天球坐标系（天空中物体位置的坐标系）

内容简介

在天球上建立的球面坐标系。用以决定天体在天球上的位置。由以下几点所规定：

（1）基本圈——在天球上选取的太圆BMB′；

（2）极——基本圈的一个几何极点A；

（3）原点——在基本圈上选取的点B；

（4）副圈——过基本圈的几何极点的任一半大圆AMA′；

（5）天体坐标的量度方向。

天球上一点X的位置由两个坐标值决定：

1. 第一坐标值——该点X所在的副圈和基圈的交点M到点X的弧段MX，或极点到该点的弧段AX；
2. 第二坐标值——原点沿基本圈量到M点的弧段BM。常用的天球坐标系有地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系。

地平坐标系

过观测者O（天球中心）的铅垂线﹐延伸后与天球交于两点﹐朝上的一点Z称为天顶﹐朝下的一点Z称为天底。过天顶Z和天体作一垂直圈﹐它与地平圈交于垂足D点﹐则天体在地平坐标系中的第一坐标就是大圆弧D或极距Z。

D=h称为地平纬度﹐又称地平高度﹐简称高度﹔而Z=称为天顶距。地平高度也可以用平面角OD来量度﹐而天顶距也可以用平面角OZ来量度。^[2]

天球上与地平圈相平行的小圆称为地平纬圈﹐也称平行圈。同一地平纬圈上任意点的地平高度都是相同的﹐因此可以称为等高圈。南点S与垂足D之间的大圆弧SD=a﹐是地平坐标系中的第二坐标﹐称为地平经度或天文方位角﹐简称方位角。

方位角也可以用平面角SOD来量度，天文学中习惯从南点起按顺时针方向量度。以地平圈为基圈﹑子午圈为主圈﹑南点为主点的坐标系称为地平坐标系。由于周日视运动﹐天体的地平坐标不断发生变化。另一方面，对不同的观测者，由于铅垂线方向的不同，就有不同的地平坐标系，同一天体也就有不同的地平坐标。这种随测站而异的性质使记录天体位置的各种星1表不能采用地平坐标系统。

天球坐标系

赤道坐标系

地球赤道平面延伸后与天球相交的大圆﹐称为天赤道。天赤道的几何极称为天极。

天赤道是赤道坐标系中的基圈﹐北天极P是赤道坐标系的基本极。^[1]

由于所取的主圈﹑主点以及随之而来的第二坐标的不同﹐赤道坐标系又有第一赤道坐标系和第二赤道坐标系之分。

第一赤道坐标系的主圈是子午圈﹐主点是天赤道与子午圈在地平圈之上的交点F﹐天体的第二坐标是大圆弧FB=t或球面角FP﹐t称为天体的时角。由主点F开始按顺时针方向量度时角t﹐从0°～360°﹐或从0～24。周日运动不会改变天体的赤纬﹐而仅仅使时角发生变化。

第二赤道坐标系的主点是春分点﹐它是黄道对赤道的升交点﹐过春分点的赤经圈就是该坐标系的主圈﹐春分点的时圈与天体时圈之间的球面角P或大圆弧B=α﹐是天体在第二赤道坐标系中的第二坐标﹐称为天体的赤经﹐赤经α是由春分点开始按逆时针方向量度的﹐从0°～360°﹐或从0～24。第一赤道坐标系是右旋坐标系﹐第二赤道坐标系为左旋坐标系。

天体的周日运动不影响春分点与天体之间的相对位置﹐因此也就不会改变天体的赤经和赤纬﹐而在不同的测站﹑不同的观测时间﹐天体的时角却是变化的。所以﹐在各种星表中通常列出的都是天体在第二赤道坐标系中的坐标──赤经和赤纬﹐供全球各地的观测者使用。

天球坐标系

黄道坐标系

在研究太阳系内各种天体的运动情况时﹐要用另一种天球坐标系﹐即黄道坐标系。^[3]

地球绕太阳公转的轨道平面是黄道坐标系中的基本平面﹐称为黄道面。黄道面与天球相交的大圆称为黄道﹐它是太阳周年视运动轨迹在天球上的投影。黄道与天赤道在天球上相交于两点﹐这两点称为二分点。

其中﹐太阳沿黄道从赤道以南向北通过赤道的那一个交点称为春分点﹐另一个交点称为秋分点。黄道上与二分点黄经度数相差90°的点，在赤道以北的为夏至点﹐在赤道以南的为冬至点。黄道的两个几何极称为黄极﹐按其所处的天区位置不同﹐又有北黄极﹑南黄极之分。黄道是黄道坐标系中的基圈﹐北黄极为黄道坐标系的极。黄道与赤道的交角ε称为黄赤交角﹐它是黄极与天极之间的角距离﹐ε=23°27。

