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#天文导航# 4. 导航天文知识

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By Young Friday
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#天文导航# 4. 导航天文知识

导航天文知识

1. 星座、星名和星表

1.1 星座与星名

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1.2 星表

  • 记载天体各种参数（如位置、运动、星等、光谱型等）的表册

  • 基本星表：将各个不同系统的绝对测定的星表，进行综合处理后得到高精度的星表

    1. 奥韦尔斯星表（德国）
    2. 美国海军天文台A2.0星表（目前星数最多）
    3. 依巴谷与第谷星表(欧洲)
    4. SAO（美国）

2. 天体的视运动

2.1 天体的中天

午圈与子圈以地平圈为分界线，午圈在上，子圈在下

  • 天体上中天：周日视运动的天体过测者午圈

    1. 天体在天顶以南

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      \[\Phi>\delta,\ Z=\Phi-\delta\]

    2. 天体在天顶以北

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      \[\Phi<\delta,\ Z=\delta-\Phi\]

  • 天体下中天：周日视运动的天体过测者子圈

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    \[Z=180\degree-(\delta+\Phi)\]

2.2 永不落与永不升天体

以下讨论针对北半球

  • 永不落天体

    \[\delta>90\degree-\Phi\]

  • 永不升天体

    \[\delta<-(90\degree-\Phi)\]

2.3 太阳的周年视运动现象

  • 太阳的周年视运动：地球绕太阳公转，地球上的观测者见到的是太阳在一年内沿着黄道在星空背景下逆时针方向（从北黄极K看）转动一周
  • 太阳一年里每天出没的方位、昼夜长短和中天高度有所变化
  • 地球公转运动方向从北黄极或天北极看，是逆时针方向
  • 太阳在天球赤道坐标系上的轨迹是在两个回归线间（赤纬23°26′～ -23°26′）一个螺旋线，从夏至点－秋分点－冬至点－春分点－夏至点，周而复始。

3. 岁差和章动

  • 岁差和章动：

    天球上这些起始点、基本圈的变化是地球在空间运动状态受其他天体摄动的结果。由于天球坐标系随时间 $t$ 变化，而引起的天体坐标值的不同

3.1 岁差

3.1.1 赤道岁差（日月岁差）

  • 由于太阳、月亮和行星对地球赤道隆起部分的摄动，使得地球自转轴的方向在空间不断地运动，其中赤道平天极绕黄轴的进动被称为赤道岁差

  • 由于主要影响来自太阳（约占1/3）和月亮（约占2/3），赤道岁差通常也被称为日月岁差

  • 日月岁差不改变黄赤交角

春分点西移

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  • 太阳对地球赤道隆起部分产生外力矩，使得地球自转轴 $PP’$ 在空间绕黄轴产生进动，天极 $P$ 的轨迹是一个天球小圆，从北黄极看是顺时针，周期约为26000年，这导致春分点每年西移 $50’‘.2564$

3.1.2 黄道岁差

  • 黄道岁差

    由于其他行星轨道相对于黄道存在轨道倾角，对地月系产生摄动，使得黄道面绕地球瞬时自转轴也有进动，它的长期项称为黄道岁差。

  • 黄道总岁差

    黄道岁差使得春分点 $\varUpsilon $ 沿赤道东移 0.13’‘/年，日月岁差使春分点 $\varUpsilon$ 沿黄道西移约 50’‘.39/年，但两者总的影响导致春分点西行后退，称为黄经总岁差。

