天文学论文精选9篇

论文是各专业学员都必须完成的集中实践性教学环节，不能免修。要求每位学员在学校指定的指导教师的指导下，独立完成论文的写作，差异网为朋友们整理了9篇《天文学论文》，希望能够给您提供一些帮助。

天文学论文 篇一

中国是世界上最早进行天文观测和记录的国家之一。中国古代帝王自称为天子，并且在历代王朝中都设有专门的官员进行天文观测，由此可见古代天文学在我国政治和社会生活中的重要作用。在秦代，负责天文学研究的官员被称为太史令，以后历代多沿袭这一称呼并稍有变化，到明清时期，天文观测主要由钦天监这一专门机构负责。

天文学和数学、农学、医学被公认为中国古代最发达的四门自然科学。中国古代天文学的很多成就不仅在当时处在世界前列，即使在现代，许多观测数据仍然具有十分重要的研究意义，有些数据更是我国所独有。相比中国古代天文学，西方天文学在16世纪以前发展较缓慢，只是在近几百年随着其他自然科学的发展才取得突破性进展。

中国古代天文学早在新石器时代已经开始有所萌芽，在中国出土的彩陶中，有不少上面已经绘有太阳和月亮的图案，代表了古人原始的天文学观念。中国进入奴隶社会以后，在夏商周三代，天文学更是有了飞跃式的发展。在河南安阳殷墟出土的甲骨中，我们可以看到大量关于商代天文观测的记录。根据当地出土的甲骨，我们知道商代将一年分为十二个月，闰年十三个月。同时甲骨上已经有了关于日食、月食和星辰的记载，这可能是世界上最早的有文字可考的天文学资料了。商代的历法被称为阴阳历，是迄今为止已知的较为完整的一部最早的历法。同时，商代用干支记日，数字记月，每一个月又被分为三旬。由此可知，早在商代，我国已经建立起一套较为完善的天文历法系统。战国秦汉时期百家争鸣，也是我国天文学取得巨大进展的一个辉煌时期。战国时编著的《甘石星经》，是世界上最早的天文学著作。西汉时期，出现了许多新的天文观测的仪器，并在天文学理论方面提出了“浑天说”。隋唐时期，我国进行了世界上最早的子午线长度实测。宋元时期我国创制了《授时历》，并制作了简仪等新的天文观测仪器。明清时期我国天文学处于衰落阶段，西方天文学兴起，这一时期主要是翻译国外天文学著作。

在我国古代天文学研究中，星象观测一直是一项重要内容。中国古代的正史中有专门记载天文资料的部分叫做天文志，其中就包括星象观测的方法、观测的仪器和星象观测的记录。在星象观测中，天文仪器一直发挥着重要的作用。中国古代的天文仪器种类繁多，各个功用也不相同，主要有用来计时的工具、用来观测星象的工具、用来制定历法等几种，具有代表性的有圭表、浑仪和简仪等。

除此以外，古代中国人还设计了地平经纬仪，赤道经纬仪，黄道经纬仪等许多仪器进行天文观测。在我国天文学发展的历程中，天文仪器的不断革新，极大地推动了天文观测的发展，也为我国天文学历法的发展提供了可靠的依据。

我国古代天文历法起源得非常早，从最早的成文历法《四分历》开始，后又经多次历法改革，其不断得到完善和发展。据统计，我国从古至今使用过的历法有一百多种，不管有多少种历法，都可以分别归到阴历、阳历、阴阳合历三大系统当中。阳历是以地球绕太阳公转的周期为计算基础的；阴历则以月亮绕地球的公转周期为计算的基础；阴阳合历是调和太阳、地球、月亮的运转周期制定的历法。其中，《太初历》是中国有完整资料的第一部传世历法，与《四分历》相比，其进步之处主要表现在以正月为岁首，将我国独创的二十四节气分配于十二个月中，并以没有中气的月份为闰月，从而使月份与季节配合得更合理；同时行星的会合周期测得也较准确。到东汉末年，刘洪制定了《乾象历》，第一次将月球运行有快慢变化引入历法。在天文历法方面，有三位科学家做出过非常杰出的贡献，他们是祖冲之、僧一行、郭守敬，他们极大地推动了中国历法的改革和发展。

在祖冲之以前，人们使用的历法是天文学家何承天编制的《元嘉历》。祖冲之通过自己多年的观测，发现了《元嘉历》中存在的许多错误，并编制了新的《大明历》。在新历法中，他首次将岁差引进到历法中，区分出了回归年和恒星年，并且通过多年的观测，得出了木星每84年超辰一次的结论。僧一行修订的《大衍历》是一部具有创新精神的历法，它继承了中国古代天文学的优点和长处，对不足之处和缺点作了修正，因此，取得了巨大成就。它比较正确地掌握了太阳在黄道上运动的速度和变化规律。此外，僧一行还组织在全国13个点的天文测量，并在观测的数据中得到了北极高度相差一度，南北距离就相差351里80步（约合131.3千米）的结论，这个数据在当时世界上是非常领先的。郭守敬的主要贡献也是在历法编著方面，他编著了中国一部很精良的历法《授时历》，为了编撰这部历法，他分析研究了以前的几十部立法，并设计和建造了许多新的天文仪器。

在天文理论方面，我国古代人民也取得了辉煌的成就。特别是在两汉时期，人们对宇宙的认识不断深化，提出了“浑天说”，认为“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内”。进而又有人提出了“宣夜说”，认为天没有固定的边际，无边无际，模糊地提出了宇宙的无限性。著名的中国科技史学家李约瑟先生在其所著的《中国科学技术史》天文学卷中，曾为“宣夜说”专设一节，盛赞这种宇宙模型，认为这种宇宙观非常进步，与同时期的希腊任何学说相比都毫不逊色。虽然如此，但是我们必须承认“宣夜说”并不是一种正确的宇宙模型，而且对古代中国产生的作用也远没有“浑天说”大。在我国古籍《周髀算经》中，古代中国人还建立了“盖天说”的宇宙模型。这种模型提出了大地与天相距80,000里；大地中央有高大的柱形物；日月星辰在天上环绕北极作平面圆周运动等9个观点。特别值得一提的是，这种宇宙模型与古代印度的宇宙模型具有惊人的相似性。在中国古代，人们为了弄清楚人与宇宙的关系，还提出了各种假说，每种假说都不乏支持者。从公元前100年开始直到唐代，人们为了探究宇宙奥秘，围绕这些假说进行了持续的争论，其中有不少我们所熟悉的古代科学家为自己支持的观点著书立说。同时，人们还探讨了日食，月食，太阳和地球的距离等很多问题。如我们熟知的“两小儿辩日”的故事，其中就表达了古代人对太阳与地球关系的思考。由于“浑天说”不能很好地解释月食的现象，所以历代很多天文学家都去努力思考，试图解决这个问题，并提出了许多猜想，其中以张衡在《灵宪》和朱熹在《朱子全书》中的猜想最具代表性。

