天文學基礎論文

1、 地質(zhì)工程與測繪學院 天文學基礎課程論文論文名稱: 大地天文學 專 業(yè): 大地測量學與測量工程 學 號: 2014126044 學生姓名: 姚利輝 指導教師: 張永智 撰寫時間: 2014年12月 摘 要摘要：天文學是一門最古老的科學，他一開始就和人類的勞動和生存密切相關(guān)。他同數(shù)學、物理、化學、生物、地學同為六大基礎學科。大地天文學也是由來已久，從公元前開始到現(xiàn)在，從用傳統(tǒng)的方法到現(xiàn)在的各種精密的測量儀器，經(jīng)歷了翻天覆地的變化。本文主要從大地天文學的基礎概念入手，主要利用大地天文學 只是來測定經(jīng)緯度和其他，從而確定地面點的位置?；A知識主要有天球上基本的概念，天球與地球的關(guān)系以及天球與地球坐標

2、系的關(guān)系與轉(zhuǎn)換，運用這些關(guān)系，確定的一些大地天文學的測量方法和在各種方面的應用。 關(guān)鍵字：大地天文學，天球坐標系，坐標系轉(zhuǎn)換，測量方法與應用AbstractAbstract: astronomy is a one of the oldest science, he started and is closely related to the ministry of Labour and survival of human beings. He with mathematics, physics, chemistry, biology, study as the six basic subject

3、s. Astronomy earth also has a long history, from the beginning to now, from the traditional way to the present all kinds of precision measuring instruments, undergone earth-shaking changes. This article mainly from the basic concept of the astronomy, the main use of the land of astronomy is to deter

4、mine the latitude and longitude and the other, to determine the position of the ground points. Basic knowledge is mainly on the basic concept, the celestial sphere celestial's relationship with the earth and the relationship between the celestial coordinate system with earth and transformation,

5、using these relationships, determine some of the astronomy measurement on the methods and applications in various aspects.Key words: the astronomy, celestial coordinate, coordinate transformation, measuring method and application目 錄摘 要1一 、大地天文學基本概念1二 、大地天文學的發(fā)展概況1三 、天球的基本概念23.1天球的定義23.2 天球的分類23.3天球的兩

6、個特性23.4 關(guān)于天球的基本知識2四 、天球與地球的相關(guān)關(guān)系34.1 天球上與地球公轉(zhuǎn)有關(guān)的圈、線、點34.2 天球上與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的圈、線、點5五 、天球坐標系85.1 天球坐標系分類65.1.1 地平天球坐標系75.1.2 時角天球坐標系85.1.3 赤道天球坐標系95.1.4 黃道天球坐標系：95.2 天球坐標系之間的轉(zhuǎn)換95.2.1 天文坐標與天球坐標之間的關(guān)系105.2.2 地平坐標與時角坐標之間的關(guān)系105.2.3 天球直角坐標系及其轉(zhuǎn)換11六 、大地天文學的方法及應用13參考文獻15大地天文學一 、大地天文學基本概念大地天文學是天文學的一個分支,也是大地測量的一個重要組成部分。

7、它的重要任務,是用天文方法觀測天體的位置來確定地面點在地球上的位置(經(jīng)緯度)和某一方向的方位角,以供大地測量和其他有關(guān)的科學技術(shù)部門使用. 這是天體測量學與大地天文學的邊緣學科，在測站（通常稱為天文點）使用天體測量儀器觀測天體以測定天文經(jīng)度和緯度，也可測定測站至相鄰固定目標的方位角從而確定測站的子午線。大地天文學的傳統(tǒng)課題包括：測定地面點的天文經(jīng)度，就是在同一瞬間測定地面上一點與本初子午線上的地方時之差。該點上的時刻可使用經(jīng)緯儀、中星儀、棱鏡等高儀以及照相天頂筒等儀器測定；本初子午線上的地方時則可通過收錄無線電時號求得。測定地面點的天文緯度。這等同于測定地面點的天極高度。該點的緯度可使用帶有緯

