2.2 天球與天球坐標(biāo)系

2.2.1 天球

所謂天球就是人們站在地球表面上，仰望天空，平視四周時(shí)看到的那個(gè)假象球面。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，太陽(yáng)就好像在這個(gè)球面上周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)一樣。要確定太陽(yáng)在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐標(biāo)系。天球坐標(biāo)系需要選擇一些基本的參數(shù)。

2.2.2 天球坐標(biāo)系

1.基本概念

天球坐標(biāo)系是描述天體在天球上的視位置和視運(yùn)動(dòng)的球面坐標(biāo)系。它包含基本點(diǎn)（原點(diǎn)、極點(diǎn)等）和基本圈（經(jīng)圈、緯圈等）兩個(gè)基本要素。

（1）天軸與天極。以地平面觀測(cè)點(diǎn)O為球心，任意長(zhǎng)度為半徑作一個(gè)天球。通過(guò)天球中心O作一根直線POP′與地軸平行，這條直線稱(chēng)為天軸。天軸和天球交于P和P′，其中與地球北極相對(duì)應(yīng)的P點(diǎn)，稱(chēng)為北天極；與地球南極相對(duì)應(yīng)的P′點(diǎn)，稱(chēng)為南天極，如圖2.2所示。

天軸是一條假想的直線。由于地球繞地軸旋轉(zhuǎn)是等速運(yùn)動(dòng)的，所以天球繞天軸旋轉(zhuǎn)也是等速運(yùn)動(dòng)的，轉(zhuǎn)速為15°/h。天球在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，只有南、北兩個(gè)天極點(diǎn)是固定不動(dòng)的。北極星大致位于天球旋轉(zhuǎn)軸的北天極附近。

(2)天赤道。通過(guò)天球球心O作一個(gè)平面與天軸相垂直，顯然它和地理赤道面是平行的。這個(gè)平面和天球相交所截出的大圓QQ′，稱(chēng)為天赤道，如圖2.2所示。

（3）時(shí)圈。通過(guò)北天極P、南天極P′和太陽(yáng)的大圓稱(chēng)為時(shí)圈。它與天赤道互相垂直，又稱(chēng)為赤經(jīng)圈。

（4）赤緯圈。天球上與天赤道相平行的任意小圓。

（5）天頂和天底。通過(guò)天球球心O作一根直線和觀測(cè)點(diǎn)鉛垂線平行，它和天球的交點(diǎn)為Z和Z′。其中Z恰好位于觀測(cè)點(diǎn)的頭頂上，稱(chēng)為天頂，和Z相對(duì)應(yīng)的另一個(gè)Z′，則位于觀測(cè)者腳下，稱(chēng)為天底。

(6)真地平。通過(guò)天球球心O與ZZ′相垂直的平面在天球上所截出的大圓SN稱(chēng)為真地平。

（7）經(jīng)圈與天子午圈。通過(guò)觀察者天頂Z的大圓，稱(chēng)為地平經(jīng)圈，簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)圈。它與真地平是相垂直的，因此也稱(chēng)為垂圈。

通過(guò)天頂Z和北天極P的特殊的經(jīng)圈PZSN，通常稱(chēng)為天子午圈。它和真地平交于點(diǎn)N和S，靠近北極的點(diǎn)N稱(chēng)為北點(diǎn)，而與北極正相對(duì)的點(diǎn)S稱(chēng)為南點(diǎn)。若觀測(cè)者面向北，其右方距南北各為90°，E稱(chēng)為東點(diǎn)，而與東點(diǎn)正相對(duì)的點(diǎn)W稱(chēng)為西點(diǎn)，且東、西兩點(diǎn)正好是天赤道和真地平的交點(diǎn)。

2.天球坐標(biāo)系分類(lèi)

天球的中心可以做不同的假定，由此可以確立如下不同的天球坐標(biāo)系：①地平坐標(biāo)系，天球中心與觀察者位置重合；②赤道坐標(biāo)系，天球中心與地球中心重合；③黃道坐標(biāo)系，天球中心與太陽(yáng)中心重合；④銀道坐標(biāo)系，天球中心與銀河系中心重合。

下面針對(duì)太陽(yáng)能工程中經(jīng)常用到的坐標(biāo)系進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（1）地平坐標(biāo)系。

