1.1.3 地下和天上的关键点
利用天上的星星定位，我们就必须先要为星星们定位。也就是在天上人为地画出（规定）一些点、线、面，用它们来确定天体在星空中的位置。而这些点、线、面构成的体系就是我们观测天体所使用的天文坐标系。最常用的天文坐标系有地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系，其他针对特殊的需要还有诸如白道坐标系（专门用来观测月球）、银道坐标系（专门用来观测银河系）等。
1．地球上的点和线
无论是什么形式的坐标系，无论我们要做什么观测，都是要在地球上进行的，所以，我们先来了解和“规划”地球吧。
（1）地心地轴和地球上的经纬线
地心：地球的中心叫作地心，也就是球体地球的球心（图1.20）。
地轴：理论上来说，任意穿过地心在地球表面对称的轴，都可以称之为地轴。不加说明的话，一般来讲地轴指的是地球的自转轴。
地极：地轴在地球表面对称出现的两点叫地极。由于地球自转是由西向东的，所以，地极有南极和北极。地球上存在三套地极系统：通常所指的是运动的南北极（对应的是自转轴）、地理上的南北极和几何意义上的南北极（地球并不是标准的球体）。
图1.20 地心、地轴、地球南北极
经线（子午线）：通过地轴的平面同地球相割而成的圆（图1.21（b））。经线都是大圆的一半，都在两极相交，大小相同。
纬线：垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆（图1.21（a））。纬线相互平行，大小不等。
图1.21 经线和经线
经纬网和经纬度：由东西走向的经线和南北走向的纬线构成的“网”，就叫经纬网。分别从零度经线和零度纬线开始度量的系统称之为经纬度（系统），用来给出地球上某点的位置（坐标）。如图1.22所示。本初（起点）子午线规定为通过英国格林尼治(Greenwich)天文台的经线（1884年确定），也叫0°经线；经过赤道(equator)的大圆称之为0°纬线（图1.23）。
图1.22 经度就是某地经线到本初子午线的角度（b）；纬度则是经过某地的纬线的那个小圆与赤道面的夹角（a）
图1.23 经度从本初子午线开始向东、向西各180°记数（a）；纬度从赤道开始向北、向南各90°记数（b）
（2）地理坐标
某地的经度和纬度相结合，叫作该地的地理坐标。地理定位就是将地理坐标与地球上的点一一对应。书写按惯例是先纬度，后经度；数字在先，符号在后。如北京（39°54′N, 116°23′E）、舟山（29°57′N，122°01′E）。
地球上的方向通常是指地平方向。南北方向（经线方向），是有限方向；东西方向（纬线方向），是无限方向，理论上亦东亦西；实际上非东即西。
我国传统上把正午太阳所在方向定为正南，而把日出日落的方向视为东西方向；东西方向与地球自转相联系，可以这样判断：右手大拇指伸出，其余四指弯曲，大拇指指向天北极，其余四指弯曲的方向为自西向东的方向。在用时针的方向表述地球自转方向时，必须明确观测者是立足于哪个半球观测地球自转的。
（3）特殊的标志
本初子午线之所以在伦敦的格林尼治，是和“日不落”的大英帝国相关联的（图1.24）。目前那里更多地体现为旅游标志地。
图1.24 “日不落”的大英帝国和本初子午线标志
厄瓜多尔位于南美洲西北部，赤道横贯国境北部，厄瓜多尔就是西班牙语“赤道”的意思。厄瓜多尔一家名为“世界中心”的主题公园自称位于赤道上，而经全球卫星定位系统（the Global Positioning System,GPS）测定，根本不是那么回事。这家主题公园自己画的0°-0＇-0＂纬度线并不是真正的赤道（图1.25），而是偏北了240米。对此，公园官方解释说，位于公园内的赤道纪念碑修建于1936年，那时的定位技术不像现在这么精准。据悉，这家公园为国家所有，每年能够吸引大约50万名来自全球各地的游客。有趣的是，前往参观真正赤道线所在地的游客却少于前往主题公园的游客人数。
图1.25 位于厄瓜多尔“世界中心”的主题公园内的赤道标志线
地球的标志线中，唯一经过我国的就是北回归线。广东是世界上建有北回归线标志最多的地方，中国大陆最早的北回归线标志在封开，中国大陆最东的北回归线标志在汕头，世界最高的北回归线标志在从化（图1.26（b））。夏至中午，在汕头、从化和封开三处的北回归线标志，都可观察到阳光从北回归线标志的顶部圆孔直射到地面的景象。最佳观赏时间是:汕头北回归线标志12时15.4分，从化北回归线标志12时27.8分，封开北回归线标志12时35.8分。此外，云南的墨江建有“北回归线公园”（图1.26（a）），为我国的科普事业贡献很大。
图1.26 云南墨江的“北回归线公园”（a）和广州从化的“北回归线标志塔”（b）
2．天球坐标（系）