8、度水準的經(jīng)緯儀、天頂儀、棱鏡等高儀以及照相天頂筒等儀器測定。地面目標方位角的測定。這等同于確定某天文點的子午線方向。觀測恒星，測定其時角，算出它的方位角，然后測定該瞬間恒星與地面目標之間的水平角，從而得到目標的方位角。這些任務都包含對各種誤差的分析及對削弱和消除誤差的研究。近代已能測定地面點在以地心為原點的三維直角坐標系中的地心直角坐標，用諸如甚長基線干涉測量、激光測距、全球定位系統(tǒng)測量等技術(shù)，精度可達幾厘米量級。二 、大地天文學的發(fā)展概況大地天文學是天文學中發(fā)展最早的一個分支。公元前3世紀，古希臘天文學家用觀測夏至日正午太陽高度的方法測定了子午線的長度。公元8世紀，中國天文學家一行(本名張遂

9、，683727)等通過觀測北極星高度推算出了子午線1°的弧長。元代天文學家郭守敬(12311316)組織過全國范圍的緯度測量。然而，直到17世紀光學望遠鏡、測微器與天文鐘問世以后，才形成精密的大地天文學?，F(xiàn)代大地天文學的測量設備包括天文觀測儀器、守時儀器、記時儀器和無線電接收機。 天文觀測儀器主要是全能經(jīng)緯儀，也可用中星儀和棱鏡等高儀等。守時儀器已全部采用石英鐘。記時儀器用以記錄觀測恒星的時刻。無線電接收機則用以收錄時號。為提高觀測精度和效率，各國都在研制新的觀測儀器，例如美國的自動天文定位系統(tǒng)、方位角監(jiān)測儀，意大利的天頂攝影機等。三 、天球的基本概念3.1天球的定義各個天體同地球上

10、的觀測者的距離都不相同。天體和觀察者間的距離與觀測者隨地球在空間移動的距離相比要大得多，人的肉眼分辨不出天體的遠近，所以看上去天體似乎都離我們一樣遠，仿佛散布在以觀測者為中心的一個圓球的球面上（站心天球）。實際上我們看到的是天體在這個巨大的圓球的球面上的投影位置，這個圓球就稱為天球。3.2 天球的分類文學上就將以空間某一點為中心，以無限大為半徑，內(nèi)表面分布著各種各樣天體的球面稱為天球。天球是研究天體的位置和運動而引進的一個半徑為無限大的假想圓球，想象中所有天體都附著在天球表面上。根據(jù)所選取的天球中心不同，有站心天球、日心天球、地心天球等。3.3天球的兩個特性由于天球的半徑可視為無窮大，在空間任

11、何有限的距離與天球半徑相比，都微小到可以忽略不計。因此天球具有下面兩個特性： 1)相距有限距離的所有平行直線，向同一方向延長與天球交于一點。 2)相距有限距離的所有平行平面天球交于同一大圓。 3.4 關(guān)于天球的基本知識觀測者所能直接辨別的只是天體的方向。在球面上處理點和弧段的關(guān)系，比在空間處理視線方向間的角度要簡便得多，在天文學的一些應用中，都用天體投影在天球上的點和點之間的大圓弧段來表示它們之間的位置關(guān)系。天球的半徑是任意選定的，可以當作數(shù)學上的無窮大。 我們站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都離我們一樣遠。星星就好像鑲嵌在一個圓形天幕上的寶石。實際上星星和我們的距離有遠有近，我們看到的