以真地平為基本圈，南點(diǎn)為原點(diǎn)，由南點(diǎn)S起沿順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧SA為地平經(jīng)度，轉(zhuǎn)過(guò)的角度為方位角γ_s，由南向西方向?yàn)檎挥傻仄饺ρ氐仄浇?jīng)圈向上計(jì)量，弧的角度稱(chēng)為地平高度h，或由天頂沿地平經(jīng)圈向下度量的角度稱(chēng)為天頂距z。顯然，h+z=90°,如圖2.3所示。

易證，天極的高度角等于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥取?/p>

在航天、航空、航海、大地測(cè)量、測(cè)時(shí)工作中廣泛應(yīng)用地平坐標(biāo)系。但地平坐標(biāo)系隨地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，且隨觀測(cè)者的地理位置而變化，所以（傳統(tǒng)）天文觀測(cè)中較少使用地平坐標(biāo)系。

（2）赤道坐標(biāo)系。

赤道坐標(biāo)系通常分為第一赤道坐標(biāo)系和第二赤道坐標(biāo)系。

第一赤道坐標(biāo)系又稱(chēng)時(shí)角坐標(biāo)系。以天赤道為基本圈，天子午圈與天赤道兩個(gè)交點(diǎn)中的靠近南點(diǎn)的Q′為原點(diǎn)。兩個(gè)坐標(biāo)分別是時(shí)角t和赤緯δ。時(shí)角由Q′起順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎葱r(shí)計(jì)量，記為t。赤緯由赤道圈為起點(diǎn)，向北為0°~90°，向南為0°~-90°，用δ表示，如圖2.4所示。

天文中使用最多的是第二赤道坐標(biāo)系，簡(jiǎn)稱(chēng)赤道坐標(biāo)系。其以天赤道為基本圈，春分點(diǎn)為原點(diǎn)。坐標(biāo)為赤經(jīng)α和赤緯δ。赤經(jīng)以春分點(diǎn)為起點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较蚨攘浚?°到360°或0到24h；赤緯由赤道圈為起點(diǎn)，向北為0°~90°，向南為0°~-90°。若不考慮歲差，赤道坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系，不隨地球自轉(zhuǎn)而變化,如圖2.4所示。

（3）黃道坐標(biāo)系。

以黃道為基本圈，春分點(diǎn)為基本點(diǎn)。兩個(gè)坐標(biāo)分別是黃經(jīng)λ和黃緯β。黃經(jīng)以春分點(diǎn)為起點(diǎn)，逆時(shí)針?lè)较蚨攘?~24h；黃緯與赤緯的度量方式相似。黃道與赤道的夾角稱(chēng)為黃赤交角，為23°26′。

黃道坐標(biāo)系不隨地球自轉(zhuǎn)，也不隨觀測(cè)點(diǎn)改變,主要用于描述太陽(yáng)系天體的位置與運(yùn)動(dòng),如圖2.5所示。

（4）銀道坐標(biāo)系。

研究銀河系內(nèi)的天體位置常用銀道坐標(biāo)系。經(jīng)過(guò)太陽(yáng)且與銀盤(pán)的對(duì)稱(chēng)平面相平行的平面稱(chēng)為銀道面。銀道面與天球相交的大圓即銀道為基本圈。銀道的幾何極稱(chēng)為銀極，與北天極鄰近的銀極稱(chēng)北銀極。經(jīng)過(guò)銀極的任何大圓稱(chēng)為銀經(jīng)圈；與銀道平行的小圓為銀緯圈。銀河系的中心方向（位于人馬座）在天球上的投影必然落在銀道上，取這點(diǎn)為銀道坐標(biāo)系的原點(diǎn)。從銀河系重點(diǎn)方向沿銀道逆時(shí)針?lè)较蚨攘康教烨蛏弦稽c(diǎn)的銀經(jīng)圈與銀道交點(diǎn)的弧長(zhǎng)為經(jīng)向坐標(biāo)，稱(chēng)為銀經(jīng)L，銀經(jīng)從0°~360°計(jì)算。從銀道起沿過(guò)該點(diǎn)的銀經(jīng)圈度量到該點(diǎn)的大圓弧長(zhǎng)為緯向坐標(biāo)，稱(chēng)為銀緯b，銀緯向北為0°~90°，向南為0°~-90°。