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Celestia/軌跡

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來自華夏公益教科書

簡介

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Celestia 中物件的軌道和軌跡是預定義的。它們定義在 Celestia 啟動時載入。

Celestia 不計算任何引力效應。所有引力效應都必須包含在軌道和軌跡定義中。引力效應已包含在 Celestia 的 VSOP87 CustomOrbits 和 JPL DE405 星曆檔案中，這些檔案可用於 CustomOrbits，以及 NASA 的 SPICE 星曆檔案中，這些檔案可用於 SpiceOrbits，以及 Celestia 中包含的航天器的 SampledOrbits。

在許多情況下，Celestia 假設一個物體將始終在同一時間處於同一位置。週期性軌道為它們繪製了軌道路徑。

CustomOrbit、EllipticalOrbit 和 SampledOrbit 指令被所有版本的 Celestia 識別。FixedPosition、SpiceOrbit 和 ScriptedOrbit 是新的指令，需要 Celestia v1.5.0 或更高版本。

預設情況下，如果 SSC 或 STC 物體繞恆星或 STC 重心執行，則軌跡相對於我們太陽系的 J2000 黃道面定義。如果 SSC 物體繞另一個 SSC 物體執行，則其軌跡相對於母體 J2000 赤道定義。在 Celestia v1.5.0 或更新版本中，您還可以選擇在 SSC 目錄 中指定許多其他 參考系 之一。這些新的軌道和參考系指令尚未在 STC 檔案 中識別。

以下是 SSC 檔案中識別的軌道和軌跡指令列表。更多資訊可在頁面 Celestia/SSC File 上找到。

FixedPosition

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需要 Celestia 1.5.0

FixedPosition 軌跡型別使物體中心在其 參考系 中保持靜止。

用法

FixedPosition [ <x> <y> <z> ]

座標單位對於繞恆星或重心執行的物體為天文單位，對於所有其他物體為公里。

替代用法 (需要 Celestia 1.6.0)

使用球面座標而不是直角座標來指定固定位置可能很方便，因此 Celestia 提供了 FixedPosition 的另一種形式

FixedPosition
{
    Planetographic [ <longitude> <latitude> <altitude> ]
}

經度和緯度以度為單位；高度是高於母體表面以公里為單位的高度。

EllipticalOrbit

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EllipticalOrbit 可以用於 SSC 檔案 或 STC 檔案 中。

用法

EllipticalOrbit
{
    Period <number>

    SemiMajorAxis <number>
    PericenterDistance <number>

    ArgOfPericenter <degrees> 
    LongOfPericenter <degrees> 

    MeanAnomaly <degrees> # default: 0
    MeanLongitude <degrees>

    Eccentricity <number> # default: 0

    Inclination <degrees> # default: 0.0

    AscendingNode <degrees> # default = 0.0 

    Epoch <date> # default: J2000.0
}

有效的 EllipticalOrbit 需要指定 Period 和 SemiMajorAxis（或 PericenterDistance）。所有其他屬性都有預設值，是可選的。

週期

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對於繞恆星或重心執行的物體，軌道週期以地球年為單位給出，對於所有其他物體，以地球太陽日為單位給出。

一些軌道引數可以用兩種不同的方式指定。

SemiMajorAxis

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軌道的大小可以用 SemiMajorAxis 或 PericenterDistance 來給出。後者對於雙曲線軌道更直觀。如果同時指定 SemiMajorAxis 和 PericenterDistance，SemiMajorAxis 將覆蓋 PericenterDistance。SemiMajorAxis 和 PericenterDistance 的單位對於繞恆星或重心執行的物體為天文單位，對於所有其他物體為公里。

ArgOfPericenter

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近心點角由 ArgOfPericenter 或 LongOfPericenter 給出。ArgOfPericenter 從升交點測量，而 LongOfPericenter 從基本方向測量。如果同時指定 ArgOfPericenter 和 LongOfPericenter，ArgOfPericenter 將覆蓋 LongOfPericenter。

MeanAnomaly

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物體在 Epoch 時的軌道位置由 MeanAnomaly 或 MeanLongitude 給出。MeanAnomaly 從近心點角測量，而 MeanLongitude 從基本方向測量。如果同時指定 MeanAnomaly 和 MeanLongitude，MeanAnomaly 將覆蓋 MeanLongitude。

偏心率

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決定軌道的形狀。事實上，名稱 EllipticalOrbit 有點誤導，因為軌道可能是圓形、橢圓形、拋物線形或雙曲線形，具體取決於偏心率