在中国古代，天文学与星象具有非常密切的关系，并以天人感应为哲学基础，形成了中国古代很具特色的占星学。占星学在古代的主要功能是昭示天命及其变化，为当权者的统治提供理论基础。天命如果有所改变，就会通过天象昭示天下。所以古代帝王非常重视天象的变化，尧帝“历象日月，敬授人时”（《尚书？尧典》），舜帝“在璇玑玉衡，以齐七政”（《尚书？舜典》）都被作为重大事件记录在册。

中国古代天文学不仅在当时取得了巨大的成就，而且为我们留下了许多宝贵的资料。如在20世纪四十年代初，金牛座蟹状星云被天体物理学家认出是公元1054年超新星爆发的痕迹，而在我国古籍中已经找到了关于这次爆发详细的记载。我国古代文献中保留了大量世界独有的天文记录，但是在20世纪以前，对我国古代天文学资料的研究并不充分。

对于中国古代天文资料的研究，早期主要由一批海外归来的学者进行，他们做了许多开创性的工作，创办了许多介绍中外天文学的期刊，使中国天文学资料的研究逐步专业化，并形成了天文史学这一新的研究学科。新中国成立后，中国天文史学的研究终于走上正轨，出现了一批国际知名的天文史学家，他们著书立说，考证许多中国古人杰出的天文学贡献，所以我们现在才可以看到我国古代如此辉煌的天文学成就。

天文学论文 篇二

也谈《周易》和天文学——向李申先生讨教

经常拜读李申先生有关《周易》与古代科技关系的大作，今又在国际易学联合会网站上看到李申的文章“《〈周易〉和天文学》”，受益匪浅。由于曾经撰写《儒家文化与中国古代科技》对这一问题略有涉猎，故有些疑问，提出来向李先生讨教。

李先生承认刘歆、一行是古代有贡献的天文学家，并且都用《周易》的象数解释历法的基本数据。我本以为仅凭这两点就可以认定《周易》对古代历法有积极作用。而李先生则认为，刘歆用《周易》的象数解释历法，“不过是在已经做成的历法上涂了一层油彩。无论这层油彩的色调如何，但历法本身没有变。”又说：“假如我们把历法当作一本书，那么，周易，仅仅被某些人（如刘歆，一行）用来做了这本书的封皮”。凭我的理解，李先生的观点是：《周易》对古代历法是有作用的，只是作用不那么大（或可有可无）。（不知这种理解恰当否？）

问题一，如果《周易》对古代历法的作用不那么大，刘歆、一行为什么在修订历法时，还予以高度的重视？这会有很多可能的答案。但有一点可以肯定，在当时，《周易》对于历法是非常重要的。如果这是事实，那么，我们凭什么说《周易》对古代历法的作用不那么大。

问题二，如果刘歆、一行用《周易》的象数解释历法所起的作用是可有可无的，那么，这种解释方法为什么会被一直沿用，而且，古代历法一直是不断发展的？虽然古代历法的不断发展可以用多种原因来解释，但是，《周易》所起的作用是不可低估的。

问题三，如果刘歆、一行用《周易》的象数解释历法所起的作用是积极的，我们凭什么说《周易》对古代历法的作用不那么大呢？刘歆、一行用《周易》的象数解释历法虽然在历史上也受到批评，但应当从历史发展的角度来看，后人的批评，不应当否认其曾经起过的作用，就像今天可以不用《周易》的象数来研究天文学，但不能以此否认《周易》的象数对研究历法曾经起过的作用。

我个人以为，要否认《周易》对古代历法有积极作用有很多困难，所以，我更愿意研究这样的问题：《周易》为什么能对古代历法产生积极作用？若李先生有兴趣，我们可进一步探讨这样的问题。

再谈《周易》和天文学——向李申先生讨教

对于中国古代历法史上用《周易》象数比附历法基本数据的现象，李申先生在《〈周易〉和天文学》中，用不少篇幅论述了古代天文学家所做出的批评。 其实，古代天文学家的不少批评仍然是根据《周易》而做出的。试举李申先生所引的两例进行分析：

其一，李申先生引杜预、何承天对刘歆三统历的评论。杜预对刘歆三统历的批评主要是讲三统历不准确，并根据《周易》“革”卦的《象》曰：“泽中有火，革，君子以治历明时”为依据，提出修历的原则。他说：

《书》所谓‘钦若昊天，历象日月星辰’，《易》所谓‘治历明时’，言当顺天以求合，非为合以验天者也。

后来的何承天也说:

夫圆极常动，七曜运行，离合去来，虽有定势，以新故相涉，自然有毫末之差，连日累岁，积微成著。是以《虞书》著钦若之典，《周易》明治历之训，言当顺天以求合，非为合以验天也。

这里所谓的“顺天以求合”，就是要求根据天象制定历法并使历法符合天象；《尚书·尧典》中帝尧命令羲氏、和氏通过观测日月星辰的运行制定历法以及《周易》中所说“《易》与天地准，故能弥纶天地之道。仰以观于天文，俯以察于地理，是故知幽明之故”，就是“顺天以求合”。何承天认为，制定历法应当以儒家经典《尚书》中的《虞书》以及《周易》为依据，应当“顺天以求合”，而不是为了让天象符合于历法，不是“为合以验天”。

其二，李申先生引邢云路的《古今律历考》对一行大衍历的评论。邢云路的《古今律历考》的第一卷为《周易考》，讨论《周易》和历法的关系。其开宗明义便是：《象》曰：“泽中有火，革，君子以治历明时”，主张改历。接着，便是“律历配六十四卦”，讲64卦与12律24节气相配。又说：“大衍为天地之枢，如环之无端，盖律历之大纪也。”该篇最后说：

夫是易也，显道佑神，何物不有，历固在其中矣……至于气朔之分秒，升降，消长、一而不一，则在人随时测验，以更正之。正其数即神乎《易》也（这几个加点的字，李申先生没引述——笔者注），汉史不知，遂以大衍之数，牵强凑合，以步气朔，而谓历数诸率皆出于此，则非矣。

李申先生认为，“邢云路的话反映了他那个时代的某种精神：理学已经严密地控制了人的思想，作为六经之首的《周易》，更加不容亵渎。易“显道佑神”，给人们指示大道，赞美和拥护神灵，所以历“固在其中”，因为《周易》已经包含了一切；不仅历，而且医、律，可能还有许多别的什么，都“固在其中”。邢云路还没有胆量说不在其中，或者是没必要说那些结论性的，授人以柄的话，还是就事论事吧。”我以为，李申先生的解释有臆测之嫌。我认为，邢云路想要说明的是，牵强凑合地去附会《周易》象数并不是《周易》之神妙之处，只有“随时测验，以更正之”才是《周易》的根本。这与以上杜预、何承天所言是一致的。

所以，我认为，古代历法中的争论，大都依据于《周易》，谁也没有贬低《周易》对于古代历法的作用。但是，在对《周易》的理解上略有不同。

三论《周易》和天文学——向李申先生讨教

李申先生在《〈周易〉和天文学》中认为，古代历法家用《周易》解释历法是牵强附会、“大约有些苦衷”，或者说是，可有可无，不得已而为之。笔者不敢苟同。我认为，古代历法家用《周易》解释历法反映了三方面的积极意义：

