坐標(biāo)系統(tǒng)課件

1、坐坐標(biāo)標(biāo)系系統(tǒng)統(tǒng)測(cè)量一個(gè)天體，必須有時(shí)間和空間中的方位才有實(shí)際意義。定定義義了了一一個(gè)個(gè)“時(shí)時(shí)空空”參參考考系系才才能能對(duì)對(duì)在在各各臺(tái)臺(tái)址址、不不同同觀觀測(cè)測(cè)者者、在在不不同同時(shí)時(shí)間間所所做做的的觀觀測(cè)測(cè)進(jìn)進(jìn)行行比比較較。天天球球一一、天天球球的的概概念念題外話：人為什么有兩只眼睛？而不是一只或者三只？眼睛的作用之一是確定眼前事物的方位。方位：方向與距離。一只眼睛即可確定方向，但兩只或兩只以上方可確定距離！三只或更多眼睛是可行的，但不是必需的！兩只眼睛：必需且足夠！天體距離我們?nèi)绱诉b遠(yuǎn)，來(lái)自天體的光線已近似于平行光，此時(shí)我們實(shí)際上已變成了“獨(dú)眼龍”！正常人相對(duì)于真正的獨(dú)眼瞎子來(lái)說(shuō)，只不過(guò)是多了

2、一倍的接收面積而已！即我們失去了確定遠(yuǎn)近的能力，而僅知道天體的方向！所有的天體仿佛都分布在一個(gè)球面上！雖然很久以前就已經(jīng)知道，星球離我們的距離彼此相差很大；“天”實(shí)際上并不存在，天也無(wú)所謂是方是圓；存在的只是廣闊無(wú)垠的宇宙，宇宙中有著各種各樣的天體和物質(zhì)。但是，天文學(xué)上仍然保留這個(gè)假想的圓球，作為表示目視運(yùn)動(dòng)的輔助工具，在球面上作一些假想的點(diǎn)和線，利用它們來(lái)研究天體的視位置和視運(yùn)動(dòng)。 這個(gè)假想的球就是天球！天球：假定圍繞著我們有一個(gè)大圓球，它的半徑比我們所能看到的最遠(yuǎn)的天體的距離還要大得多，這個(gè)大圓球稱為天球。視位置：天體和觀測(cè)者的眼睛之間聯(lián)成的直線延長(zhǎng)后與天球的交點(diǎn)，也即該天體在天球上的投影

3、，稱為該天體的“視位置”。視位置天球地球 視位置天球的幾點(diǎn)基本性質(zhì): 觀測(cè)者總在天球的中心，原因是觀測(cè)者的任意位移都比天體半徑小得多，可以忽略不計(jì)。 所有相互平行的直線向同一方向延長(zhǎng)，和天球交與一點(diǎn)。 不同遠(yuǎn)近的天體，如果在同一視線上，它們?cè)谔烨蛏系囊曃恢檬侵睾系?。天球?yīng)該滿足幾何學(xué)中的圓球的一切性質(zhì)。二二、天天球球上上的的基基本本點(diǎn)點(diǎn)和和基基本本圈圈定量描述天體在天球上的位置，還需要選擇一些基本點(diǎn)和基本圈。天球與地球的關(guān)系極大，在介紹天球的基本點(diǎn)和基本圈之前，先簡(jiǎn)要介紹一下地球。地球自轉(zhuǎn)軸（地軸）為pp，p為北極，p為南極。地球上每個(gè)點(diǎn)都繞pp軸旋轉(zhuǎn)，一天旋轉(zhuǎn)一周。垂直于自轉(zhuǎn)軸pp的大圓qq

