天文坐标系

汪晨霞

各个坐标系统:


地平坐标系

在地平或高度方位系统，观测者位于地球上，围绕着自身的自转轴每一恒星日（23h56m）相对于固定的恒星背景旋转一周。在地平系统中，天体位置的定位主要用于计算出与没的短暂时间，例如，太阳升起和沉没时间的计算。过去它也用于导航，例如，确定行星位置的高度与方位，依据时间确定船只正确的经度和纬度。许多望远镜也采用经纬仪的架台，然后依据时间、地理位置，利用电脑计算天体在地平上的位置（高度和方位）。




赤道坐标系

赤道坐标系统以地球的中心为中心并且固定住环绕我们的天空，因此它看起来与地球固定在一起，而我们在地球的表面上绕着自身的轴旋转。赤道坐标描述的天空，包括所见的太阳系，和现在所有的星图几乎全都用赤道坐标来绘制，而古代的东方天文学家早已使用这种坐标绘制星图。赤道系统是专业天文学家最常用的坐标系统，业余天文学家也使用赤道系统的架台在夜晚追踪天空的运动。天体被调整好的望远镜或其它种类的仪器找到之后，这些天体就会使用与赤道坐标匹配来标示它们的位置。
赤道坐标系主要坐标：

• 赤纬： Declination, 缩写为Dec, 是天文学中赤道座标系统中的两个坐标数据之一。赤纬与地球上的纬度相似，是纬度在天球上的投影。赤纬的单位是度，更小的单位是“角分”和“角秒”，天赤道为0度，天北半球的赤纬度数为正数，天南半球的赤纬的度数为负数。天北极为+90°，天南极为-90°。值得注意的是正号也必须标明。
  赤纬的变化：
  随著时间的变化，由于天体运动和地轴变化，天体的赤纬不是固定的数值，而是不断变化的。极星的赤纬为+90°或-90°。假如观测者的纬度为 l的话，则赤纬高于 90° - l的天体终日不落于地平线下。这样的天体称为拱极星座。终日不落的太阳称为午夜太阳。
  太阳的赤纬等于太阳入射光与地球赤道之间的角度，由于地球自转轴与公转平面之间的角度基本不变，因此太阳的赤纬随季节不同而有周期性变化，变化的周期等于地球的公转周期，即一年。太阳赤纬的最高度数为23°26’，夏至时太阳的赤纬为+23°26’，冬至时太阳的赤纬为-23°26’。春分和秋分时太阳的赤纬为0°。由于地球公转轨道的偏心率非常低，可以看作是一个圆圈，太阳赤纬可用下面两个公式来计算：
  

δ=23.44deg×cos(365360×(N+10))角度 δ =  23.44 deg  × cos  ( 2 π 365 × ( N + 10 ) ) 弧 度  
   N是一年中的日数，1月1日的日数为1。

• 赤经：也是天文学使用在天球赤道座标系统内的座标值之一，通过天球两极并与天赤道垂直。天球上的赤经，功用与地理座标中的经度相同。赤经和经度都是沿着赤道向东或西方向量度，零点也是赤道上随意选择的。经度的零点是本初子午线；赤经的零点是春分点，这是太阳在3月下旬运行至北天球时所通过的点，也是地球的升交点。赤经的数值由春分点向东量度的，单位是时、分、秒，但有时也会用度来量度。他与恒星时的关系密不可分。它既是时间的单位，也是角度的单位。1h=15゜，1m=15’，1s=15"。在航海上使用的是恒星时角（缩写SHA），与赤经的不同是赤经由西向东量度，恒星时角是由东向西量。赤经可以用来测量天体在天球上的位置，并且可以计算天体到达天空中某一定点的时间。例如，有个位置在赤经13h30m的天体，正在子午圈上，则在赤经20h的天体会在6.5小时（恒星时）后经过子午圈。
  