其一，从科学发现与理论解释的关系来看，用《周易》解释历法是历法研究的进一步深入。在历法研究中，获得正确的历法数据是非常重要的。虽然我们可以知道古代历法家大都精通《周易》，并且用《周易》解释历法的基本数据，但他们如何算出这些数据，《周易》在他们计算数据时实际上起了怎样的作用，无论是积极的，还是负面的，这涉及历法家的思维和心理过程，我们不得而知。我们可以讨论的是，古代历法家用《周易》解释历法的基本数据，这对于古代历法的发展来说，是积极的，还是负面的。我们首先必须承认，在科学研究中理论解释的必要性。古代历法家不满足于历法的基本数据，而试图对它做出解释，这是科学研究的进一步深入，是必要的，不是可有可无。至于为什么用《周易》来解释，这是由当时历法研究的“范式”来决定的，不能说是“有些苦衷”。

其二，从遵循“范式”与打破“范式”的关系看，用《周易》解释历法是古代历法研究的重要组成部分。《周易》象数是当时历法研究所遵循的“范式”。这个问题证明起来很复杂，但有一点可以肯定，古代历法家大都遵循这个“范式”，如果古代历法与《周易》相矛盾，肯定不会被认可，即使是用现代天文学的理论加以解释。如果承认《周易》象数是古代历法研究的“范式”，那么，《周易》象数对于古代历法研究的积极意义，那就是不言而喻的。当然，在科学研究中，既有遵循“范式”，还有打破“范式”，这在科学发展中是同样重要的，不可顾此失彼。

其三，从科学与文化的关系看，用《周易》解释历法是运用文化来促进科技发展。在中国古代，《周易》文化是一种强势。用《周易》解释历法可以使历法得到普及和延续，相反，如果历法与《周易》相矛盾，不仅无人会认同，而被抛弃，而且作为历法家，他们也不可能这样做。有人可能会以现代科学与文化的差异性来否认这种做法，但是，在中国古代，科技是文化的一部分，这一点在拙著《儒家文化与中国古代科技》已作论述。笔者甚至认为，即使在今天，把科学与文化对立起来也是有危害的，科学与文化之间应当保持一种和谐。在今天，科技成了强势，用文化解释科学，可能是可有可无，但是，用科学来解释文化，就非常必要；与此对应，在古代，《周易》是强势，用《周易》解释历法，当然也非常必要，也具有积极意义。

以上只是就中国古代用《周易》解释历法对于古代历法发展的积极意义做些阐述，至于今天是否还具有同样的意义，这只能另行再议。

天文学论文 篇三

本学期我选修了天文学概论这门课程，通过这十周课程的学习，我收获了很多有关天文学方面的知识，也有了不少感想。

还未上学的时候，我就喜欢看各类的百科全书，其中对天文方面的书最感兴趣。1997年第一次来北京，我参观了天文馆和古观象台，现在仍然记得在古观象台通过望远镜观察太阳的景象，可以说，我与天文学自小就结下了不解之缘。上了中学以后，具备了一定的科学知识，从物理方面对天文学又有了更深入的了解，清楚了诸如背景辐射，红移蓝移等一些专业概念，也发掘出了天文知识中更神奇的一面，激发了我探索天文奥秘的兴趣。

这学期的天文学概论课程中，来自北京天文馆的老师们为我们系统的总结了天文学中最基本的一些知识，诸如星座，彗星，行星与恒星以及关于观察天文现象的一些常识，这些知识对于天文学走进我们的日常生活中起着关键作用。 宇宙中的天体，近到月球，远到银河系，都对地球产生着直接或间接的影响，进而影响着人类活动。其中，太阳系作为地球所在的宇宙环境，太阳这颗恒星又深深的影响这地球的各项物理指标与地球上生物的生命活动。因此，天文学与我们的生活息息相关。作为非物理系的学生，我们对天文的了解也许不会那么深入，所以本课程为我们提供了一个普及天文知识的平台，为我们了解基本的天文知识提供了一个绝佳的机会。

天文学知识中，星座知识是一个重要组成部分。古代的东西方都对星座有着不同方面较为深入的研究。尽管现代科学已经否认了诸如占星术这类的研究，但是星座对于我们了解宇宙依然有着重要的意义。星座可以为我们指明方向，便于野外活动的人们在晴朗的夜晚辨别位置，同时可以为人们更好的定位天体以及相关的天文现象，从而更好的研究天体。

对于人类来说，天文现象不仅受到科学家的关注，还有许许多多天文爱好者的喜爱。天文现象不仅指诸如日月食，流星雨这样可供天文爱好者观看的现象，也有诸如太阳风这类影响人类活动的现象。而作为可供观察的现象来说，基本的天文设备是必不可少的。望远镜作为观察天文现象最简单最直接的工具，受到了

天文爱好者们很大关注。因此如何选取望远镜以观察不同的天文现象，也成为了天文学知识中必不可少的一部分。

通过学习本课程，我对天文知识有了一个更加系统的了解，同时学到了很多观察天象的经验及技术，激起了我更多的参与到有关天文学方面活动的兴趣。同时，各位老师生动的讲解也给我留下了深刻的印象，丰富的图片以及专业的讲解也让我受益匪浅。

作为新世纪的大学生，拥有丰富的知识储备是成为社会所要求的新型人才的关键。而天文学知识不仅丰富了我们的知识，更培养了一种爱好，让我们的人生更加丰富。同时，探索宇宙不仅对于整个人类的进步有着深远意义，对于个人，思考宇宙与人生更能让我们的胸襟开阔，思维活跃，成为更有深度的青年。

感谢天文学概论这门课程，感谢各位老师的辛苦准备与精彩讲解。也希望本课程能为我们提供一些参观北京天文馆或其他有关天文的博物馆或历史古迹的活动，让我们能够更全面的了解天文学知识，培养更多的天文兴趣。

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天文学论文 篇四

一 水晶球体系从形成到成为钦定

1．水晶球体系的形成。

同心天球体系的概念可以追溯到古希腊的Parmenides，甚至更早的 Pythagoras。〔1〕〔2〕但真正建立起可以定量描述天体运动的体系是Eudoxus，他的工作在文〔2〕中保存了一个梗概，较详细的内容则见于公元六世纪时Simplicius对亚里士多德(Aristotle)《论天》一书所作的注释中。Eudoxus采用一套以地球为中心的同心球组，通过各球转轴的不同取向以及转速（皆匀速）和转向的不同组合来描述天体视运动。这一体系的建立在小轮理论的奠基人Apollonius之前百余年，比托勒密(Ptolemy)早四个世纪以上。后来小轮理论大行于世，Eudoxus体系遂湮没无闻。直到十九世纪才有Schiaparelli作了系统研究〔3〕，发现Eudoxus体系已能描述行星的顺、留、逆等视运动，其中对土星、木星很成功，水星亦尚可，金星很差，火星则完全失败。有的学者持论稍严，认为只有土、木令人满意。〔4〕

Eudoxus并未提出水晶球的概念。一般认为他只是用几何方法来表示和计算天象，不过这个结论是从Aristotle和Simplieius著作中的第二手材料得出的，由于Eudoxus原著皆已佚失，第一手材料不可得。

