home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Libris Britannia 4 / science library(b).zip / science library(b) / ASTRNOMY / AA_51.ZIP / READ.ME < prev    next >
Text File  |  1993-02-13  |  20KB  |  430 lines

  1.  
  2.                     AA.ARC v5.1
  3.  
  4.    This program computes the orbital positions of planetary
  5. bodies and performs rigorous coordinate reductions to apparent
  6. geocentric and topocentric place (local altitude and azimuth).
  7. It also reduces star catalogue positions given in either the FK4
  8. or FK5 system.  Most of the algorithms employed are from The
  9. Astronomical Almanac (AA) published by the U.S. Government
  10. Printing Office.
  11.    Source code listings in C language are supplied in the file
  12. aa.arc.  The file aaexe.arc contains an IBM PC executable
  13. version.
  14.  
  15.               Reduction of Celestial Coordinates
  16.  
  17.    aa.exe follows the rigorous algorithms for reduction of
  18. celestial coordinates exactly as laid out in current editions of
  19. the Astronomical Almanac.  The reduction to apparent geocentric
  20. place has been checked by a special version of the program that
  21. takes planetary positions directly from the Jet Propulsion
  22. Laboratory DE200 numerical integration of the solar system. The
  23. results agree exactly with the Astronomical Almanac tables from
  24. 1987 onward (earlier Almanacs used slightly different reduction
  25. methods).
  26.    Certain computations, such as the correction for nutation,
  27. are not given explicitly in the AA but are referenced there. In
  28. these cases the program performs the full computations that are
  29. used to construct the Almanac tables (see the references at the
  30. end of this document).
  31.  
  32.  
  33.               Running the Program
  34.  
  35.    Command input to aa.exe is by single line responses to
  36. programmed prompts. The program requests date, time, and which
  37. of a menu of things to do.  Menu item 0 is the Sun, 3 is the
  38. Moon.  The other values 1-9 are planets; 99 opens an orbit
  39. catalogue file; 88 opens a star catalogue. Each prompt indicates
  40. the last response you entered; this will be kept if you enter
  41. just a carriage return.
  42.     Input can also be redirected to come from an ASCII file.  For example,
  43. invoking the program by "aa <command.dat >answer.dat" reads commands
  44. from the file command.dat and writes answers to answer.dat.  Menu
  45. item -1 causes the program to exit gracefully, closing the output
  46. file.
  47.    Entering line 0 for a star catalogue causes a jump back to the
  48. top of the program.
  49.  
  50.  
  51.              Initialization
  52.        
  53.   The following items will be read in automatically from a disc file
  54. named aa.ini, if one is provided.  The file contains one ASCII
  55. string number per line so is easily edited.  A sample initialization
  56. file is supplied.
  57.  
  58. Terrestrial longitude of observer, degrees East of Greenwich
  59. Geodetic latitude of observer (program calculates astronomical latitude)
  60. Height above sea level, meters
  61. Atmospheric temperature, degrees Centigrade
  62. Atmpshperic pressure, millibars
  63. Input time type: 1 = TDT, 2 = UT, 0 = TDT set equal to UT
  64. Value to use for deltaT, seconds; if 0 then the program will compute it.
  65.  
  66.  
  67.               Orbit Computations
  68.  
  69.    Several methods of calculating the positions of the planets
  70. have been provided for in the program source code.  These range
  71. in accuracy from a built-in computation using Meeus' formulae
  72. to a solution from precise orbital elements that you supply from
  73. an almanac.
  74.    The program uses as a default the perturbations of the orbits
  75. of the Earth and planets given by Jean Meeus in his
  76. _Astronomical Formulae for Calculators_. These are derived from
  77. the analytical theories of Newcomb and Le Verrier. Perturbation
  78. terms of about 1 arc second and higher are included.  The
  79. smaller omitted terms add up to errors ranging from about 10 to
  80. 120 arc seconds depending on the planet. Using the perturbation
  81. formulas given by Meeus, the accuracy of the heliocentric
  82. coordinates has been computer checked directly against the Jet
  83. Propulsion Laboratory DE200 numerical integration from 1800 A.D.
  84. to 2050 A.D..  The test results are given in the file meeus.doc.
  85. The secular perturbations (given as polynomials in time) have
  86. errors that gradually increase as the year departs from 1900.
