Czy możliwe jest określenie pozycji obserwatora na Ziemi na podstawie zdjęcia nocnego nieba i czasu wykonania zdjęcia?

LaTilz

2019-08-26 17:36:21 UTC

view on stackexchange narkive permalink

O ile wiem, to pytanie może być z jednej strony związane z niebiańską nawigacją, z drugiej zaś z określaniem postawy (lub orientacji) na podstawie kierunku gwiazd. Jednak połączenie tych dwóch metod nie rozwiązuje problemu, więc zastanawiam się, czy istnieje inne podejście.

W nawigacji na niebie wysokość gwiazd (wzniesienie względem horyzontu) na danym czas można wykorzystać do określenia pozycji obserwatora. Ograniczeniem tej metody jest to, że horyzont musi być widoczny, co niekoniecznie ma miejsce w przypadku zdjęcia nocnego nieba.

Zdjęcie nocnego nieba może również dostarczyć informacji o postawie (orientacji) kamery wkręconej w ramkę inercyjną. Zmierzony kierunek kilku gwiazd (z ich pozycji na zdjęciu) i ich znany kierunek w układzie inercjalnym pozwalają oszacować położenie. Ta metoda jest używana na przykład w urządzeniach zwanych śledzącymi gwiazdami na pokładzie satelitów.

Połączenie tych dwóch podejść nie rozwiązuje problemu, ponieważ nadal brakuje informacji o horyzoncie. Rzeczywiście, orientacja znajduje się w odniesieniu do układu inercjalnego, a nie do układu lokalnego, a zatem horyzont jest nadal nieznany.

To jest * naprawdę fajne pytanie! * Dla wyjaśnienia zgaduję, że przez „czas strzału” masz na myśli coś w rodzaju [UTC] (https://en.wikipedia.org/wiki/Coordinated_Universal_Time) i dokładność pozycji powiedzmy, że kilka kilometrów byłoby w porządku i czysty horyzont, taki jak ocean lub niektóre równiny, o których wiadomo, że są płaskie?

Zgaduję: jeśli pozwolisz na obracanie kamery (co robisz), odpowiedź brzmi nie, z wyjątkiem tego, że możesz sprawdzić, gdzie na świecie te gwiazdy były w tym czasie i być może zrobić trochę „oszukiwania”, sprawdzając, czy jeśli niektóre gwiazdy są na tyle wyblakłe, że jest wyraźne, zdjęcie zostanie zrobione blisko horyzontu. Rozumowanie: wierzę, że obracając kamerę można uzyskać obraz podobny do dowolnego miejsca na Ziemi, ponieważ ogranicza Cię względne położenie gwiazd, które jest ustalone dla każdego.

Tak - potrzebujesz jakiegoś odniesienia na „drugiej osi”, ponieważ wąski obraz FOV może być skierowany do zenitu o 1 w nocy, a następnie obrócony i pochylony, aby uzyskać ten sam obraz o 4 rano. „Sztuczka” polega na tym, że planety i księżyc będą się poruszać nieskończenie małymi krokami w ciągu tych 3 godzin, więc z dużą - dostateczną dokładnością kątową i precyzją, można pobrać czas wykonania zdjęcia, ale nie lokalizację.

@CarlWitthoft Jeśli pozwolimy nam mieć Księżyc na zdjęciu, czy nie będzie on miał innej pozornej pozycji względem gwiazd w zależności od naszej szerokości geograficznej?

@KeithMcClary brzmi dobrze - nie wiem o precyzji.

@uhoh tak, to jest to :) Jednak horyzont nie zawsze jest widoczny na zdjęciu, dlatego trzeba jakoś oszacować orientację kamery względem lokalnej płaszczyzny poziomej.

Co możesz powiedzieć ze zdjęcia niektórych gwiazd?

Potrzebujesz przynajmniej rozpoznawalnego asteryzmu

Jeśli ekspozycja jest zbyt niskie lub zanieczyszczenie światłem zbyt wysokie, aby jednoznacznie zidentyfikować asteryzm trzech lub więcej gwiazd, po prostu nie będziesz w stanie wiele powiedzieć ze zdjęcia.

Sam asteryzm może powiedz tylko, gdzie zdjęcie nie zostało zrobione .

Jeśli gwiazda na zdjęciu ma deklinację 60 ^ o $ , możesz wykluczyć wszystkie miejsca kręcenia na południe od $ - 30 ^ o $ szerokości geograficznej. Gwiazdę taką jak Polaris można naprawdę zobaczyć tylko na półkuli północnej, podczas gdy Syriusza można zobaczyć wszędzie na południe od Svalbardu.

Asteryzm i horyzont wystarczają do określenia szerokości geograficznej

Jeśli krawędź lądu na zdjęciu jest wystarczająco blisko rzeczywistego horyzontu (a nie pasma gór) i występuje obok rozpoznawalnego asteryzmu na zdjęciu, można obliczyć szerokość geograficzną. Odnosi się to do każdego powiększenia, ponieważ można użyć odległości kątowej między gwiazdami (znanej wielkości), aby zmierzyć kąt do horyzontu. Nie przychodzi mi do głowy żadne specjalne miejsce, w którym nie byłbyś w stanie określić szerokości geograficznej z gwiazd + horyzontu.

Tak naprawdę nie obliczałem tego, jak dokładnie można byłoby określić szerokość geograficzną, ale oto kilka uwag: Istnieją dwa źródła błędów: położenie gwiazd i położenie horyzontu. Obraz gwiazdy może rozciągać się na kilka pikseli, a jeśli zdjęcie zostało wykonane za pomocą standardowej kamery, a nie teleskopu, wystąpiłby błąd około dziesięciu minut łukowych. Horyzont może wydawać się niższy niż $ 0 ^ o $ w zależności od odległości nad ziemią, ale efekt jest niewielki. Patrząc z Mt Everest, horyzont będzie wyglądał o jedną dwudziestą stopnia niżej niż powinien. Uważam, że dokładne położenie horyzontu może być również przysłonięte przez załamanie atmosferyczne.

Podsumowując, błąd kąta między zidentyfikowaną gwiazdą a horyzontem jest równy błędowi szerokości geograficznej zidentyfikowanej pozycji. Dla błędu 10 minut kątowych odpowiada to dziesięciu minutom łuku szerokości geograficznej, czyli około 18 kilometrów.

Długość geograficzna wymaga czasu globalnego, a nie lokalnego

Jeśli dysponujesz tylko czasem lokalnym, zdjęcie mogłoby zostać zrobione w dowolnym miejscu wzdłuż tej szerokości geograficznej. Jeśli masz jakąś formę czasu globalnego (UTC, GMT, cokolwiek, nie ma znaczenia który, o ile wiesz, jaki to jest), możesz obliczyć długość geograficzną z tego miejsca.