天球坐标系统

更新时间:2023-01-05 18:42

天文学当中,天球坐标系统是以球面坐标为依据,确定天体在天球上的位置而规定的坐标。球面坐标系统包括基本圈、次圈、极点和原点。

定义

天球坐标系统:是以球面坐标为依据,确定天体在天球上的位置而规定的坐标。球面坐标系统包括基本圈、次圈、极点和原点。

基本圈是球体中特别选定的大圆,是球面坐标纬度的起算点,相当于平面坐标的横轴。次圈与基本圈垂直,次圈可以有无穷多,但是通过原点的辅圈最重要,它相当于平面坐标的纵轴。原点为基本圈和次圈的交点。

由于地球的自转,天球和天体每日旋转一周,方向自东向西。利用这些圈和点可以在天球上建立天球坐标系,以适当地表示天体在天球上的位置。

分类

常用以下四种坐标系:地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系。

地平坐标系

地平坐标系的基本平面是地平圈,“极”是天顶Z。如图1,在地平坐标系中,设天体为σ。过天顶Z、天体σ和天底Z'的大圆ZσZ'与地平圈WSEN垂直,相交于H点,ZσH叫做“天体σ地平经圈”。它在地平圈上的弧度NH叫做“天体σ方位角”,记为A,由N点按顺时针方向计量,由0°量到360°。天体σ的另一个坐标是Zσ弧,叫做“天顶距”,记为z,由天顶往下计量,从0°量到90°。

地平坐标系具有以下特点:(1)地平坐标系是直接定义的,便于实现,易于进行直接观测;(2)对于不同观测者,彼此的天顶、地平均不同,同一天体的地平坐标也不同,具有地方性;(3)天体具有周日运动,其视位置不断变化,并且是非线性的,具有时间性;(4)地平坐标系与测站和观测时间均有关。

时角坐标系

时角坐标系是用赤纬和时角两个坐标来表示天体在天球上的位置。

在时角坐标系中,存在以下定义:

(1)赤纬δ:由赤道沿时圈向天体量,0º~±90º,向北为正,向南为负。

(2)时角t:①点Q起算,沿赤道向西量,0º~360º,或0~24小时;②点Q'起算,分别沿赤道向东、西量,0º~±180º,或0~±12小时,向西为正,向东为负。

时角坐标系具有以下特点:(1)赤纬δ与测站、周日视运动无关;(2)时角t与测站有关,具有地方性;(3)时角t与周日视运动有关,具有时间性;(4)常作为地平与赤道坐标系转换时的过渡坐标系。

赤道坐标系

赤道坐标系的基本平面是赤道面,“极”是北天极。如图2,在赤道坐标系中,过北天极P、天体σ和南天极P'的大圆,PσP'垂直于赤道面γQQ'且与γQQ'交于T,PσTP'就是天体σ的赤经圈或叫“时圈”。赤道上的QT弧叫做“时角”,记为t,从子午圈上Q点开始,按顺时针方向计量。赤道上的γ点是春分点,γT弧是天体σ的一个坐标,叫做”赤经”,记为α,从春分点开始,按逆时针方向计量。在时角t和赤经α的测量中,计量单位都是时、分、秒,记为h、m、s。天体σ的另一个坐标叫做“赤纬”,记为δ,从赤道向两极度量,从0量到90,在赤道以北的天体记为“+”,在赤道以南的天体记为“-”。

赤道坐标系具有以下特点:(1)坐标原点(春分点)随天球一起转动;(2)赤经、赤纬与地球自转无关(与时间无关);(3)赤经、赤纬与测站无关;(4)各种星表和天文历表中通常列出的都是天体在赤道坐标系中的坐标,以供全球各地观测者使用。

黄道坐标系

黄道坐标系的基本平面是黄道面,“极”是北黄极。如图3,在黄道坐标系中,经过黄极п、天体σ和南黄极п'的大圆пσπ'垂直于天球黄道面γEE',且与黄道交于L,пσп'就是天体σ的“黄经圈”。黄道上的γ是春分点,γL弧是天体σ的一个坐标,叫做“黄经”,记为λ,由春分点γ开始,在黄道上沿反时针方向计量,由0°量到360°。天体σ的另一个坐标是Lσ弧,叫做黄纬,记为β,由黄道向两极度量,从0°量到90°,,在黄道以北的天体记为“+”,在黄道以南的天体记为“-”。

黄道坐标系具有以下特点:(1)坐标原点(春分点)随天球一起转动;(2)黄纬β、黄经l与测站无关;(3)黄纬β、黄经l与周日视运动无关;(4)主要在理论天文学中用来研究太阳系内各天体的位置和视运动规律。

天球坐标系统的变换

天体在天球上的位置常常用一组坐标例如(A,Z)测量,而在实际工作中,有时则需要用另外一组坐标表示,这就需要在不同的坐标系之间进行变换。

赤道坐标与时角坐标的换算

已知地方区时(如北京时)可以计算出地方恒星时,由地方恒星时S与时角t的关系式,α=S-t,可求出天体的时角t。

其他天球坐标系之间的换算可由球面三角基本公式得出换算公式。

地平坐标与时角坐标的换算

(1)已知天体方位角A、天顶距z及地理纬度φ,利用球面三角公式求天体的时角t和赤纬δ,可用以下公式:

sinδ=sinφ·cosz-cosφ·sinz·cosA(余弦公式);

cosδ·sint=sinz·sinA(正弦公式);

cosδ·cost=sinφ·sinz·cosA+cosz·cosφ(第一五元素公式)。

2)已知天体的时角t赤纬δ和地理纬度φ,求天体的方位角A和天顶距z(或地平高度),利用如下球面三角公式即可:

cosz=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cost;

sinz·sinA=cosδ·sint;

sinz·cosA=-sinδ·cosφ+cosδ·sinφ·cost。

赤道坐标与黄道坐标的换算公式

(1)由天体的赤经α、赤纬δ;黄道与赤道的夹角ε。求天体黄经λ、黄纬β,可用以下公式:

sinβ=cosε·sinδ–sinεcosδsinα;

cosβ·cosλ=cosδ·cosα;

cosβ·sinλ=sniδ·sinε+cosδ·cosε·sinα。

(2)由天体黄经λ、黄纬β与黄赤夹角ε,求赤经α、赤纬δ ,可用以下公式:

sinδ=cosε·sinβ+sinε·cosβ·sinλ;

cosδ·cosα=cosβ·cosλ;

cosδ·sinα=-sinβ·sinε+cosβ·cosε·sinλ。

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