第二章 天球与天球坐标系解析

天球坐标系天球坐标系是天文学中一种重要的坐标系统，用于描述和定位天空中的天体位置。

在天球坐标系中，天球被假定为一个理想的巨大球面，天体的位置则通过球面上的坐标来表示。

这种坐标系在天文导航、天体定位和天文观测等方面有着广泛的应用。

天球和天球坐标系天球是一种天文学上用于描述天体位置的虚拟球面。

在天球坐标系中，天球被假设为一个无限大的球面，其中心位于地球的中心，球面上的任意点表示天空中的一个天体位置。

大多数天文学中的坐标系，如赤道坐标系、黄道坐标系和赤道坐标系，都是建立在天球上的。

天球坐标系的基本要素天球坐标系包括赤道坐标系、黄道坐标系和赤道坐标系等多种形式。

下面将介绍其中比较常见的赤道坐标系和黄道坐标系。

赤道坐标系赤道坐标系是以地球赤道为参考平面构建的坐标系，其基本要素包括赤经和赤纬。

赤经（Right Ascension）是从春分点开始沿赤道向东测量的角度，常用小时、分钟、秒（h、m、s）表示；赤纬（Declination）是从赤道向天顶测量的角度，用度数表示。

赤道坐标系适用于观测恒星、星系等远离太阳系的天体。

黄道坐标系黄道坐标系是以地球轨道平面为参考构建的坐标系，其基本要素包括黄经和黄纬。

黄经（Ecliptic Longitude）是从春分点开始沿黄道向东测量的角度，用度数表示；黄纬（Ecliptic Latitude）是从黄道向地平面测量的角度，也用度数表示。

黄道坐标系适用于观测太阳系内行星、彗星等天体。

天球坐标系的转换在天文观测和定位中，有时需要将天球坐标系转换为其他坐标系，例如地平坐标系、赤道坐标系等。

这种转换可以通过数学方法实现，通常需要考虑地球的自转、岁差、章动等因素。

天球坐标系的应用天球坐标系在天文学中有着广泛的应用，例如天体定位、天文导航、天文观测等方面。

通过天球坐标系，观测者可以准确地定位和描述天空中的天体位置，帮助天文学家研究宇宙结构、天体运动等现象。

结语天球坐标系是天文学中重要的坐标系统，用于描述天体在天球上的位置。

第二节天球坐标第二节天球坐标天球是人们为研究问题方便而假想的球体，虽然它不是真实存在着的球体，但是天空给予人们的布满天体的球体印象却是非常直观的。

像地表上有圆和点一样，天球上也有圆和点，而且天球上的圆也有大圆和小圆之分。

大圆是以球心为圆心的圆，也就是过球心的平面无限扩展与天球相割而成的圆；小圆则不是以球心为圆心的圆，所有小圆所在的平面，都不通过球心（如图2－10）。

任何一个大圆都有两个极点，极点到大圆上任何一点的角距离都是相等的，都是90°。

当然两个相对应的极点连线与其大圆是垂直的。

天球上也有方向，天球上的方向，是以地球自转为基础，是地球上的方向的延伸。

例如，和地球上经线相对应的南北方向，和地球上纬线相对应的东西方向。

在天球上，也有距离。

但是，只有角距离，而没有直线距离。

例如，织女星和牛郎星，相距为光年，但是在天球上，只能看到它们之间相距约35°。

所以，天球上的距离，实际上是天体之间方向上的夹角，而不是其真实的直线距离。

有了地理坐标系，便可以确定地面上任一地点的位置。

为了确定和研究天体在天球上的位置和运动规律，人们规定了天球坐标系。

根据不同的用途，有不同的天球坐标系。

经常采用的天球坐标系有：地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系。

不同的坐标系，具有各不相同的组成要素。

各种坐标系都是在各自的基本圈和基本点的基础上建立起来的。

因此，基本圈和基本点的确定，是建立天球坐标系最重要的内容，它决定着各种坐标系最本质的特征和不同的用途。

一、地平坐标系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。

天球和天球坐标系在晴朗的夜晚，仰望天空，眼前像有一个半球形的夜幕天穹，上面点缀着无数闪烁改变的明星，感觉自己仿佛是处在这个天穹的中心，这就是人们对“天球”的印象，天文学家为了研究天体的位置和天体的运动引入了“天球“的概念和天球坐标。