12、是它們在這個巨大的圓球球面上的投影，這個假想的圓球就稱為天球，它的半徑是無限大。而地球就懸掛在這個天球中央。星星在天空中移動的方向并不是雜亂無章的，而且星座的形狀并不會改變。星星從東方的地平線爬上來，爬到最高點（中天），然后往西方沉下去。看起來就像整個天球圍繞著地球旋轉(zhuǎn)一樣。相信大家都明白，地球并不是宇宙的中心，星體并不會繞著地球轉(zhuǎn)。星體在天空中繞著我們旋轉(zhuǎn)，是因為地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的錯覺，天球本身是不會移動的。我們身在地球中，并不會感覺自己在轉(zhuǎn)動的，就好像們乘坐火車時看見窗外的景物向后移動，而并不感覺到自己在移動中。 天球是一個直觀的假象球，其形成的原因是人的肉眼分辨不出天體的遠近。設在地球中心

13、照準空間遠近不等的天體，將各天體方向線延長與天球相交的各投影點稱為各天體在天球上的位置，如圖（3-1）所示。顯然，就存在有兩個或多個天體在天球上的投影位置是重合的。 圖 3-1四 、天球與地球的相關(guān)關(guān)系4.1 天球上與地球公轉(zhuǎn)有關(guān)的圈、線、點黃道在天球上的位置較難確定。所謂黃道是指地球繞著太陽運行的公轉(zhuǎn)軌道平面無限擴大與天球相交截出的大圓，它也是地球公轉(zhuǎn)軌道在天球上的投影。地球每年繞太陽運行一周，但在地球上的人們看來，卻好像是太陽在天空眾星之間繞地球轉(zhuǎn)圈。因此，黃道也就是太陽每年在天球上所作視運動的路線，如圖（4-1）所示。圖41 地球公轉(zhuǎn)軌道與黃道黃極與天極的角距離等于黃道與天赤道的交角，如

14、圖（4-2）所示。圖42 天球赤道與黃道的交點黃道面是地球繞太陽系質(zhì)心運動的平均軌道平面，將這一平面延伸與天球相交的大圈稱為黃道；過天球中心作一條直線垂直與黃道面，這條直線與天球相交于K和K兩點，靠近北天極的K點稱為北黃極，靠近南天極的K點稱為南黃極。黃道面與赤道面的夾角稱為黃赤交角，一般用來表示，其值約為23.5º。天球上距離黃道90°的兩點，即黃道軸與天球相交的兩點，稱黃極?？拷碧鞓O的一點叫北黃極（通常用K表示），靠近南天極的一點叫南黃極（通常用K表示）。二分點和二至點：天球上黃道與赤道相交于和兩點，稱為二分點，即春分點和秋分點。在黃道上距春分點和秋分點90º

15、;的兩個點稱為二至點，即夏至點和冬至點，其中在赤道以北（最北）的那一點稱為夏至點。在赤道以南（最南）的那一點 稱為冬至點。二分圈和二至圈：在天球上通過天極、春分點和秋分點的大圈，稱為二分圈。在天球上通過天極、夏至點和冬至點的大圈，稱為二至圈。4.2 天球上與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的圈、線、點如圖（4-3）所示，我們要經(jīng)常用到的基本圈、線、點為：天軸和天極：通過天球中心（這里為測站點）而與地球瞬時自轉(zhuǎn)軸pp相平行的直線PP稱為天軸，它與天球相交的兩點P和P稱為天極。相應地球北極p的一點P稱為北天極，相應地球南極p的一點P稱為南天極。天頂和天底：測站的瞬時鉛垂線ZZ與天球相交于Z和Z兩點，在觀測者頭頂上方的

16、Z點稱為天頂，與天頂相對的Z點稱為天底。 天球地平面和天球地平圈：通過天球中心而垂直于測站瞬時鉛垂線ZZ的平面ESWN稱為天球地平面，它與天球相交的大圈稱為天球地平圈。 圖43 天球上的主要圈、線、點天球赤道面和天球赤道：通過天球中心而與天軸PP垂直的平面EQWQ稱為天球赤道面（簡稱赤道面），它與天球相交的大圈EQWQ稱為天球赤道（簡稱赤道）。其中在天球地平面之上的赤道圈上的點Q稱為赤道上點；與赤道上點Q相對應的另一點Q稱為赤道下點。天球子午面和天球子午圈：由測站鉛垂線ZZ和北天極P所決定的平面PZPZN稱為天球子午面（或稱天文子午面），它與天球相交的大圈稱為天球子午圈（或稱天文子午圈）。也可

