天球坐标系 – 星明天文台

作者：高孟嘉

从托勒密到哥白尼，包括中国的盖天说和浑天说，古代各种宇宙观都认为恒星运作在一个平面上。如今，我们虽然已经知道了恒星和我们的距离各不相同，但是还是延续这一观点，引入“天球”的概念，这是为什么呢？

天球是以观测者为中心、无限远为半径的假想球体，把与我们距离各异的天体都投影到上面，这样一来，我们就可以放心地使用球面几何学啦。而且在天球中我们只需要考虑天体的方位，而天体到地球的距离也就不是我们要考虑的对象啦！

“天球”概念图（图片来源于网络）

有了天球，下一步我们就要说天球坐标系啦。大家都知道，在平面坐标系中已知两个参数就可以确定一个位置，在三维直角坐标系中，确定一个位置则需要三个参数，而在天球坐标系中，因为标准的球形给了我们便利，所以我们只需要两个角度，就可以确定球面上唯一一点。

在球面坐标系中已知两个角度即可确定唯一一点（图片来源于网络）

在介绍各种天球坐标系之前，让我们先来了解一波基本概念（注意粗体的名词哦）：

在天球坐标系中，任意选定的大圆称为基圈。任意选定与基圈垂直的大圆，称为主圈(始圈)。选定的基圈与主圈的一个交点，称为主点(原点)。经过给定点与基圈垂直的大圆称为副圈(终圈)。规定给定点与天球中心连线与基圈的夹角为第一坐标，主圈与副圈夹角为第二坐标。

天球坐标系基本概念（图片来源于网络）

惊！前方高能！一大波坐标系正在靠近！

1、地平坐标系

地平坐标系是一种最直观的天球坐标系，它以观测者所在的地平面与天球相交的大圆（地平圈，即为基圈）为界，将天球分为可见半球和不可见半球两部分，垂直于地平面的直线与可见半球交于天顶，与不可见半球交于天底。通过天顶和天底可以作无数个与地平圈相垂直的大圆，我们将其称为地平经圈（副圈）；而与地平圈平行的小圆，称为地平纬圈。通过南点、北点的地平经圈称子午圈（主圈）。

在地平坐标系中，第一坐标为地平高度（h），即天体与地平圈的角距离，是天体与球心连线同地平面的交角，也就是天体的仰角；第二坐标为天体的方位角（A），它是天体，对于子午圈的角距离，也就是天体所在地平经圈与子午圈的夹角。由于主圈和基圈的地方性，天体的两个坐标随地点、时间的改变而改变。

地平坐标系（图片来源于网络）

2、第一赤道坐标系

第一赤道坐标系又称时角坐标系，它以天赤道（将地球的赤道面无限延伸后和天球相交的大圆圈）为基圈，以子午圈为主圈，以天球上通过天极的大圆（即为时圈）为副圈。作为赤道坐标系之一，时角坐标系常在天文观测中使用。

在时角坐标系中，第一坐标称为赤纬（δ），是天体相对于赤道的角距离，即天体视方向与天体赤道平面的交角。第二坐标称为时角（t），是天体相对于子午圈的角距离，即天体所在的时圈与子午圈的交角。由于基圈没有地方性，因此天体赤纬不随观测地点和观测时间的变化而变化，但是由于主圈有地方性，因此观测地点及观测时间均影响时角。

第一赤道坐标系（图片来源于网络）

3、第二赤道坐标系

为了防止出现同一天体在不同时间、地点有不同坐标的情况，我们引入了第二赤道坐标系。赤道坐标系以天赤道为基圈，以春分圈（春分点经过的赤经圈）为主圈。第一坐标为赤纬（δ，同第一赤道坐标系）；第二坐标为赤经（α），也就是是天体相对春分圈的角距。这样，第一二坐标都不随观测时间和地点的变化而变化，如此情况下的坐标，只需要注明年份（也就是历元啦～），就可以编制星表啦。