Aloitetaan esittelemällä työssä käytettäviä notaatioita, määritellään koordinaatis-toihin liittyviä peruskäsitteitä ja kirjoitetaan ylös koordinaatiskoordinaatis-toihin liittyviä perus-tuloksia, joihin myöhemmin viitataan.
Koordinaatisto (eng. reference frame) on origosta ja yleensä suorakulmaisista akse-leista koostuva systeemi, jonka avulla pisteen P paikka voidaan esittää. Pisteen esitys jossakin koordinaatistossa on avaruuden R3 vektori (d1, d2, d3)T, missä di
kertoo pisteen etäisyyden origosta akselinisuuntaan, kuvan 2.1 -mukaisesti. Lukuja di kutsutaan myös pisteen P koordinaateiksi.
akseli 1 d2
d3
P akseli 3
O
d1
akseli 2
Kuva 2.1: Vasemmalla: Koordinaatisto koostuu origosta O sekä akseleista. Pisteen P paikka saadaan esitettyä koordinaattiendiavulla.Oikealla:Koordinaatiston B akselit voidaan esittää koordinaatiston A akselien~ei suuntaisten komponenttien avulla.
Merkitään koordinaattivektoreita jatkossa lihavoiduilla pienillä kirjaimilla ~r,~s,~p jne. Paikkavektorin lisäksi ne voivat kuvata mitä tahansa muutakin vektoria kuten nopeutta tai kiihtyvyyttä. Merkitään myös vektoriarvoisia funktioita lihavoiduilla nuolellisilla kirjaimilla, kuten F(~ ·) ja merkitään matriiseja lihavoiduilla isoilla kirjaimilla A, B, Cjne.
Tarkastellaan sitten koordinaatiston vaihtoa. Rajoitutaan suorakulmaisiin koordi-naatistoihin, joiden skaala on sama, eli pisteiden väliset etäisyyden eivät muutu koordinaatistonmuunnoksessa. Lisäksi oletetaan, että koordinaatistoilla on yhteinen origo. Olkoon lähtökoordinaatiston nimi A, loppukoordinaatiston B, ja olkoon vektorin ~r esitykset näissä koordinaatistoissa ~rA ja ~rB. Tällöin koordinaatistojen välistä muunnosmatriisia merkitään RBA ja se toteuttaa yhtälön
~rB =RBA~rA. (2.1)
Näytetään seuraavaksi, kuinka matriisiRBAvoidaan esittää koordinaatistojen A ja B akselien välisten kulmien funktiona. Samalla todetaan, että muunnosmatriisi toiseen suuntaan saadaan transponoimalla, eli~rA=RAB~rB = RBAT
~rB.
Tarkastellaan tilannetta A:n koordinaateissa. Tällöin A:n koordinaattiakselit osoit-tavat yksikkövektoreiden ~ei suuntiin, ja paikkavektori voidaan ilmaista näiden kantavektoreiden avulla
~rA = (~rA)1~e1+ (~rA)2~e2+ (~rA)3~e3. (2.2) Merkintä(~rA)i tarkoittaa vektorini. komponenttia. Kun tarkastellaan kahden koor-dinaatiston välisiä muunnoksia, on kätevää valita toinen näistä koordinaatistoista tarkastelukoordinaatistoksi. Tällöin sen kanta on luonnollinen{~ei}, kuten nyt A:lla.