4、為地理赤道，赤道把地球分為南北兩個(gè)半球。顯然北極p和南極p相對(duì)于赤道上各點(diǎn)的弧距都是90度，是赤道這個(gè)大圓的兩個(gè)極。通過(guò)地面上一個(gè)點(diǎn)m，平行于赤道的小圓叫緯度圈（見(jiàn)圖上lml）；經(jīng)過(guò)兩極垂直于赤道面的大圓叫做經(jīng)度圈或子午圈。通過(guò)英國(guó)格林威治天文臺(tái)的地理子午圈叫做本初子午圈（見(jiàn)圖上pggp）。1.天軸和天極天軸：地軸無(wú)限延長(zhǎng)。天極：天軸與天球交于兩點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于地球的北極和南極，分別叫北天極和南天極。周日旋轉(zhuǎn)：天球繞著天軸作周日旋轉(zhuǎn)，只有p和p點(diǎn)不動(dòng)。周日平行圈：恒星因周日運(yùn)動(dòng)畫(huà)出了大小不同的圈，離天極越近，周日圈越??；反 之，越大。這些周日圈互相平行，叫做周日平行圈。2. 天赤道天赤道：地球赤道面

5、無(wú)限延展與天球相交的大圓，叫做天赤道。天赤道面：天赤道所在的平面。天赤道將天球分為南北兩個(gè)半球，稱為南天和北天。天球上平行于天赤道的小圓叫做赤緯圈；垂直于天赤道面且過(guò)兩天極的大圓叫赤經(jīng)圈，也叫時(shí)圈。3. 天頂和真地平天頂和真地平的概念是以觀測(cè)者的位置為基礎(chǔ)建立的。天頂和天底：觀測(cè)者所在點(diǎn)與天球心在天球上的兩個(gè)交點(diǎn)，頭頂稱為天頂，腳下稱為天底。真地平：過(guò)天球心、與天頂天底的連線垂直的平面叫天球地平 面，它與天球相交的大圓叫地平圈，也叫真地平。天球上與真地平平行的小圓叫地平緯圈；垂直于天球地平面且過(guò)天頂和天底的大圓叫地平經(jīng)圈。4. 天子午圈和四方點(diǎn)天子午圈：過(guò)天頂和北天極的大圓稱為天子午圈。卯酉(

6、you)圈：過(guò)天頂和東西點(diǎn)所做的大圓弧。四方點(diǎn)：天子午圈與真地平相交于n和s（見(jiàn)圖），n靠近北天極p，稱為北點(diǎn)；s點(diǎn)靠近南天極p，稱為南點(diǎn)。從上往下（沿zz方向）看，真地平上按順時(shí)針度量，距離北點(diǎn)90度的點(diǎn)稱為東點(diǎn)，距離南點(diǎn)90度的點(diǎn)稱為西點(diǎn)。東西南北四點(diǎn)合稱四方點(diǎn)。5. 黃道和春分點(diǎn)黃道：地球公轉(zhuǎn)軌道面延伸與天球相交的大圓叫黃道。春分點(diǎn)：黃道與赤道相交的兩點(diǎn)分別叫做春分點(diǎn)和秋分點(diǎn)。其中春分點(diǎn)是太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)沿黃道從天赤道以南穿過(guò)天赤道以北的交點(diǎn)；秋分點(diǎn)則從北向南。在黃道上，與春秋分點(diǎn)距90度，天赤道以北是夏至點(diǎn)，天赤道以南是冬至點(diǎn)。黃道軸的兩極，分別叫北黃極和南黃極。因?yàn)槌嗟烂妗⑻燧S、黃道面、黃

7、極軸的方位都是唯一的，所以春分點(diǎn)等四點(diǎn)都在天球上有唯一位置。但這只是對(duì)某一時(shí)期而言，由于地軸進(jìn)動(dòng)造成“歲差”，引起春分點(diǎn)沿黃道每年向西移動(dòng)約50.2“，這是一個(gè)很小的角度。春分點(diǎn)在黃道上移動(dòng)6，大致需要400多年。但從歷史的角度看，歲差的影響是不小的，從古代巴比倫和古希臘到現(xiàn)在的兩千多年當(dāng)中，春分點(diǎn)已經(jīng)在黃道上向西移動(dòng)了30多度。2000多年前，春分點(diǎn)在白羊?qū)m，所以當(dāng)時(shí)人們用白羊?qū)m符號(hào)表示春分點(diǎn)，一直沿用今天。由于歲差，春分點(diǎn)不斷西退，現(xiàn)位于雙魚(yú)宮。以下是春夏秋冬四點(diǎn)的符號(hào)。宮名黃經(jīng)度太陽(yáng)進(jìn)入日期（約）節(jié)氣備注白羊?qū)m03003月21日春分白羊?qū)m第一點(diǎn)金牛宮306004月20日谷雨雙子宮6090