人类最早用于观测天体的坐标系是“地平坐标系”，它的主要构架为地平圈、等高圈和北南东西四个标准点。地平坐标系更适用于确定地理方位，随着人们对星空观测的需要，逐渐开始采用“赤道坐标系”和更容易对黄道天体（太阳、月亮、五大行星都属于黄道天体）的观测而进化采用了“黄道坐标系”。
（1）天球和天体的运动
敕勒川，阴山下，
天似穹庐，笼盖四野。
天苍苍，野茫茫，
风吹草低见牛羊。
这首古代的北朝敕勒民歌有着多么宽广的气概呀！天似穹庐，我们一直就把我们头顶的天空称为“天穹”，把一望无际的天边（线）称为“地平线”（图1.27）。
图1.27 在我们头顶上像一个“锅盖”一样的“天穹”（a）和黎明时在天际边的“地平线”（b）
“天穹”是地上的半个（天）球，不难想象地下也应有半个（天）球，合成在一起就是一个——天球。天球就是以地心为球心，半径为任意的假想球体（图1.28），是表示天体视运动的辅助工具，它是一个完整的球，是一个我们目力所及的圆球。我们设想天体都是在天球上运动的。在天文学研究中，也有地心天球和日心天球之分。
图1.28 天球的半径是任意的，所有天体，不论多远，都可以在天球上有它们的投影。这里显示的是地心天球，主要用来研究天体的视运动。替代地球，以太阳为中心的天球叫日心天球，主要用来进行天体运动研究的动力学计算
随着地球一天的自转，反映到天体就是“周日视运动”。对于地球观测者，天球围绕我们以与地球自转相反的方向（向西）和相同的周期旋转。天球上的天体则随着地平高度的不同，它们周日“视”运动行经的路线，越近天极的天体周日圈越小，反之亦然（图1.29）。
图1.29 天体周日视运动的轨迹，天文学称之为“拉线”
天体除去“周日视运动”，还参与“周年运动”。比如太阳的周年运动（图1.30）方向是自西向东，与地球公转方向相同。太阳“周年视运动”的视行路线被称为黄道。天体的“周年运动”还会产生星空的季节变化（图1.31）。
图1.30 太阳的周年运动
图1.31 由于地球绕太阳公转造成的太阳周年视运动而产生的四季星空更替的现象（图中对应的是观察者当地时间晚上8时左右的星空），这一现象也可以由地球的自转产生，只不过地球自转的24小时中，有12个小时星空被太阳的光芒所覆盖了
太阳同时参与两种相反的运动。由于地球自转而随同整个天球的运动，方向向西，转一周为一日；由于地球公转而相对于恒星的运动，方向向东，巡天一周为一年；所以，太阳的周日运动由于参与周年运动的原因是落后于永远不动的恒星的。
（2）天球上的圆和点
根据天文坐标系的需要，我们在天球上设置了一些基本的圈和点（图1.32）。
三个基本大圆：地平圈、天赤道、黄道。
三对基本（极）点：地平圈两极——天顶和天底；天赤道的两极——天北极和天南极；黄道的两极——黄北极和黄南极。
各大圆所产生的（重要）交点：天赤道交地平圈——东点和西点；黄道交天赤道——春分点和秋分点。
图1.32 天球上根据天文坐标系的需要而设置的基本圈和基本点。（a）地平圈与天赤道的交点（东、西）和远距点（南、北、上点、下点）；（b）黄道与天赤道的交点（春分秋分）和远距点（夏至冬至点和黄道起始点）
天球上的方向是地球上方向的延伸。东西方向是这样规定的：俯视天北极，逆时针方向为东，上北下南。天球上只有角距离（图1.33）。
（3）天球坐标系
天球是一个球形，所以天文坐标系都属于球坐标系。球坐标系的一般模式是以基圈、始圈和终圈构成一球面三角形。纵坐标即纬度；横坐标即经度（图1.34）。
天球坐标系一般分为两大类，右旋坐标系：与天球周日运动（地球自转）联系，向西；左旋坐标系：与太阳周年运动（地球公转）联系，向东。
图1.33 最著名的“鹊桥会”，两个主角牛郎织女的实际距离是16.4光年，而我们在天球上看去，它们的角距离是35°
图1.34 球坐标系的基本构成
①地平坐标系（图1.35）
用途：表示天体在天空中的高度和方位；
基本圈：地平圈、子午圈、卯酉圈；
基本要素：原点——南点、始圈——午圈、纬度——高度（0°~90°，从地平圈向天顶度量）、经度——方位（0°~360°，自南点向西沿地平圈度量）。
②赤道坐标系（图1.36）
用途：表示天体在天球上的位置；
基本圈：天赤道、二分圈和二至圈；
基本要素：基圈——天赤道、原点——春分点、始圈——春分圈、纬度——赤纬（自赤道面向北向南0~±90°度量）、经度——赤经（自春分点沿天赤道0~360°向东度量）。
图1.35 地平坐标系的基本要素
图1.36 赤道坐标系的基本要素
③黄道坐标系（图1.37）
用途：表示日月行星等黄道天体的位置及其运动；
基本圈：黄道、无名圈（通过春分点的黄经圈）和二至圈；
基本要素：基圈——黄道、原点——春分点、始圈——无名圈、纬度——黄纬（自黄道面向北向南0~±90°度量）、经度——黄经，自春分点沿黄道向东度量（为使太阳的黄经“与日俱增”）。
图1.37 黄道坐标系的基本要素