人类认识世界都是从定性的过程过渡到定量的过程。老郭在本文前面两篇文章里面介绍春季和夏季星空的时候给出的是亮星的位置、星星之间的相互位置关系等，这样的描述就很适合新入门的天文爱好者作为观星的入门参考。
星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们好像是在一个巨大的圆球球面上的投影，这个假想的圆球就称为天球，它的半径是无限大。而地球就悬挂在这个天球中央。在天文学上，为了定量地给出星空的确切描述，确定天体的位置和运动规律，天文学家们规定了天球坐标系。根据不同的用途，有不同的天球坐标系。这个系统是通过以假想的天球为基础建立起诸如地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系、银道坐标系等坐标系。
天球（celestial sphere，图6.1）是天文学家为了准确形容天上星体的位置和运动而引进的一个假想的圆球面。天球的中心点可以根据观测的需要任意选取，比如观测者、地心、日心等；天球的半径为任意长，可以当做数学中的无穷大。通过天球中心（如地心）与天体的连线把天体投影到天球面上，该点就是天体在天球上的位置。
天球可以有助于把天体方向之间的相互关系转化为求面上点与点之间的弧线段。通过在天球上建立参考坐标系并应用球面三角学的方法易于对这些关系进行研究。这套坐标系统和地球上惯用的经纬度坐标十分相似，天球上的方向同样是以地球自转为基础，是地球上的方向的延伸。
图6.1 假想天球
在天球上也有距离，用角度来表示，而不是直线距离。比如，织女星和牛郎星之间相距为16.4光年，但是在天球上，只能看到他们之间相距约35°。所以天球上的距离，实际上是天体之间方向上的夹角，而不是真实的直线距离。
以观测者O 为天球中心，过天球中心的铅垂线﹐延伸后与天球交于两点，朝上的一点Z 称为天顶﹐朝下的一点Z' 称为天底。过天球中心并与天顶与天底连线相垂直的平面称为地平面。地平面与天球相交形成的大圆称为地平圈。天顶是地平圈的极，也是地平坐标系的极。地平面是地平坐标系（horizontal coordinate system）的基本平面。
经过天顶的任何大圆称为地平经圈或垂直圈；天球上与地平圈相平行的小圆称为地平纬圈﹐也称平行圈。同一地平纬圈上任意点的地平高度都是相同的﹐因此可以称为等高圈。
图6.2 地平坐标系表示天体的方位和高度
天文学中习惯从南点起按顺时针方向量度。以地平圈为基圈。子午圈（过北天极的地平圈）为主圈，南点为主点的坐标系称为地平坐标系。由于周日视运动﹐天体的地平坐标不断发生变化。另一方面﹐对不同的观测者﹐由于铅垂线方向的不同﹐就有不同的地平坐标系﹐同一天体也就有不同的地平坐标，各种星表不能采用地平坐标系统。
这套坐标系统把天球分为赤纬及赤经。赤纬的算法是从天球赤道开始至两极止，天球赤道（图6.3）是0度，向北至天球北极是+90 度， 向南至天球南极是 -90 度。赤经的算法较特别，和地球经度（由-180度至+180度）的算法不同， 赤经是在天球赤道自西向东由0小时至24 小时。和时间一样，赤经的每小时可分为60分，每分可再细分为60秒（注：赤经的分秒并不等于角度用的角分角秒） 。赤经计算的起点为春分点，春分点是天球赤道和黄道的两个相交点其中一个（另一个是秋分点）。
图6.3 天球赤道坐标系 春分点
由于所去的主点以及随之而来的经向坐标的不同，赤道坐标系又粉第一赤道坐标系和第二赤道坐标系。第一赤道坐标系又被称为时角坐标系，与观测者有关。主点取为天赤道与观测者的天顶以南那段子午圈的交叉点.从主点起沿着天赤道量到天球上一点的赤经圈与天迟到焦点的弧长为经向坐标，称为时角。时角从0°±180°或从0~±12小时来计量，向东为负，向西为正。天体因周日视运动，时角不断变化。
第二赤道坐标系也简称赤道坐标系，它的主点取为春分点。从春分起沿着天赤道逆时针方向量到天球上一点的赤经圈与天赤道焦点的经向坐标，称为赤经。赤经从0°~360°或0~24小时计量。天体的赤经和赤纬，不因周日视运动或不同的观测地点而改变，所以各种星图通常使用赤道坐标系。
在研究太阳系内各种天体的运动情况时﹐要用另一种天球坐标系﹐即黄道坐标系（图6.4）。地球绕太阳公转的轨道平面是黄道坐标系中的基本平面，称为黄道面（太阳视运动轨道）。黄道面与天球相交的大圆称为黄道。黄道面是黄道坐标系（ecliptic coordinate system）的基本平面。黄道的几何极称为黄极，与北天极邻近的黄极即为北黄极是黄道坐标系的极。
天球上与黄道平行的小圆称为黄纬圈。过黄极的大圆称为黄经圈﹐它是黄道坐标系的副圈﹐所有的黄经圈都与黄道垂直。在黄道坐标系中﹐以过春分点的黄经圈为主圈﹐春分点便是主点。以黄道为基圈﹑春分点为主点以及过春分点的黄经圈为主圈的坐标系﹐称为黄道坐标系。
图6.4 黄道坐标系
黄道与天赤道在天球上相交于两点﹐这两点称为二分点。其中﹐太阳沿黄道从赤道以南向北通过赤道的那一个交点称为春分点﹐另一个交点称为秋分点。黄道上与二分点黄经度数相差90°的点，在赤道以北的为夏至点﹐在赤道以南的为冬至点。黄道与赤道的交角ε 称为黄赤交角﹐它是黄极与天极之间的角距离﹐ε =23°27。黄经从0°~360°计量，黄纬从0°~±90°计量。
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