  87. The calculated longitudes of Jupiter and Saturn, for example,
  88. are in error by a few tenths of a degree at 1800 B.C. using
  89. Meeus' formulas.
  90.    A simplified verson of the Lunar theory of Chapront-Touze'
  91. and Chapront is used to calculate the Moon's position. It has an
  92. accuracy of about 0.1 arc minute for modern dates and maintains
  93. a theoretical accuracy of 0.5 arc minute back to 1500 B.C.  The
  94. real position of the Moon in ancient times is not actually known
  95. this accurately, due to uncertainty in the tidal acceleration of
  96. the Moon's orbit.
  97.    Higher accuracy expansions for planetary positions are given
  98. by Pierre Bretagnon and Jean-Louis Simon, _Planetary Programs
  99. and Tables from -4000 to +2800_.  Computer readable versions are
  100. available from the publisher.  Their expansions can be
  101. integrated easily into the program. Compatible programs (but not
  102. the coefficients) are given in the archive called bns.arc, which
  103. also gives test results against the DE200.
  104.    A higher accuracy expansion for the Moon is given in the archive
  105. brown.arc.  An expansion for Mars that is slightly more accurate
  106. than the Planetary Programs formula is given in marso.arc.  Test
  107. results are also given for these expansions.
  108.  
  109.    In the absence of an interpolated polynomial ephemeris such
  110. as the DE200, the highest accuracy for current planetary
  111. positions is achieved by using the heliocentric orbital elements
  112. that are published in the Astronomical Almanac. If precise
  113. orbital elements are provided for the desired epoch then the
  114. apparent place should be found to agree very closely with
  115. Almanac tabulations.
  116.    Entering 99 for the planet number generates a prompt for the
  117. name of a file containg human-readable ASCII strings specifying
  118. the elements of orbits. The items in the specification are
  119. (see also the example file orbit.cat):
  120.  
  121.    First line of entry:
  122. epoch of orbital elements (Julian date)
  123. inclination
  124. longitude of the ascending node
  125. argument of the perihelion
  126. mean distance (semimajor axis) in au
  127. daily motion
  128.  
  129.    Second line of entry:
  130. eccentricity
  131. mean anomaly
  132. epoch of equinox and ecliptic, Julian date
  133. visual magnitude B(1,0) at 1AU from earth and sun
  134. equatorial semidiameter at 1au, arc seconds
  135. name of the object, up to 15 characters
  136.  
  137.  
  138. Angles in the above are in degrees except as noted.  Several
  139. sample orbits are supplied in the file orbit.cat.  If you read
  140. in an orbit named "Earth" the program will install the Earth
  141. orbit, then loop back and ask for an orbit number again.
  142.   The entry for daily motion is optional.  It will be calculated
  143. by the program if it is set equal to 0.0 in your catalogue.
  144. Almanac values of daily motion recognize the nonzero mass of the
  145. orbiting planet; the program's calculation will assume the mass
  146. is zero.
  147.   Mean distance, for an elliptical orbit, is the length of the
  148. semi-major axis of the ellipse. If the eccentricity is given to
  149. be 1.0, the orbit is parabolic and the "mean distance" item is
  150. taken to be the perhelion distance.  Similarly a hyperbolic
  151. orbit has eccentricity > 1.0 and "mean distance" is again
  152. interpreted to mean perihelion distance.  In both these cases,
  153. the "epoch" is the perihelion date, and the mean anomaly is
  154. set to 0.0 in your catalogue.
  155.   Elliptical cometary orbits are usually catalogued in terms of
  156. perihelion distance also, but you must convert this to mean
  157. distance to be understood by the program. Use the formula
  158.  
  159.   mean distance = perihelion distance / (1 - eccentricity)
  160.  
  161. to calculate the value to be entered in your catalogue for an
  162. elliptical orbit.
  163.   The epoch of the orbital elements refers particularly to the
  164. date to which the given mean anomaly applies.  Published data
  165. for comets often give the time of perihelion passage as a
  166. calendar date and fraction of a day in Ephemeris Time.  To
  167. translate this into a Julian date for your catalogue entry, run
  168. aa.exe, type in the published date and decimal fraction of a
  169. day, and note the displayed Julian date. This is the correct
  170. Julian Ephemeris Date of the epoch for your catalogue entry.
  171. Example (Sky & Telescope, March 1991, page 297): Comet Levy
  172. 1990c had a perihelion date given as 1990 Oct 24.68664 ET.  As
  173. you are prompted separately for the year, month, and day, enter
  174. 1990, 10, 24.68664 into the program. This date and fraction
  175. translates to JED 2448189.18664.  For comparison purposes, note
  176. that published ephemerides for comets usually give astrometric
  177. positions, not apparent positions.