Callippus对Eudoxus体系作过一些改进，而Aristotle在两人工作的基础上建立了水晶球体系。他的发展大致可归结为三方面：

首先，他把Eudoxus假想的球层变为实体，并认为诸球层皆由不生不灭、完全透明、硬不可人的物质构成，水晶球之名即由此而来。日月行星和恒星则附着于各自的球层上被携带着运转，整个宇宙是有限而封闭的，月球轨道以上的部分万古不变。这意味着新星爆发、彗星、流星等天象只能是大气层中的现象。

第二，Aristotle把Eudoxus原来各自独立转动的诸球变成一个整体，其转动皆由最外层的天球传递下来。不过我们发现，在Aristotle原著中并没有宗动天这一球层。他的安排是：“第一天为恒星天……恒星天为总动天”，并阐述说：“第一原理或基本实是创作第一级单纯永恒运动，而自己绝不运动，也不附带地运动。……又因为我们见到了所说不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动以外，还有其他空间运动——如行星运动——那也是永恒的。”〔5〕这段话并不难理解，“不动原始本体所创作的宇宙单纯空间运动”即指恒星天球的周日运动，由此带动其他天球运动。可见恒星天球之上的宗动天当是后人所加，这一点值得注意。

第三，由于各天球不再是独立转动，他不得不引入一系列“平衡天球”来抵消上一层天球的运动，“而使每一天球下层诸行星得以回复其位置”〔6〕。不过平衡天球为何能反转，他未说明。

2．托勒密与水晶球体系。

把托勒密(Ptolemy)的名字和水晶球体系连在一起，这在国内外著作中都很常见，但这样做是有问题的。在《至大论》中，我们没有发现任何水晶球的观念。他在全书一开头就表示他的研究将用几何表示(geometrical demonstrations)之法进行。在开始讨论行星运动时他说得更明白：“我们的问题是表示五大行星和日、月的所有视差数——用规则的圆周运动所生成。”〔7〕他把本轮、偏心圆等视为几何表示，或称为“圆周假说的方式”。显然，他心目中并无任何实体天球，而只是一些假想的空中轨迹。

Ptolemy另一部著作《行星假说》在希腊文手稿中仅保存下前一部分，但在九世纪的阿拉伯译本中却有全璧。阿文本中的后一部分通常被称为“假说Ⅱ”。其中出现了许多实体的球，但又与Aristole的体系不同。这里每个天体有自己的一个厚球层，各厚层之间又有“以太壳层”(ether shell)，厚层中则是实体的偏心薄球壳，天体即附于其上。这里的偏心球壳实际上起了《至大论》中本轮的作用。〔8〕不过“假说Ⅱ”在欧洲失传已久，阿文译本直到1967年才首次出版；况且其中虽有实体球壳，但与水晶球体系大不相同，因此Ptolemy的名字何以会与水晶球体系连在一起，和“假说Ⅱ”并无直接关系。其原因应该另外寻找。

然而，“假说Ⅱ”对中世纪阿拉伯天文学的影响却不容忽视。阿拉伯天文学家曾提出过许多类似水晶球的体系。比较重要的有A1 Bat-tani，他主张Aristotle的体系。〔9〕稍后有Ibnal-Haythan，他对《至大论》中的几何表示之法大为不满，试图寻求物理机制，因而主张类似“假说Ⅱ”中的体系。〔10〕Nasir ad-DinAlTusi则主张一种由许多大小不同的球相互外切或内切组成的体系，各球以不同的方向和速度旋转，他自认为这是前人未得之秘。〔11〕此外还有A1Kazwini、Abu’l Faraj和Al Jagmini等，都详细讨论过水晶球体系。

“假说Ⅱ”既与《至大论》大异其趣，偏偏又只保存在阿拉伯译本中，而类似的体系在阿拉伯天文学中又如此流行，因此有人怀疑“假说Ⅱ”中可能杂有阿拉伯天文学家的工作。〔12〕这是有道理的。

3．水晶球体系成为教条。

水晶球体系所以会成为教会钦定的教条，主要和Albertus Magnus及T．Aquinas师徒两人的工作有关。Albertus以Aristotle庞大的哲学体系为基础，创立丁经院哲学体系。〔13〕Aquinas则几乎把Aristotle学说全盘与神学相结合。他也写了一部对《论天》的注释，巧妙地将Aristotle的天文学说与《圣经》一致起来。〔14〕并特别引用Ptolemy的著作来证明地心和地静之说。〔15〕

这里必须强调指出，Aristotle的学说直到13世纪初仍被教会视为异端，多次下令禁止在大学里讲授。此后情况才逐渐改变〔16〕〔17〕，1323年教皇宣布Aquinas为“圣徒”，标志着他的学说得到了教会官方的认可，这也正是Aristotle学说——包括水晶球体系在内——成为钦定之时。这一点在许多哲学史著作中都是很清楚的，但在科学史论著中却广泛流行着“亚里士多德和托勒密僵硬的同心水晶球概念，曾束缚欧洲天文学思想一千多年”〔18〕之类的说法，而且递相祖述，这种说法有两方面的问题。

首先，在13世纪之前Aristotle和Ptolemy的学说与其他古希腊学说一样，在欧洲还鲜有人知，根本谈不到“束缚”欧洲的天文学思想。即使从14世纪获得钦定地位算起，能起束缚作用的时间也不到四百年。其次，水晶球体系是Aristotle的学说，虽然Aquinas兼采了Ptolemy的著作，但若因此就把水晶球的账摊一份（甚至全部）到Ptolemy头上，至少是过于简单化了。特别是在科学史论著中，更以区分清楚为妥。

事实上水晶球体系与Ptolemy的几何表示是难以相洽的。前者天球层层相接，毫无间隙；而后者是天体自身运动，在空间中划出轨迹。C．Purbach在1473年已经明确指出这一点，为了调和两者，他主张一种中空的水晶球壳，其内可容纳小轮。〔19〕然而理论上的不相洽并不妨碍二者在实际上共存，天文学家可以一面在总的宇宙图式上接受水晶球体系，一面用本轮均轮体系来解决具体的天文学计算问题，这种现象在水晶哉他蔡帚钵袖抛春少前相当普谝。

二 几位著名近代天文学家对水晶球体系的态度

1．哥白尼在这个问题上的态度。

最近有人提出，哥白尼(Copernicus)主张以太阳为中心的—同心水晶球体系。不仅各行星皆由实体天球携载，而且诸天球层层相接，充满行星际空间〔20〕，理由是Copernicus那张著名的宇宙模式图〔21〕多了一个环。我们认为这一说法未免穿凿附会，很难成立。理由有四：

