在 Python 中获取地球上某个位置的 J2000 XYZ 坐标

Question

编辑：刚刚发现我需要将地球上某个位置的纬度、经度和海拔转换为 J2000 坐标，与 ra/dec 或月球无关。非常遗憾。你的回答确实给了我很多见解。请参阅下面已编辑的问题。

问题：如何将纬度、经度和海拔转换为 J2000 坐标 (XYZ)。 ehem 中是否存在转换？我检查了文档，但找不到我需要的东西（或者由于我缺乏该领域的知识而可能忽略了一些东西）。谢谢

***************** 旧（忽略）******************

我有赤经 (RA) 和赤纬 (Dec) 中的月亮位置，我想将它们转换为 X Y Z 坐标。是否有内置的 PyEphem 函数？另外，它背后的数学原理是什么？谢谢。

编辑：我使用的是 J2000 坐标系（我认为这是赤道坐标系，这是我第一次使用天文学）。我有到月球的距离可用。 ra/dec 值已经在 J​​2000（赤道）坐标中。

X 指向北

Y 点西

Z 指向天空

Answer 1

最佳答案：

我刚刚注意到，在 2011 年 6 月，海军天文台发布了一个 Python 接口，用于连接强大的 NOVAS 参考软件，用于执行最高精度的天文计算：

http://aa.usno.navy.mil/software/novas/novas_py/novaspy_intro.php

使用此库，您可以获得您正在寻找的答案，其精度远高于 PyEphem 提供的精度：

from novas import compat as novas
jd_tt = novas.julian_date(2012, 9, 8, 12.00)
delta_t = 66.603  # from http://maia.usno.navy.mil/ser7/deltat.preds
lat = 42.3583     # positive is north
lon = -71.0603    # negative is west
observer = novas.make_observer_on_surface(lat, lon, 0, 0, 0)
print novas.geo_posvel(jd_tt, delta_t, observer)

在我的机器上，这给出了答案：

((-3.5081406460494928e-06, 3.135277713623258e-05, 2.858239912567112e-05), (-0.00019753847060164693, -2.2329942271278055e-05, 2.4885824275734915e-07))

自己尝试一下，看看这是否能给你带来你需要的结果！

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较新的答案：

答案似乎是“否”——令我惊讶的是，PyEphem 没有给出简单的方法来回答“在 x,y,z 坐标中的位置是 (比如说）波士顿在 t 时间？”

这是一个惊喜，因为 PyEphem 背后的库“libastro”当然必须在内部进行计算，以便确定其他对象相对于观察者的位置。它似乎在两个地方这样做。在parallax.c 中，它定义了ta_par()，它只讨论外部的角度，但在其内部你可以看到它临时计算观察者的x, y, z。你甚至可以看到隐藏在其中的重要常数298.257，它衡量地球的平坦程度，因为它不是一个完美的球体。

另一个地方是earthsat.c，它看起来与“libastro”的其余部分完全不同，因此它复制了一些逻辑。其EarthFlat 常量298.25 的精度稍差一些，但其作用相同。而它的函数GetSitPosition()，实际上是暴露x,y,z坐标而不是隐藏它们。但是它被声明为static，所以没有办法从外部调用这个有用的函数！

所以目前，PyEphem 无法让您直接计算 x,y,z。但它确实提供了一条重要信息：当前的恒星时，您将（我认为）能够使用它来计算波士顿（或任何地方）在时间 t 时绕地球走了多远，这将很重要找出你的坐标。

我会看看我是否可以在 Python 中找到一个快速的解决方案，将 PyEphem 的小时角与一些明确的三角函数结合起来，为您提供答案。但是，目前还没有：PyEphem 并没有直接公开这些信息，这很可悲。我会把它放在未来版本的清单上！

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较早的答案，从问题是关于月球的 x,y,z 位置开始：

遗憾的是，PyEphem 没有用于将业余天文学中使用的极坐标转换为 x/y/z 坐标的内置函数，这些函数可以让您绘制出物体在地球周围空间中的分布情况。但是转换很容易自己完成：

import ephem
import math

m = ephem.Mars('2012/8/1')
print m.ra, m.dec

x = math.cos(m.dec) * math.cos(m.ra)
y = math.cos(m.dec) * math.sin(m.ra)
z = math.sin(m.dec)

print x, y, z
print 'sanity check: vector length =', math.sqrt(x*x + y*y + z*z)

这个脚本的输出是：

12:58:51.20 -6:24:05.6
-0.961178016954 -0.252399543786 -0.111495695074
sanity check: vector length = 1.0

我在这里使用的随机日期的火星位置是非常合理的值：RA 比大圆的一半多出近 1 小时（因为 12 小时正好是一半），以及推动位置的偏角有点南。因此，我们得出的x、y 和z：z 是一个略微负数，因为-6° 确实在赤道以南，而x 和y 都是负数因为绕 24 小时圆走 13 小时会使您处于正常单位圆的负/负象限。

请注意，虽然 J2000 有一个南北方向——所以我们可以如实说略负的z 是一个南方向——它确实没有有东西方向，因为地球在它下方转动，它不断向各个方向东向和西向摆动。相反，RA 从“阿瑞斯的第一点”开始测量，即春分期间太阳所在的方向。所以x 和y 不是东也不是西；它们是指向太阳系的坐标，位于固定轴上，该轴由地球在每个春天所处的方向定义。

我创建的这个 x y z 向量是一个“单位向量”——一个大小为 1.0 的小向量，正如我在脚本中验证的那样，以确保我的公式正确。如果您正在计算您知道与地球距离的物体的 x y 和 z 坐标，那么您可以通过将这三个中的每一个相乘得到一个实向量——其大小是距离，而不是 1 的分数x y 和 z 到对象的距离。

这对你有帮助吗？从你的描述——以及你关于东西方的问题——我无法判断你是否想要 RA 和 dec 变成 x y z 或者你是否真的想要转换方位角和高度（但数学是无论哪种方式都一样）。这看起来像：

x = math.cos(m.alt) * math.cos(m.az)
y = math.cos(m.alt) * math.sin(m.az)
z = math.sin(m.alt)

你想用这些坐标完成什么？这可以帮助我们确保以有用的格式提供给您。

Answer 2

我建议您查看PyEphem documentation 的coordinate conversion。

基本上，PyEphem 只处理三个坐标系 - 赤道、黄道和银河 - 每个坐标系由两个角度和一个纪元定义（极坐标调整偏移）。

根据您的坐标方案的外观，您应该能够使用三角函数将其转换为如果您也有对象的距离。

编辑：您的“X-Y-Z”坐标似乎是左手黄道坐标。

from ephem import Equatorial, Ecliptic, degree

def convert_equatorial_to_XYZ(ra, dec, dist=1.0, epoch='2000'):
    """
    Given
        ra     right ascension (in hours)
        dec    declination     (in degrees)
        dist   distance        (optional, defaults to 1.0)
        epoch  epoch           (optional, assumes J2000)
    Return
        degrees North, degrees West, distance
    """
    eq = Equatorial(ra, dec, epoch=epoch)
    ec = Ecliptic(eq)
    return ec.lat/degree, 360.0 - ec.lon/degree, dist