天球坐标系统

荒野夜晚，满天星斗，北半球的观星者若面向正北方，就会看到这些天体自右向左做逆时针转动，也就是古人说的“天左旋”。为了记录天体在不同时刻的位置，引入天球坐标。

天球是一个以选定点为球心的单位球。天体在天球上的位置为天球中心到天体的连线与天球的交点。天球中心可选择为观测者，也可选择为地心或日心，视具体问题而定。天体在天球上的位置只表示天体相对天球中心的方向，不涉及天体到天球中心的距离。

通过在天球上定义一些点和圈，建立天球坐标，来量化表示天体。观测者所在位置的铅垂线与天球交于两点：上方的一点叫天顶，用Z表示；下方的一点叫天底，用Z′表示。

过天球中心并垂直于ZZ′的平面叫地平面，地平面与天球的交线叫地平圈。地球的自转轴于天球的交点叫天极，位于北方的一个叫北天极，用P表示，位于南方的一个叫南天极，用P′表示。过天球中心并垂直于PP′的平面叫天球赤道面。它与天球的交线叫天球赤道。另外，天球上的半圆弧PZP′叫天球上子午圈，PZ′P′叫天球下子午圈，他们所在的面叫天球子午面。黄道面与天球的交线叫天球黄道。过天球中心并垂直于黄道面的直线与天球的交点叫黄极。靠近北天极的一个叫北黄极，用Ⅱ表示；靠近南天极的一个叫南黄极，用Ⅱ′表示。

图10-1是天顶、天底、地平圈和北天极、南天极、天球赤道的相对位置图。图10-2是北天极、南天极、天球赤道和北黄极、南黄极、黄道的相对位置图。在图10-1中，地平圈与天球赤道交于E、W两点，分别称为东点和西点。地平圈上与E，W相隔90°的两点S，N称为南点和北点。天球赤道与天球上、下子午圈的交点Q，Q′分别称为上、下赤道点，简称为上点和下点。在图10-2中，天球赤道与天球黄道相交于T1，T2两点。它们就是秋分、春分两点时刻太阳在天球上的视位置，分别称为秋分点和春分点。天球黄道上与T1，T2两点相隔90°的两点T3，T4为夏至、冬至两个时刻太阳在天球上的视位置，分别称为夏至点和冬至点。从北黄极看，太阳相对地球的运动是逆时针的，即T1→T2→T3→T4这样的循环。

图10-1 天球示意图

图10-2 天球上的黄道面

根据上面定义的点、圈可以建立表示天体方向的不同天球坐标系。以地平圈为基本圈、以天顶为极点的地平坐标系。它的各个坐标是方位角A和地平纬度h，或者是方位角A和天顶距z。方位角自北起向东度量；地平纬度也称高度角，向北量为正，向南量为负；天顶距自天顶起向下度量。以天球赤道为基本圈，以北天极为极点的天球赤道坐标系。它的两个坐标是赤纬δ和时间H，或者是赤纬δ和赤经α。时角由天球上子午线起顺时针，即向西度量；赤经由春分点起逆时针，即向东度量；赤纬则向北量为正，向南量为负。在实用中，时角常常用时间表示。时间与角度的换算关系为360°对应24h。以天球黄道为基本图，以北黄极为极点的天球赤道坐标系。它的两个坐标是黄经Λ和黄纬β。黄经由春分点起逆时针，即向东度量；黄纬向北量为正，向南量为负。不难看出，与观测者位置有关的几个坐标是方位角、地平纬度或天顶距以及时角。

地面上作天体测量与经典仪器是沿铅垂线安放的，因而通过天文观测可以确定铅垂线的方向。一点的铅垂线与天球赤道的交角叫天文纬度，与某一点特别选定的起始天球子午面的交角叫天文经度。天文经、纬度也常常采用该点到大地水准面的垂线，即该点在大地水准面上投影点的铅垂线定义。天文经、纬度也称为地理经、纬度。