①由于行星与太阳的距离有一个变动范围，因此图中两环之间的空间完全可以理解为行星的活动范围；又因该图只是示意图，也就没有必要给出精确的比例。②如果对图的解释有歧义，那显然原书的文字论述更重要，但Copernicus在这一章中根本未谈到过实体天球，文〔21〕全书的其他部分也没有任何这类主张。相反他一直使用“轨道”(orbital circles)一词，还谈到“金星与火星轨道之间的空间”〔22〕，这些都是与实体密接天球完全不相容的概念。Rosen也曾指出，Copernicus即使使用“sphaeta”、“orbit”等词，多数情况下也是指二维圆环，即天体的运行轨道。〔23〕③Copernicus既然主张日心地动，地球已成行星之一，那么如果设想既有公转又有自转的地球是被一个实体水晶球所携载，无论如何无法与人们的直接感觉相一致。除非认为地球及其上的万物都被“浇铸”于水晶球体之内，如同琥珀中的小虫那样才行。④Copemicus在《要释》中说得更明确：“Callipus和Eudoxus力图用同心球来解决这个问题，但他们未能解释行星的所有运动，……因此看来还是使用大多数学者最后都接受了的偏心圆和本轮体系为好。”〔24〕

2．第谷对水晶球体系的打击。

第谷(Tycho)并不主张日心地动之说，但他却给水晶球体系以致命打击。1572年超新星爆发，他用各种方法反复观测，断定该星必在恒星空间，而按水晶球体系的理论，这种现象只能出现在月球下界。不过翌年他发表其观测工作时，尚未与水晶球体系决裂。〔25〕1577年又出现大彗星，TYcho的观测无可怀疑地表明：该彗星在行星际空间，且穿行于诸行星轨道之间。于是他断然抛弃了水晶球，发表了他自己的宇宙新体系(1588)。他明确指出：“天空中确实没有任何球体。……当然，几乎所有古代和许多当今的哲学家都确切无疑地认为天由坚不可人之物造成，分为许多球层，而天体则附着其上，随这些球运转。但这种观点与事实不符。”〔26〕Tycho反对水晶球的三条主要理由后来开普勒(Kepler)曾概述如下：①彗星穿行于诸行星轨道间，故行星际空间不可能有实体天球。②如真有层层水晶球，则必有巨大折射，天象将大异于实际所见者。③火星轨道与太阳轨道相割（这是Tycho体系的特点），表明没有实体天球。〔27〕

Tvcho对超新星和彗星的观测是那个时代对水晶球教条最有力的打击。对于其他反对理由，水晶球捍卫者皆可找到遁词，比如折射问题，可以推说天界物质未必服从地上的光学定律；火日轨道相割问题可以用否认Tycho体系的正确性来回避；对日心地动说与水晶球的不相容也可仿此处理。但对于Tycho提供的观测事实，就很难回避。S．Chiaramonti为此专门写了两部著作(1621，1628)，竟想釜底抽薪，直接否认Tycho的观测结果。

3。开普勒、伽里略和其他人。

开普勒(Kepler)断然否认有实体天球，并认为行星际空间“除了以太再无别物”〔28〕。伽里略(Galileo)除了嘲笑和挖苦水晶球体系的捍卫者，还力斥Chiaramonti著作之谬。〔29〕此两人皆力主日心地动之说，他们对水晶球体系的态度无疑是Copernicus学说与水晶球体系不相容的有力旁证之一。

这一时期除了上述四位最重要的天文学家外，还有不少著名人物也反对水晶球体系。T．Campanella借太阳城人之口表示“他们痛恨亚里士多德……并且根据一些反常的现象提出了许多证据来反对世界永恒存在的说法”〔30〕。C．Bruno和W．Gilbert的态度更为明确，已有人注意到了。〔31〕

三 水晶球体系在中国传播的情况

关于水晶球体系在中国的情况，李约瑟的说法影响很大。他认为“耶稣会传教士带去的世界图式是托勒密-亚里士多德的封闭的地心说；这种学说认为，宇宙是由许多以地球为中心的同心固体水晶球构咸的”，又说“存宇宙结构问题亡，传教士们硬要把一种基本上错误的图式（固体水晶球说）强加给一种基本上正确的图式（这种图式来自古宣夜说，认为星辰浮于无限的太空）”〔32〕。他的说法曾被许多文章和著作引用，但是我们不得不指出，李约瑟的说法至少不很全面。

众所周知，耶稣会土在中国所传播的西方天文学知识，主要汇集在《崇祯历书》中。这部百余卷的巨著于1634年修成之后，很快风靡了中国的天文界，成为中国天文学家研究西方天文学最重要的材料。1645年，又由清政府以《西洋新法历书》之名正式颁行。此书采用Tyeho的宇宙体系，不仅没有采用任何固体水晶球的说法，恰恰相反，它明确否定了水晶球体系：问：古者诸家日天体为坚为实为彻照，今法火星圈割太阳之圈，得非明背昔贤之成法乎？曰：自古以来测候所急，追天为本，必所造之法与密测所得略无乖爽，乃为正法。……是以舍古从今，良非自作聪明，妄违迪哲。〔33〕

必须注意，这段论述的作者罗雅谷(Jacobus Rho)和汤若望(J．Adam Shall von Bell)皆为耶稣会士，这又从另一侧面反映出天主教会钦定的水晶球教条在当时失败的情形——连教会自己的天文学家也抛弃这个学说了。

虽然早期来华耶稣会土中利玛窦(Matthaeus Ricci)和阳玛诺(Emmanuel Diaz)两人曾在他们的宣传介绍性小册子中传播过水晶球之说〔34〕〔35〕，但其影响与《崇祯历书》相比是微不足道的。况且他们仅限于谈论宇宙图式，而这并不能解决任何具体的天文学问题，因此也不被中国天文学家所重视。

清代中国天文学家对各层天球或轨道是否为实体有过热烈讨论。王锡阐主张“若五星本天则各自为实体”〔36〕，梅文鼎则认为“故惟七政各有本天以为之带动，斯能常行于黄道而不失其恒；惟七政之在本天又能自动于本所，斯可以施诸小轮而不碍”〔37〕。这与Purbach的折衷想法颇相似。王、梅两人是否受过水晶球理论的影响，目前还缺乏足够的史料来断言。何况当时“本天”一词往往被用来指二维圆环，即天体轨道。而更多的天文学家认为连这样的二维轨道也非实体。焦循说：“可知诸论皆以实测而设之。非天之真有诸轮也。”〔38〕江永也承认非实体：“则在天虽无轮之形质，而有轮之神理，虽谓之实有焉可也。”〔39〕阮元力言实体论之谬：“此盖假设形象，以明均数之加减而已，而无识之徒……遂误认苍苍者天果有如是诸轮者，斯真大惑矣！”〔40〕盛百二也说：“旧说诸天重重包裹皆为实体，乃细测火星能割人日天，金水二星又时在日上，时在日下，使本天皆为实体，焉能出人无碍？”〔41〕值得注意的是，焦循等人皆已领悟了Ptolemy“几何表示”的思想。这一思想可以上溯到Eudoxus，而Copernicus、Tycho，直到Kepler，皆一脉相承。既然认为二维轨道也非实体，当然更不会接受三维的实体天球。事实上，几乎所有的清代天文学家都接受Tycho宇宙体系，或是经过他们自己改进的Tycho体系，而不是水晶球体系。

