時間：2019-09-19 21:00

主題：天文座標系

主講人：Charon

參考資料：張鴻老師和周禮勇老師的普通天文學。

下面我們就介紹基本的天球座標系：地平座標系、時角座標系、赤道座標系、黃道座標系、銀道座標系，其中最常用的是地平和赤道座標系。大家先看一個圖，我們首先介紹一下天球的概念。天球是天文學的一個輔助工具，用以研究天體的位置和運動的一個假想球。天球是以觀測者為中心，任意距離為半徑的球。

注意，我們不規定天球的半徑，通常當做數學上的無窮大，必要時可以取單位距離。天球的中心可以根據需要來選擇，比如說以觀測者為中心（站心）、地心或日心。

天球的概念方便我們進行觀星活動，此時我們不關心天體到我們的距離，而只關心它們在天球上的位置，也就是天體在天球上的投影，即觀測者（或天球的中心）與天體的連線與天球的交點。這樣我們就可以根據座標，快速找到我們想要觀測的天體了。天體在天球上的距離是用角度來描述的。

下面我們介紹一下天文上常用的座標系，在此之前我們需要簡單瞭解一下球面座標系的知識。其實這個我們已經很熟悉了，只要聯繫我們的地理經緯座標系就可以理解。這個圖就顯示了一個基本的球面座標系。

極點：也就是圖中的第一極和第二極，對應的也就是地球上的南極和北極。基本圈：與兩個極連線垂直的大圓，對應的是地球上的赤道。零經圈：可以想象一下本初子午線，英國格林尼治天文臺所在的經線，我們規定這條經線與赤道的交點為零點。零點也叫基本點。這樣我們就可以用經度和緯度兩個座標來描述地球上的任意一個位置了。

地理座標系：第一極是地球的北極，第二極是地球的南極，基本圈是地球的赤道圈，零經圈是格林尼治子午圈（本初子午圈）。座標：地理經度（-180到+180，東經為正，西經為負）和地理緯度（-90到+90，北緯為正，南緯為負）。右旋座標系。

下面我們就把地球座標系想象成天球座標系，道理是一樣的，只不過一個向下看，一個向上看，後面再遇到第一極、第二極、基本圈、零點、零經圈這些概念，就想一下地球座標系上對應的規定來理解。但是注意天球的東西方向和地理上是相反的。

在瞭解常用的天球座標系的過程中，我們需要關注的幾點有：第一極（基本方向）、基本圈、零點（基本點）、區分是左旋座標系還是右旋座標系。正是這幾點確立了不同的天球座標系統，從而可以規定不同天體的位置。

這個圖顯示了三個座標系的相對位置。圖中沒有地平座標系，因為這個座標系取決於觀測者的地理位置。圖中藍色的是赤道座標系，紅色的是黃道座標系，黃色的是銀道座標系。

首先是地平座標系。

這是我們最常用的座標系之一，但是地平座標系是與觀測者所在地的地理位置相關的，而且會隨著時間而產生非線性的變化。當我們在同一地區進行觀星的時候，使用地平座標系是十分方便的，而且觀測時需要考慮天體的高度問題，如果太低，大氣影響過於嚴重，如果過高，不利於儀器姿態的調整。

地平座標系：第一極為觀測者的天頂（z），第二極為天底，基本圈為真地平，零經圈為過天頂、天底和北天極（P）的半個大圓。這裡的北天極也就是我們的北極星了，當然我們在北半球是見不到南天極的，我們在這裡就想象北半球即可（天極的概念我們後面再談）。緯角稱為高度，餘緯角稱為天頂距，經角稱為方位角，方位角從北點向東計量，有時從南點向西計量。左旋座標系。

天頂距的概念很重要，這一點前面有提到，高度加天頂距等於90度，兩者可以表達同樣的意思，但是天文上更習慣使用天頂距。

天頂和天底很好理解，觀測者的頭頂就是天頂，對應的另一端就是天底。真地平也就是過球心與天頂和天底連線垂直的平面（xy平面），真地平圈是真地平和天球相交的大圓。地平座標系的零經圈也叫天子午圈（xz平面），是一個大圓。天子午圈與真地平有兩個交點，靠近北天極的叫北點（N），靠近南天極的叫南點（S），天赤道與真地平有兩個交點，東點（E）和西點（W），這四個點統稱四方點（天赤道後面說）。

天子午圈和天卯酉圈：天子午圈過天頂天底南點北點（xz平面），天卯酉圈過天頂天底東點西點（yz平面）。這兩個圈和真地平（xy平面）兩兩互相垂直。

下面是時角座標系，又叫第一赤道座標系。

赤緯不隨時間、地點的變化而變。時角隨時間增加且具有地方性。

時角座標系：第一極北天極（P），第二極南天極，基本圈天赤道（xy平面），零經圈為觀測者的子午圈（xz平面），零點為近南點。緯角是赤緯（-90到+90），赤緯的餘角稱為北極距。經角是時角，順時針0h~24h計量。左旋座標系。