8、05月21日小滿巨蟹宮9012006月22日夏至巨蟹宮第一點(diǎn)獅子宮12015007月23日大暑室女宮15018008月23日處暑天秤宮18021009月23日秋分天秤宮第一點(diǎn)天蝎宮21024010月23日霜降人馬宮24027011月22日小雪摩羯宮27030012月22日冬至摩羯宮第一點(diǎn)寶瓶宮30033001月20日大寒雙魚(yú)宮330002月19日雨水天天球球坐坐標(biāo)標(biāo)系系用來(lái)決定點(diǎn)的位置的數(shù)量叫做坐標(biāo)。用來(lái)決定球面上的位置，采用球面坐標(biāo)系統(tǒng)。地理坐標(biāo)就是一種球面坐標(biāo)系統(tǒng)。如同上節(jié)，不妨先來(lái)看看地理坐標(biāo)系統(tǒng)。本初子午圈pggp和m點(diǎn)的地理子午圈pmmp間的兩面角gpm便是地理經(jīng)度。地理經(jīng)度可用球面

9、角gpm來(lái)量度，也可用本初子午圈和m點(diǎn)所在子午圈與赤道的垂足g和m之間的弧來(lái)量度。地理經(jīng)度是由本初子午圈起向西或向東來(lái)度量的。向西量度叫“西經(jīng)”，向東量度叫“東經(jīng)”。計(jì)量經(jīng)度時(shí)常用“角度”、“角分”、“角秒”為單位。有時(shí)候也用“小時(shí)”、“時(shí)分”、“時(shí)秒”來(lái)作單位。地球自轉(zhuǎn)一周為24小時(shí)，轉(zhuǎn)過(guò)一周為360度，利用這個(gè)關(guān)系可以建立這兩種單位之間的相互關(guān)系，有：24h = 360o1h = 15o1m = 151s = 15360o = 24h1o = 4m1 = 4s1 = (1 /15)s例如北京的經(jīng)度為11620，也可表示為7h45m20s。地面某點(diǎn)鉛垂線和赤道面間的夾角，叫做該點(diǎn)的“地理緯度

10、”。圖中m點(diǎn)的緯度就是角mom，也就是相應(yīng)于弧mm的大小。顯然，同一緯度圈上各點(diǎn)的地理緯度都是相等的。地理緯度由赤道開(kāi)始量度，向北計(jì)算北緯，用“+”表示，向南量度叫南緯，用“”表示。緯度一律用角度單位來(lái)作量度單位。例如北京的緯度為40，記作=+40。要確定天體在天球上的位置，就類(lèi)似于確定地球表面各點(diǎn)的位置一樣，采用球面坐標(biāo)系統(tǒng)。我們把這種球面坐標(biāo)系叫做天球坐標(biāo)系。天文學(xué)中通常有四種天球坐標(biāo)系，它們之間的區(qū)別在于基本圈、原點(diǎn)、量度坐標(biāo)方法等的不同，天文學(xué)中根據(jù)工作的需要和具體情況而選用最方便的坐標(biāo)系統(tǒng)。一一、地地平平坐坐標(biāo)標(biāo)系系取真地平為基本圈，南點(diǎn)s為原點(diǎn)，叫做地平坐標(biāo)系。天頂z是基本圈的極。

