Solar Physics Coordinate Systems

发表于 更新于 分类于 评论数： 阅读数： 本文字数： 2.3k 阅读时长 ≈ 6 分钟

由于日地系统的复杂性， 早期不同人针对不同的物理问题建立了多种不同的物理坐标，这些坐标系各有优劣，所以日地空间坐标一直没有一个统一的标准。这些混乱的坐标系统让刚接触的人一头雾水，故本文参考 Thompson (2006) 和 Franz & Harper (2002)两篇文章，对太阳/日地空间中我使用到的一些常用物理坐标系进行了简单的整理。

介绍各个坐标系之前，有一点细节值得注意，虽然地球共转和太阳自转都起始与太阳系形成时的初始角动量，但地球公转的平面（黄道面）和太阳自转的赤道面不完全重合，两者夹角大约为7.25度（地球赤道与黄道夹角约为23.45度）。

物理坐标系统

HEC

HEC坐标系全称为Heliocentric ecliptic coordinates，有时也称为Heliocentric Aries Ecliptic(HAE)。HEC坐标系直译就是黄道坐标系，原点是太阳的中心，x轴指向地球平均上的春分点方向（也是HAE这一名称来源，白羊座Aries的开始位置就是春分点），xy平面是黄道面。

HCC

HCC(Heliocentric)坐标系是太阳上标准的笛卡尔坐标系，原点在太阳中心，z轴方向沿着太阳中心指向观测者，y轴正向指向北方，x轴正向指向西侧，与yz两个轴垂直成右手系。

这一参考系有几个变种，HCR(Heliocentric Radial)参考系的z轴与HCC参考系一致，xy轴变成了极坐标形式，角度零点在北极点。HGRTN(Heliographic Radial-Tangential-Normal)参考系也和HCC坐标系相关，HGRTN坐标系的Y,Z,X对应HCC坐标系的X,Y,Z。

HCC坐标系示意图
HCR坐标系示意图

HEE

HEE坐标系全称是Heliocentric Earth Ecliptic，原点在太阳中心，x轴是日地连线方向由太阳中心指向地球，z轴垂直于黄道面指向北，xy平面是黄道面。由于此坐标系和地球位置绑定，所以不同时间坐标系是会变化的。

HEEQ

HEEQ全称是Heliocentric Earth Equatorial，也可以简称为HEQ。这个坐标系原点在太阳中心，z轴指向太阳北极，x轴指向太阳赤道靠近日地连线的点。另外Stonyhurst Heliographic (HGS)指的是这个同一个坐标系统，只是改用经纬度来表示，0度经线在xz平面上靠近地球的一侧，向东方向经度增加。

HCI

HCI全称是Heliocentric Inertial，此坐标系也是以太阳中心作为原点，指向太阳北极点作为z轴，x轴方向指向太阳赤道相对黄道面的升交点。

HGC

HGC全称是Heliographic Carrington，也即日心卡灵顿坐标系，原点在太阳中心，z轴指向太阳北极，x轴和y轴是转动的，转动周期约为25.38天。HGC坐标系其实和HGS坐标系很类似，只是经度的定义不同，HGC的经度是随着太阳自转变化的。

HPC

HPC全称是Helioprojective Cartesian。坐标系原点是观测者/观测仪器的位置，一般采用太阳观测者距离、东西方向的角度(Tx西向为正)、南北方向的角度(Ty北向为正)这三个参数来确定位置。对于太阳日面的观测，由于一般观测者在地球附近，到太阳中心的距离远大于观测的距离，所以Tx和Ty一般也可以当作笛卡尔坐标系的参数。

GEI

GEI全称是Geocentric Earth Equatorial。此坐标系的原点放在了地球中心，z轴指向地球的北极，x轴方向是由太阳指向地球平均春分点位置。

ITRS

ITRS1全称是International Terrestrial Reference System，其和Geographic Coordinates(GEO)的坐标系统几乎一致。原点在地球中心，z轴指向北极点，x轴指向赤道与地球本初子午线的交点。

GSE

GSE全称是Geocentric Solar Ecliptic，其原点在地球中心，x轴由地球指向太阳，z轴垂直于黄道面。

GSM

GSM坐标系全称为Geocentric Solar Magnetospheric，其原点在地球中心，x轴由地球中心指向太阳，z轴指向地球北磁极。

各个坐标系之间的转化

我本人更喜欢使用Python，其中一个重要原因就是python有着丰富的社区代码库，借助开源社区的力量可以帮助我们省去很多基础重复的繁琐工作。针对这个问题，我们可以使用sunpy以及astropy提供的坐标类astropy.coordinates或者sunpy.coordinates。

下面是一个简单示例，更多细节可以去参考这两个库对应的文档2

创建一个太阳表面上HGS的坐标点：

1
2
3
4
5
import astropy.units as u
from astropy.coordinates import SkyCoord
from sunpy.coordinates import frames

c = SkyCoord(70*u.deg, -30*u.deg, frame=frames.HeliographicStonyhurst, obstime="2014-01-01", observer="earth")

将此坐标点准换成旋转的卡灵顿坐标系：

1
c.transform_to(frames.HeliographicCarrington)

  1. https://www.iers.org/IERS/EN/Publications/TechnicalNotes/tn36.html↩

  2. sunpy coordinates文档，astropy coordinate文档↩

正在加载今日诗词....