一种新型六区大圆天球坐标系的制作方法
专利名称：一种新型六区大圆天球坐标系的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型六区大圆天球坐标系，属于天文学基础理论领域。
背景技术：
公元前334年，随亚历山大东征的地理学家尼尔库斯为绘制一幅“世界地图”，根据天体自转引起的季节、昼夜变化，在地球上第一次划出了一条纬线。此后，以经度、纬度为基本单位的天球坐标系走上了历史舞台，在人类航海、航空的发展历程中发挥了巨大作用。常用的传统天球坐标系主要包括赤道坐标系和黄道坐标系，如
图1、图2所示。①赤道坐标系以天赤道为基本大圆，春分点为基本点，以赤经、赤纬为坐标。②黄道坐标系以黄道为基本大圆，春分点为基本点，以黄经、黄纬为坐标。随着人类从陆地、海洋、地球南北极、天空、空间一直到深空的探索领域的不断拓展，这种基于天体自转思想的经典天球坐标系逐渐显露出其局限性，表现在只有赤道主比例尺没有变形，局部比例尺随纬度增加而变形增大，导致利用经纬圈划分的天区极不均勻。 比如，衍生的墨卡托海图的纬度渐长性问题；潜艇穿越北极冰盖的经纬度定位问题；指北方位惯导系统在高纬度地区指令角速度急剧增大，陀螺力矩器指令电流很大，稳定回路设计困难；单从卫星轨道动力学角度考虑，南北极区域并无特殊性，深空探测很多情形下视地球为质点等。工程中遇到的这些问题，与传统天球坐标系的固有缺陷有关，源于极点及纬圈的观念，新型六区大圆天球坐标系则存在观念上的不同，将有助于解决此类问题。
发明内容
1.本发明的目的是提供一种新型六区大圆天球坐标系，可以改善传统天球坐标系历来存在的一些问题，比如受南北极及纬圈小圆影响出现的极区经度分辨困难，局部比例尺变形导致利用经纬圈划分天球不均勻等问题，该新型天球坐标系可以提高坐标的空间均勻性。2.本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明提供一种新型六区大圆天球坐标系，可以直观想象为一个立方体吹气膨胀为一个圆球，出现六个均等天球区域。各区新型坐标完全由大圆确定。包括以下3项内容(1)坐标系的构建如图3所示，定义六区原点，F 春分点T，B 秋分点，U 天北极，D 天南极，L 天赤道上与春分点相隔-90°的点，R 天赤道上与春分点相隔90°的点。以这六点为端点构造大圆，将天球划分为相同六区。围绕六区原点的相应天球区域定义为前区(Front)、后区 (Back)、左区(Left)、右区(Right)、上区(Up)、下区(Down)。以前区为例，如图4所示。以L、R为端点构造大圆，使其所在平面与天赤道所在平面构成的二面角为士45° ；以U、D为端点构造大圆，使其所在平面与90° E经线圈所在平面构成的二面角为士45°。这四段大圆弧围绕春分点T构成的区域(青色)即为前区； 其它五区定义类似。
(2)坐标六区坐标定义模式相同，以前区和上区为例进行说明。如图4所示，A为前区内任一位置点，前区坐标为前区经度(α F，简称前经)、前区纬度(δ F，简称前纬)，前经和前纬定义如下①前经过UAD的球面直线与过UFD的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前经。按右手定则，规定绕球心轴线UD逆时针方向为正，顺时针方向为负。前经在球面直线LFR上标刻。②前纬过LAR的球面直线与过LFR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前纬。按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负。前纬在球面直线UFD上标刻。如图5所示，上区内任一位置点仍标记为A，上区坐标为上区经度(αυ，简称上经)、上区纬度(δ υ，简称上纬)，上经和上纬定义如下①上经过BAF的球面直线与过BUF的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上经。按右手定则，规定绕球心轴线BF逆时针方向为正，顺时针方向为负。上经在球面直线LUR上标刻。②上纬过LAR的球面直线与过LUR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上纬。按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负。上纬在球面直线BUF上标刻。表1总结了六区大圆天球坐标系六区的坐标定义。(3)坐标转换a、六区大圆天球坐标系与赤道坐标系的坐标转换公式表2总结了六区新型坐标系坐标与赤道坐标系坐标的转换公式。b、六区大圆天球坐标系与赤道坐标系的坐标转换公式空间直角坐标系Ο-xyz定义如下以球心0为原点，χ轴指向春分点，ζ轴指向天北极，y轴方向由右手定则确定。其与六区大圆天球坐标系的坐标转换公式为