  178.  
  179.  
  180.               Ephemeris Time and Other Time Scales
  181.  
  182.    Exercise care about time scales when comparing results
  183. against an almanac.  The orbit program assumes input date is
  184. Ephemeris Time (ET or TDT).  Topocentric altitude and azimuth
  185. are calculated from Universal Time (UT).  The program converts
  186. between the two as required, but you must indicate whether your
  187. input entry is TDT or UT.  This is done by the entry for input
  188. time type in aa.ini.  If you are comparing positions against
  189. almanac values, you probably want TDT.  If you are looking up at
  190. the sky, you probably want UT.  Ephemeris transit times can be
  191. obtained by declaring TDT = UT.  The adjustment for deltaT = ET
  192. minus UT is accurate for the years 1620 through 1991, as the
  193. complete tabulation from the Astronomical Almanac is included in
  194. the program. Outside this range of years an approximate formula
  195. is used to estimate deltaT. This formula is based on an analysis
  196. of eclipse records going back to ancient times (Stephenson and
  197. Houlden, 1986) but it does not predict future values very
  198. accurately.  For precise calculations, you should update the
  199. table in deltat.c from the current year's Almanac. Note the
  200. civil time of day is UTC, which is adjusted by integral leap
  201. seconds to be within 0.9 second of UT.
  202.  
  203.  
  204.               Rise and Set Times
  205.  
  206.    Time of local rising, meridian transit, and setting include a
  207. first order correction for the motion in right ascension and
  208. declination of the object between the entered input time and the
  209. time of the event.  The displayed rising and setting times are
  210. accurate to a few seconds (about 1 minute for the Moon), except
  211. when the object remains very near to the horizon.  Estimated
  212. transit time is usually within one second (assuming of course
  213. that the orbit is correct). Age of the Moon, in days from the
  214. nearest Quarter, also has a correction for orbital motion, but
  215. may be off by 0.1 day (the stated Quarter is always correct,
  216. however). These estimated times can be made much more precise by
  217. entering the input time of day to be near the time of the event.
  218. In other words, the rigorous calculation requires iterating on
  219. the time of day; the program does not do this automatically so
  220. if you want maximum accuracy you must do the iteration by hand.
  221. The program reports the transit that is nearest to the input
  222. time.  Check the date offset displayed next to the transit time
  223. to be sure the result is for the desired date and not for the
  224. previous or next calendar day.  The indicated transit time does
  225. not include diurnal aberration; you must subtract this
  226. correction yourself. For the Sun and Moon, rise and set times
  227. are for the upper limb of the disc; but the indicated
  228. topocentric altitude always refers to the center of the disc.
  229.  
  230.  
  231.               Stars
  232.  
  233.    Positions and proper motions of the 57 navigational stars
  234. were taken from the Fifth Fundamental Catalogue (FK5). They are
  235. in the file star.cat.  For all of these, the program's output of
  236. astrometric position agreed with the 1986 AA to the precision of
  237. the AA tabulation (an arc second).  The same is true for 1950
  238. FK4 positions taken from the SAO catalogue.  The program agrees
  239. to 0.01" with worked examples presented in the AA. Spot checks
  240. against Apparent Places of Fundamental Stars confirm the mean
  241. place agreement to <0.1".  The APFS uses an older nutation
  242. series, so direct comparison of apparent place is difficult. 
  243. The program incorporates the complete IAU Theory of Nutation
  244. (1980).  Items for the Messier catalogue, messier.cat, are from
  245. either the AA or Sky Catalogue 2000.
  246.    To compute a star's apparent position, its motion since the
  247. catalogue epoch must be taken into account as well as the
  248. changes due to precession of the equatorial coordinate system.
  249. Star catalogue files have the following data structure.  Each
  250. star entry occupies one line of ASCII characters.  Numbers can
  251. be in any usual decimal computer format and are separated from
  252. each other by one or more spaces. From the beginning of the
  253. line, the parameters are
  254.  