3.2 章动

  • 章动：

    长周期（26000年）平均运动部分称为岁差，附加在平均运动上的短周期摆动称为章动

  • 章动是真天极绕着平天极的周期性运动，其主要项与月亮轨道升交点黄经有关

  • 基本原理：月球对于地球赤道隆起部分有引力分量构成外力矩，使得地球自转轴绕白极产生进动，白极绕黄极一圈18.6年——章动的主要项周期

3.3 岁差和章动衍生的基本概念

  1. 真天极和平天极
    • 周期为26000年的平均进动所确定的天极称为平天极
    • 进动加上章动所确定的天极称为真天极
  2. 真赤道和平赤道
    • 平均进动决定的赤道面，不包含章动引起的短期变化
    • 由进动和章动共同作用决定的赤道面
  3. 真春分点和平春分点
    • 周期为26000年平均进动决定的春分点，不包括章动造成的短期变化
    • 由岁差和章动共同决定的春分点
  4. 真位置和平位置
    • 天体的位置由平天极、平赤道、平春分点等基准确定，不考虑章动引起的细微变化
    • 天体在真天极、真赤道、真春分点为基准下的实际位置，包含了岁差和章动的综合效应
  5. 回归年与恒星年
    • 太阳连续两次经过瞬时平春分点的时间间隔
      • 由于岁差的作用，春分点相对于恒星逐渐向西移动，因此回归年略短于恒星年
      • 回归年的长度为约365.2422天，与季节周期相关
    • 从地球上观测，以太阳处于某一恒星的天体时圆，作为起点，当太阳再次回到这个天体时圆所经历的时长
      • 恒星年的长度为约365.2564天，与地球绕太阳的真实轨道周期对应
      • 恒星年是地球公转的实际物理周期，恒星年要长于回归年

3. 极移

  • 地球是一个弹性的拖球体，在外力作用下，地球自转轴也要发生变化，地球自转轴在地球本体内的运动称为地极移动。
    • 认为，地极移动不改变天极在空间的趋向，它只影响地面各点的地理经纬度

4. 光行差

  • 指运动中的观测者所观测到的天体的视方向与在同一瞬间、同一地点静止的观测者所观测到的同一天体的真方向之差。

  • 光行差的大小与观测者的运动速度成正比，与光速成反比，也与观测者至天体的视方向和观测者运动方向之间的夹角有关

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    \[\tan \alpha=v/c\]

    其中 $\alpha$ 为光行差角

4.1 周日光行差

  • 周日光行差：地球自转造成的光行差
  • 由于地球自转速度很小，周日光行差角很小，最大不足1角秒，常忽略

4.2 周年光行差

  • 周年光行差：地球公转引起的光行差
  • 地球公转速度为 29.75km/s ，所以依据光行差公式可以计算得到最大光行差角α约为20″.47，这个数值称为光行差常数

5. 天体的亮度和星等

5.1 亮度

  • 恒星的亮度：在观测点与视轴垂直的平面上星光产生的照度，照度是指单位面积上的光通量，单位勒克斯(lx)
  • 星光很微弱，虽然以照度定义，但不用lx来描述

5.2 星等

  • 恒星分6等，全天最亮的星为1等星，最暗的肉眼勉强可看的星为6等星，人眼视觉感受和实际亮度的关系服从对数规律：

    \[m_2-m_1=-2.5\log_{10}{(E_2/E_1)}\]

    • $m_1$ 和 $m_2$ 分别是两颗星的星等。

    • $L_1$ 和 $L_2$ 分别是两颗星的实际亮度。

    • 负号表明星等越小，亮度越大

    • 如果两颗星的星等相差1，则实际亮度之比是：

      \[\frac{E_1}{E_2} = 2.512\]

  • 星等对应着天体的视觉亮度，因此也称为视星等

5.3 星等范围的扩展

  • 比1等星亮的还有0等星（织女星），负等星，比如天狼星为-1.4，太阳的视星等为-26.7，月球满月的星等为-12.6 。

  • 比6等星更暗的还有7等星、8等星、9等星…，人眼力所不能及，只有依靠大型望远镜及光学敏感器件（比如CCD）来测量

  • 0等星的亮度 $E_0=2.54\times10^{-6}$ 勒克斯，作为单位1，是恒星亮度的单位，星等为m的照度则为：

    \[E=E_010^{-0.4m}=E_02.512^{-m}\]

5.4 大气消光

  • 星光穿过大气层，会受到大气分子、原子的吸收和散射而使强度减弱，称为大气消光
  • 在地面对星等的确立应以改正过大气消光的星的亮度，即地球大气外的恒星亮度为依据
NOTES, Navigation Systems
Celestial Navigation
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