|
陈按：此次为大家提供的是关于地平圈以及地平坐标系方面的内容，要学好七政四余，必须对于天文有所熟悉，最好能自己计算星盘。要成为这方面的专家，必须基础要扎实，所以我们还有很大的努力空间。
地平圈
英文
horizon
基本概念
通过天球中心(实际是观测者的眼睛)并与铅垂线(天顶与天底联线)相垂直的平面，称为天球的地平面，地平面与天球相交而成的大圆称为地平圈[1]。
原理
从观测者四周水平方向望去，天地相交的圆。是观测者位置地平坐标系统的赤道。不同位置的观测者地平圈不同。极点上的地平圈与赤道圈平行，赤道上的地平圈与赤道圈垂直。某一纬度上地平圈与赤道圈相交，交角为90度-纬度。
作用
地平经仪主要用于测量天体的地平方位角。其底座是副十字交梁，交梁上有三条屈身直立的苍龙和一条铜柱，作为四个柱脚托着一个直径两米多的大铜圈，铜圈平行于地平面，叫做“地平圈”。该仪器的主体部分就是地平圈,圈内设有东西通径,中间为圆盘,用云柱支撑。四隅用三根龙柱及一根铸造精细的铜柱支撑,下面是十字交梁,有螺柱用来调整水平。在东西柱上,又立两根柱,两只苍龙沿柱蜿蜒而上,顶端各伸出一爪,合捧一个火球,球心表示天顶,与地平圈的中心成一条垂线。沿垂线方向安有一根上指天顶下指地心的中空立表,此表可旋转360度,立表下端设有一个与它垂直的横表,其长和地平圈外经相齐,平放在地平圈上。立表的中空处,上下各设有一个立柱,柱顶端有一个垂直的小孔,旁边有一个小孔贯穿两侧,并与垂直的小孔相通,两个立柱用垂线相连,立表上端两侧,平置两个小柱,从小柱分引两条斜线与横表两端相连。观测时,使待测天体与横表两端的线,和中心垂直在一个平面上,就可定出地平经度。此仪曾于1900年被德国侵略者掠至柏林20年之久,于1921年重新安置在古观象台上。
天球地平坐标系
拼音：tiānqiú dìpíng zuòbiāoxì
（Tianqiu Diping Zuobiaoxi）
英文：horizontal system of coordinate
同义词条：地平坐标,地平坐标系,horizontal system of coordinate ,horizontal
coordinate system
天球地平坐标系是以地面上观测者为中心，以该点的地平圈为基本平面的天球坐标系。地平坐标系以观测者所在地为中心点，所在地的地平线作为基础平面，将天球适当的分成能看见的上半球和看不见(被地球本身遮蔽)的下半球。上半球的顶点(最高点)称为天顶，下半球的顶点(最低点)称为天底。确定天体位置的参量：方位角A，地平高度h(或天顶距z)。地平高度也称地平纬度，简称平纬；方位角也称地平经度，简称平经，其计算方法有从南点顺时针计量（天文学中常用）以及从北点顺时针计量（大地测量学中常用），很多人造卫星预报网站中采用的地平坐标系通常采用后者。
天球地平坐标概况
地平坐标系中的基本圈是地平圈，基本点是天顶和天底，天顶就是从中心做基本平面的垂线与天球的交点。就是我们仰头看到的天穹的中心，最高点。天顶的地平高度角是90°。方位角以南点为0°，西点为90°，北点为180°，东点为270°。地平高度角就是天体目标与观测者连线与地平面所成的小于90°的角。地平坐标系用方位角和地平高度角来表示天体的位置。对于地球的自转、公转产生的周日视运动与周年视运动，恒星的方位角和地平高度不断变化
天体都按照一定的轨道在天空旋转（周日视运动），从东方升起从西方落下，当升到最高时，也就到了正南方，这时我们称天体上中天，简称中天。
我们前面说了，天极是地轴的延伸，我们可以设想一下，如果我们站在地球的北极点上，那么头顶中央应该是北极星，此时北极星的高度是+90度，我们所在的纬度也是90度，所有的星星都是在四周水平旋转，而不会落到地平线以下。当我们沿经线向南走，北极星就会越来越底，星空出现东升西落的现象。当我们到达赤道的时候，北极星已经在正北的地平线上了，此时北极星的高度是0度，地理纬度也是0度。如果我们再向南走，北极星就会落到地平线以下看不到了，而南天极附近的星空会在南部天空升起，可见天极的高度正好等于地理纬度。现在我们假设有一个天体σ正好在中天位置（正南方向），也就是在当地子午圈上，此时它的地平高度最高，也最容易计算。为了表示赤道坐标与地平坐标的关系，这里有一张比较直观的图。
图中这个圆形就是天球，O是观测者的眼睛，SN是地平南北线，Z和Z′分别是天顶和天底，P和P′分别是北、南天极，而与天轴PP′垂直的平面X就是天赤道面。φ是北天极的地平高度，也就是当地地理纬度，而δ是天体相对与天赤道的张角，就是赤纬。现在我们要计算天体σ的地平高度h，从图中可以看出，经过很简单的推导，我们就可以得出：h=90-φ+δ。比如计算北京地区织女星中天的高度，织女星的赤纬是+38度，北京的地理纬度是+40度，于是我们有h=90-40+38=88度，也就是说当织女星中天的时刻，它位于我们的正南方88度高的位置，几乎就在头顶了。 简略的观测