  255. Epoch of catalogue coordinates and equinox
  256. Right ascension, hours
  257. Right ascension, minutes
  258. Right ascension, seconds
  259. Declination, degrees
  260. Declination, minutes
  261. Declination, seconds
  262. Proper motion in R.A., s/century
  263. Proper motion in Dec., "/century
  264. Radial velocity, km/s
  265. Distance, parsecs
  266. Visual magnitude
  267. Object name
  268.  
  269. For example, the line
  270.  
  271. 2000 02 31 48.704  89 15 50.72 19.877 -1.52 -17.0 0.0070 2.02 alUMi(Polaris)
  272.  
  273. has the following interpretation:
  274.  
  275. J2000.0      ;Epoch of coordinates, equator, and equinox
  276. 2h 31m 48.704s    ;Right Ascension
  277. 89deg 15' 50.72"   ;Declination
  278. 19.877       ;proper motion in R.A., s/century
  279. -1.52        ;proper motion in Dec., "/century
  280. -17.0        ;radial velocity, km/s
  281. 0.007        ;parallax, "
  282. 2.02         ;magnitude
  283. alUMi(Polaris)    ;abbreviated name for alpha Ursae Minoris (Polaris)
  284.  
  285.    Standard abbreviations for 88 constellation names are
  286. expanded into spelled out form (see constel.c). The program
  287. accepts two types of catalogue coordinates.  If the epoch is
  288. given as 1950, the entire entry is interpreted as an FK4 item. 
  289. The program then automatically converts the data to the FK5
  290. system.  All other epochs are interpreted as being in the FK5
  291. system.
  292.    Note that catalogue (and AA) star coordinates are referred to
  293. the center of the solar system, whereas the program displays the
  294. correct geocentric direction of the object.  The maximum
  295. difference is 0.8" in the case of alpha Centauri.
  296.  
  297.  
  298.               Corrections Not Implemented
  299.  
  300.    Several adjustments are not included.  In general, the Sun is
  301. assumed incorrectly to be at the center of the solar system.
  302. Since the orbit parameters are heliocentric, the main
  303. discrepancy is a tiny change in the annual aberration on the
  304. order of 0.01". The difference between TDT and TDB (Terrestrial
  305. versus Solar System barycentric time) is ignored.  The
  306. topocentric correction for polar motion of the Earth is also
  307. ignored.
  308.  
  309.  
  310. - Stephen L. Moshier, November, 1987
  311. Version 5.0: July, 1991
  312.  
  313.   
  314.  
  315.               Disc Files
  316.  
  317. aa.ini         Initialization file - edit this to reflect your location
  318. aa.exe         Executable program for IBM PC MSDOS
  319. messier.cat    Star catalogue of the Messier objects
  320. orbit.cat      Orbit catalogue with example comets, asteroids, etc.
  321. star.cat       Star catalogue of FK5 navigational stars
  322. aa.mak         Microsoft C MSDOS make file
  323. aa.rsp         Auxiliary to aa.mak
  324. makefile       Unix make file
  325. descrip.mms    VAX make file (MMS)
  326. aa.opt         Auxiliary to descrip.mms
  327. aa.que         Test questions
  328. aa.ans         Answers to test questions (not necessarily true, but
  329.                 what the program says)
  330. aa.c           Main program, keyboard commands
  331. altaz.c        Apparent geocentric to local topocentric place
  332. angles.c       Angles and sides of triangle in three dimensions
  333. annuab.c       Annual aberration
  334. constel.c      Expand constellation name abbreviations
  335. deflec.c       Deflection of light due to Sun's gravity
  336. deltat.c       Ephemeris Time minus Universal Time
  337. diurab.c       Diurnal aberration
  338. diurpx.c       Diurnal parallax
  339. dms.c          Time and date conversions and display
  340. epsiln.c       Obliquity of the ecliptic
  341. fk4fk5.c       FK4 to FK5 star catalogue conversion
  342. kepler.c       Solve hyperbolic, parabolic, or elliptical Keplerian orbits
  343. kfiles.c       System dependent disc file I/O to read catalogues
  344. lightt.c       Correction for light time
  345. lonlat.c       Convert equatorial coordinates to ecliptic polar coordinates
  346. nutate.c       IAU nutation series
  347. precess.c      Precession of the equinox and ecliptic
  348. refrac.c       Correction for atmospheric refraction
  349. rplanet.c      Main reduction subroutine for planets
  350. rstar.c        Main reduction subroutine for stars
  351. sidrlt.c       Sidereal time
  352. sun.c          Main reduction subroutine for the position of the Sun
  353. trnsit.c       Transit of the local meridian
  354. vearth.c       Estimated velocity vector of the Earth
  355. zatan2.c       Quadrant correct arctangent with result from 0 to 2pi
  356. kep.h          Include file for orbit and other data structures
  357. planet.h       Include file for planetary perturbation routines
  358. manoms.c       Mean elements of the planetary orbits
  359. moon.c         Computation of the Moon's position
  360. oearth.c       Orbit and perturbations for the Earth
  361. ojupiter.c     Orbit and perturbations for Jupiter
  362. omars.c        Orbit and perturbations for Mars
  363. omercury.c     Orbit and perturbations for Mercury
  364. oneptune.c     Orbit and perturbations for Neptune
  365. osaturn.c      Orbit and perturbations for Saturn
  366. ouranus.c      Orbit and perturbations for Uranus
  367. ovenus.c       Orbit and perturbations for Venus
  368.  