Koordinaatiston B akselit ovat A-koordinaatistossa katsottuna suunnissa ~bi, kuten kuvasta 2.1 näkyy. Valitaan ~bi:t siten, että ne ovat yksikkövektoreita. Lisäksi,
koska käsittelemme nyt suorakulmaisia koordinaatistoja, ovat~bi ortogonaalisia. Nyt vektori~rAvoidaan ilmaista kantavektoreiden{~bi}ja koordinaattivektorin~rBavulla:
~rA= (~rB)1~b1+ (~rB)2~b2+ (~rB)3~b3 =RAB~rB (2.3) Yhdistämällä yhtälöt (2.2) ja (2.3) saadaan
(~rA)1~e1+ (~rA)2~e2+ (~rA)3~e3 = (~rB)1~b1+ (~rB)2~b2 + (~rB)3~b3. (2.4) Kirjoitetaan sitten kukin yksikkövektori ~bj vektoreiden ~e1, ~e2 ja ~e3 suuntaisten komponenttien vektorisummana, kuvan 2.1 havainnollistamaan tapaan. Vektorin~bj projektio vektorilla~ei oncos(~bj,~ei)~ei, missäcos(~bj,~ei)tarkoittaa vektoreiden~bj ja
~ei välisen kulman kosinia. Niinpä
~bj =
3
X
i=1
cos(~bj,~ei)~ei , ∀j ∈ {1,2,3}. (2.5)
Eliminoidaan vektorit ~bj yhtälöryhmästä (2.5) yhtälön (2.4) avulla, jolloin Σ3i=1(~rA)i~ei = Kertoimet vektoreiden~ei edessä voidaan asettaa yhtäsuuriksi ja muodostaa yhtälö
~rA =
Havaitaan, että saatu matriisi on lausekkeen (2.3)RAB, joka on ortonormaali. Tällöin se on ei-singulaarinen ja RAB−1
= RABT
[45, s. 66]. Saadaan alunperin haettu muunnosmatriisi
Tätä kutsutaan myös suuntakosinimatriisiksi [1, s. 15].
Suuntakosinimatriisi on peräti yhdeksän kulman funktio. Kuitenkin, vain kolme näistä kulmista ovat riippumattomia [2, s. 199]. Matriisi voidaankin hajottaa koor-dinaattiakselien x, y ja z suhteen tehtäviksi kolmeksi kierroksi. Jos kulmat α, β ja
γ mittaavat pyörähdyskulmaa akselien ympäri oikeakätiseen kiertosuuntaan, niin kiertoja vastaavat matriisit ovat
Rx(α) =
Mikä tahansa rotaatiomatriisi saadaan esitettyä näiden kolmen matriisin tulona.
Tarkastelemalla matriisien sarakkeita on helppo havaita, että ne ovat ortonor-maaleja, ja niinpä matriiseille R−1 =RT.
Yhtälö (2.1) kertoo, kuinka koordinaattivektorin voi muuntaa koordinaatistosta toiseen muunnosmatriisin RBA avulla. Mikäli vektorin sijasta halutaankin muuntaa vektorimuuttujan vektoriarvoinen funktio ~F(~r), tapahtuu se kaavalla
F~B(~rB) =RBAF~A RAB~rB
.
Tämä kaava on hyödyllinen sellaisessa tilanteessa, missä funktiota ~F on hankala esittää koordinaatistossa B, mutta koordinaatistossa A se on yksinkertaista. Tällöin vektorin ~FB(~rB) laskeminen voidaan tehdä yllä olevan kaavan avulla. Ensin pitää muuntaa argumenttivektori A-koordinaatistoon, sitten laskea funktion arvo~FA(~rA), ja lopuksi vielä muuntaa saatu tulos takaisin koordinaatistoon B. Skalaarifunktiota muunnettaessa riittää, kun vaihdetaan argumentin koordinaatistoa, jolloin
fB(~rB) = fA RAB~rB
. (2.7)
Tarkastellaan sitten lyhyesti gradienttia
∇f(~r) = (f′(~r))T =
Derivoinnin ketjusääntöä (KS) käyttäen saadaan
∇BfB(~rB) = [fB′ (~rB)]T (2.7)= h Gradientti uudessa koordinaatistossa saadaan siis laskemalla ensin gradientti vanhassa koordinaatistossa, ja muuntamalla saatu vektori uuteen koordinaatistoon
matriisin RBA avulla. Tämä tarkoittaa sitä, että gradientti on koordinaatistoriip-pumaton. [48, s. 10]
Tässä työssä koordinaatistot liikkuvat toistensa suhteen, sillä Maa on kokoajan liik-keessä avaruuden suhteen. Tällöin muunnosmatriisi riippuu ajasta, eli hetkellä t
~rB(t) =RBA(t)~rA.
Tässä vektori ~rA on stationäärinen eli ajasta riippumaton koordinaatistossa A, mutta aikariippuva muunnos tekee siitä ei-stationäärisen koordinaatistossa B.