  • 偏心率 = 0 – 圓形
  • 0 < 偏心率 < 1 – 橢圓形
  • 偏心率 = 1 – 拋物線形
  • 偏心率 > 1 – 雙曲線形

如果沒有提供 Eccentricity，則假設為圓形。

傾角

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可選地用於指定軌道相對於其參考平面的傾斜程度。預設情況下，該平面是對於繞恆星或重心執行的物體的黃道面，以及對於所有其他物體的母體赤道。從 Celestia v1.5.0 開始，可以指定許多不同的參考平面。有關詳細資訊，請參見 參考系。如果沒有指定 Inclination，則假設值為 0 度。

升交點

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可選地定義軌道中物體穿過參考平面“向上”或“向北”運動時的經度。它從基本方向以度為單位測量。如果沒有指定 AscendingNode，則假設值為 0 度。

曆元

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可選地指定這些引數有效的日期。它可以以數字或引號字串的形式提供。數字被解釋為儒略日。引號字串被解釋為格里高利日期，格式為“<year> <month> <day> <hours>:<minutes:<seconds>”，例如“2007 10 09 12:13:14”。如果省略 Epoch，則假設日期為 2000 年 1 月 1 日。

從 Celestia v1.5.0 開始，Epoch 必須以 TDB 指定。有關 TDB 和 UTC 的更多資訊，請參見 Celestia/時間尺度。

CustomOrbit

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CustomOrbit 是 Celestia 中內建的軌道計算。所有主要行星和大多數較大衛星的軌道理論都可用。有效的標準 CustomOrbit 名稱列在下面。從 Celestia v1.5.0 開始，可以提供 JPL DE405 星曆。有關詳細資訊，請參見 JPL 星曆。CustomOrbit 優先於 EllipticalOrbit，但指定了無法識別的名稱的 CustomOrbit 將被忽略。

用法

CustomOrbit <name>

示例

CustomOrbit "vsop87-venus"

以下列表列出了 Celestia 1.5.0 中所有可用的 CustomOrbit。

VSOP87

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VSOP87（Variations Séculaires des Orbites Planétaires）是 P. Bretagnon 等人提出的主要行星軌道理論。Celestia 並未使用所有項。作為 VSOP87 的更高精度替代方案，可以使用JPL 星曆錶 來模擬主要行星、冥王星、月球和太陽的軌道。

  • vsop87-mercury
  • vsop87-venus
  • vsop87-earth
  • vsop87-mars
  • vsop87-jupiter
  • vsop87-saturn
  • vsop87-uranus
  • vsop87-neptune
  • vsop87-sun（太陽繞太陽系質心執行的軌道）

Pluto

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需要參考文獻

  • pluto

伽利略衛星

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來自 J. H. Lieske 在 Jean Meeus 的《天文演算法》中提出的“E5”理論，第 301-315 頁。

  • io
  • europa
  • ganymede
  • callisto

土星衛星

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來自 Gérard Dourneau (1987) 的“土星八顆主要衛星的觀測和運動研究”。

  • mimas
  • enceladus
  • tethys
  • dione
  • rhea
  • titan
  • hyperion
  • iapetus

天王星衛星

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來自 Laskar 和 Jacobson (1978) 的“天王星衛星的解析星曆錶”。

  • miranda
  • ariel
  • umbriel
  • titania
  • oberon

月球

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需要參考文獻

  • moon

SampledTrajectory

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此功能僅在 Celestia v1.5.0 或更高版本中可用。

SampledTrajectory 用於匯入包含時間戳和位置列表（或可選地，包含速度的位置）的 ASCII 檔案。通常，此類檔案由軌跡建模和分析軟體生成。

SampledTrajectory
{
    Source <filename>
    DoublePrecision <boolean>
    Interpolation <string>
}

Source 屬性是必需的，而其他屬性是可選的。Source 檔案的內容與 SampledOrbit 檔案相同。當前，插值的有效值為“linear”和“cubic”，預設值為 cubic。DoublePrecision 預設值為 true。以下兩個軌跡是等效的

SampledTrajectory
{
    Source "file.xyz"
    DoublePrecision false
    Interpolation "cubic"
}

SampledOrbit "file.xyz"

只要精度很重要，就應使用 DoublePrecision 為 true 的 SampledTrajectory。單精度浮點數的精度只有大約八百萬分之一；對於外太陽系的星際軌跡，這意味著數百公里的誤差。

取樣軌跡檔案是時間和位置記錄的列表。以下是伽利略軌跡檔案的摘錄

2447818.615972 134114700.2612462193 64912642.6984842718 39861.799941
2447819.615972 133153386.7785827518 66969511.3118158504 237125.784089
2447820.615972 132137795.3581911474 69024279.8844281882 418499.867572
2447821.615972 131079666.1268854141 71061806.8872888833 596914.157647

