Mars24 太阳钟采用的火星太阳时技术说明
本篇文章翻译自NASA的 Technical Notes on Mars Solar Time as Adopted by the Mars24 Sunclock
作者:Michael Allison and Robert Schmunk
NASA Goddard Institute for Space Studies
更新于 2023-05-15
这些说明简要介绍了 Mars24 中数字读数的定义。所引用的论文和进一步的详细信息可以在参考文献中找到,包括 Allison (1997)、Allison 和 McEwen (2000) 等人的期刊文章。1998 年网站文章“Telling Time on Mars”提供了有关火星太阳时的非技术性说明。随附的用户指南中提供了有关 Mars24 中特定控件和显示的信息。
火星太阳日和 24 小时制时钟习惯
按照 1976 年维京号着陆器任务最初采用的长期做法,火星太阳时的日变化以 24 火星小时制计算,代表将行星太阳日分成的 24 个部分,以及传统的 60 分钟和 60 秒的六十进制细分。一个火星太阳日的平均周期为 24 小时 39 分 35.244 秒,通常称为一个“太阳日”,以区别于地球上大约短 3% 的太阳日。相对于恒星测量,火星恒星日为 24 小时 37 分 22.663 秒,而地球为 23 小时 56 分 04.0905 秒。
火星太阳季节
火星上太阳的视季节推进(apparent seasonal advance)通常用火星中心经度(areocentric longitude) Ls 来测量,即火星的春分点(即火星赤道上太阳视季节运动的上升节点)。根据定义, Ls = 0°、90°、180° 和 270° 分别表示火星北半球的春分点、夏至点、秋分点和冬至点。
就 Ls 而言,随季节变化的以行星为中心的太阳赤纬 d 等于 arcsin[(sin ε)(sin Ls)],其中倾角 ε 是行星自转轴相对于其轨道平面的倾角。为了准确描述相对于局部平坦表面的太阳光照情况,可以对太阳倾角进行修正,以适应所谓的扁球体行星纬度测量的微小差异,就像在 Mars24 太阳钟中所做的那样。
由于火星轨道偏心率, Ls 随时间推移略显不均匀,但可以有效地将其作为轨道偏心率和相对于近日点测量的轨道平均异常的三角幂级数来评估。近日点的地心经度 Ls,p = 251°.000 + 0°.0064891×(yr ‐ 2000), 表明该行星在其轨道上最接近太阳的位置与冬至季节几乎一致。该季节前期偶尔出现的全球沙尘暴与此有关。
火星轨道周期
以行星为中心的平均太阳经度的重复周期称为回归年。(该周期与“虚拟平太阳”的前进速度有关,如下所述。)火星回归年为 686.9725 天或 668.5921 太阳日。相比之下,相对于恒星测量的火星恒星年为 668.5991 太阳日。这些值之间的差异是由行星自转轴的进动引起的。
行星通过近日点的重复间隔或近点年的平均间隔为 668.6147 太阳日,与行星轨道平均近点的推进速度相对应。特定太阳季节的平均重复周期随 Ls 而变化。火星春分、夏至、秋分和冬至的平均重复间隔分别为 668.5906 太阳日、668.5879 太阳日、668.5940 太阳日和 668.5957 太阳日,这些的它们的平均值正好等于回归年。
平均太阳时和真太阳时