天球和天球坐标系天球是一个假想的球，它是以观测都（或地心、日心）为中心，以无穷远为半径的球，所有天体都投影在这个球面上。

天球的轴是地球自转轴的延伸，叫天轴；天轴与天球有两个交点叫做天极，地球北极的延伸的点叫北天极′球南极延伸的那个点叫南天极。

天体在天球上的视位置，最方便是用球面坐标来表示，在天球上建立的球面坐标系叫天球坐标系。

天文中常用的天文坐标系有地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系。

1.地平坐标系地平系主要有两个参量：方位角A和地平高度H（或天顶距Z），如图：2.1所示。

观测者的头顶方向与天球相交的点叫天顶（Z点）。

从观测都脚底方向延伸与天球的交点叫天底。

垂直于天顶和天底连线并过天球中心的平面叫地平面。

它与天球相交于一个大圆，这个大圆叫地平圈，也叫真地平。

这个真地平是数学平面，它和眼睛看到的视地平有所区别。

在宽阔的海面上，因为地球是球形，视地平总是低于真地平。

与地平圈平行的小圆叫地平纬圈，与地平圈垂直的大圆叫地平经圈。

从北点沿地平圈顺时钟方向量度叫地平方位角，记做A。

天体δ的地平高度，是从地平圈沿着地平经圈向上量度，记作地平高度h 天体没着地平经圈天顶Z的圆弧叫这个天体的天顶距Z。

由图可以看出天顶距Z与天体的高度h 的关系为Z＝90。

－h。

所以，地平坐标系中，地平高度h参量也可以用天顶距z代替，两者之和等于90。

通过北天极p和天顶z的大圆叫天球子午圈，它和真地平相交于N点和S点。

靠近北天极的叫北点，和它相对的另一点是南点。

在地平圈上沿顺时针量度，离南、北点各90。

的点分别叫东点（E）和西点（W）。

通过天顶、东点、天底和西点的大圆ZEZ’W叫卯酉圈。

天体通过子午圈叫“中天”，天体每天有两次中天，位置达到最高的叫上中天，位置达到最低叫下中天。

西北师大附中天文台学习资料届班姓名---------------------------------------------------------------------------------第2讲天球及其天球坐标系一、天球1、概念以观测者为中心，以任意长为半径的假想的球，称为天球。

2、天体在天球上的投影3、天球的周日视运动4、天球上的基本圈和基本点二、天球坐标系1、地平坐标系：基圈：地平圈原点：南点经度称方位（A）纬度称高度（h）2、时角坐标系：基圈：天赤道原点：上点Q经度称时角（t）纬度称赤纬（δ）3、赤经赤纬坐标系：基圈：天赤道原点：春分点经度称赤经纬度称赤纬4、黄道坐标系：基圈：黄道原点：春分点经度称黄经纬度称黄纬座标法座标法就是用望远镜的赤经度盘和赤纬度盘（用游标）对准天体的座标值，就可以在镜中看到该天体，如果不在视场中心，可用微调来调整。

星星在天球上的位置，通常是用赤道座标来标明它的位置的。

这可以在许多书刊或当年的“天文年历”上找到。

有了星体的座标，还不能用望远镜上的赤经赤纬刻度盘来确定它的位置，因为望远镜的赤经度盘是按时角座标系来分划的。

时角刻度是由南点顺时针方向由0"到24"（或0º—360º）来刻划的。

也有的产品，时角刻度是从南点分别向二个方向，各刻划0"±12"（或0º—±180º），并规定向西为正、向东为负。

在上中天时，天体的时角是0"（0º），在下中天时为12"（或180º），时间和角度的关系是1h=15º，1m=15´，1s=15"（h，m和s分别表示时间上的时、分和秒）。

