天球坐標
球面坐標系概說
為了確定一個地點在地球上的位置，人們設置地理坐標系；同理，為了確定天體在天球上的位置，需要設置天球坐標系。
地理坐標系和天球坐標系，都是球面坐標系。在天文學上，根據(jù)不同的需要，使用不同的天球坐標系。
各種天球坐標系，有不同的特點。但是，它們都有球面坐標系的共同特點。這些特點是：
——球面坐標系都有一個基本大圓，稱為基圈。例如，在地理坐標系中，赤道就是它的基圈。
——基圈上都有一個原點。原點的擇取是以通過它的輔圈為標志的。
輔圈就是通過基圈的兩極、因而垂直于基圈的所有大圓。在地理坐標系中，它們就是經(jīng)線。
通過原點的輔圈，叫做始圈。例如，地理坐標系中的始圈，就是本初子午線。
——球面上任一點相對于基圈的方向和角距離，用緯度表示，是點的縱坐標。例如，地理坐標系的縱坐標叫地理緯度。
——球面上任一點所在的輔圈平面相對于始圈平面的方向和角距離，用經(jīng)度表示，是點的橫坐標。例如，地理坐標系的橫坐標叫地理經(jīng)度。
根據(jù)上述特點，人們可以歸結(jié)球面坐標系的一般模式：
對于特定的點來說，這個模式實際上是一個球面三角形（圖1-15）。構(gòu)成這個三角形的三條邊，分別屬于三個大圓，即基圈、始圈和終圈（點所在的輔圈）。
三角形的三個頂點是基圈的極點、原點和介點（終圈與基圈的交點)。
三邊中的基圈和始圈，分別是坐標系的橫軸和縱軸，是固定的框架。
終圈則是可變動的，體現(xiàn)這種變動的是點的經(jīng)度；點在終圈上的位置也是可變動的，體現(xiàn)這一變動的是點的緯度。
通過這兩種變動，球面上任何一點的位置，都可以用一定的經(jīng)度和緯度的結(jié)合來確定。前者是點的橫坐標，后者是點的縱坐標。
在天文學上，常用的天球坐標系分兩大類：右旋坐標系和左旋坐標系。
前者與天球周日運動（地球自轉(zhuǎn)）相聯(lián)系，因天球周日運動方向向西（右旋），因此，經(jīng)度向西度量，有地平坐標系和第一赤道坐標系。
后者與太陽周年運動（地球公轉(zhuǎn)）相聯(lián)系，因太陽周年運動方向向東（左旋），因此，經(jīng)度向東度量，有第二赤道坐標系和黃道坐標系。
地平坐標系：高度和方位
(1)用途：地平圈把天球分割成兩部分，人們所見的天空，是地平圈以上的一半。
隨著天球的周日旋轉(zhuǎn)，天體相對于地平的升落和移動，是人們目睹的最直觀的天象：旭日東升，夕陽西下，如日方中…，都是對太陽的方位和高度的描述。
地平坐標系就是用來表示天體在天空中的方位和高度及其周日變化。
(2)圓圈系統(tǒng)：地平坐標系同地平圈相聯(lián)系。地平圈的兩極，是當?shù)氐拇咕€向上下兩個方向無限延伸，與天球相交的兩個端點，叫天頂和天底。
通過天頂、天底且垂直于地平圈的一切大圓，是地平經(jīng)圈，或簡稱平經(jīng)圈；
一切與地平圈平行的圓，是地平緯圈（也叫等高線）。
地平圈與天赤道相交于東點和西點；它對于天赤道的二個遠距點是南點和北點。通過南點和北點（也必通過南北天極和上點、下點)的平經(jīng)圈，被叫做子午圈，必要時以天頂、天底為界，分為子圈（北半圈）和午圈（南半圈）；
通過東點和西點的平經(jīng)圈，被稱為卯酉圈，必要時以天頂、天底為界，分為卯圈（東半圈)和酉圈（西半圈）。
地平圈、子午圈和卯酉圈，是相互垂直且等分的三個天球大圓，它們把天球分成8個相等的球面三角形。
(3)基本要點：有了上述的圓圈系統(tǒng)，我們就有條件來說明天球的地平坐標系。根據(jù)球面坐標系的一般模式，地平坐標系有如下要點：