地平坐标系统是固定在地球上而不是恒星，所以天体出现在天球上的高度和方位会随着时间，在天球上不停的改变。另一方面，因为基础平面是观测者所在地的地平面，所以相同的天体在相同的时间从不同的位置观察，也会有不同的高度和方位。
地平坐标系在测量天体的出没上非常的好用，当一个天体的高度为0°，就表示他位于地平线上。此时若其高度增加，就代表上升；若高度减少，便是下降。然而天球上所有天体的运动都受到由西向东的周日运动支配，所以与其笨拙的去观察高度是增加或减少，不如改为观察天体的方位更容易来判断是上升或是下降：
当天体的方位在0°～180°之间（北方—东方—南方，亦即子午线之东）是上升。
当天体的方位在180°～360°之间（南方—西方—北方，亦即子午线之西）是下降。
但在下面的特殊位置则例外：
在北极点，因为天顶就是北天极，所有的方向都是南方，所以无法定出方位，但这并不造成问题，因为所有天体的高度无论任何时间都不会改变，即既不升高也不降低，只绕北极星以逆时针转动。
在南极，地面上所有方向都是北方，也会有与北极相同情况，只是所有星星皆绕天顶的南天极顺时针转动。
在赤道，位于极点的天体会固定不动的永远停留在地平线上的那一个点。（但实际上由于天极很接近地平线，在该处天体未必能直接看到）
需要注意的是：前面所考虑的祇是理论上的几何地平，即不考虑地球大气层对天体位置的影响，让观测者的地平线完全以理想的海平面构成。因为地球有弧度，实际上看见的视地平面会随着观测者的高度增加而降低（出现负值）。另一方面大气层也会将地平线下半度的天体折射到地平线上。
与赤道坐标系的互换
只要知道观测者的地理坐标与时间，就可以将地平坐标转换成赤道坐标，或是反过来将赤道坐标转换成地平坐标。(纬度在北极点是+90°，在赤道是0°，南极点是-90°。)
在数学公式中，以A 代表方位， a 代表高度。
以δ表示赤纬，H 表示时角。 φ为观测者所在地的纬度。
赤道坐标转为地平坐标：
有些人或许会试图将最后两个公式相除来加以简化，以消除cosa，而只剩下tanA。但是正切函数不能清楚的区别出象限，例如45°和
225°是完全不同的方位，分别指向相对的东北方和西南方。像这种情况，就必须要事先知道哪一个象限的方位角才是需要的方位。如果计算的工作是使用口袋型计算机来执行，那么如果可能的话，最好要避免使用正弦和余弦的反函数，因为他们的极限范围只有180°，而且在±90°与0°和
180°的附近精确度很低。好在大部份的工程用计算机都能将直角坐标转换成极坐标(R->P)和将极坐标转换成直角坐标(R->P)，可以避开这些问题和提供验算的功能。
算法将成为下面的形式：
将上面三个公式在等号右边的项目做转换
运用R→P转换将cos A ·cos a成为X值，sin A ·cos a成为Y值
答案中角度的部份是方位角，范围是完整的0°至360°（或-180°至+180°）
再度使用R→P转换将最后答案中的径度量转换成X值，并将sina转换成第一个公式的Y值。
答案中角度的部份是高度，范围在-90°至+90°之间。
径度量的数值必须正好是1，否则你的计算一定是错了！
地平坐标转为赤道坐标
地平坐标也可以转换成赤道坐标：
同样的，在演算时也要尽量避免使用正弦和余弦的反函数。
太阳的位置
在地平坐标系统中，有好几种方法可以计算太阳的视位置。
完整和精确的计算方法可以参考比利时天文学家简米斯的天文计算（Astronomical Algorithms）
下面是一种简单的近似计算法的例子：
已知：
在一年中的日期和当天的时间
观测者的地理坐标（经度、纬度）和时区
你需要进行下面的计算，以下面的公式可以算出太阳的赤纬：
此处的N是自1月1日开始的天数。 此处的真时角是观测者因为地球的自转与太阳之间相对应的角度。
让hh:mm 是观测者由计时器所得到的时间。
将时与分结合成一个变量 T = hh + mm/60，单位为时。
hh:mm 是官方(公众)在时区中所使用的时间，与观测者所需要的地方时（真正以太阳的位置定出的时间）是不同的，T
必须依照经度来修正＋（经度/15－时区），这是时区内的标准时间和观测者在地的真太阳时之间的差异。
如果在夏季有使用日光节约时间（或称夏令时），还要从官方时间减一小时，才是当地的标准时。
当天的均时差也要加入，由于T的单位是时，均时差需要除以60，由分转为时之后才能并入。
现在已经可以算出太阳的时角了。事实上这个角度是由下面的算式直接得到：H = (12 - T)×15
由于T是以时来计算，而地球每小时转动15度，所以 H
的单位是度。如果要转成径度量，只要成上2π/360就可以了。
使用地平坐标系统中的公式计算太阳的高度与方位。
|
