天文学的观测技巧（天文坐标系天文学科普讲座之二）

时间：2019-09-19 21:00主题：天文坐标系主讲人：Charon参考资料：张鸿老师和周礼勇老师的普通天文学。

下面我们就介绍基本的天球坐标系：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，其中最常用的是地平和赤道坐标系。大家先看一个图，我们首先介绍一下天球的概念。天球是天文学的一个辅助工具，用以研究天体的位置和运动的一个假想球。天球是以观测者为中心，任意距离为半径的球。

注意，我们不规定天球的半径，通常当做数学上的无穷大，必要时可以取单位距离。天球的中心可以根据需要来选择，比如说以观测者为中心（站心）、地心或日心。

天球的概念方便我们进行观星活动，此时我们不关心天体到我们的距离，而只关心它们在天球上的位置，也就是天体在天球上的投影，即观测者（或天球的中心）与天体的连线与天球的交点。这样我们就可以根据坐标，快速找到我们想要观测的天体了。天体在天球上的距离是用角度来描述的。

下面我们介绍一下天文上常用的坐标系，在此之前我们需要简单了解一下球面坐标系的知识。其实这个我们已经很熟悉了，只要联系我们的地理经纬坐标系就可以理解。这个图就显示了一个基本的球面坐标系。

极点：也就是图中的第一极和第二极，对应的也就是地球上的南极和北极。基本圈：与两个极连线垂直的大圆，对应的是地球上的赤道。零经圈：可以想象一下本初子午线，英国格林尼治天文台所在的经线，我们规定这条经线与赤道的交点为零点。零点也叫基本点。这样我们就可以用经度和纬度两个坐标来描述地球上的任意一个位置了。

地理坐标系：第一极是地球的北极，第二极是地球的南极，基本圈是地球的赤道圈，零经圈是格林尼治子午圈（本初子午圈）。坐标：地理经度（-180到 180，东经为正，西经为负）和地理纬度（-90到 90，北纬为正，南纬为负）。右旋坐标系。

下面我们就把地球坐标系想象成天球坐标系，道理是一样的，只不过一个向下看，一个向上看，后面再遇到第一极、第二极、基本圈、零点、零经圈这些概念，就想一下地球坐标系上对应的规定来理解。但是注意天球的东西方向和地理上是相反的。

在了解常用的天球坐标系的过程中，我们需要关注的几点有：第一极（基本方向）、基本圈、零点（基本点）、区分是左旋坐标系还是右旋坐标系。正是这几点确立了不同的天球坐标系统，从而可以规定不同天体的位置。

这个图显示了三个坐标系的相对位置。图中没有地平坐标系，因为这个坐标系取决于观测者的地理位置。图中蓝色的是赤道坐标系，红色的是黄道坐标系，黄色的是银道坐标系。

首先是地平坐标系。

这是我们最常用的坐标系之一，但是地平坐标系是与观测者所在地的地理位置相关的，而且会随着时间而产生非线性的变化。当我们在同一地区进行观星的时候，使用地平坐标系是十分方便的，而且观测时需要考虑天体的高度问题，如果太低，大气影响过于严重，如果过高，不利于仪器姿态的调整。

地平坐标系：第一极为观测者的天顶（z），第二极为天底，基本圈为真地平，零经圈为过天顶、天底和北天极（P）的半个大圆。这里的北天极也就是我们的北极星了，当然我们在北半球是见不到南天极的，我们在这里就想象北半球即可（天极的概念我们后面再谈）。纬角称为高度，余纬角称为天顶距，经角称为方位角，方位角从北点向东计量，有时从南点向西计量。左旋坐标系。

天顶距的概念很重要，这一点前面有提到，高度加天顶距等于90度，两者可以表达同样的意思，但是天文上更习惯使用天顶距。

天顶和天底很好理解，观测者的头顶就是天顶，对应的另一端就是天底。真地平也就是过球心与天顶和天底连线垂直的平面（xy平面），真地平圈是真地平和天球相交的大圆。地平坐标系的零经圈也叫天子午圈（xz平面），是一个大圆。天子午圈与真地平有两个交点，靠近北天极的叫北点（N），靠近南天极的叫南点（S），天赤道与真地平有两个交点，东点（E）和西点（W），这四个点统称四方点（天赤道后面说）。