Eudoxus的同心球体系被认为是数学假设，其本质与后来的小轮体系并无不同，而古希腊数理天文学的传统即发端于此。Aristotle将其发展为水晶球体系，却在很大程度上出于哲学思辨。但他或许带有寻求天体运动物理机制的积极倾向，这种倾向后来一度在阿拉伯天文学中有所加强。当水晶球体系在14世纪成为教条之后，就束缚了天文学的发展，以至Galileo等人不得不付出沉重代价来冲破它。举例来说，超新星、彗星和太阳黑子，本来无论地心说还是日心说都可以接受，但在水晶球体系中就不能容忍。水晶球体系传人中国之后，如果曾起过某些作用的话，同样也是消极的。比如王锡阐，他主张天球实体论，并由此认为火星与太阳轨道相割为不可能，因而试图修改Tycho体系。如果他是受了水晶球理论的影响，那么这种影响看来只是引起了他思路的混乱，因为他对Tycho宇宙体系的修改是不成功的。〔42〕

参考文献

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〔2〕Aristotle：《形而上学》，13页，吴寿彭译，商务印书馆，1983。

〔3〕Schiaparelli，Ie sfere omocentriche di Eudosso，di Callippo e di Aristotle，Milano(1875)．

〔4〕ONeugebauer，A History Of Ancient Mathematical Astronomy，Springer-Verlag(1975)，IV Cl，2B．

〔5〕Aristotle，〔2〕，P·249－250．

〔6〕Aristotle，〔2〕，P．251．

〔7〕Ptolemy，Almagest，IX2，Great-Books Of the Western World，Encyclopaedia Britannica，1980，16，P．270．

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〔10〕N．M．Swerdlow，O．Neugebauer,Mathematical Astronomy in Copernicus’s De Revolutionibus ，Springer Verlag．1984，P．44．

〔11〕Dreyer,〔1〕，P．268．

〔12〕Neugebauer，〔4〕，VB 7，6．

〔13〕F．ThiUy：《西方哲学史》，葛力译，218页，商务印书馆，1975.

〔14〕Dreyer,〔1〕，P．232．

〔15〕Ptolemy，〔7〕，15，17．

〔16〕W．C．Dampier：《科学史及其与哲学和宗教的关系》，李珩译，138页，商务印书馆，1975。

〔17〕B．Russell：《西方哲学史》，何兆武等译，550页．商备印书馆，1982。

〔18〕李约瑟：《中国科学技术史》第四卷，中译本，115页，科学出版社，1975。

〔19〕A．Berry，A Short History of Astronomy，Dover，(1961)，Ch．Ⅲ，68．

〔20〕Swerdlow，Neugegauer,〔10〕，P．56，P．474．

〔21〕Copernicus，De Revolutionibus，110，GreatBooks Of the Western ，(1980)，16，P．526．又，该图手稿影印件可见〔20〕，572页。

〔22〕Copernicus，〔21〕，110．

〔23〕E．Rosen，3 CopernicanTreatises，Dover，(1959)P．11．

〔24〕Copernicus，Commentariolus，〔23〕，P．57．

〔25〕Tycho，De Nova stella，H．Shapley，H．E．Howarth，A Source Book in Astronomy，Mc-Graw-Hill，(1929)P．13—19．

〔26〕Tycho，Opera Omnia，ed．Dreyer，Copehagen，1913—1929，Ⅳ，P~222．Quoted by 〔23〕，P．12．

〔27〕Kepler，Epitom Astrohomiae Copernicanae，411，Great Books Of the Western World，Encyclopaedia Britannice，(1980)，16，P·856--857．

〔28〕Kepler，〔27〕，P．857．

〔29〕Galileo，Dialogo，The Univ．Of Chicago Press，1957．

〔30〕T．CampaneHa：《太阳城》，陈大维等译，商务印书馆，1982。

〔31〕李约瑟，〔18〕，P．647－648。

〔32〕李约瑟，〔18〕，P．643－646。

〔33〕《西洋新法历书》：五纬历指卷一。

〔34〕利玛窦：《乾坤体义》卷上。

〔35〕阳玛诺：《天问略》。

〔36〕王锡阐：《五星行度解》。

〔37〕梅文鼎：《历学疑问》卷一。

〔38〕焦循：《释轮》卷上。

〔39〕江永：《数学》卷六。

〔40〕阮元：《畴人传》卷四十六。

〔41〕盛百二：《尚书释天》卷一。

〔42〕江晓原：《科技史文集》，《天文学史专辑(4)》。

天文学论文 篇五

天文学它一开始就同人类的劳动和生存密切相关。远古时候，人们为了根据生活的需要而对太阳、月亮和星星进行观察，确定它们的位置、找出它们变化的规律，并据此编制历法，因此说天文学是最古老的自然科学学科之一。

古代的天文学家因为没有可以凭借的工具，只能靠肉眼观察天空。我国自古以农耕为主，春种秋收，季节最为重要。中国古代天文学家用来观测星象最重要的工具是浑仪。在望远镜发明以前，浑仪是世界上最先进的天文观测工具。（现今存世最早的浑仪是明代正统七年（1442）制成的，陈列在南京紫金山天文台）

公元二世纪时，古希腊天文学家托勒密提出的地心说，这一学说统治了西方对宇宙的认识长达1000多年。十六世纪，波兰天文学家哥白尼提出新的宇宙体系的理论——日心说，天文学的发展进入了全新的阶段，使天文学摆脱宗教的束缚，并在此后的一个半世纪中从主要纯描述天体位置、运动的经典天体测量学，向着寻求造成这种运动力学机制的天体力学发展。到了1610年，意大利天文学家伽利略独立制造折射望远镜，成为最早使用望远镜研究太空的人之一。人类第一次通过望远镜观察到了太阳黑子、月球和其他一些行星表面的状况。在同时代，牛顿创立牛顿力学，使天文学出现了一个新的分支学科----天体力学。天体力学诞生使天文学从单纯描述天体的几何关系造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展历史上，是一次巨大的飞跃。19世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题本质，从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。20世纪50年代，射电望远镜开始应用。到了20世纪60年代，取得了称为“天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球束缚，可到天空中观测天体，通过发射的航天探测器来了解某些太空信息。。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、γ射线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到巨大发展，也对现代天文学产生很大影响。

宇宙中的物质开始是聚集在一个小的体积内，温度很高。而随着宇宙的膨胀温度逐步下降，大约3分钟后质子与中子开始结合形成轻元素氢和氦，即今天宇宙中主要的两种物质组成，其比重是氢占77%，氦占23%。根据宇宙大爆炸学的观点，在宇宙年龄约10年时星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。

在众多的恒星中，最后可能形成三种产物，即白矮星、中子星或黑洞。

在20xx年8月24日在捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学大会中确认了矮行星的称谓与定义，关于矮行星的描述如下：

