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′的倾斜角度，所以，黄道与天赤道呈23°26′的夹角。

这两个不在同一平面上的大圆，在天球上必有两个交点（如图2-19）。

按地球逆时针的公转方向，由天赤道以南穿越到天赤道以北的黄赤交点，称为春分点，由天赤道以北穿越到天赤道以南的黄赤交点，称为秋分点。

过春分点的赤经圈称为春分圈。

由于春分点在天球上是唯一的，所以春分圈在天球上也是唯一的。

2.赤经赤经即赤道坐标系中的经度，它是一种两面角。

它是过春分圈的平面与天体赤经圈所在平面而成的两面角。

它是以春分圈为起始圈，在天赤道上向东度量的，即按逆时针方向度量。

用角度0°～360°表示，亦可以用时间单位018小时Q点的赤经为30°或2小时。

过织女星的赤经圈应该位于与春分圈夹角为283°的赤经圈上，而且是以春分圈为起始圈，沿逆时针度量的。

所以，过Q点的午圈与过织女星赤经圈平面夹角就是360°——（283°——30°），即107°，或7小时8分。

这个角度是以午圈为始圈，沿顺时针方向计算的，也就是说织女星的时角是107°或7小时8分。

例2，若已知太阳的时角为195°或13小时，春分点的时角为225°或15小时，求此时太阳的赤经。

根据已知条件，可以画出图2-22，此时午圈与过太阳的赤经圈平面夹角为，以午圈为起始圈，沿顺时针方向度量，其值为195°。

同理，午圈与春分圈平面夹角为225°，所以，此时太阳的赤经为，以春分圈为起始圈，沿逆时针方向度量，其值为225°——195°，即30°，或2小时。

四、黄道坐标系赤道坐标系适用于表示恒星的位置和运动特征，而对于表示太阳这个特殊恒星，以及太阳系内天体的位置和运动特征，则采用黄道坐标系更适合。

1.基本圈和基本点黄道坐标系的基本圈是黄道，基本点是黄北极和黄南极。

黄极是通过观测点（坐标中心）做垂直于黄道面的直线与天球相交的两个点，距天北极较近的点叫做黄北极，黄纬以（-为冲；相差90°时则为方照。

又如，月球运行的规律也可以用黄道坐标系来表示。

当日、月黄经相同时，即为朔，朔时为农历每月初一；当日、月黄经相差180°时，即为望，望时为农历十五或十六；当日、月黄经相差90°时，为上弦；当日、月黄经相差270°时，为下弦。

因为过春分点的黄经圈和黄道在天球坐标系中，分别都是唯一的，所以恒星的黄经和黄纬不会因时因地而改变。

但是，太阳作为一颗特殊的恒星，其黄经在发生着周年性的变化，这种变化也引起太阳的赤道坐标值的改变。

如图2-19，春分日太阳黄经为0°，赤经为0°或0时，赤纬为0°；夏至日太阳黄经为90°，赤经为90°，赤纬为+23°26′；秋分日太阳黄经为180°，赤经为180°，赤纬为0°；冬至日太阳黄经为270°，赤经为270°，赤纬为-23°26′。

每种天球坐标系都有其独特的性质，因此也就有其特定的用途，为了便于对比，利于记忆，兹将各种天球坐标系归纳成表2-3。

表2-3四种天球坐标系对照观测与实习〔四〕辨认北极星，用简易方法测定地理纬度一、目的掌握辨认北极星和用北极星确定方向的方法；掌握简易测定地理纬度的方法；巩固有关地理坐标和天球坐标）。

2-26在夜间，可用北极星确定方向。

正望北极星，前面是北，后面是南，左边是西，右边是东。

据此，确定周围地物与观测点之间的方位关系。

2.用简易方法测定当地地理纬度在地平坐标系中，天北极的高度等于当地地理纬度。

用简易测角仪器测得北极星的仰角，即为其高度。

由于北极星与天北极仅58′16″之差，故可粗略的以北极星高度代表天北极高度。

因此，测得了北极星的仰角，也就粗略的测得了当地的地理纬度，其误差不超过1°。

如果要较准确地测定当地纬度，则需于北极星在上中天或下中天位置时，测得其仰角。

北极星上中天时的仰角减58′16″（或北极星下中天时的仰角加58′16″）即为天北极之仰角。

经过这样订正的北极星高度，就是当地的地理纬度。

3.观测北斗七星等亮星相对于北极星和观测地点的运动情况：选择近观测点地物（如电杆、树木、建筑物等）作参照，观测记录北斗七星等和北极星与参照点之间的相对位置关系。

过1～2小时，再于原位置进行同样的观测记录。

这样的观测要连续进行3～4次。

四、总结1.画图说明北斗七星在天球上相对于北极星的周日运动情况，说明其原因。