——它的基圈是地平圈。
——它的原點通常是南點，始圈通常是午圈。
——地平緯度稱高度(h)，是天體相對于地平圈的方向和角距離。高度自地平圈起，沿天體所在的地平經(jīng)圈向上（下）度量，自0°～±90°。高度的余角為天頂距（z）。
——地平經(jīng)度稱方位(A)，是天體所在的地平經(jīng)圈相對于午圈的方向和角距離。方位以南點為起點，沿地平圈向西度量，自0°一360°。南點、西點、北點和東點的方位，分別為0°，90°，180°和270°。
方位
之所以要向西度量，是因為周日運動方向向西，使天體方位隨時間遞增，便于計量。
地平坐標系的原點和始圈，可以有不同的選擇。一般地說，天文學通常以南點為原點，以午圈為始圈；
而測量學多以北點為原點，以子圈為始圈。
第一赤道坐標系，赤緯和時角
(1)用途：第一赤道坐標系也稱時角坐標系。顧名思義，這種坐標系的設置，是用于時間度量。
我們知道，時間的度量總是與事物的均勻運動過程相聯(lián)系。在天地間，最理想的均勻運動，莫過于天球周日運動?！叭粘龆鳎杖攵ⅰ?，鐘表的設計，事實上就是太陽（嚴格地說應是平太陽)周日運動的翻版。
天球周日運動本身是均勻的。但是，反映在地平坐標系中方位的變化是非均勻的。
這是因為，天球的旋轉(zhuǎn)軸一天軸通常并不垂直于地平圈。所以，地平坐標系不能用于度量時間。要使經(jīng)度隨時間而均勻變化，只需把天球坐標系的基圈，由地平圈改為天赤道即可（因為天軸垂直于天赤道)；
與此同時，坐標系的原點也由地平圈上的南點，改為天赤道上的上點，保留始圈（午圈）不變。坐標系的名稱隨之改稱赤道坐標系。
(2)圓圈系統(tǒng)：天赤道為基圈。它的兩極是地軸向南北兩個方向無限延伸與天球的兩個交點，稱天北極和天南極。
通過南、北天極，垂直于天赤道的一切天球大圓，是天球的赤道經(jīng)圈，簡稱赤經(jīng)圈；
一切與天赤道平行的圓，是天球的赤緯圈。
天赤道與地平圈相交，從而得東點、西點（交點）和上點、下點（遠距點）。
通過上點和下點（也必通過天頂、天底和南點、北點)的赤經(jīng)圈，就是前述的子午圈。
子午圈是一個十分重要的天球大圈。它既垂直于地平圈，又垂直于天赤道，是聯(lián)系地平坐標系和赤道坐標系的紐帶。
所不同的是，赤道子午圈是以南、北天極來劃分子圈和午圈。
通過東點和西點的赤經(jīng)圈，航海天文學上稱為六時圈，必要時以南、北天極為界，分為東六時圈和西六時圈。
天赤道、子午圈和六時圈，是相互垂直和等分的三個大圓，它們把天球分成8個相等的球面三角形。
(3)基本要點：有了以上的圓圈系統(tǒng)，我們就有條件來說明天球的第一赤道坐標系。根據(jù)球面坐標系的一般模式，第一赤道坐標系有如下要點：
——它的基圈是天赤道。
——它的原點是上點；始圈是午圈。
——第一赤道坐標系的緯度稱赤緯（δ），是天體相對于天赤道的南北方向和角距離。
赤緯自天赤道起沿天體所在的赤經(jīng)圈向南北兩個方向度量，自0°～±90°。
按北半球習慣，天赤道以北為正，天赤道以南為負。赤緯的余角叫極距(p)。
——第一赤道坐標系的經(jīng)度稱時角(t)，是天體所在的赤經(jīng)圈相對于午圈的方向和角距離。
時角以上點為起點，沿天赤道向西度量，為的是使天體的時角“與時俱增”，用以度量時間。
如春分點的時角表示恒星時；以太陽的時角推算太陽時。
經(jīng)度既稱時角，赤經(jīng)圈便改稱時圈，并采用時間單位表示（每15°折合1時）。上點、西點、下點和東點的時角，分別為0?，6?，12?和18?。