1、以轨道绕着太阳的天体；

2、有足够的质量以自身的重力克服固体应力，使其达到流体静力学平衡的形状（几乎是球形的）；

3、未能清除在近似轨道上的其它小天体；

4、不是行星的卫星，或是其它非恒星的天体。在行星的基本定义上，科学家们大致上认同这样的说法：直接围绕恒星运行的天体，由于自身重力作用具有球状外形，但是也不能大到足够让其内部发生核子融合。矮行星的家族成员有冥王星、卡戎星、齐娜星、谷神星。矮行的基本特点是外幔和表面由冰冻的水和气体元素组成的一些低熔点的化合物组成，有的其中混杂着的一些由重元素化合物组成的岩石质的矿物质，厚度占星体半径的比例相对较大，但所占星体相对质量却不大，内部可能有一个岩石质占主要物质组成部分的核心，占星体质量的绝大部分，星体体积和总质量不大，平均密度较小，一些大行星的卫星也具有这种类似冰矮星的结构。

中子星（neutronstar）又名波霎。它是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。简而言之，即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。中子星的表面温度约为一百一十万度，辐射χ射线、γ射线和和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会像一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。

天文学家称由于恒星死亡形成的天体为恒星级黑洞。一般认为，宇宙中的大多数黑洞是由恒星坍缩形成的。此外，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞，比如在类星体星系的中心。在宇宙诞生初期可能曾经形成过很多微型黑洞（太初黑洞），这些黑洞的体积很小，质量相当于一座大山，黑洞本身不可见，但可以用至少两种方法检测出它的存在。当一个黑洞吸引尘埃、气体或恒星时，它的强大引力会把这些物质撕碎成原子微粒，原子微粒会从黑洞的边缘沿螺旋线坠向中心，速度会越来越快，直至达到每秒九百多公里。当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，并发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才会以这种方式发射χ射线和γ射线。任何物质或辐射到达黑洞边缘，越过它的视界就永远消失了。在黑洞的奇点附近，现有的任何物理定律都是不适用的。黑洞的奇点和我们现已认识的宇宙中的所有物质状态截然不同。到目前为止，还没有任何科学方法能用来测量黑洞。

随着人类社会的发展，天文学的研究对象从太阳系发展到整个宇宙。天文学的研究范畴和天文的概念也在不断发展和更新。通过天文学基础知识的学习，我们对天文学的定义、研究方向、研究领域、研究理论以及矮行星和中子星等重要的天体有了系统的了解。它丰富了我们的天体知识体系，也拓宽了我门的知识面。我期待天文学取得更大的进展，也期待我国的天文学科学发展越来越好。

天文学论文 篇六

天文学是自然科学六大基础学科之一，它推动了人类社会的进步和科技的发展。天文学对于提高民族素质、培养创新精神及科学的思维方法，建立正确的世界观、宇宙观方面有着不可替代的作用。普及天文知识，对破除迷信、反对伪科学也具有重要的科学意义。发达国家及一些发展中国家的大学、中学都普遍开设了天文学课程。

现在，我们学校也同样开设了天文学选修课，这为我们这些从小就对天文产生好奇、现在对天文依然抱有兴趣的人开了一扇圆梦的窗口。

现在社会中，多数青年男女都热衷于星座分析和配对等，根据星座来推断一个人的性格，甚至根据一个人的星座来判定这个人是不是适合做自己的另一半。我不知道这是不是有科学依据，我觉得根据星座来断定一个人太过武断。在天文学的课堂上，关于星座老师给我们做了详细的解析，它命名的由来和它们所处的位置，老师有他独特的讲课方式，内容丰富而不乏味，几个小小的亮点组成图形复杂的星组，人类的想法真是丰富到了极致。星座的说法来自西方，其命名是和西方神话有一定联系的。

九大行星，课堂上老师逐个做了解释，所谓太阳系“九大行星”是历史上流行的一种的说法，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。在2006年8月24日于布拉格举行的第26届国际天文联会中通过的第5号决议中，冥王星被划为矮行星，并命名为小行星134340号，从太阳系九大行星中被除名。所以现在太阳系只有八颗行星。

老师讲课的重点是宇宙大爆炸。“大爆炸宇宙论”认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1929年，美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。

这个理论也经历了很多演变，是现代人类通过一种假象加上研究和证据得出的理论。大约在50亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上描绘过去远古的宇宙发展史。

天文学对于人类的意义绝非一个“不简单”可以形容的。他的重要性也决不仅仅体现于我上面所说的几个方面。天文学这一学科就像天空一样广袤无边，人类要走的路还很长，要探索的旅程还很远。而人是一切发现的原动力，所以对于天文学爱好者及专门从事天文学的职业工作者来说，任重而道远！

天文学论文 篇七

摘要：天文学是一门最古老的科学，它一开始就同人类的劳动和生存密切相关。它同数学、物理、化学、生物、地学同为六大基础学科。天文学家观测从行星、恒星、星系等各种天体来的辐射，小到星际的分子，大到整个宇宙。天文学家测量它们的位置，计算它们的轨道，研究它们的诞生，演化和死亡，探讨它们的能源机制。由于科技的不断发展，人们对天文学的定义，研究对象，研究范畴，学科分支，论研究等方面都取得了突破性的进展。天文学正朝着高、精、尖的方向发展。我们期待着天文学的进一步发展为科学事业和人们的社会生活造福。

关键字：天文学，研究对象，研究理论，天文学四大发现，矮行星，中子星，黑洞

通过听天文学基础的课使我对天文学有了一定的了解。天文学是研究天体、宇宙的结构和发展的自然科学，内容包括天体的构造、性质和运行规律等。人类生在天地之间，从很早的年代就在探索宇宙的奥秘，因此天文学是一门最古老的科学，它一开始就同人类的劳动和生存密切相关。它同数学、物理、化学、生物、地学同为六大基础学科。天文学主要通过观测天体发射到地球的辐射，发现并测量它们的位置、探索它们的运动规律、研究它们的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律。随着人类社会的发展，天文学的研究对象从太阳系发展到整个宇宙。现在天文学按研究方法分类已形成天体测量学、天体力学和天体物理学三大分支学科。按观测手段分类已形成光学天文学、射电天文学和空间天文学几个分支学科。“几乎所有的自然科学分支研究的都是地球上的现象，只有天文学从它诞生的那一天起就和我们头顶上可望而不可及的灿烂的星空联系在一起。天文学家观测从行星、恒星、星系等各种天体来的辐射，小到星际的分子，大到整个宇宙。天文学家测量它们的位置，计算它们的轨道，研究它们的诞生，演化和死亡，探讨它们的能源机制。

自古以来，人类一直对恒星和行星十分感兴趣。古代的天文学家仅仅依靠肉眼观察天空，1608年，人们发明了望远镜，此后，天文学家就能够更清楚的观察恒星和行星了。意大利科学家伽利略，就是最早使用望远镜研究太空的人之一。今天天文学家使用许多不同类型的望远镜来收集宇宙的信息。有些望远镜可以收集到来自遥远天体的微弱亮光，如X射线。绝大多数望远镜是安放在地球上的，但也有些望远镜被放置在太空中，沿着轨道运转，如哈勃太空望远镜。现在，天文学家还能够通过发射的航天探测器来了解某些太空信息。天文学的研究范畴和天文的概念从古至今不断发展。在古代，人们只能用肉眼观测天体。2世纪时，古希腊天文学家托勒密提出的地心说统治了西方对宇宙的认识长达1000多年。直到16世纪，波兰天文学家哥白尼才提出了新的宇宙体系的理论——日心说。到了1610年，意大利天文学家伽利略独立制造折射望远镜，首次以望远镜看到了太阳黑子、月球表面和一些行星的表面和盈亏。在同时代，牛顿创立牛顿力学使天文学出现了一个新的分支学科天体力学。天体力学诞生使天文学从单纯描述天体的几何关系和运动状况进入到研究天体之间的相互作用和造成天体运动的原因的新阶段，在天文学的发展历史上，是一次巨大的飞跃。