11、圓弧nesm叫地平經(jīng)度，或方位角，記為a。從n點(diǎn)順時(shí)針?lè)较蚨攘浚?度到360度圓弧mx叫做地平緯度，或高度，記為h。真地平的高度為零，自真地平向上（向天頂）算起為正，向下（向天底）為負(fù)，因此高度取 0o 90o 之間的所有值。常用天頂距（ 圓 弧 zx ） 代 替 h ， 有z=90-h。當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥鹊扔诒睒O星的高度從某觀測(cè)點(diǎn)看，很容易證明天極的地平高度 hp 等于該地的地理緯度在航海、航空和大地測(cè)量、測(cè)時(shí)等工作中廣泛應(yīng)用地平坐標(biāo)系。由于天體有周日視運(yùn)動(dòng)，所以天體的地平坐標(biāo)隨時(shí)在變，且還隨觀測(cè)者在地面上的位置不同而不同，所以在天文學(xué)中這種坐標(biāo)系不方便。二二、時(shí)時(shí)角角坐坐標(biāo)標(biāo)系系時(shí)角坐標(biāo)系，

12、也叫做“第一赤道坐標(biāo)系”?；救κ翘斐嗟?，原點(diǎn)是q點(diǎn)，即天子午圈與天赤道的兩個(gè)交點(diǎn)中靠近南點(diǎn)s的點(diǎn)。兩個(gè)座標(biāo)分別是時(shí)角和赤緯。時(shí)角即圖中弧qt，記為t，由起始點(diǎn)沿天赤道順時(shí)針量至天體所在赤經(jīng)圈（0h 24h）；赤緯是弧tx，記為，由天赤道沿過(guò)天體的赤經(jīng)圈向兩極方向度量（0-90度）。三三、赤赤道道坐坐標(biāo)標(biāo)系系天文觀測(cè)中使用最多的是赤道坐標(biāo)系，也叫做“第二赤道坐標(biāo)系”?；救κ翘斐嗟?，原點(diǎn)是春分點(diǎn)。兩個(gè)座標(biāo)分別是赤經(jīng)和赤緯。赤經(jīng)是春分點(diǎn)與天體所在天子午圈在天赤道上的垂足之間的圓弧t，記為，以時(shí)（h）、分（m）、秒（s）記。赤經(jīng)從春分點(diǎn)算起，按反時(shí)針?lè)较颍ㄓ晌飨驏|）度量，由0360，或者由0h24

13、h。赤經(jīng)的量度方向正好與方位角的量度方向相反，即沿著和周日視運(yùn)動(dòng)相反的方向量度，這符合天體從東方升起的時(shí)間順序。赤緯是圓弧tx（即天體所在天子午圈上天體與天赤道之間的圓?。?，記為。從天赤道算起，向北天極從0到90，向南天極從0到90。由于春分點(diǎn)在天球上是唯一點(diǎn)，與天體在天球上的相對(duì)位置是固定的，其周日視運(yùn)動(dòng)的行為與天體相同，所以天體的赤經(jīng)和赤緯不隨時(shí)間、也不隨觀測(cè)者所在地改變（注：是在不考慮歲差的情況下）。四四、黃黃道道坐坐標(biāo)標(biāo)系系研究太陽(yáng)系內(nèi)天體（如行星、月球）運(yùn)動(dòng)時(shí)多使用黃道坐標(biāo)系，因?yàn)樾行恰⒃铝恋榷荚邳S道附近運(yùn)動(dòng)?；救κ屈S道，原點(diǎn)是春分點(diǎn)。以黃軸為極。兩個(gè)座標(biāo)分別是黃經(jīng)和黃緯。大圓弧l

