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知道軌道有多扁,還不夠告訴我們行星在哪裡?

像擺放一隻傾斜的圓環:形狀、朝向和物體走到的位置都要交代。

行星與太陽系小天體

同樣形狀的軌道,可以平放、傾斜,也可以換個方向擺。要給空間位置,只有「橢圓」兩個字不夠。本課把六個軌道根數分別交給你控制。

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先猜一下

兩條軌道形狀相同,必然在空間重合嗎?

查看答案與解釋

不一定,朝向還可能不同 — 形狀與空間朝向是不同的參數。

再把體驗和科學連結起來

先確定形狀

半長軸決定尺度,偏心決定橢圓有多扁。太陽位於焦點,不是橢圓中心。

a、e:尺度與形狀

再把軌道平面抬起來

傾角是軌道平面與參考黃道平面的夾角;升交點決定兩平面交線在參考平面中的朝向。

i、Ω:平面朝向

在平面內轉動近日點

近日點幅角由升交點沿軌道平面量起。近日點黃經是 Ω+ω,不要與幅角混用。

ϖ=Ω+ω

最後說明走到哪裡

平近點角給出軌道上的時間相位,先解開普勒方程,再把平面位置旋轉到三維座標。

M=L−ϖ;E−e sinE=M

把計算鏈展開

ϖ = Ω + ω M = L − ϖ E − e sin E = M r = a(1−e cos E) x = r[cos Ω cos(ω+ν) − sin Ω sin(ω+ν) cos i] y = r[sin Ω cos(ω+ν) + cos Ω sin(ω+ν) cos i] z = r sin(ω+ν) sin i

Ω是升交點黃經,ω是近日點幅角;二者和才是ϖ。解開普勒方程式用弧度,旋轉公式依所標角度單位求三角函數。

試一試

先把傾角調到90°,再轉升交點,觀察投影;太陽仍在焦點。

動手看一遍 →

符號不用背

a / e
半長軸AU / 偏心率
i / Ω
傾角 / 公升交點黃經
ω / M
近日點幅角 / 平近點角

演算法、精確度與適用範圍

第31章軌道根數定義,結合第30/33章開普勒求解和日心三維旋轉。 M與真近點角不同;太陽在焦點,空間位置由Rz(Ω)Rx(i)Rz(ω)作用於軌道平面向量得到。所有角度都相對於指定參考黃道,不以拖曳改變星曆模型。

我的理解檢查

太陽在橢圓哪裡?

一個焦點 — 橢圓軌道的太陽在焦點。

近日點黃經與幅角的關係是?

ϖ=Ω+ω — 兩者分別沿著參考平面和軌道平面計量。

平近點角M能直接當成真實方向ν嗎?

一般不能,要解開普勒方程 — 時間相位與真實方向在非圓軌道上不同。

軌道的形狀、平面朝向、近日點方向和時間相位,都要分別說明。

Jean Meeus · Astronomical Algorithms, 2nd ed. · 第 31 章

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