此外,由于行星的轨道偏心率及其倾角,人为定义的平均太阳时与对应于太阳在其天空中实际行星中心位置的真太阳时之间的均匀推进存在随季节变化的差异。按照地球计时的传统用法,火星上的平均太阳时是根据所谓的虚拟平太阳赤经 (FMS) 定义的。根据定义,FMS 是行星的春分点(沿其赤道平面测量)与人为定义的“动态平太阳”之间的角度,该“动态平太阳”以与行星的太阳回归年相对应的速率推进(即火星 FMS 以 360°/686.9725 天或 0.5240384°/天的速率推进)。它的数值(精确到 360° 的任意倍数)只是轨道平均异常 M 和近日点的地心经度 Ls,p 的总和。Allison 和 McEwen(2000 年)评估了火星的 FMS(以下简称“AM2000”),将其作为对 134 个火星轨道(1874-2127 年)的地心经度的精确计算的平均值,其角度位置根据(~0°.0046)太阳光行差进行了调整。火星探测车项目采用了这一评估来定义火星平太阳时(参见 Roncoli 等人,2002 年)。
真太阳时 (TST) 和平太阳时 (MST) 之间的差异称为均时差 (EOT),其对应角度测量值相当于 FMS 的赤经和真太阳的赤经之间的差异。对于地球,EOT 变化范围在 -14.2 分钟和 +16.3 分钟之间。火星的轨道偏心率比地球大五倍多,其 EOT 变化范围在 -51.1 分钟和 +39.9 分钟之间。EOT 与太阳赤纬的参数图称为太阳日行迹。对于地球,这呈现为 8 字形图案,通常标记在日晷和地球仪上(后者通常位于南太平洋的空旷空间中)。对于火星,日行迹呈现雨滴或畸形梨的形状。
地方时间和“分区”时间
随着对火星的观测不断改进,火星本初子午线的定义也变得越来越精确。19 世纪 30 年代,天文学家试图测量火星的自转,观测到一个小的圆形反照率特征,1877 年,人们利用这个特征将火星的本初子午线定为 0°。该位置随后被命名为 Sinus Meridiani(“子午线湾”)。
水手 9 号对火星进行观测后,子午线湾内一个半公里宽的陨石坑被用来标示经度 0°(de Vaucoulers 等人,1973 年)。陨石坑内的一个陨石坑后来被命名为 Airy-0,以纪念英国天文学家乔治·比德尔·艾里,他建造了格林威治望远镜,该望远镜的位置后来被定义为地球的本初子午线。
近期为限制火星着陆器位置不确定性所做的努力建议,根据着陆器位置将本初子午线定义进一步细化到 6 米以内,具体来说,经度 0° 应精确定义为维京着陆器 1 号以东 47.95137°(Kuchynka 等人,2014 年)。
Mars24 应用程序将火星本初子午线的平均太阳时称为“艾里平均时间”(AMT),类似于地球的“格林威治标准时间”(GMT),尽管后者在国际计时服务中已被更精确的协调世界时(UTC)所取代。
对于火星上的特定位置,当地真太阳时间(LTST)和当地平均太阳时间(LMST)可以通过在火星本初子午线的真太阳时间(TST)和平均太阳时间(MST)基础上,添加一个与该位置东经度相等的火星小时数(东经度除以15)来简单计算。因此,在 45°W 的 LTST 恰好比 0° 的真太阳时晚三个火星小时。
19 世纪中期,地球上本地测量和定义的时间逐渐被时区所取代,以便于铁路时刻表的标准化,以及在一定程度上用于记录科学观测。这一过程在 1884 年的一次国际会议上达到顶峰,会议创建了全球时区系统,并指定格林威治经度为本初子午线。每个时区大约宽 15°,确切的宽度和形状取决于政治边界和重要地理特征。在每个时区内,时区时钟都使用相同的小时。
Mars24 包含一个选项,可以根据类似构造的“火星时区”显示所选位置的当地时间。我们已将这些时区定义为精确 15° 宽,并以连续的 15° 经度倍数为中心,即 0°、15°、30° 等。除了使用术语“艾里标准时间”外,我们并未尝试命名这些时区,例如“奥林匹斯标准时间”,但确实使用表示时区偏移量的后缀来标识它们的读数。因此,对于奥林匹斯山,时区标识符为“AMT-9”,即比艾里标准时间晚九个火星小时。
