Что такое координаты в космосе
Из школы мы знаем две системы координат: прямоугольные Декартовы координаты известны нам из математики (если угодно - алгебры), сферические координаты - из курса географии. В астрономии широко используются сферические системы координат с различными центрами и различными фундаментальными плоскостями. Фундаментальной плоскостью сферической системы координат, называется такая плоскость, в которой находится начало координат, и отсчитывается долгота. В географии за началом координат принят центр Земли, а за фундаментальную плоскость - та плоскость, которая содержит экватор. Направления, перпендикулярные фундаментальной плоскости, называются зенитом и надиром, а также полюсами (северным и южным): по сути это одно и то же, но в разных случаях приняты разные названия. Например, в географии мы говорим северный полюс и южный полюс, на небесной сфере, в зависимости от выбранной фундаментальной плоскости, различают северный и южный полюса мира или северный и южный полюса эклиптики, а зенитом и надиром называют полюса системы координат, связанной с горизонтом места наблюдения. Положение точки на поверхности сферы определяется двумя углами - широтой и долготой. Третьей координатой служит расстояние от начала координат. Оно может использоваться непосредственно, или отсчитываться от некоторого расстояния, принятого за ноль (в географии - высота над уровнем моря). Вращение Земли и её орбитальное движение даёт нам две важные плоскости: экваториальную плоскость - в которой расположен экватор Земли, и плоскость эклиптики - в которой расположена её орбита. Поэтому в основном мы будем пользоваться двумя сферическими системами координат: экваториальной и эклпиптической. Линия пересечения экваториальной плоскости и плоскости эклиптики называется линией равноденствия - в дни весеннего и осеннего равноденствия Земля проходит через эту линию. Точки пересечения равноденственной линии с небесной сферой - называются точками весеннего и осеннего равноденствия. Если смотреть с Земли, то через эти точки в соответствующие дни проходит Солнце. В астрономии точкой отсчёта долготы (и восхождения) служит точка весеннего равноденствия. Экваториальная система координат похожа на географическую во всём, кроме того, что она не вращается вместе с Землёй. Широта отсчитывается на север и на юг от экватора - так же, как в географии. Долгота - отсчитывается от точки весеннего равноденствия. Точки небесной сферы, расположенные над полюсами Земли называют северным и южным полюсами мира. Эклиптическая система координат построена в целом аналогично, но фундаментальной плоскостью служит плоскость эклиптики. От неё отсчитывается широта. Полюса этой системы называются полюсами эклиптики или полюсами земной орбиты. Долготу отсчитывают от точки весеннего равноденствия, хотя в некоторых случаях бывает удобнее принять на ноль долготу какой-то звезды - о такой нестандартной эклиптической системе я ещё буду упоминать ниже. Кроме названных систем координат могут использоваться любые удобные для расчётов. Например, для некоторых расчётов удобна система координат, связанная с орбитой космического аппарата или какого-то небесного тела (вообще говоря - с той орбитой, которая нужна). В таком случае фундаментальной плоскостью будет служить плоскость этой орбиты, центром координат - центр тяготения, северным полюсом (зенитом) - тот полюс, который находится слева, если смотреть по ходу орбитального движения, а точку отсчёта долготы можно выбрать произвольно - хоть долготу подходящей звезды, хоть линию пересечения нашей орбиты с другой нужной для расчёта плоскостью. Кроме сферических координат в астродинамике используют и прямоугольные. Они обычно бывают вторичными по отношению к какой-то сферической системе координат. Выбранная фундаментальная плоскость принимается за плоскость (x,y), ось x - проводится в направление нуля долготы, ось y - в направление 90° долготы, а ось z - перпендикулярно плоскости в направление зенита (северного полюса). Для расчётов нам прямоугольные координаты не пригодятся, но стоит о них знать, чтобы представлять себе что такое вектор скорости в трёхмерном пространстве. Другой вектор, проведённый из начала координат в некоторую точку пространства называется радиус-вектором этой точки. Это название в следующих частях будет иногда использоваться. Радиус-вектор тела и вектор его скорости - вместе называют шестимерным вектором состояния. Вряд ли это название встретится в статье, но я его на всякий случай даю.Как измерить свои координаты
