home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Travel to Space / Travel to Space.iso / dos_prog / astronmy / aa50 / read.me < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1991-07-19  |  18.8 KB  |  423 lines

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