17、以說通過測站天頂Z和北天極P的大圈即為測站的天文子午圈。其中包含天頂Z和赤道上點Q的半圓PZQSP稱為上子午圈，相對的另一半PNQZP稱為下子午圈。子午線和四方點：天球子午面與天球地平面垂直，它們的交線NS稱為子午線。子午線與天球相交于兩點，靠近北天極的那一點N稱為北點，和它相對的另一點S稱為南點。觀測者面向北，在右方地平圈上距南北點各90度的E點稱為東點，在左方與東點相對稱的一點W稱為西點。東南西北四個方向點稱為四方點。東西兩點也是天球赤道圈與天球地平圈的兩個交點。垂直圈和卯酉圈：通過天頂和天底的任意大圈，例如ZbZ稱為垂直圈。其中過東西點的垂直圈稱為卯酉圈。時圈：通過北天極和南天極或包含天

18、軸的任意大圈，例如PbP稱為時圈。我們在地球上隨著地球的自轉(zhuǎn)而不停地繞著地球自轉(zhuǎn)軸由西向東旋轉(zhuǎn)。所以我們相對地看到地球上的日月星辰都像隨著天球繞著地球由東向西旋轉(zhuǎn)，每日旋轉(zhuǎn)一周。因而產(chǎn)生天體東升西落的現(xiàn)象。這種直觀的由于地球由西向東自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的天球或天體的視運動，稱為天球周日視運動或天體周日視運動。在周日視運動中不變的圈、點為：南北天極、地方性圈、點（如：子午圈、地平圈、天頂、天底、四方點等）。赤道則在赤道面上原位旋轉(zhuǎn)。其他的圈線點則均繞天軸旋轉(zhuǎn)。五 、天球坐標系5.1 天球坐標系分類為了表示天體在天球上的位置和進行天文測量的需要，需在天球上建立球面坐標系。要建立天球坐標系，須首先確定兩個基本

19、要素，如圖（5-1）所示：1）基本平面，由天球上某一選定的大圓所確定。大圓稱為基圈，基圈的兩個幾何極之一作為球面坐標系的極。2）原點，由天球上某一選定的過坐標系極點的大圓與基圈的交點所確定。天體在天球坐標系中的位置由兩個球面坐標標定，如圖（5-1）所示：1）經(jīng)向坐標，作過該點和坐標系極點的大圓稱為副圈（或終圈），從原點到副圈與基圈交點的弧長為經(jīng)向坐標。2）緯向坐標，從基圈上起沿終圈到該點的大圓弧長為緯向坐標。天球上任何一點的位置都可以由這兩個坐標唯一地確定。這樣的球面坐標系是正交坐標系。對于不同的基圈和原點，以及經(jīng)向坐標所采用的不同量度方式，可以引出不同的天球坐標系，常用的有地平坐標系、赤道坐

20、標系、黃道坐標系和銀道坐標系等。圖51 天球坐標系的基本要素5.1.1 地平天球坐標系地平天球坐標系是一種最直觀的天球坐標系，和我們?nèi)粘５奶煳挠^測關(guān)系最為密切。取測站的地平圈作為基圈（橫坐標圈），子午圈作為次圈（縱坐標圈），南點為原點的球面坐標系，稱為地平坐標系。它用地平緯度（高度）h或天頂距Z和地平經(jīng)度（方位角）A來表示天體在天球上的位置。地平高度h和天頂距z:過天體作一個垂直圈，設它與地平圈相交于A點，如圖（5-2）所示。圖52 地坪坐標系與時標坐標系從A點沿垂直圈量至天體的弧距A稱為天體的地平高度、或地平緯度、或垂直角，常用h表示。h從地平圈起算，向天頂量為正，向天底量為負，其值由0&#