В геоцентрическом пространстве В геоцентрическом пространстве нас будут интересовать наши геоцентрические координаты. Т.е. началом координат у нас будет центр Земли. Фундаментальную плоскость мы можем выбрать как нам удобно - плоскость экватора, эклиптики, орбиты Луны и т.п. но с точки зрения навигации лучше избегать большого разнообразия систем координат - пользоваться небольшим, достаточным, количеством стандартных. Теоретически, для того чтобы узнать свои геоцентрические координаты - нужно измерить видимые координаты Земли относительно себя, и тогда наши координаты относительно Земли будут теми же, но в другую сторону. Т.е., положим, если Землю на небесной сфере мы видим в координатах +50° широты и +20 долготы, значит с Земли нас видят в координатах -50° широты и 190° долготы, а расстояние от Земли до нас и от нас до Земли - одно и то же. На практике всё сложнее. Геоцентрические орбиты находятся достаточно близко к Земле, чтобы она выглядела большим диском, или даже занимала почти полнеба. В таких условиях для определения точного направления на центр Земли нужны специальные приборы, например инфракрасная вертикаль. В виду того, что Земля может закрывать значительную часть неба, не всегда возможно наблюдать звёзды, которые её окружают. Зато можно наблюдать звёзды в любом другом направлении - например, в противоположном Земле. Углы на которые приборы повёрнуты относительно друг друга - мы знаем, значит определив по звёздам, в какую сторону смотрит звёздный датчик, мы можем рассчитать, в какую точку звёздного неба направлена вертикаль - т.е. небесные координаты Земли. Расстояние до Земли можно измерить радиолокационным способом или вычислить по размеру видимого диска Земли. Для навигации можно воспользоваться также Луной. Если у нас есть точная информация о расстоянии между Землёй и Луной, то зная направления на Землю и на Луну - можно рассчитать своё расстояние до Земли из треугольника, образованного Землёй, Луной и нашим космическим аппаратом. В зависимости от того, о какой эпохе мы говорим, у нас может быть возможность использовать навигацию по маякам, спутниковую навигацию или получить с Земли свои координаты, измеренные наземной станцией слежения. Скажем, спутники GPS летают на орбитам радиусом около 26600 км, их координаты известны с большой точностью, а сами спутники передают сигнал, по которому легко рассчитать расстояние до спутника. Следовательно, найдя в небе хотя бы четыре спутника, и определив по их сигналам своё расстояние до них, мы можем рассчитать своё местонахождение. То же верно и для наземных радиомаяков: точность их координат выше, чем для спутников, но видеть их можно только находясь с той же стороны Земли. В будущем, вероятно, возникнут специальные системы спутниковой навигации, которые будут рассчитаны на использование другими спутниками, и ими можно будет пользоваться не только находясь внутри сферы их орбит, но и за её пределами до тех пор, пока можно наблюдать спутники. Точность такой системы будет постепенно уменьшаться по мере удаления космического аппарата от спутников. В гелиоцентрическом пространстве За пределами сферы действия Земли, в гелиоцентрическом пространстве, мы будем пользоваться гелиоцентрической системой координат. Поскольку Земля осталась далеко, её экватор нас не волнует. В качестве фундаментальной плоскости мы можем выбрать плоскость эклиптики или плоскость Галактики, но вторая менее популярна и я о ней писать в дальнейшем не буду. Поскольку из-за прецессии земной оси точка весеннего равноденствия постепенно смещается - некоторые авторы предпочитают отсчитывать долготу от какой-то более неподвижной точки - например звезды Регул (в созвездии Льва), которая находится почти на эклиптике, или звёзд Спика (в созвездии Девы) или Антарес (в созвездии Скорпиона), которые чуть дальше от эклиптики, зато ярче. Теоретические соображения по определению своих координат относительно Солнца - те же что и относительно Земли. Практические трудности - немного другие. Видимый диск Солнца - велик, но не слишком. Важнее - что он очень ярок и не очень точно очерчен. Тем не менее, существуют солнечные датчики, которые достаточно точно определяют направление на центр Солнца. Расстояние до Солнца в большинстве случаев очень велико и его нельзя измерить радиолокационным способом. Его можно рассчитать по мощности излучения, получаемого прибором от Солнца. Эта мощность пропорциональна квадрату расстояния. Если у нас есть точные данные о положениях планет - Земли, Марса, Юпитера - любых, какие видно, то измерив угловые координаты одной из них, и зная угловые координаты Солнца, мы можем рассчитать наше расстояние до Солнца из треугольника, образованного планетой, Солнцем и нашим космическим аппаратом. На межпланетном расстоянии диск планеты достаточно мал, чтобы нам не приходилось определять направление на её центр специальным датчиком. Погрешность в такой расчёт будет вносить конечность скорости света, в зависимости от расстояния, мы можем видеть планеты с задержкой в несколько минут. На это явление придётся вносить поправки. Расчёт по нескольким планетам - будет точнее, чем по одной. Как и в случае с околоземным пространством, мы можем воспользоваться маяками на планетах или на других космических аппаратах, надо чтобы координаты маяка были точно известны и он передавал сигнал с отметкой времени - тогда мы сможем по задержке сигнала измерить расстояние до этого маяка и воспользоваться им для расчёта нашего собственного положения. Если, кроме расстояния, мы можем измерить угловые координаты маяка - то задача ещё более упрощается. Кроме того, нас может сопровождать станция слежения, расположенная на Земле, другом небесном теле или специальном космическом аппарате, такая станция могла бы по запросу передать нам наши координаты или часть координат, что безусловно облегчит нам задачу определения нашего местонахождения.