14、（即春分點(diǎn)到黃經(jīng)圈與黃道交點(diǎn)l之間的圓?。┙悬S經(jīng)，記為。的度量方法與赤經(jīng)類(lèi)似，即由春分點(diǎn)算起，按反時(shí)針?lè)较蛴? 360 。 例 如 春 分 點(diǎn)=0，北天極=90，南天極=270。大圓弧lx（即天體到黃經(jīng)圈與黃道交點(diǎn)l之間的圓弧）叫黃緯，記為。度量方法與赤緯類(lèi)似，由黃道向南北兩黃極來(lái)度量。例如春分點(diǎn)=0，北天極=+66.5，南天極=66.5。 對(duì)一個(gè)天體來(lái)說(shuō)，黃經(jīng)和黃緯與赤經(jīng)和赤緯一樣是不變量（不隨周日視運(yùn)動(dòng)而變化、不隨觀測(cè)點(diǎn)而變化） 五五、銀銀道道坐坐標(biāo)標(biāo)系系計(jì)算河外天體的銀河消光、討論銀河系內(nèi)恒星的空間分布和運(yùn)動(dòng)等情況下，要用到銀道坐標(biāo)系。銀河內(nèi)絕大部分恒星密集地 組成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球體（鐵餅

15、狀），其對(duì)稱面為銀道面。銀道面與天球相交截出的大圓稱為銀道。升交點(diǎn)：站在北天極，銀道由南向北逆時(shí)針穿過(guò)赤道的交點(diǎn)。銀赤交角：約62度?；军c(diǎn)：升交點(diǎn)基本圈：銀道銀經(jīng)l：弧m。以時(shí)、分、秒為單位。范圍024h。銀緯b：弧ms。以角度為單位。向北0到90度；向南0到90度。銀道坐標(biāo)系，決定于兩個(gè)因素：1，對(duì)某一歷元而言，北銀極的赤經(jīng)a和赤緯d等于多少（依靠觀測(cè)決定）。北銀極的位置只所以不確定，是因?yàn)樘燧S的微小變化（即地軸的變化），造成a、d的微小變化。 2，銀道上取哪一點(diǎn)為原點(diǎn)。例如1950.0歷元不取升交點(diǎn)為起算點(diǎn)，而是從太陽(yáng)向銀河中心（在人馬座）量起。五個(gè)座標(biāo)原則上都可以相互換算，天文學(xué)上用得

16、最多的是赤道坐標(biāo)系與銀道坐標(biāo)系之間的換算、以及赤道坐標(biāo)系和黃道坐標(biāo)系之間的換算。這些換算關(guān)系都有公式可查。習(xí)習(xí)題題11、北北天天極極的的黃黃經(jīng)經(jīng)和和黃黃緯緯是是（）（)，北北黃黃極極的的赤赤經(jīng)經(jīng)和和赤赤緯緯是是()（ ）。北點(diǎn)的22 、在在地地球球北北緯緯3030處處，當(dāng)當(dāng)春春分分點(diǎn)點(diǎn)位位于于西西點(diǎn)點(diǎn)時(shí)時(shí)，北點(diǎn)的），方赤赤經(jīng)經(jīng)是是（ ），時(shí)時(shí)角角是是（ ），赤赤緯緯是是（ ），方位位角角是是（ ），地地平平高高度度是是（ ）。）；33、天天子子午午圈圈與與地地平平圈圈的的兩兩個(gè)個(gè)交交點(diǎn)點(diǎn)是是（ ）（ ）；天天子子午午圈圈與與卯卯酉酉圈圈的的兩兩個(gè)個(gè)交交點(diǎn)點(diǎn)是是（ ）（）；）；天天赤赤道道與與黃黃道道的的兩兩個(gè)個(gè)交交點(diǎn)點(diǎn)是是（）（）；）；天天赤赤道道與與地地平平圈圈的的兩兩個(gè)個(gè)交交點(diǎn)點(diǎn)是是（）（）；）；天天球球上上赤赤經(jīng)經(jīng)和和赤赤緯緯皆皆為為零零的的點(diǎn)點(diǎn)是是（）；天天球球上上地地平平高高度度和和赤赤緯緯皆皆為為零零的的點(diǎn)點(diǎn)是是（ ）（）。11、北北天天極極的的黃黃經(jīng)經(jīng)和和黃黃緯緯是是（990000）（909000-232300.55)，北北黃黃極極的的赤赤經(jīng)經(jīng)和和赤赤緯緯是是(27(2700