21、186;到±90º。由天頂至天體的弧距離Z，或在天體垂直面上的平面角ZO，稱為天體的天頂距，一般以z表示，其取值范圍為0º到180º恒為正。天頂距與地平高度的關(guān)系是：z + h = 90º +=地平方位角A：如圖（5-2）所示，通過天體的垂直面與測站的子午面所夾的二面角SZA，或在天球地平面上的平面角SOA，或大圓弧距SA稱為天體的地平經(jīng)度（方位角），用A表示。地平方位角的量算方法：由南點S起算，沿地平圈向西量，取值范圍為0º到360º恒為正；或者由南點S起算，分別沿地平圈向東、和向西量，且約定向西量為正，向東量為負，其值由

22、0º到±180º。5.1.2 時角天球坐標系時角坐標系的基圈是赤道，次圈是子午圈，原點是上點Q（即赤道與子午圈的交點）；此坐標系用赤緯和時角來表示天體在天球上的位置。赤緯：如圖（5-2）所示，通過天體作一時圈，設它與赤道交于點T。由T點沿時圈量至天體的弧距T，稱為天體的赤緯，以表示。赤緯的量度方法：從赤道起算，沿時圈向北天極量為正，向南天極量為負。其值范圍：0º到±90º 。時角t：如圖（5-2）所示，通過天體的時圈面與測站的子午面所夾的二面角QPT、或大圓弧距QT稱為天體的時角，用t表示。時角的量算方法：由上點Q起算沿赤道向西量，取

23、值范圍為：0º到360º，或0到24小時；或者由上點Q起算，分別沿赤道向東西量，由0º到±180º，或0到±12小時，且約定向西量為正，向東量為負。赤緯與周日視運動、測站無關(guān)，時角與周日視運動、測站有關(guān)有。測量時必須說明時刻。否則毫無意義。5.1.3 赤道天球坐標系赤道坐標系的基圈是赤道，次圈是過春分點的極分圈，原點為春分點。 此坐標系用赤緯和赤經(jīng)來表示天體在天球上的位置。赤緯：同時角坐標系。赤經(jīng)：如圖（5-3）所示，過春分點作一極分圈（即過春分點的時圈），并通過天體作一時圈，設它與赤道交于T點。則天體的時圈面與極分圈面所夾的二面角P

24、T，或大圓弧距T稱為天體的赤經(jīng)，以表示。赤經(jīng)的量度方法：從春分點起算，沿赤道按反時針方向（即與周日視運動相反的方向）計量，0到24小時。圖53 赤道坐標系與黃道坐標系5.1.4 黃道天球坐標系：黃道坐標系的基圈是黃道，次圈為過春分點和黃極黃經(jīng)圈，原點為春分點； 它用黃緯和黃經(jīng)l來表示天體在天球上的位置。黃緯：如圖（6-3）所示，通過天體作一黃經(jīng)圈，設它與黃道交于R點。由R點沿黃經(jīng)圈量至天體的弧距R稱為天體的黃緯，以表示。黃緯的度量方法：從黃道起算，沿黃經(jīng)圈向北黃極量為正，向南黃極量為負。其值：0º到±90º。黃經(jīng)：如圖（6-3）所示，過春分點作一黃經(jīng)圈（即過春分點

25、和黃極的大圈），則天體的黃經(jīng)圈面與過春分點的黃經(jīng)圈面所夾的二面角KR，或大圓弧距R稱為天體的黃經(jīng)，以或l表示。黃經(jīng)的量度方法：從春分點起算，沿黃道按反時針方向計量，0º到±360º。5.2 天球坐標系之間的轉(zhuǎn)換天球坐標系是天文學中描述天空中物體位置的坐標系。類似于我們在地球表面上用到的地理坐標系。天球坐標系隨著投影到天球上的坐標格網(wǎng)的不同而不同，沿著大圓將天空分成兩個相等的半球的平面稱為基礎平面，而這種坐標系僅僅會因為基本面的不同而不同。每個坐標系的名字是根據(jù)基本面的選擇而定的。 5.2.1 天文坐標與天球坐標之間的關(guān)系測站的天文緯度定義為測站的瞬時鉛垂線與地球赤