在时角座标中，天体的赤经（δ）是固定的，它不随观测的时间和地点而改变。

而天体的时角，即每时每刻在变化。

对于同一地区（或同一经度）的观测者而言，一个天体的时角随时间而同步增大。

第二节 天球坐标教学目的：１．掌握天球上主要的圈和点。

２．掌握各种天球坐标系统。

３．明确各种天球坐标的区别及联系，会进行天球坐标的计算。

教学重点：１．有关天球坐标的概念。

２．高度、赤纬、赤经、时角、黄经的意义及度量方法。

教学难点：天球坐标的联系。

课 时：7课时。

教学过程：一．天球人类对天空的直觉印象是：抬头看天，头顶最高；平视四野，天地相连。

天空像一个巨大的半球罩在地面上，这个半球被称为——天穹。

（一）天穹（Ｐ７）人们所能直接看到的地平以上的半个球形天空，称天穹。

由于天体的距离十分遥远，故尽管它们在距离上差别很大，但人眼并不能分辨它们的远近，被认为是等距的。

日月星辰仿佛都位于天穹内侧，并随之旋转。

从天穹的概念出发，人们设想在地球的另一侧同样有半个球面，天空作为球面不仅存在于地上，也存在于地下。

宇宙包括地球在内似乎是一个球体，这种假想的球体叫天球。

（二）天球１．概念（Ｐ７）２．特点（１）球心为地心：天体在天球上的相对位置大体上同他们在天穹上的位置一致。

因为地球半径与无穷大相比被忽略了。

（２）半径为无穷大：所有的天体都在天球上有自己的投影。

人们可以把这种投影位置当作它们的真实位置。

这种假想符合人类的直觉印象。

事实上天球并不存在，人们能感觉到天球的原因基于两点： z天体离我们太远，以至不能分辨其远近，似乎都位于天球内表面上；z天体之间的相对位置几乎保持不变，人们自然的想到它们镶嵌在天球上并随之旋转。

３．地心天球与日心天球地心天球：以地心为球心的天球。

通常所说的天球均为地心天球。

日心天球：以日心为球心的天球。

在讨论地球绕日公转时用日心天球。

（三）天球上的圈和点１．天赤道（１）天赤道：（Ｐ10）它将天球分为南北两半球。

（２）天轴：地轴无限延伸。

天北极Ｐ（３）天极：天轴与天球的交点２．地平圈 天南极Ｐ′（１）概念：（Ｐ10）某地地平面无限扩大与天球相交的大圆。

∵Ｒ<<∞∴可以认为地平面过地心可见天球地平圈将天球分为不可见天球（２）极：天顶Ｚ，天底Ｚ′铅垂线无限延伸与天球的交点。

第二讲天球与天球坐标系（The celestial sphere and coordinate systems）地球天球天体在天球上的投影图◆特点：1）与直观感觉相符的科学抽象；2）天体在天球上的位置只反映天体视方向的投影；3）天球上任意两天体的距离用其角距表示；4）地面上两平行方向指向天球同一点。

5）中心：观测者，地球，天阳一、天球概念1、天球的概念：以观测者为中心，无穷远为半径，为研究天体的位置和运动而引进的一个与人们直观感觉相符的假想圆球。

天轴北天极;南天极周日圈;赤道圈北极星(小熊α3、天子午圈、四方点、和卯酉圈5、二分点和二至点6、天极在天球上的位置h＝φ北★★★球面三角基础知识通过球心的平面与球面的交线，是直径最大的圆，叫做大圆。

不通过球心的平面与球面的交线，叫小圆。

大圆2 .球面上两点的距离球面上两点间大圆弧的长度叫球面上两点的距离。

：通过球心与大圆所在平面相垂的直线与球面的两个交点。

交的两点为天极。

中心做一与天轴垂直的平面（天赤道面），它与天球相交的大圆为天赤道。

南天极P Q Q ’天赤道的另一交点为天底。

真地平：过天球中心做一与铅垂线垂直的平面，与天球相交的大圆为真地平。

南天极P QQ ’天赤道真地平(靠近北天极的为北点)。

天赤道与真地平相交的两点为东西点。

南天极P QQ ’天赤道真地平子午圈北点N南点S西点W东点E黄道所对应的两黄赤交角：黄道与赤道的交角。

ε＝230.5黄道上与二分点相距900的另两个点。

夏至点；冬至点黄道当地的地理纬度等于北极星的高度。

星（即北极星）距天北极很近极距约。

只要测出北极星的高度，经一些必要的修正其值就是测点的地理纬度。

只要得用简单的测角器测量北极星的高度也可得到地理纬度的概值。

•这样的测定最大误差约为±４９’二、天球坐标系•时角坐标系•坐标系•黄道坐标系frame０°～９０°Ｓ。

同一纬线上有相同的纬度。

习惯上０°～３０°的地３０°～６０°为中纬，６０°～９０°为高纬。