天球地平坐标系-天文学指南

在地球表面一个特定观测站观察航天器或天体的位置时，采用“固定于”（地球）观测点的地平坐标系是最直观而简便的。以该点为中心O作一个半径很大的天球，该点的铅垂线（即重力方向）交于天球的天顶Z和天底Z′，过O点的水平面与天球相交的大圆为地平圈，过天顶和天底的半个（大）圆都是地平经圈，而过天顶和天极的地平经圈（称为子午圈）交于地平圈的南点S和北点N。地平坐标系的基本圈是子午圈和地平圈，而基本点（原点）取南点S（或北点N）。天体的地平坐标是地平经度（又称方位角）和地平纬度（又称地平高度或高度角）。若某天体与球心的连线交于天球上M点（即天体在天球上的投影点，以下简记为天体），经过M点的地平经圈交于地平圈的M′点，则天体的地平经度就是圆弧SM′的角度（球心角∠SOM′），记为A，从南点S向西计量，范围为0°～360°（也有向西0°～180°、向东0°～-180°计量的）；天体的地平纬度是大圆弧M′M的角度（球心角∠M′OM），记为h，从地平圈向北计量0°～90°、向南计量0°～-90°。天文上，常用天顶距z（大圆弧ZM或∠ZOM）取代h，显然z=90°-h。由于天体都有东升西落的周日视运动，因而天体的地平坐标是随时间变化的；只有北天极的地平坐标是不变的：A=180°，h=φ（或z=90°-φ）。紧靠北天极的亮星称为北极星（它离北天极不到1°），观测北极星的地平高度就可以大致知道观测者所在的地理纬度。

应当指出，不同观测点的铅垂线是不同的，因而观测得到的地平坐标因地点而异，且随地球自转而变化，然而，可以用电脑程序相互换算，常换算为地心天球的赤道坐标。

紫金山天文台陈列的简仪［见图2-11（b）］是我国古代一种天文仪器。其地平经纬仪［见图2-11（b）左下方］是用来测量天体的地平坐标的：竖直的圆环是地平经圈，它可以绕垂直轴转动。通过竖直环的中心有一个固定的水平架和一个可绕水平轴转动的“窥管”。用窥管中央细长管孔对准天体，则它与水平架的夹角就是天体的地平纬度（高度角），可在竖直环刻度上读出。而天体的地平经度（即竖直环的地平方位角）在下面的水平刻度环上读出。简仪的另一部分是用来测量天体赤道坐标的，将在后面介绍。

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图2-11　天球的地平坐标系、简仪与经纬仪

（a）坐标系；（b）简仪；（c）经纬仪

现今大地测量用的经纬仪也用于测量天体或其他目标的地平坐标。它与上述地平经纬仪的结构类似，以望远镜取代“窥管”而高精度地观测更暗的目标，可绕垂直轴和水平轴转动，由水平度盘和垂直度盘读出（现在有电子系统显示和记录）更准确的方位角和高度角［见图2-11（c）］。