每行上的第一個值是儒略日（TDB），最後三個值是公里為單位的位置。位置的參考系在 ssc 檔案中給出。預設情況下，Celestia 使用一種稱為三次埃爾米特插值的技巧來實現點之間平滑的運動。


Celestia 1.6.0 添加了對位置和速度軌跡檔案的支援。這些副檔名為 xyzv，並且可以像 xyz 檔案一樣在 SampledTrajectory 中使用

SampledTrajectory { Source "trajectory.xyzv" }

xyzv 檔案中的記錄與 xyz 檔案中的記錄具有相同的佈局，只是在每個位置後附加了三個速度值。速度單位是公里每秒。對於給定的檔案大小，xyzv 檔案提供了更準確的物體定位。因此，如果可以獲得物體的速度和位置，則始終應首選 xyzv 檔案而不是 xyz 檔案。

HORIZONS 的 Web 介面可用於生成具有速度和位置的軌跡。Celestia 還提供了一個名為 spice2xyzv 的新工具，它可以根據一個或多個 SPICE 核心生成 xyzv 檔案。

SampledOrbit

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SampledOrbit 已被棄用；SampledTrajectory 更靈活，並提供相同的功能。

SampledOrbit 用於匯入時間和相關座標檔案。

用法

SampledOrbit <name>

示例

SampledOrbit "galileo.xyz"

該檔案必須位於與物體關聯的名為data的目錄中。

該檔案必須包含 4 個數字值的集合，這些集合定義了物體軌跡上的位置。各個值必須用空格、製表符或行終止符分隔。Celestia 讀取每組的 4 個值，並且不關心用於分隔它們的“空白”是什麼。該檔案每行可以包含一個數字，或者該檔案中的所有數字都可以位於同一行上。

每組數字由一個TDB 儒略日和以公里為單位的 x、y 和 z 位置組成。它們是在與物體關聯的座標系內的位置。例如，預設情況下，繞太陽執行的宇宙飛船的 SampledOrbit 將包含日心黃道 J2000 座標。在 Celestia v1.5 中，可以指定各種參考系。有關詳細資訊，請參見Celestia/Reference_Frames。

侷限性

儘管可以以任何精度提供 x、y 和 z 座標，但 Celestia 將它們儲存為單精度（32 位）浮點數。Celestia 的 V1.5.0 版本將雙精度實現為單獨的選項。請參見上面的 SampledTrajectory。

SpiceOrbit

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需要 Celestia 1.5.0

SpiceOrbit 用於將來自 NASA SPICE 航天器資訊系統的軌跡匯入 Celestia。並非所有版本的 Celestia 都支援 SPICE。

用法

SpiceOrbit
{
    Kernel <filename>
    Target <ID string>
    Origin <ID string>
    Beginning <date>
    Ending <date>
    BoundingRadius <number>
    Period <number>
}

Kernel 屬性指定要載入的 SPICE 核心 (SPK) 檔案的名稱。Celestia 預計核心檔案位於載入項的資料目錄中。

Target 是您要在 Celestia 中放置的物體的 NAIF ID 程式碼。程式碼列表可以在此處找到：http://www.gps.caltech.edu/~marsdata/req/naif_ids.html

可以使用整數 ID 或名稱。如果核心檔案不包含指定物體 ID 的軌跡，則將忽略 SpiceOrbit。軌跡座標相對於 Origin 物體的座標，由另一個 NAIF ID 程式碼指定。它必須與參考系的原點匹配。SpiceOrbit 的座標系是 J2000 平均黃道和春分點。這與 Celestia 用於繞太陽執行的物體的預設參考系相匹配，但不與其他物體的參考系相匹配。對於不繞太陽執行且其軌跡由 SpiceOrbit 定義的物體，您必須顯式指定黃道參考系

OrbitFrame
{
    EclipticJ2000 { Center <object name> }
}

Beginning 和 Ending 限定了 SPICE 軌跡有效的時段。這些值可以是數字儒略日或公曆日期字串。這些時間必須在 SPICE 核心中指定的邊界時間內。

為了使剔除工作正常，需要提供軌道的 BoundingRadius。Period 是可選的；Celestia 僅將它用於軌道路徑渲染。如果將其設定為零或根本沒有給出，則假定軌道是無週期軌跡。BoundingRadius 和 Period 的單位是 AU 和年（對於直接繞恆星執行的物體），以及公里和地球太陽日（對於其他物體）。使用兩種不同的單位是為了與其他 Celestia 軌跡型別保持一致。

示例：冥王星

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此示例使用冥王星軌道的 SPICE 核心。請注意，原點“SUN”與參考系的中心匹配，此處由父物體給出。