26、道面之間的夾角；測站的地球天文子午面定義為測站的瞬時鉛垂線和地球瞬時北極所決定的平面；而測站的天文經(jīng)度定義為格林尼治天文臺的地球天文子午面與測站的地球天文子午面之間的二面角。另外，測站的地球天文子午面投影到天球上就是測站的天球子午面，而地球赤道面與天球赤道面平行（或在天球上重合）。圖54 天文坐標與天球坐標根據(jù)圖（5-4）所示，天球坐標與天文坐標間存在兩個重要關(guān)系：1）測站的天文緯度等于北天極的地平高度，也等于測站天頂?shù)某嗑?，即?F = z + = zdF=+=2）地面A、B兩地同時觀測同一天體的時角之差（tA - tB），等于A、B兩地的天文經(jīng)度之差（A - B），即：ll-=-A - B

27、 = tA - tB顯然，若測站與各林尼治天文臺同步觀測一天體，則有A G = tA tG ，但G = 0，故有：A = tA tG由此可知，地面上任意一測站的天文經(jīng)度，等于測站與各林尼治天文臺在同一瞬間觀測同一天體的時角之差。5.2.2 地平坐標與時角坐標之間的關(guān)系根據(jù)圖（5-2）所示，由天頂Z、北天極P和天體為頂點構(gòu)成的球面三角形稱為定位三角形（也稱天文三角形），局部圖見圖（5-5）。圖55 定位三角形在此定位三角形中，各邊、角的數(shù)值如下：= 900 ， = 900 ， = zPZ = t， ZP = 1800 - A而PZ = q 一般稱為星位角。 根據(jù)球面三角形的邊余弦公式可得：根據(jù)正

28、弦公式可得：根據(jù)五元素公式可得： 及關(guān)系式：因此，天體的地平坐標z、A和時角坐標t、與測站的天文坐標存在以上關(guān)系。5.2.3 天球直角坐標系及其轉(zhuǎn)換地平直角坐標系：坐標原點在天球中心，Z軸指向天頂Z，X軸指向地平坐標系的原點南點S，由于地平方位角是由南點順時針量起（從Z軸往下看），因此Y軸應該在X軸的右側(cè)指向西點W。地平直角坐標系形成左手系。天體的直角坐標與其地平坐標的關(guān)系為：時角直角坐標系：坐標原點在天球中心，Z軸指向北天極P， X軸指向時角坐標系的原點赤道上點Q，由于時角是由上點Q順時針量起（從Z軸往下看），因此Y軸應該也在X軸的右側(cè)指向西點W。時角直角坐標系形成左手系，天體的直角坐標與其

29、時角坐標的關(guān)系為：可見時角直角坐標系與地平直角坐標系有共同的Y軸，兩個坐標系X軸或Z軸之間的夾角為測站的天文余緯度，即：900 。赤道直角坐標系：坐標原點在天球中心，Z軸指向北天極P，X軸指向時角坐標系的原點春分點，由于赤經(jīng)是由春分點逆時針量起（從Z軸往下看），因此Y軸應該在X軸的左側(cè)90º。赤道直角坐標系形成右手系，天體的直角坐標與其赤道坐標的關(guān)系為：可見赤道直角坐標系與時角直角坐標系有共同的Z軸，兩個坐標系X軸或Y軸之間的夾角為春分點的時角tr ，即地方恒星時S。黃道直角坐標系：坐標原點在天球中心，Z軸指向北黃極K，X軸指向黃道坐標系的原點春分點，由于黃經(jīng)是由春分點逆時針量起（從Z軸往下看），因此Y軸應該在X軸的左側(cè)90º。黃道直角坐標系形成右手系，天體的直角坐標與其黃道坐標的關(guān)系為：可見黃道直角坐標