黄道坐标系

是以黄道作基准平面的天球坐标系统，多用作研究太阳系天体运动情况之用。黄道系统描述的是行星环绕太阳移动的轨道，它的中心在太阳系的重心，也就是太阳的位置。它的基本平面是地球的轨道面，称为黄道面。在行星科学中被大量使用，像是计算行星的位置和其他重要的行星轨道参数：倾角、升交点、降交点、近日点位置等等。黄道是由地球上观察太阳一年中在天球上的视运动所通过的路径，若以地球“不动”作参照的话就是太阳绕地球公转的轨道平面（黄道面）在天球上的投影。黄道与天赤道相交于两点：春分点与秋分点（这两点称二分点）；而黄道对应的两个几何极是北黄极（在天龙座）、与南黄极 (在剑鱼座)。在黄道上与黄道平行的小圆称黄纬，符号β，以由黄道面向北黄极方向为正值（0°至90°），向南黄极方向则为负值。垂直黄道的经度称黄经，符号为λ，由春分点起由西向东量度（0°至360°）。像赤道坐标系中的赤经一样，以春分点做为黄经的起点。因为地轴有进动现象，此坐标系的两个黄极亦会因岁差影响而使坐标数值逐渐移动，计算时必须说明坐标系参照的历元。现常采用的是J2000.0历元（之前的出版物多以B1950.0历元），在天文年历这类精度较高的刊物中，则参考当天或当月之瞬时分点计算。此坐标系特别适合标示太阳系内天体的位置，大多数行星（水星和冥王星除外）与许多小行星轨道平面与黄道的倾角都很小，故其黄纬值（β）都不大。

• 与天球坐标系的互换：
  λ和β代表黄经和黄纬
  α和δ代表赤经和赤纬
  ε=23°26′20.512″即黄赤交角，也就是地轴倾角。
  黄道坐标转换为赤道坐标：
  赤经α和赤纬δ可以下面的公式得到：
  sin  δ = sin   sin  λ cos  β + cos   sin  β cos  α cos  δ \\ = cos  λ cos  β sin  α cos  δ \\ = cos   sin  λ cos βsin   sin β
  
• 因为正弦和余弦的解非唯一，故必须三个公式都能满足的解才是正确。
  赤道坐标转换为黄道坐标：
  sinβ=cossinδsinαcosδsin\\ cosλcosβ=cosαcosδ\\ sinλcosβ=sinsinδ+sinαcosδcos
  注意： 有些人试图简化前面两个等式，但因正弦、余弦的解不是唯一的，这样做并非明智做法，因为当计算反三角函数时，所对应的角度会受限制，此时就需要第三个公式来协助判断与选择。例如在第二个公式的赤经值α，可以经由消除cosδ使等式左边只剩下tanα，或是放弃第三个等式，只利用第二式cosα=cosλcosβ/cosδ。在一些直接的运算下，他可能会将你引入歧途，例如当cos-1，角度通常在0°和180°之间，但赤经α范围是360°，sin-1和tan-1的范围也是180°，所有这些函数在它们的极限值附近的误差都会明显增大。实际上计算靠近黄道的天体坐标，可以正确的判断赤经α的象限，因为它会与黄经λ在同一象限中（但必须排除靠近极点的）。但一般应用程序不易编排，这必须要用人工来处理。
  