天極是地球自轉軸的延長線與天球的交點。北極對應北天極，南極對應南天極。天極的高度 = 觀測者地理緯度。天赤道面是通過天球中心與兩天極連線垂直的平面，天赤道則是天赤道面與天球相交的大圓，實際上是地球赤道面的延伸。近南點靠近南點，但是在天赤道上。

下面是赤道座標系，又叫第二赤道座標系。

赤道座標系是最重要的天球座標系，因為引入了一個和天球一起作週日旋轉的點作為零點，所以天體的位置和地球的自轉無關，即不隨時間和地點的變化而改變。所以在天文觀測中，我們通常使用赤道座標系來標定天體的位置。

赤道座標系：第一極是北天極，第二極是南天極，基本圈是天赤道，零點是春分點（後面講）。緯角是赤緯（-90到+90），經角是赤經（0~360度），從春分點起量，逆時針方向為赤經增加的方向。右旋座標系。

可以發現兩個赤道座標系只有零點是不一樣的，並且旋轉方向不同。時角24h對應360度，所以1h是15度。

下面是黃道座標系。

採用黃道座標系便於研究太陽系內各種天體的運動情況。黃道座標不隨觀測時間和觀測地點而變。黃道座標系和赤道座標系之間可以通過黃赤交角相聯繫。這個黃赤交角也是和地球四季相聯繫的。

黃道座標系：第一極是北黃極（K），第二極是南黃極，基本圈是黃道（xy平面），零點是春分點（也就是圖中x軸上的♈）。緯角是黃緯，經角是黃經。右旋座標系。

黃道面是通過天球中心並與地球公轉軌道平面相平行的平面，黃道面與天球相交的大圓為黃道。通過天球中心作黃道面的垂線，與天球交於北黃極和南黃極。二分二至點：黃道與天赤道交於兩點，分別稱為春分點和秋分點。從北半球上看，當黃道按逆時針方向從天赤道之南 穿到天赤道之北的交點（升交點）即為春分點（♈），另一個點（降交點）即為秋分點（♎）。黃道上與春分點相距90度，並位於天赤道以北的點稱為夏至點（♋），而在天赤道以南的另一點則為冬至點（♑）。

最後（！！）是銀道座標系。

銀道座標系一般用於銀河系和星系的相關研究，僅僅作為了解。銀河系的主要部分呈扁平的圓盤結構，它的平均平面稱為銀河系對稱面。經過太陽系質心平行於銀河系對稱面的平面稱為銀道面，它與天球相交的大圓稱為銀道。

銀道座標系：第一極是北銀極（G），基本圈是銀道（xy平面），零點是銀河系中心（銀心）方向。緯角是銀緯，經角是銀經。右旋座標系。

順便提一句，我們還有描述月球運動軌跡的白道座標系。

下面小結一下。

下面這個圖可以展示之前介紹的概念和它們的位置關係。黑色的是地平座標系，藍色的是赤道座標系，橙色的是黃道座標系。

這些座標系可以相互轉換，但是涉及到大量球面三角知識，這裡就不講了。下次我們會講一講不同的天體在天球上的運動規律。下面可以提問，或者我們圍繞上圖展開一些討論。

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問答時間：

問：銀道座標系裡面，座標原點是地球還是太陽？

答：這個其實無所謂了吧，銀道座標系僅作為了解。

問：不該是銀心麼？

答：這和一個很久以前的星表相關的，它說的是中心，就是站心、地心還是日心，我感覺星系尺度應該是日心吧。我聽了課，老師說這個銀道座標系現在可能會修改，有人認為有一些問題，所以僅作為了解。

問：春分秋分是和0點隔90°的兩點吧？

答：春分是赤道和黃道的零點，春分秋分隔180。

問：複雜，角度怎麼變成農曆了？

答：噢，你農曆就是過那個點，下次給你來來春分點進動←_←你們有沒有注意到春分點的符號是V，也就是白羊座的標誌，現在春分點已經不在白羊座了，在雙魚座了。

問：緩慢進動，這個叫歲差吧？

答：是的。

問：搞清黃道座標，基本幾百年夠用了，反正飛不出去……

答：黃道座標是研究太陽系天體的，我們基本上是用赤道座標，然後實地觀測就用地平座標。

問：南天星座和北天星座咋分的？

答：按天赤道分？其實你能看見的範圍取決於你的緯度。

全文完

（注：本網絡講座取得主講人Charon同意，由星宇飄零2099整理並首發於網絡平臺。）