Samalla lailla funktiot voivat olla stationäärisiä toisessa koordinaatistossa ja ajasta riippuvia toisessa:
fB(~rB, t) = fA RAB(t)~rB(t)
F~B(~rB, t) = RBA(t)~FA RAB(t)~rB(t) .
Keskitytään sitten tarkemmin tapaukseen, jossa toinen koordinaatisto on iner-tiaalikoordinaatisto, ja toinen pyörii inertiaalikoordinaatistoon nähden akselin ω~ ympäri tasaisella kulmanopeudella kω~k. Tarkastellaan mitä tahansa pyörivän koor-dinaatiston pistettä (tai vektoria) ~p. Inertiaalikoordinaatistosta katsottuna piste ei pysy paikallaan, vaan pyörii akselin ω~ ympäri. Pisteen nopeus riippuu sitä kuvaavan vektorin ~p ja akselin ω~ välisestä kulmasta, sekä vektorin ~p pituudesta p:v =pωsin(~p, ~ω). Sen suunta on vektorin~p ja akselinω~ virittämää tasoa vastaan kohtisuorassa. Niinpä pisteen nopeus voidaan kirjoittaa ristitulona:
d~p
dt =ω~ ×~p. (2.9)
Tämä kaava pätee mille tahansa vektorille. [24, s. 105-106]
Seuraavaksi tarkastellaan kiinteän vektorin tai pisteen sijaan ajasta riippuvaa vektoria~ppyörivässä koordinaatistossa. Yksikkövektoreiden~i,~jja~kavulla kirjoitet-tuna se on
~
p =px~i+py~j+pz~k. (2.10) Kun tämä derivoidaan ajan suhteen, pitää ottaa huomioon, että ajassa muut-tuvien koordinaattien pi lisäksi myös vektorit~i,~j ja ~k pyörivät suhteessa inerti-aalikoordinaatistoon. Kaikkien vektorien muunnos noudattaa kaavaa (2.9), joten
~
Jos ~p kuvaa esineen paikkaa, niin todellinen nopeus eli inertiaalikoordinaatistossa havaittu nopeus saadaan, kun lasketaan paikkavektorin nopeus ~p˙ pyörivässä koor-dinaatistossa havaittuna ja lisätään siihenω~ ×~p. [24, s. 108]
Merkitään sitten äsken tarkasteltua pyörivää koodinaatistoa B:llä ja inertiaalikoordi-naatistoa A:lla. Inertiaalikoordinaatistossa vektorin derivaatta on todellinen nopeus d~pA/dt, ja niinpä todellinen nopeus B-koordinaatiston koordinaattivektorina on RBAd~pA/dt. Edellä esitetyn nopeuden muunnoskaavan perusteella
RBAd~pA
dt = ˙~pB+ω~ ×~pB k ·RAB
⇔ d~pA
dt = RAB
~˙
pB+ω~ ×~pB
⇔ d~pA
dt = RAB~p˙B+RABω~ ×~pB. (2.11) Toisaalta d~pA/dt voidaan laskea myös näin [1, s. 17]:
d~pA
dt = d RAB~pB
dt =RAB~p˙B+ ˙RAB~pB. (2.12) Vertaamalla lausekkeita (2.11) ja (2.12) nähdään, että muunosmatriisin derivaatan on oltava
R˙AB =RAB (~ω×), missä (~ω×) on ristitulon matriisimuoto [1, s. 16]
(~ω×) =
0 −ωz ωy
ωz 0 −ωx
−ωy ωx 0
.
Jos siis koordinaatisto B pyörii koordinaatistoon A nähden kulmanopeudellaω, niin~ tällöin nopeus koordinaatistossa A, eli ~vA saadaan laskettua B-koordinaatistossa havaitun nopeuden~vB avulla seuraavasti:
~
vA = RAB~vB+ ˙RAB~pB
= RAB~vB+RABω~ ×~pB. (2.13) Sama muunnos toiseen suuntaan saadaan ratkaisemalla tästä yhtälöstä~vB. Edelleen B pyörii koordinaatistoon A nähden kulmanopeudella ω~ ja tällöin
~
vB=RBA~vA−ω~ ×~pB. (2.14) Lauseke voidaan muokata myös muotoon
~vB = RBA~vA−ω~ × RBA~pA
= RBA(~vA−ω~ ×~pA).