天子午圈和天卯酉圈：天子午圈过天顶天底南点北点（xz平面），天卯酉圈过天顶天底东点西点（yz平面）。这两个圈和真地平（xy平面）两两互相垂直。

下面是时角坐标系，又叫第一赤道坐标系。

赤纬不随时间、地点的变化而变。时角随时间增加且具有地方性。

时角坐标系：第一极北天极（P），第二极南天极，基本圈天赤道（xy平面），零经圈为观测者的子午圈（xz平面），零点为近南点。纬角是赤纬（-90到 90），赤纬的余角称为北极距。经角是时角，顺时针0h~24h计量。左旋坐标系。

天极是地球自转轴的延长线与天球的交点。北极对应北天极，南极对应南天极。天极的高度 = 观测者地理纬度。天赤道面是通过天球中心与两天极连线垂直的平面，天赤道则是天赤道面与天球相交的大圆，实际上是地球赤道面的延伸。近南点靠近南点，但是在天赤道上。

下面是赤道坐标系，又叫第二赤道坐标系。

赤道坐标系是最重要的天球坐标系，因为引入了一个和天球一起作周日旋转的点作为零点，所以天体的位置和地球的自转无关，即不随时间和地点的变化而改变。所以在天文观测中，我们通常使用赤道坐标系来标定天体的位置。

赤道坐标系：第一极是北天极，第二极是南天极，基本圈是天赤道，零点是春分点（后面讲）。纬角是赤纬（-90到 90），经角是赤经（0~360度），从春分点起量，逆时针方向为赤经增加的方向。右旋坐标系。

可以发现两个赤道坐标系只有零点是不一样的，并且旋转方向不同。时角24h对应360度，所以1h是15度。

下面是黄道坐标系。

采用黄道坐标系便于研究太阳系内各种天体的运动情况。黄道坐标不随观测时间和观测地点而变。黄道坐标系和赤道坐标系之间可以通过黄赤交角相联系。这个黄赤交角也是和地球四季相联系的。

黄道坐标系：第一极是北黄极（K），第二极是南黄极，基本圈是黄道（xy平面），零点是春分点（也就是图中x轴上的♈）。纬角是黄纬，经角是黄经。右旋坐标系。

黄道面是通过天球中心并与地球公转轨道平面相平行的平面，黄道面与天球相交的大圆为黄道。通过天球中心作黄道面的垂线，与天球交于北黄极和南黄极。二分二至点：黄道与天赤道交于两点，分别称为春分点和秋分点。从北半球上看，当黄道按逆时针方向从天赤道之南穿到天赤道之北的交点（升交点）即为春分点（♈），另一个点（降交点）即为秋分点（♎）。黄道上与春分点相距90度，并位于天赤道以北的点称为夏至点（♋），而在天赤道以南的另一点则为冬至点（♑）。

最后（！！）是银道坐标系。

银道坐标系一般用于银河系和星系的相关研究，仅仅作为了解。银河系的主要部分呈扁平的圆盘结构，它的平均平面称为银河系对称面。经过太阳系质心平行于银河系对称面的平面称为银道面，它与天球相交的大圆称为银道。

银道坐标系：第一极是北银极（G），基本圈是银道（xy平面），零点是银河系中心（银心）方向。纬角是银纬，经角是银经。右旋坐标系。

顺便提一句，我们还有描述月球运动轨迹的白道坐标系。

下面小结一下。

下面这个图可以展示之前介绍的概念和它们的位置关系。黑色的是地平坐标系，蓝色的是赤道坐标系，橙色的是黄道坐标系。

这些坐标系可以相互转换，但是涉及到大量球面三角知识，这里就不讲了。下次我们会讲一讲不同的天体在天球上的运动规律。下面可以提问，或者我们围绕上图展开一些讨论。

问答时间：

问：银道坐标系里面，坐标原点是地球还是太阳？

答：这个其实无所谓了吧，银道坐标系仅作为了解。

问：不该是银心么？

答：这和一个很久以前的星表相关的，它说的是中心，就是站心、地心还是日心，我感觉星系尺度应该是日心吧。我听了课，老师说这个银道坐标系现在可能会修改，有人认为有一些问题，所以仅作为了解。