银道坐标系

是以太阳为中心，并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球坐标系统，它的“赤道”是银河平面。相似于地理坐标，银道坐标系的位置也有经度和纬度。银道坐标系使用太阳做为端点，银经“”的起点是从太阳测量到的银河中心方向，银纬是以太阳为原点测量的银河平面做为基准面。许多的星系，包括我们太阳和地球所在的银河系皆为盘状结构：我们能看到的多数银河系物质（除了暗物质）都紧挨着这个银道面。银河系本身也像地球一样有着自转轴，银道坐标系利用本身特性来定义坐标系统，也就是以太阳相对于银心（银河系中心）转动来决定银河系自转。在任何天球坐标系都需要定义赤道和极点。银道坐标系也一样，需要一条垂直于赤道的子午线作为银经的起点。经由国际会议决定银道坐标系的银纬和银经分别以“b”和“l”标示，银极的银纬（b）是90°（b=+90°或b=90°）。银纬～0°的天体，就位在银河系的盘面（亦即银道面）上，也就是在银河坐标的赤道附近[1]。如此一来，银道坐标系是在银道面及其自转的体系下划定天体位置，所以当这些天体随着银河系一起自转时，其坐标位置是固定的，然而一旦这些天体不随着银河系自转时，就会造成相对位置的改变，其银道坐标值也将随之改变。在银河系内的天体位置（具体说就是银道坐标）会保持着相对稳定，但是对银河系外天体而言，因为并未随着银河系一起自转的关系，便会在银道坐标系上产生显著的位置改变。例如考虑一个位置在银道面，并在自转轴后方的星系，也就是位置在银经l=180°。经过1亿1千万年，这个星系的位置将因银河系自转而变成银经l=0°（银纬不变）。因银道坐标系是以银河系决定的坐标系，在系外天体都会以银河系的自转周期，约2亿2千万年环绕银河系一周（不考虑星系自身运动）。概念上，银道坐标系也是球坐标，太阳位于银道面以北，银经的起点指向银河中心。银道坐标系没有像赤道坐标系的岁差现象，故不需标示历元。但银道相对地球赤道与黄道都有明显倾角，而日地距离，甚至比邻星的距离相对于作为背景的银河系，其周年视差的变化（即相隔半年目标的视位置变化）还是微乎甚微的。但是对于天文爱好者平常观测的项目，甚至于天体发现等的情况下，亦很少会利用到银道坐标系。银道面是整个银道坐标系的基本平面，所有银纬与之平行，银经与之垂直；银河系成员如恒星、暗物质与气体、尘埃等部绝大部分对称分布在银道面的两侧。太阳系位处在银道面以北112.7±1.8 光年（34.56±0.56 秒差距）处，但因为距离银河系中心30,000光年之遥，相对来说还是非常接近银道面的。银道面和天球的赤道面有123°的夹角，银纬（b）以0°至90°角度为单位度量，北银极银纬是+90°，位置在后发座，靠近牧夫座的大角星附近；南银极的银纬是-90°，位置在南天的玉夫座。银经的度量由0°至360°，在银河系自转轴所在的人马座方向起计量，沿着银道面移动，经天鹅座（银经90°）、御夫座（银经180°）与南天的船帆座（银经270°）。由于银道坐标系是球坐标，所以并未在银河系中定出一个基点，而只是以银河系的光度定出一个具体的方向和银道面。然而为定义银道面，必须经由银心（银河系中心）通过太空中便于计量的一个特殊点（太阳中心）。情况类似于在地理坐标系中需确认高度是在地平面之下或之上而必需选择的一个确切的观测点。
1958年，国际天文联合会在第十届大会上定义了银道坐标系相对于赤道坐标系统的关系。北银极定义在赤经12h 49m，赤纬+27.4° ′ ″（B1950历元），银经0度是相对于赤道极位置角123°的大圆半球，银经增加的方向与赤经增加的方向相同。银纬向银北极方向的增加是正值，银极的纬度是±90°，银河赤道的纬度是0度。换算成2000.0历元的坐标，北银极位于赤经12h 51m 26.282s，赤纬+27° 07′ 42.01″（2000.0历元），银经0度的位置角是122.932°.银经和银纬0度在天球上的位置在赤经17h 45m 37.224s，赤纬28° 56′ 10.23″（2000.0历元）。这与无线电波源人马座A*，银河系中心具体的最佳标示物，有少许的差异。人马座A*的位置是赤经17h 45m 40.04s，赤纬29° 00′ 28.1″（2000.0历元），或是银经359° 56′ 39.5″，银纬0° 2′ 46.3″。


超星系坐标系

超星系坐标系统，是天球坐标系统之一，他的赤道是校准在超星系平面上。这个系统用于在地的宇宙之中，主要是参考邻近的星系团，包含室女座星系团、巨引源和英仙-双鱼超星系团等，在平面(二维空间)的分布状态。虽然早在200年前的威廉·赫协尔就注意到星系分布在一个平面上的现象，但超星系坐标的基准平面在1953年才被热拉尔·佛科留斯从夏普力-恩慈目录中予以确认。经由会议决定，超星系的经度和纬度类比于银河坐标系统的银经(l)和银纬(b)，分别标示为SGL和SGB，坐标经度的起点(SGL=0)定义为银河平面与超星系平面的交叉点。