"Pluto" "Sol"
{
    SpiceOrbit
    {
         Kernel "de403_2000-2020.bsp"
         Target "Pluto Barycenter"
         Origin "SUN"
         Beginning "2000 1 1"
         Ending "2020 1 1"
         BoundingRadius 40
         Period 248.0
    }
}

ScriptedOrbit

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需要 Celestia 1.5.0

ScriptedOrbit 用於使用 Lua 指令碼建立自定義軌跡函式。

用法

ScriptedOrbit
{
    Module <string>
    Function <string>

    ...additional properties...
}

Module 給出了將透過 Lua 的 require 方法載入的包的名稱。它在標準路徑列表中搜索具有指定名稱的指令碼檔案。載入項的 ScriptedOrbit 的 Module 檔案應位於載入項主目錄中的名為 celxx 的目錄中。Function 是一個工廠函式的名稱，該函式生成一個包含軌道屬性的表，包括一個返回特定時間位置的函式。除 Module 和 Function 之外的所有 ScriptedOrbit 屬性都將傳遞給 Lua 函式以建立軌道物件。函式名稱是唯一必需的引數。

要建立自己的 ScriptedOrbit，您需要對 Celestia 的 celx 指令碼中使用的 Lua 指令碼語言有所瞭解。ScriptedOrbit 定義中指定的 Lua 函式是一個工廠函式，在解析 ScriptedOrbit 後立即呼叫該函式。工廠函式接受一個包含來自 ScriptedOrbit 定義的所有屬性的單個表引數。該函式必須返回一個 Lua 軌道物件，它只是一個包含幾個標準欄位的表。它們是

  • boundingRadius - 一個表示軌跡到原點的最大距離的數字；必須存在，並且必須是正值。
  • period - 一個表示軌道週期的數字。如果不存在，則假定軌道是無週期的。軌道週期僅用於繪製軌道路徑。
  • beginDate, endDate - 可選值，用於指定軌道有效的時段。如果沒有給出，則假設軌道在任何時間都可用。如果 end < begin，則軌道無效。
  • position(time) - 位置函式接收一個時間值作為輸入（TDB 儒略日），並必須返回三個值，分別為 x、y 和 z 座標。位置的單位為公里。

ScriptedOrbit 有一些限制。唯一允許的引數是簡單型別：字串、數字和布林值。陣列和屬性列表等複雜型別不會傳遞給 Lua 工廠函式。此限制可能會在 Celestia 的未來版本中消失。此外，Celestia 預計位置函式對於相同的時間值始終返回相同的位置。

ScriptedOrbit 示例

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以下是在 .ssc 檔案中使用 ScriptedOrbit 的示例。

"Scripted" "Sol/Test Object"
{
    Radius 500

    ScriptedOrbit
    {
        Module "orbits"
        Function "lissajous"

        PeriodX 1
        PeriodY 3.1
        PeriodZ 2.4
        PhaseX 0.5
        PhaseY 0.2
        PhaseZ 0.0
        AmplitudeX 1000
        AmplitudeY 800
        AmplitudeZ 540
    }
}

上面的 ssc 程式碼片段告訴 Celestia 載入名為 orbits.lua 的檔案並呼叫函式 lissajous 建立一個新的指令碼軌道物件。其餘屬性將作為表的欄位全部傳遞給 lissajous 函式。接下來，實際的 Lua 函式

function lissajous(t)
   -- Create a new table
   local orbit = {};

   -- Save the parameter list 
   orbit.params = t;

   -- Set the required fields boundingRadius and position; note that position is actually a function

   -- Compute the bounding radius from the amplitudes
   orbit.boundingRadius =
       math.sqrt(t.AmplitudeX * t.AmplitudeX +
                 t.AmplitudeY * t.AmplitudeY +
                 t.AmplitudeZ * t.AmplitudeZ)

   -- The position function will be called whenever Celestia needs the position of the object
   function orbit:position(tjd)
       local t = tjd - 2451545.0
       local pi2 = math.pi * 2;
       local x = self.params.AmplitudeX * math.sin((t / self.params.PeriodX + self.params.PhaseX) * pi2)
       local y = self.params.AmplitudeY * math.sin((t / self.params.PeriodY + self.params.PhaseY) * pi2)
       local z = self.params.AmplitudeZ * math.sin((t / self.params.PeriodZ + self.params.PhaseZ) * pi2)

       return x, y, z
    end

    return orbit
end

Lissajous 函式可以使用不同的 ScriptedOrbit 屬性反覆使用。只要您知道預期哪些引數，您就可以使用其他人編寫的軌道指令碼，而無需自己編寫任何程式碼。

取自 "https://wikibook.tw/w/index.php?title=Celestia/Trajectories&oldid=4308575"
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