古天文观测三大坐标系
古天文观测三大坐标系
古人观测天象导致历法的诞生，以便把时间牢牢地掌握在自己的手中。所谓的观测天象，就是观测日月五星在天空中的运行规律。而对日月五星的观测，就需要确定天体在“天球”（古人说的天球来源于浑天说，与现代天文学天球的概念十分接近）上的准确位置，于是诞生了三大坐标体系。
①地平坐标系
这是一种最直观的天球坐标系，和我们的日常天文观测最为密切。它是以天顶、地平圈、四方点和子午圈为基础建立的坐标系，我们通过观察天体的地平方位角和地平高度角来确定其位置。
地轴无限延伸就是天轴，天轴与天球有两个交点，最北端的与地球北极对应的点叫北天极，最南端的与地球南极对应的点叫南天极。观测者所在的地平面无限延伸与天球相交的大圆，叫地平圈。从观测者所在的地点，作垂直于地平面的直线并无限延长，在地平面以上与天球相交的点，称为天顶；在地平面以下与天球相交的点，称为天底。靠近北天极的点叫北点，靠近南天极的点，叫南点。根据坐北朝南、左西右东的原则，可以确定观测者所在的东点和西点，这样就确定了地平圈上的东、西、南、北四方点。
通过北点、南点的地平经线圈，叫做子午圈。子午圈被天顶和天底平分成两个180°的半圆。以北点为中点的半个圆弧，称为子圈，以南点为中点的半个圆弧，称为午圈。
地平方位角指的是地平经度，它是一种二面角，即观测天体所在的地平经线圈平面与子圈所在的平面之间的夹角。以子圈所在的平面为起始面，顺时针方向度量。为了观察方便和习惯，我们一般在地平圈上进行方位的度量，以北点为起点，按顺时针方向度量。伸出左手，大拇指向上指向天顶，其余四指并拢的方向就是度量方向。很显然，北点为0°，东点为90°，南点为180°，西点为270°。
地平高度角指的是地平纬度，它是一个线面角，即观测者和天体的连线与地平圈的夹角，类似于我们常说的仰角和俯角。因此，地平高度角在计算时分正负。出现负值，表明天体位于地平圈以下，即位于恒隐圈内。
天体的高度角在地平经线圈上度量，从地平圈起算，到天顶为[0°，90°]，到天底为[0°，-90°]。工程中用的经纬仪可以直接测出天体的高度和方位。
在这里有必要说一下，我们熟悉的球面坐标系统中的经度和纬度。
所谓的经度，是指地球面上一点和两极连线的所在平面与0°经线（本初子午线）所在的平面之间的夹角，所以它是一个二面角。公元1884年，国际上规定把通过英国伦敦近郊的格林尼治天文台旧址的经线作为计算经度的起点，即0°经线。在它东面的，称为东经，共180°，在它西面的，称为西经，共180°。
所谓的纬度，是指地球面上一点和地心的连线与赤道平面之间的夹角，所以它是一个线面角。从赤道向两极方向，分北纬和南纬，大小范围为[0°，90°]，所以也叫地心纬度。
将地球表面点投射到地球椭球体上，投影点法线方向与赤道平面的夹角，叫大地纬度。所在地的铅垂线（大地水准面法线）与赤道平面之间的夹角，叫天文纬度。
有人会问，地平方位角为啥以北点为起点呢？这是因为我国位于北半球，传统的观象授时，基本方法是观测南中天的恒星，面向南方，背面就是北方，左边就是西方，右边就是东方。河图中天一生水的“一”，十二地支的“子”，一岁起始的冬至，古代冬至点所在的牵牛初度，都是从正北开始，顺时针从北到东、到南、到西，最后再回到北，循环往复。
地平坐标系应用比较广，例如天文仪器中的圭表、日晷。
②黄道坐标系
以黄道为基本圈，以经过春分点的黄经圈为始圈，以春分点为原点建立的坐标系。它的经度叫黄经，是指春分点所在的黄经圈平面与天体所在的黄经圈平面之间的夹角，所以是一个二面角。以春分点所在的黄经圈为起始圈，沿黄道以逆时针方向用角度度量，大小范围为[0°，360°]。
它的纬度叫黄纬，是指天体和天球中心的连线与黄道平面之间的夹角，所以是一个线面角。以黄道面为起点，向北度量为[0°，90°]，向南度量为[0°，-90°]。
通过观测点垂直于黄道面的直线与天球相交的两个点，叫黄极，距北天极较近的点称为黄北极，距南天极较近的点称为黄南极。黄北极与黄南极的连线就是黄轴。
什么是黄道？我们再复习一遍，是指太阳周年视运动的轨迹，也就是我们在地球上看到的太阳一年所走过的路径，即太阳周年运动的轨迹与天球相交的大圆。黄道与天赤道平面相交于春分点与秋分点。
但要注意的是，最早的时候，古人没有把这条路径命名为“黄道”，而是安排了二十八个星宿，并把星宿当作太阳和月亮的驿站。
③赤道坐标系
又叫时角坐标系，以赤经和赤纬来表示天球上任意天体的位置。赤经是指通过春分点的赤经圈与通过天体的赤经圈在北天极所夹的角度，或在天赤道上所夹的弧长，现代天文习惯上从春分点起沿天赤道向东计算，从0h到24h。
赤纬是指天体的位置和天球中心的连线与天赤道平面的夹角，可以理解为纬度在天球上的投影。天赤道为0°，向北至北天极为+90°，向南至南天极为-90°，注意正负号必须标明。
在我国古代，赤道坐标系被称为浑天系。浑天系将天地看成一个整体，把这个整体比喻为一枚鸡卵（鸡蛋），地球就是卵黄（蛋黄），环绕地球的天穹就是卵白（蛋白）和卵壳（蛋壳）。
浑天系认为地体（大地的形体，即地球）为天地的球心，以南、北两极为轴心，是天地的中心，以地球表面向四面八方延伸的太空为上下四方，北天极在上，南天极在下，将二十八星宿分成四组为四方之地，环绕黄道一圈，以二十八星宿所标示的周天365.25°等分十二辰作为时间的坐标，并在卵壳上标记日月星辰的运行度数。
所谓的十二辰，是古人沿天赤道从东向西将周天等分为十二个部分，这十二个部分用十二地支来表示。它表示夏历一年十二个月的月朔时，太阳所在的位置。与十二星次的顺序刚好相反。
与现代天文概念不同的是，我国古代的赤道坐标系继承二十星宿记录位置的传统，用去极度和入宿度来确定天体的位置。
所谓去极度，是指待测天体与北天极的角度距离，也就是赤纬。
所谓入宿度，是指待测天体与二十八星宿某宿距星的赤经差。
二十八宿中每宿都有一颗作为测量其他恒星的标准星，叫做距星。
