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行星的位置计算

vsop87行星理论
许剑伟 莆田十中

[摘要]:行星运动理论有很多种,遗憾的是国内并没有公开发表的系统的行星理论。因此,要想计算行星位置,只能使用国外的或历史上天文学家的天体运动理论进行计算。本文介绍法国天文台的VSOP行星理论,非常适合职业天文学家、业余天文学家甚至普通高中生使用,可得到高精度的行星位置坐标。

[正文]:

随着新课程的推进,我们发现高中物理所涉及的内容越来越广泛,它与现代科学、技术结合得越来越紧密了。比如,现行的高中课程中已涉及半导体技术,然而,不了解半导体技术的教师却不是少数;再比如,高中课程中已讲述了完整的牛顿运动定律、开普勒定律等,大家似乎完全围绕着高考完成教学工作,很少人利用这些定律进行真正的天文计算方面的研究,以至我们的学生根本就不知道这方面的计算是如何进行的,相反,在国外却可找到大量适合中学生掌握的天文计算方法。在这种背景下,中学物理教育工作者有必要更广泛学习、研究现代科学方法,扎实推进新课程改革。本文介绍一种非常容易实现的现代的行星位置计算方法。

一、选择适当的理论:

目前,人们已掌握多种大行星运动理论,可供我们选择的方法分类如下:

1)直接利用开普勒行星三定律。此类方法属运动学范畴,可获0.01度的黄经精度;

2)拉普拉斯等牛顿的忠实信徒们,利用牛顿定律,结合适当的数学方法得到的行星位置的解析解,此类方法属动力学范畴,称为解析法;

3)运用牛顿定律,直接利用计算机进行数值积分得到超高精度的结果(现代方法)。比较著名的是美国国家航空航天局下属的喷气推进实验室的DE系列星历表。2005年以后的中国紫金山天文台出版的《中国天文年历》就是利用DE405星表推算的。

4)改良前人的解析法解法,使之适合计算机计算(现代方法),此类方法常称为半解析法。这些方法的精度已经非常接近DE系列星历表。

适合中学生及教师的方法是第1种及第4种方法。当然,还须做适当的简化处理,以方便大家理解。本文重点介绍著名的是半解析法VSOP87行星理论,利用它可取得非常高的精度。

二、计算方法:

1982年,巴黎的P.Bretagnon发表了他的行星理论VSOP82。VSOP是“Variations Seculaires des Orbites Planetaires”的缩写。VSOP82由大星行(水星到海王星)的长长的周期项序列组成。给定一个行星及一个时间,对它的序列取和计算,即可获得密切轨道参数。

不过VSOP82方法有个不便之处是,当不需要完全精度时,应在何处截断?幸运的是,1987年 Bretagnon 和 Francou 创建了VSOP87行星理论,它提供了直接计算行星日心坐标的周期序列项。也就是说可直接算得:任意时刻的日心黄经L、日心黄纬B、行星到太阳的距离R。


要注意的是,L是行星的的真黄经,不是轨道经度。如图,x’是行星的真位置,x是平位置(所谓平位置可理解为把行星运动看匀速圆周运动得到的位置),轨道经度是γN + NX',这两段角度分别在两条不同的轨道上。通过行星的真位置x'垂直画一条黄经线,在黄道上交于x",那么γx"就是黄经L。虽然VSOP82及VSOP87方法已在国际天文文献上发表,但与其相关的数据是保存在电脑磁盘上的,而且数据量非常大,对于我们来说,并不要求超高精度计算,所以需通过适当变换,截取主要周期项进行计算。笔者通过适当的数学方法,提取了地球的主要周期项数据(详见附表),再通过本文的方法可得到3角秒的精度(-2000至6000年范围内)。这种方法本质上与VSOP87方法是相同的,主要不同之处是做了数据截断处理,计算量非常小
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