权利要求
1. 一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于该坐标系具体定义如下(1)坐标系的构建定义六区原点，F 春分点T，B 秋分点，U 天北极，D 天南极，L 天赤道上与春分点相隔-90°的点，R 天赤道上与春分点相隔90°的点；以这六点为端点构造大圆，将天球划分为相同六区，围绕六区原点的相应天球区域定义为前区(Front)、后区(Back)、左区 (Left)、右区(Right)、上区(Up)、下区(Down)，以前区为例，以L、R为端点构造大圆，使其所在平面与天赤道所在平面构成的二面角为士45°，以U、D为端点构造大圆，使其所在平面与90° E经线圈所在平面构成的二面角为士45°，这四段大圆弧围绕春分点T构成的区域即为前区，其它五区定义类似；(2)坐标六区坐标定义模式相同，以前区和上区为例进行说明定义A点为前区内任一位置点，前区坐标为前区经度(aF，简称前经)、前区纬度(δρ， 简称前纬)，前经和前纬定义如下①前经过UAD的球面直线与过UFD的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前经，按右手定则，规定绕球心轴线UD逆时针方向为正，顺时针方向为负，前经在球面直线 LFR上标刻，②前纬过LAR的球面直线与过LFR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前纬，按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负，前纬在球面直线 UFD上标刻；上区内任一位置点仍标记为Α，上区坐标为上区经度(α υ，简称上经)、上区纬度(δυ， 简称上纬)，上经和上纬定义如下①上经过BAF的球面直线与过BUF的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上经，按右手定则，规定绕球心轴线BF逆时针方向为正，顺时针方向为负，上经在球面直线 LUR上标刻，②上纬过LAR的球面直线与过LUR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上纬，按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负，上纬在球面直线 BUF上标刻；表1总结了六区大圆天球坐标系六区的坐标定义表1六区大圆天球坐标系六区的坐标定义天球区域原点坐标赤经/赤炜范围(° )前区F(αΡ,δΡ) e [315, 45) <5 e [-45, 45]后区B( V)a e [135, 225) <5 e [-45, 45]左区L(a,Sl)a e [225, 3 15) <5 e [-45, 45]右区R(aR,SR)a e [45, 1 35) <5 e [-45, 45]上区U(αυ,δυ)a e
下区D(οΡ,δ°)ae
2.根据权利要求1所述的一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于新型六区大圆天球坐标系与赤道坐标系、空间直角坐标系间的坐标转换关系如下表2六区大圆天球坐标系坐标与赤道坐标系坐标的转换公式天球区域「_赤经/赤纬转换公式_
3.根据权利要求2所述的一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于天球上任意两点间的球面直线长度(即大圆弧弧长)的计算公式如下定义M、N为天球上任意两点，则根据其六区大圆天球坐标系坐标可求得这两点的球心角θ (即球面直线长度)表示为
全文摘要
本发明提供一种新型六区大圆天球坐标系，属于天文学基础理论领域。传统天球坐标系的建立与地球自转、南北极及纬圈观念相关，纬圈是小圆，历来存在极区经度分辨困难和因经度比例尺随纬度变形导致天球划分不均的问题。本发明设计了一种新型六区大圆天球坐标系，将天球划分为6个相同区域，各区新型坐标完全由大圆构建；推导了其与赤道坐标系、空间直角坐标系的坐标转换关系，公式简洁。新型坐标系定义直观，等同处理天球六区，没有南北极及纬圈观念影响，区域划分更加均匀；不增加坐标转换的计算复杂度，适于推广通用。随着人们在南北极的开发、卫星轨道设计尤其是深空探测领域的不断拓展，新型坐标系具有潜在应用价值。
文档编号G09B27/06GK102568300SQ20111044919