天球上与黄道平行的小圆称为黄纬圈。过黄极的大圆称为黄经圈﹐它是黄道坐标系的副圈﹐所有的黄经圈都与黄道垂直。在黄道坐标系中﹐以过春分点的黄经圈为主圈﹐春分点便是主点。以黄道为基圈﹑春分点为主点以及过春分点的黄经圈为主圈的坐标系﹐称为黄道坐标系。

天体的黄经圈与黄道交于D点﹐大圆弧D=β或平面角OD就是天体在黄道坐标系中的第一坐标﹐称为黄纬。由黄道向南北黄极分别计算黄纬﹐从0°～±90°﹐在黄道以南的黄纬取为负值。过春分点的黄经圈和天体黄经圈之间的球面角E或黄道上的大圆弧D=λ﹐是天体黄道坐标系中的第二坐标﹐称为黄经。

从春分点起沿黄道量度黄经﹐从0°～360°﹐黄经的量度方向是逆时针的﹐也就是从春分点向夏至点方向量度。黄道坐标系属于左旋坐标系。黄道坐标系的基圈和主圈随著旋转天球一起作周日运动﹐同第二赤道坐标系相似﹐天体的黄道坐标不会因观测时间和观测地点的不同发生变化。

天球坐标系

银道坐标系

在有关恒星动力学和星系结构的某些理论工作中﹐常常采用一种球面坐标系──银道坐标系。

银河系的主要部分是一个扁平的圆盘状结构﹐它的平均平面称为银道面。银道面是银道坐标系的基本平面﹐它与天球相交的大圆称为银道﹐也就是银道坐标系中的基圈。天球上与银道相平行的小圆称为银纬圈。

银道的几何极称为银极﹐又有南﹑北银极之分。作为银道坐标系的极是北银极L﹐过两个银极所作的半个大圆称为银经圈﹐也就是银道坐标系中的副圈。所有的银经圈都与银道相垂直。

银道与天赤道在天球上相交于两点。由北银极向银道面看去﹐按逆时针方向从赤道以南向北通过赤道的那一个点﹐称为银道对天赤道的升交点﹔另一点就是降交点。1958年以前﹐采用银道升交点作为银道坐标系的主点﹐过该点的银经圈就是这一坐标系的主圈。

天体的银经圈与银道交于B点﹐大圆弧B=b就是天体在银道坐标系中的第一坐标﹐称为银纬。由银道起沿银经圈向南北银极分别量度银纬b﹐从0°～±90°﹐南银纬取为负值。过升交点的银经圈与天体的银经圈所交的球面角L或银道上的大圆弧B=﹐是天体在银道坐标系中的第二坐标﹐称为银经。1958年以前﹐银经由升交点起算﹐从0°～360°。量度方向是逆时针的﹐银道坐标系也是一种左旋坐标系。

天球坐标系

坐标系联系

当天体作周日视运动时，四种坐标系中，地平坐标系的两个坐标以及时角坐标系中的时角坐标都是随时间和地点变化的量，而时角坐标系中的赤纬以及赤道坐标系、黄道坐标系中的坐标均不随时间和地点变化。已知某天体的两个坐标时，可以由公式换算成另外坐标系中的坐标值。

赤道坐标系和黄道坐标系之间的关系黄道坐标系在天体力学中有广泛的用途﹐但天体的黄道坐标通常不是直接观测量。另一方面﹐用黄道坐标表示的某些理论结果﹐也往往要先化为赤道坐标﹐然后才能实际应用。因此﹐必须建立这两种坐标系之间的转换关系。黄道坐标系和赤道坐标系之间的转换﹐可根据图3按球面三角的有关公式来完成。

赤道坐标系和银道坐标系之间的关系天体的银道坐标也不是直接观测量﹐对某些恒星天文工作﹐需要建立其同赤道坐标之间的联系。这种联系﹐可根据图4用球面三角的有关公式来完成。银道坐标与赤道坐标之间的转换并不要求有很高的精度﹐有专门的换算表可用﹐这一点与其他坐标系之间的换算是不同的。

空间坐标系及其换算在某些天文问题中﹐不仅要知道天体在天球上的二维投影位置﹐而且还必须知道它的空间位置﹐比如有关人造卫星运动的研究就是如此﹐因而需要建立空间三维坐标系﹐包括三维直角坐标系和三维球坐标系﹐后者又称为三维极坐标系。不论哪一种空间坐标系﹐它们的原点总是与天球的中心相重合﹐这与二维球面坐标系中的原点(即主点)是不同的。

三维极坐标系统是在二维球面坐标系的基础上增加一条向径r构成的﹐向径是坐标原点到所研究的天体的线距离。人造卫星的空间位置可以用它的赤经﹑赤纬和向径唯一地加以确定﹐因相应的二维球面坐标系的不同﹐所以又有三维赤道球坐标和三维黄道球坐标等不同的球坐标系统。

三维直角坐标系又称为空间直角坐标系。在通常情况下﹐为便于与相应的球坐标系进行坐标转换﹐空间直角

天球坐标系

转换方程

黄道坐标