火星太阳日期 (MSD)
在科学文献、通俗小说和其他领域,人们提出了许多火星月年历法。同样,科学文献中也出现了从某个时期开始计算火星年份的方案,这些方案的采用程度各不相同。Mars24 应用程序尚未采用任何这些日历或枚举。
但是,我们在 Mars24 显示中加入了 AM2000 定义的 “火星太阳日期”(MSD)。这表示自 1873 年 12 月 29 日大约格林威治中午(儒略历 2405522.0)以来火星太阳日的连续计数。这个时代早于 1877 年火星的近日点大冲,并且早于几乎所有对该星球时间变化的详细观测。它对应的火星 Ls 为 277°,与同一日期的地球中心太阳经度大致相同。MSD 44796.0 大约对应于2000年1月6日0时,这时两个行星的本初子午线午夜几乎重合,同时火星的 Ls = 277° 。 44796 个火星日周期也与 126 个儒略年和 67 个火星热带旋转周期几乎相等。原则上,MSD 可用作各种火星任务和观测的一致火星日日期参考。
Mars24 精度
Mars24 使用 AM2000 规定的火星轨道经度七个最大短周期行星摄动的短系列表示法,该表示法改编自 Simon 等人 (1994)。与精确星历表的详细比较表明,采用的算法计算出的 Ls 的最大误差为 J2000 ±100 年内的 0°.008。根据计算出的 EOT 对 Ls 的隐式依赖性,可以估计得出的真太阳时误差高达 3 秒。当前编码的 TT 和 UTC 之间的转换误差本身在 1975 年后的某些时期内误差高达 3 秒。
当然,计算当地(真或平均)太阳时的准确性不可能超过该地点的经度定位精度。因此,随着对着陆器位置的了解越来越多,对给定着陆器位置的预测太阳时可能需要进行修改。尽管在 2000 年之后的着陆器着陆后很快就获得了相对精确的坐标,但关于两架维京号着陆器的精确位置的争议持续了一段时间,直到几十年后,后来的轨道飞行器在地面照片中发现了着陆器,争议才得以解决。
虽然一天的时间可以根据经度计算出来,但对当地日出和日落时间以及地出和地落时间的估计也需要行星纬度。即便如此,由于当地地形和大气折射,结果也可能存在误差。与火星着陆点有限数量的太阳和地球升起和落下事件的已知时间进行比较表明,如果没有地形和大气的影响,计算这些时间的误差小于 30 秒。
着陆器任务时间
每个火星着陆器任务项目都采用了不同的太阳计时和任务时钟参考。任务日期通常以特定着陆器着陆火星表面的日期起的太阳日数来表示。根据任务标准,着陆的太阳日被指定为第 0 个太阳日或第 1 个太阳日。一般来说,如果任务在当天晚些时候着陆,并且无法在下一个太阳日之前执行“有意义的任务操作”,则计时从第 0 个太阳日开始。
一个更复杂的问题是如何定义火星初日的开始时间。这同样存在差异,要么基于(计划的)着陆点 LTST 或 LMST 午夜(着陆前夕),要么基于与前一个午夜的某个特定偏移量。但无论如何定义任务时钟的初始时间,着陆器时钟通常都会以平均火星时间的速率“滴答作响”。
注意:对于早期的着陆器任务(两艘维京号着陆器以及火星探路者号),任务时钟规格与 Mars24 尝试匹配任务数据时间标签之间的差异是由于对火星自旋极点的了解不断加深以及火星制图的更新,这两者都源于这些任务收集的数据以及维京轨道器和火星全球探测器等轨道器任务收集的照片。