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者李钦, 王海涌 申请人:北京航空航天大学
技术领域：
本发明涉及一种新型六区大圆天球坐标系，属于天文学基础理论领域。
背景技术：
公元前334年，随亚历山大东征的地理学家尼尔库斯为绘制一幅“世界地图”，根据天体自转引起的季节、昼夜变化，在地球上第一次划出了一条纬线。此后，以经度、纬度为基本单位的天球坐标系走上了历史舞台，在人类航海、航空的发展历程中发挥了巨大作用。常用的传统天球坐标系主要包括赤道坐标系和黄道坐标系，如
图1、图2所示。①赤道坐标系以天赤道为基本大圆，春分点为基本点，以赤经、赤纬为坐标。②黄道坐标系以黄道为基本大圆，春分点为基本点，以黄经、黄纬为坐标。随着人类从陆地、海洋、地球南北极、天空、空间一直到深空的探索领域的不断拓展，这种基于天体自转思想的经典天球坐标系逐渐显露出其局限性，表现在只有赤道主比例尺没有变形，局部比例尺随纬度增加而变形增大，导致利用经纬圈划分的天区极不均勻。 比如，衍生的墨卡托海图的纬度渐长性问题；潜艇穿越北极冰盖的经纬度定位问题；指北方位惯导系统在高纬度地区指令角速度急剧增大，陀螺力矩器指令电流很大，稳定回路设计困难；单从卫星轨道动力学角度考虑，南北极区域并无特殊性，深空探测很多情形下视地球为质点等。工程中遇到的这些问题，与传统天球坐标系的固有缺陷有关，源于极点及纬圈的观念，新型六区大圆天球坐标系则存在观念上的不同，将有助于解决此类问题。
发明内容
1.本发明的目的是提供一种新型六区大圆天球坐标系，可以改善传统天球坐标系历来存在的一些问题，比如受南北极及纬圈小圆影响出现的极区经度分辨困难，局部比例尺变形导致利用经纬圈划分天球不均勻等问题，该新型天球坐标系可以提高坐标的空间均勻性。2.本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明提供一种新型六区大圆天球坐标系，可以直观想象为一个立方体吹气膨胀为一个圆球，出现六个均等天球区域。各区新型坐标完全由大圆确定。包括以下3项内容(1)坐标系的构建如图3所示，定义六区原点，F 春分点T，B 秋分点，U 天北极，D 天南极，L 天赤道上与春分点相隔-90°的点，R 天赤道上与春分点相隔90°的点。以这六点为端点构造大圆，将天球划分为相同六区。围绕六区原点的相应天球区域定义为前区(Front)、后区 (Back)、左区(Left)、右区(Right)、上区(Up)、下区(Down)。以前区为例，如图4所示。以L、R为端点构造大圆，使其所在平面与天赤道所在平面构成的二面角为士45° ；以U、D为端点构造大圆，使其所在平面与90° E经线圈所在平面构成的二面角为士45°。这四段大圆弧围绕春分点T构成的区域(青色)即为前区； 其它五区定义类似。
(2)坐标六区坐标定义模式相同，以前区和上区为例进行说明。如图4所示，A为前区内任一位置点，前区坐标为前区经度(α F，简称前经)、前区纬度(δ F，简称前纬)，前经和前纬定义如下①前经过UAD的球面直线与过UFD的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前经。按右手定则，规定绕球心轴线UD逆时针方向为正，顺时针方向为负。前经在球面直线LFR上标刻。②前纬过LAR的球面直线与过LFR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前纬。按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负。前纬在球面直线UFD上标刻。如图5所示，上区内任一位置点仍标记为A，上区坐标为上区经度(αυ，简称上经)、上区纬度(δ υ，简称上纬)，上经和上纬定义如下①上经过BAF的球面直线与过BUF的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上经。按右手定则，规定绕球心轴线BF逆时针方向为正，顺时针方向为负。上经在球面直线LUR上标刻。②上纬过LAR的球面直线与过LUR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上纬。按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负。上纬在球面直线BUF上标刻。表1总结了六区大圆天球坐标系六区的坐标定义。(3)坐标转换a、六区大圆天球坐标系与赤道坐标系的坐标转换公式表2总结了六区新型坐标系坐标与赤道坐标系坐标的转换公式。b、六区大圆天球坐标系与赤道坐标系的坐标转换公式空间直角坐标系Ο-xyz定义如下以球心0为原点，χ轴指向春分点，ζ轴指向天北极，y轴方向由右手定则确定。其与六区大圆天球坐标系的坐标转换公式为