  369.  
  370.  
  371.               References
  372.  
  373. Nautical Almanac Office, U. S. Naval Observatory, _Astronomical
  374. Almanac for the Year 1986_, U. S. Government Printing Office,
  375. 1985.
  376.  
  377. Nautical Almanac Office, U. S. Naval Observatory, _Almanac for
  378. Computers, 1986_, U. S. Government Printing Office
  379.  
  380. Meeus, Jean, _Astronomical Formulae for Calculators_, 3rd ed.,
  381. Willmann-Bell, Inc., 1985.
  382.  
  383. Moulton, F. R., _An Introduction to Celestial Mechanics_, 2nd ed.,
  384. Macmillan, 1914 (Dover reprint, 1970)
  385.  
  386. Taff, L. G., _Celestial Mechanics, A Computational Guide for the
  387. Practitioner_, Wiley, 1985
  388.  
  389. Newcomb, S., _Tables of the Four Inner Planets, Astronomical
  390. Papers Prepared for the Use of the American Ephemeris and Nautical
  391. Almanac_, Vol. VI.  Bureau of Equipment, Navy Department,
  392. Washington, 1898
  393.  
  394. Lieske, J. H., T. Lederle, W. Fricke, and B. Morando,
  395. "Expressions for the Precession Quantities Based upon the IAU
  396. (1976) System of Astronomical Constants,"  Astronomy and
  397. Astrophysics 58, 1-16 (1977).
  398.  
  399. Laskar, J., "Secular terms of classical planetary theories
  400. using the results of general theory," Astronomy and Astrophysics
  401. 157, 59070 (1986).
  402.  
  403. Bretagnon, P. and G. Francou, "Planetary theories in rectangular
  404. and spherical variables. VSOP87 solutions," Astronomy and
  405. Astrophysics 202, 309-315 (1988).
  406.  
  407. Bretagnon, P. and Simon, J.-L., _Planetary Programs and Tables
  408. from -4000 to +2800_, Willmann-Bell, 1986
  409.  
  410. Seidelmann, P. K., et al., "Summary of 1980 IAU Theory of Nutation
  411. (Final Report of the IAU Working Group on Nutation)" in
  412. Transactions of the IAU Vol. XVIII A, Reports on Astronomy,
  413. P. A. Wayman, ed.; D. Reidel Pub. Co., 1982.
  414.  
  415. "Nutation and the Earth's Rotation", I.A.U. Symposium No. 78,
  416. May, 1977, page 256. I.A.U., 1980.
  417.  
  418. Woolard, E.W., "A redevelopment of the theory of nutation",
  419. The Astronomical Journal, 58, 1-3 (1953).
  420.  
  421. Morrison, L. V. and F. R. Stephenson, "Sun and Planetary System"
  422. vol 96,73 eds. W. Fricke, G. Teleki, Reidel, Dordrecht (1982)
  423.  
  424. Stephenson, F. R., and M. A. Houlden, _Atlas of Historical
  425. Eclipse Maps_, Cambridge U. Press, 1986
  426.  
  427. M. Chapront-Touze' and J. Chapront, "ELP2000-85: a semi-analytical
  428. lunar ephemeris adequate for historical times," Astronomy and
  429. Astrophysics 190, 342-352 (1988).
  430.