天球坐标的讲解

精心整理

第二节天球坐标

一、地平坐标系

二、时角坐标系

三、赤道坐标系

四、黄道坐标系

观测与实习〔四〕辨认北极星，用简易方法测定地理纬度

光年，但

人

地平坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。例如，在晴朗的傍晚，观测者经常可以看到人造卫星在群星间的运行，和大量的流星现象，它们的运行速度都很快，用什么方法能够快速、简便地记录下卫星或流星的位置呢？最简便的方法就是记下某瞬间该卫星或流星的地平经度（方位）和地平纬度（高度），这就是我们所要讨论的地平坐标系。

1.基本圈和基本点

地平坐标系中的基本圈是地平圈，基本点是天顶和天底。

地平圈就是观测者所在的地平面无限扩展与天球相交的大圆。从观测者所在的地点，作垂直于地平面的直线

并无限延长，在地平面以上与天球相交的点，称为天顶；在地平面以下与天球相交的点，称为天底。在天球上，天顶和天底与地平圈的角距离均为90°，只不过一个在地平圈以上，另一个在地平圈以下。地平圈把天球分为可见半球和不可见半球两部分。

由于天球的半径是任意长的，而地球的半径则相对很小，因此，观测者所在的点可以认为是与地心重合的，地平圈也可以看成是以地心为圆心的，这与观测者所在点的地平面在天球上是完全一致的。

通过天顶和天底可以作无数个与地平圈相垂直的大圆，称为地平经圈；也可以作无数个与地平圈平行的小圆，称为地平纬圈。地平经圈与地平纬圈是构成地平坐标系的基本要素。

按顺时

90°，则岩层向东北倾斜，在90°～180°之间则向东南倾斜，在180°～270°之间则向西南倾斜，在270°～360°之间则向西北倾斜。

在天文观测中，如果预报或观测到某一天文现象，发生时的方位（南点为起点）为45°，则表示该天文现象发生于西南方。

我们这里所说的方位，一般是指天文学中的概念，即南点是它的起点，午圈所在的平面是它的起始面。

3.高度

高度即地平纬度，它是一种线面角，即天体方向和观测者的连线与地平圈的夹角。在观测地，天体的高度就是该天体的仰视角。此时无所谓向下计量的高度；但是，在计算时，则会出现负的高度值，这意味着天体位于地平圈以下，即位于不可见半球。天体的高度可以在地平经圈上度量，从地平圈起算，到天顶为0°～90°，到天底为0°～（－90°）。如图2－12表示天体的方位和高度的量算。

地平坐标中的方位，还可以用来测定地物相对于观测者的方向。

天体的高度和方位可以用经纬仪直接测出，也可以用量角器大致估测。

4.地平坐标系的变化

地表各点位置不同，地平坐标系的基本圈（地平圈）和基本点（天顶和天底），也随之不同。所以，在不同地点同时观察同一天体，所得到的方位和高度是不相同的；在同一地点，由于地球的自转，时间的延续，对于同一天体在不同的时刻进行观测，其方位和高度也是不相同的。所以，地平坐标值是因地因时而不同。随时间和地点的变化而变化是该坐标系的显着特征。例如，太阳刚升起的时刻，其方位较大，高度为0°；到了正午时，太阳位于正南方的天空中，其方位为0°，高度则增到了一天中的最大值；到了太阳落山时刻，其方位和高度又发生了明显的改变。这就是地平坐标值随时间的变化，这种变化是地球自转造成的。

下面分别介绍在不同地点，地平坐标系的变化情况：

如图2－13所示，为观测者在北极的地平坐标系。此时，地平圈与天轴垂直，与地理赤道在天球上投影重合，天北极与天顶重合，天南极与天底重合。因此，天北极的高度就是天顶的高度，其值为90°。

观测者位于赤道的地平坐标系，如图2－14所示。在这种情况下，地平圈与天轴位于同一平面，天北极和天南极与天顶、天底的角距离均为90°，地平圈与天赤道垂直，天北极和天南极位于地平圈上。因此，天北极和天南极的高度都是0°。

如图2－15所示，为观测者在北半球纬度的地平坐标系。在这里地平圈与天轴的夹角为，这是因为地理纬度为的地平面与地轴的夹角为。所以，天北极的高度就是，也就是，在北半球的任何一个地点，天北极的高度等于该地的地理纬度。这一规律给我们提供了一种天文测纬的基本方法。只要测量了天极在某地的地平高度，就得出了该地的地理纬度。

地平坐标系能把天体在当时当地的天空位置直观地、生动地表示出来。例如，若某人造卫星在某时刻的地平坐标值为：方位270°，高度45°，则说明，此时该人造卫星在正东方的天空，其仰角为45°。

在某地连续数小时观测某一恒星在天空中的位置变化，则可以看出该恒星的高度和方位是随着时间的推移而变化的。由此，可以对地平坐标系的含义有更清楚的认识。

二、时角坐标系

时角坐标系是另外一种用定量的方法表达天体位置的天球坐标系，它对于计时制度的确立具有重要意义。

1.基本圈和基本点

时角坐标系的基本圈是天赤道，基本点是天北极和天南极。

天赤道是地球赤道面无限扩展与天球相交而成的大圆，它与天轴是垂直的。天赤道把天球分为北半天球和南半天球两部分。平行于天赤道可以在天球上作无数个小圆，称赤纬圈。天北极和天南极是时角坐标系的基本点，通过天北极和天南极可以作无数个垂直于天赤道的大圆，称为赤经圈，又称为时圈。赤经圈和赤纬圈是构成时角坐标系的基本要素。

在无数个赤经圈中，其中通过地平圈上南点和北点的赤经圈，叫做子午圈。在这里子午圈的定义与地平坐标系中子午圈是统一的，只是从两个不同的角度去说明的。子午圈与天赤道有两个交点，位于地平圈之上的交点，

Q点，见表

三、赤道坐标系

地平坐标系和时角坐标系虽然各有其优点，但是对于编制、记录恒星位置的量表工作来说，它们是不能使用的，因为天体的方位和高度以及时角，每时每刻都在变化。而赤道坐标系则具有相对不变的优越性。

1.基本圈和基本点

赤道坐标系的基本圈和基本点与时角坐标系完全相同，分别是天赤道、天北极和天南极。与时角坐标系不同的是：赤道坐标系的经度（赤经），度量时是以春分圈为起始圈的。

地球绕太阳公转轨道平面无限扩展与天球相交所得的大圆，称为黄道。由于地轴相对于黄道面呈66°34′的