权利要求
1. 一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于该坐标系具体定义如下(1)坐标系的构建定义六区原点，F 春分点T，B 秋分点，U 天北极，D 天南极，L 天赤道上与春分点相隔-90°的点，R 天赤道上与春分点相隔90°的点；以这六点为端点构造大圆，将天球划分为相同六区，围绕六区原点的相应天球区域定义为前区(Front)、后区(Back)、左区 (Left)、右区(Right)、上区(Up)、下区(Down)，以前区为例，以L、R为端点构造大圆，使其所在平面与天赤道所在平面构成的二面角为士45°，以U、D为端点构造大圆，使其所在平面与90° E经线圈所在平面构成的二面角为士45°，这四段大圆弧围绕春分点T构成的区域即为前区，其它五区定义类似；(2)坐标六区坐标定义模式相同，以前区和上区为例进行说明定义A点为前区内任一位置点，前区坐标为前区经度(aF，简称前经)、前区纬度(δρ， 简称前纬)，前经和前纬定义如下①前经过UAD的球面直线与过UFD的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前经，按右手定则，规定绕球心轴线UD逆时针方向为正，顺时针方向为负，前经在球面直线 LFR上标刻，②前纬过LAR的球面直线与过LFR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的前纬，按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负，前纬在球面直线 UFD上标刻；上区内任一位置点仍标记为Α，上区坐标为上区经度(α υ，简称上经)、上区纬度(δυ， 简称上纬)，上经和上纬定义如下①上经过BAF的球面直线与过BUF的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上经，按右手定则，规定绕球心轴线BF逆时针方向为正，顺时针方向为负，上经在球面直线 LUR上标刻，②上纬过LAR的球面直线与过LUR的球面直线所在平面构成的二面角，即为A点的上纬，按右手定则，规定绕球心轴线LR逆时针方向为正，顺时针方向为负，上纬在球面直线 BUF上标刻；表1总结了六区大圆天球坐标系六区的坐标定义表1六区大圆天球坐标系六区的坐标定义天球区域原点坐标赤经/赤炜范围(° )前区F(αΡ,δΡ) e [315, 45) <5 e [-45, 45]后区B( V)a e [135, 225) <5 e [-45, 45]左区L(a,Sl)a e [225, 3 15) <5 e [-45, 45]右区R(aR,SR)a e [45, 1 35) <5 e [-45, 45]上区U(αυ,δυ)a e
下区D(οΡ,δ°)ae
2.根据权利要求1所述的一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于新型六区大圆天球坐标系与赤道坐标系、空间直角坐标系间的坐标转换关系如下表2六区大圆天球坐标系坐标与赤道坐标系坐标的转换公式天球区域「_赤经/赤纬转换公式_
3.根据权利要求2所述的一种新型六区大圆天球坐标系，其特征在于天球上任意两点间的球面直线长度(即大圆弧弧长)的计算公式如下定义M、N为天球上任意两点，则根据其六区大圆天球坐标系坐标可求得这两点的球心角θ (即球面直线长度)表示为
全文摘要
本发明提供一种新型六区大圆天球坐标系，属于天文学基础理论领域。传统天球坐标系的建立与地球自转、南北极及纬圈观念相关，纬圈是小圆，历来存在极区经度分辨困难和因经度比例尺随纬度变形导致天球划分不均的问题。本发明设计了一种新型六区大圆天球坐标系，将天球划分为6个相同区域，各区新型坐标完全由大圆构建；推导了其与赤道坐标系、空间直角坐标系的坐标转换关系，公式简洁。新型坐标系定义直观，等同处理天球六区，没有南北极及纬圈观念影响，区域划分更加均匀；不增加坐标转换的计算复杂度，适于推广通用。随着人们在南北极的开发、卫星轨道设计尤其是深空探测领域的不断拓展，新型坐标系具有潜在应用价值。
文档编号G09B27/06GK102568300SQ20111044919
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者李钦, 王海涌 申请人:北京航空航天大学
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