维京号着陆器(VL1、VL2): NASA 两次维京号着陆器任务的“当地着陆器时间”均始于火星日第 0 天,从着陆前各自着陆器位置的午夜 LTST 开始,但以平均太阳时的速度前进。确定 LTST 午夜时分所使用的位置显然是在维京号轨道器到达火星和随后部署着陆器期间选择的着陆坐标,即用于 VL1 时间计算的经度为 312.5°E,用于 VL2 的经度为 134.14°E。然而,Mars24 根据每个维京号着陆器火星日第 0 天的明确 UTC 纪元来计算这两个着陆器的任务时间,这些纪元是从国家空间科学数据中心存档的着陆器气象数据磁带文档中获得的。
火星探路者 (MPF): NASA 的火星探路者着陆器及其索杰纳探测器的任务规划文档不仅讨论了 LTST 和 LMST 的含义,还讨论了“混合太阳时”,本质上是 LMST 的一个稍微复杂的偏移版本,它会定期调整以将 LTST 和偏移 LMST 之间的差异限制在 5 分钟以内 (Vaughan, 1995)。然而,探路者任务网站 (例如轨迹数据网页) 等材料中包含的“火星当地太阳时”的时间标签似乎都只使用了 LTST 模式,而不是混合系统。Mars24 显示的 MPF 任务时间使用 LTST 计时,旨在与这些发布的时间表相匹配。
火星探测车(MER-A、MER-B)——勇气号和机遇号: NASA 火星探测车项目的两个探测车采用的“混合当地太阳时”基于 Roncoli 等人(2002 年)描述的着陆点 LMST 偏移量,并在那里称为“MER 连续时间算法”。这些偏移量的目的是,在 MER-A 和 -B 每次正常任务的中间(即着陆后的第 45 个火星日),着陆器的任务时间应与 LTST 对齐,误差在 30 秒以内。对于 MER-A 勇气号,着陆器的任务时间和 LMST 之间的差异超过 41 分钟;而对于 MER-B 机遇号,差异超过 37 分钟。与探路者号一样,每个 MER 着陆器的火星日 1 表示着陆器着陆的太阳日。尽管基于计划的着陆经度,但两个探测器的时间在Mars24中是使用明确的UTC起点来计算的。
火星凤凰号 (PHX):NASA 的火星凤凰号任务恢复使用 Sol 0 来指示着陆器着陆的太阳日。任务规划人员最初指定基于计划着陆点 233.35°E 的 LMST 的任务时钟。然而,后来决定将着陆点向东移动约 0.9°,同时保留基于先前位置的任务时钟。这一决定将导致任务时钟与 LMST 偏移约两分半钟,但事实证明,凤凰号着陆点偏离目标 5 公里,位于 234.248°E。最终结果是任务时间和着陆器位置 LMST 相差约三分半钟。
火星科学实验室 (MSL) - 好奇号:NASA 的火星科学实验室项目还将 Sol 0 定义为探测器着陆的太阳日。在规划期间,任务控制员指定任务时钟从 LMST 午夜开始,着陆点位于 137.42°E。着陆点后来略有改变,在 MSL 飞往火星期间进行了航向修正。由于好奇号着陆点略微偏离最终目标坐标,因此着陆点位于 137.442°E。效仿凤凰号,没有重新定义 MSL 任务时钟以匹配实际着陆坐标,因此着陆点的 LMST 和任务时钟之间出现了几秒钟的差异。
洞察号 (NSYT):NASA 的火星洞察号项目将火星第 0 个太阳日定义为着陆器着陆的太阳日,即 2018 年 11 月 26 日。在规划期间,任务时钟被定义为从 LMST 午夜开始,着陆点位于 135.97°E。实际着陆点位于 135.62°E,这意味着任务时钟比着陆器的 LMST 早约 85 秒。
火星 2020 (M20) - 毅力号:NASA 的火星 2020 毅力号项目指定火星车着陆的太阳日为第 0 个太阳日,即 2021 年 2 月 18 日。在规划期间,任务控制员指定任务时钟从午夜 LMST 开始,着陆点位于 77.43°E。着陆发生在 77.45°E,因此任务时钟与着陆点 LMST 之间相差约 5 秒。
祝融号:尚未收到有关中国(CNSA)天问一号祝融号着陆器-探测车项目使用太阳计数或当地太阳时任务时钟的任何信息。