就是基于这些模型。
这里对WGS84和IERS2010进行下简单的对比:
项目WGS84IERS 2010类型地理参考系统地球模型与变换标准应用GPS、GIS、地图制图精密天文、地球动力学、GNSS后处理参考框架类似 ITRF,但精度略低完全依赖 ITRF自转模型简化完整章动/岁差/极移/UT1 模型潮汐/变形无或简化处理有完整建模应用场景:如果你用手机 GPS 定位,它基于 WGS84;如果你做 VLBI 定轨、精密星历计算、日地距离计算,通常要使用 IERS 2010;天文软件(如 SOFA、Skyfield)中,地球旋转角、章动矩阵、极移补偿 等均使用 IERS 模型;将 WGS84 的站点坐标转为星历计算中需要的天球坐标时,必须用到 IERS 2010 提供的变换参数。中国大地坐标系2000前面说了美国和国际上的地球模型标准,而随着我国北斗导航系统的运行和广泛运用,我们是否也有自己的一套体系呢?这里简单做一个介绍,中国有自己的一套大地测量系统:CGCS2000(中国大地坐标系2000,China Geodetic Coordinate System 2000)。
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CGCS2000(是中国大陆地区的现行国家大地坐标系统,由中国国家测绘局(现为自然资源部)于 2008年 正式发布并推广使用。
它是一个:以地心为原点、国际化对齐、动态变化建模、与现代空间导航技术(GNSS)兼容的大地坐标系统。
技术特点坐标原点: 地球质心(即地心坐标系)Z轴: 平均地球自转轴方向X轴: 指向格林尼治子午圈与赤道交点Y轴: 与X、Z轴构成右手坐标系完全遵循国际地球参考系统(ITRS)的定义椭球参数(与WGS84相同)
参数数值长半轴 6378137.0 m扁率 1 / 298.257222101发展历史时间事件1954年中国使用 北京54坐标系,基于苏联克拉索夫斯基椭球体1980年改用 西安80坐标系,仍为区域地面测量基准,参考原点不在地心1990sGPS 应用兴起,需要全球统一坐标系统2000年1月1日CGCS2000 椭球参考历元2008年国家测绘局正式发布 CGCS2000,取代西安80,统一中国大地基准CGCS2000 与 WGS84、ITRF 的关系:
系统坐标原点参考历元与CGCS2000差异WGS84 (G1150)地心~2001.0与 CGCS2000 仅厘米级差异(< 10cm)ITRF2000地心2000.0CGCS2000 与 ITRF2000 几乎一致ITRF2008/2014地心不同历元差异随时间累积,需考虑板块速度修正📌 注: CGCS2000 可以视为 ITRF2000 在中国大陆的具体实现版本。
为了确保与 GNSS 系统一致,CGCS2000 的定义尽量对齐 WGS84,但因为坐标系统维护机构不同,在精密导航、对时服务中可能有毫米~厘米级误差。
应用现在我们切入以下具体使用,如果作为普通用户就计算下所在位置太阳的日升日落时间和方位,使用WGS84即可。如果想要更高精度的计算,可以使用IERS2010。
下面举例,假设我们要计算的位置是北京天安门广场,116.3976° E, 39.9035° N,海拔44m:
from skyfield.api import iers2010, loadtiananmen = iers2010.latlon(39.9035, 116.3976, 44)eph = load('de421.bsp')earth = eph['earth']observer = earth + tiananmenprint(observer)这里使用了IERS2010模型,只需将iers2010修改为wgs84即可,这两个模型都是在skyfield中定义好的。
下面是Skyfield对这俩模型的定义,很简约:
wgs84 = Geoid('WGS84', 6378137.0, 298.257223563)iers2010 = Geoid('IERS2010', 6378136.6, 298.25642)其实天文学家在进行天文观测、数据计算和分析时,过程会更为复杂,考虑的因素更多。这里只进行简单的介绍。
有了地球坐标系统确定了观测位置炒股配资交流,下一节我们再说说天球坐标系统。
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