19世纪中叶天体摄影和分光技术的发明，使天文学家可以进一步深入地研究天体的物理性质、化学组成、运动状态和演化规律，从而更加深入到问题本质，从而也产生了一门新的分支学科天体物理学。这又是天文学的一次重大飞跃。20世纪50年代，射电望远镜开始应用。到了20世纪60年代，取得了称为“天文学四大发现”的成就：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子。而与此同时，人类也突破了地球束缚，可到天空中观测天体。除可见光外，天体的紫外线、红外线、无线电波、X射线、γ射线等都能观测到了。这些使得空间天文学得到巨大发展，也对现代天文学成就产生很大影响。

随着天文学的发展，人类的探测范围到达了距地球约100亿光年的距离，根据尺度和规模，天文学的研究对象可以分为包括行星系中的行星、围绕行星旋转的卫星和大量的小天体，如小行星、彗星、流星体以及行星际物质等。太阳系是目前能够直接观测的唯一的行星系。但是宇宙中存在着无数像太阳系这样的行星系统。 现在人们已经观测到了亿万个恒星，太阳只是无数恒星中很普通的一颗。

人类所处的太阳系只是处于由无数恒星组成的银河系中的一隅。而银河系也只是一个普通的星系，除了银河系以外，还存在着许多的河外星系。星系又进一步组成了更大的天体系统，星系群、星系团和超星系团。

一些天文学家提出了比超星系团还高一级的总星系。按照现在的理解，总星系就是目前人类所能观测到的宇宙的范围，半径超过了100亿光年。

在天文学研究中最热门、也是最难令人信服的课题之一就是关于宇宙起源与未来的研究。对于宇宙起源问题的理论层出不穷，其中最具代表性，影响最大，也是最多人支持的的就是1948年美国科学家伽莫夫等人提出的大爆炸理论。根据现在不断完善的这个理论，宇宙是在约137亿年前的一次猛烈的爆发中诞生的。然后宇宙不断地膨胀，温度不断地降低，产生各种基本粒子。随着宇宙温度进一步下降，物质由于引力作用开始塌缩，逐级成团。在宇宙年龄约10年时星系开始形成，并逐渐演化为今天的样子。

天文学研究的对象有极大的尺度，极长的时间，极端的物理特性，因而地面试验室很难模拟。因此天文学的研究方法主要依靠观测。由于地球大气对紫外辐射、X射线和γ射线不透明，因此许多太空探测方法和手段相继出现，例如气球、火箭、人造卫星和航天器等。

天文学的理论常常由于观测信息的不足，天文学家经常会提出许多假

说来解释一些天文现象。然后再根据新的观测结果，对原来的理论进行修改或者用新的理论来代替。这也是天文学不同于其他许多自然科学的地方。 天文学的不断发展使得人们对行星以及宇宙中的天体有了更加精确的定义。

在2006年8月24日在捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学大会中确认了矮行星的称谓与定义，决议文对矮行星的描述如下：1、以轨道绕着太阳的天体；

2、有足够的质量以自身的重力克服固体应力，使其达到流体静力学平衡的形状（几乎是球形的）；

3、未能清除在近似轨道上的其它小天体；

4、不是行星的卫星，或是其它非恒星的天体。

在行星的基本定义上，科学家们大致上认同这样的说法：直接围绕恒星运行的天体，由于自身重力作用具有球状外形，但是也不能大到足够让其内部发生核子融合。矮行星的家族成员有冥王星、卡戎星、齐娜星、谷神星。矮行的基本特点是外幔和表面由冰冻的水和气体元素组成的一些低熔点的化合物组成，有的其中混杂着的一些由重元素化合物组成的岩石质的矿物质，厚度占星体半径的比例相对较大，但所占星体相对质量却不大，内部可能有一个岩石质占主要物质组成部分的核心，占星体质量的绝大部分，星体体积和总质量不大，平均密度较小，一些大行星的卫星也具有这种类似冰矮星的结构。

中子星（neutron star）又名波霎。它是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。简而言之，即质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于恒星和黑洞的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。中子星的表面温度约为一百一十万度，辐射χ射线、γ射线和和可见光。中子星有极强的磁场，它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会像一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。

天文学家称这种由于恒星死亡形成的天体为恒星级黑洞。一般认为，宇宙中的大多数黑洞是由恒星坍缩形成的。此外，在许多恒星系的中心也有一个因引力坍缩而形成的超大质量黑洞，比如在类星体星系的中心。在宇宙诞生初期可能曾经形成过很多微型黑洞（太初黑洞），这些黑洞的体积很小，质量相当于一座大山。

黑洞本身不可见，但可以用至少两种方法检测出它的存在。当一个黑洞吸引尘埃、气体或恒星时，它的强大引力会把这些物质撕碎成原子微粒，原子微粒会从黑洞的边缘沿螺旋线坠向中心，速度会越来越快，直至达到每秒九百多公里。当物体被黑洞吞没时，会因为互相碰撞而使温度上升到几百万度，并发出χ射线和γ射线。在宇宙中，只有黑洞能使物体在密集的轨道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才会以这种方式发射χ射线和γ射线。 任何物质或辐射到达黑洞边缘，越过它的视界就永远消失了。在黑洞的奇点附近，现有的任何物理定律都是不适用的。黑洞的奇点和我们现已认识的宇宙中的所有物质状态截然不同。到目前为止，还没有任何科学方法能用来测量黑洞。现在我们说找到了一个黑洞都是通过间接途径推算出来的。

通过学习天文学基础这门课程，我对天文学的定义、研究方向、研究领域、研究理论以及矮行星和中子星等重要的天体有了系统的了解。它也丰富了我的知识体系，拓宽了我的知识面。我期待天文学取得更大的进展，也期待我国的科学事业的发展越来越好。

附录:

参考文献:

[1]：《基础天文学》；

[2]：《天文学教程》。

天文学论文 篇八

摘要：天文学是一门最古老的科学，他一开始就和人类的劳动和生存密切相关。他同数学、物理、化学、生物、地学同为六大基础学科。大地天文学也是由来已久，从公元前开始到现在，从用传统的方法到现在的各种精密的测量仪器，经历了翻天覆地的变化。本文主要从大地天文学的基础概念入手，主要利用大地天文学 只是来测定经纬度和其他，从而确定地面点的位置。基础知识主要有天球上基本的概念，天球与地球的关系以及天球与地球坐标系的关系与转换，运用这些关系，确定的一些大地天文学的测量方法和在各种方面的应用。

关键字：大地天文学，天球坐标系，坐标系转换，测量方法与应用

Abstract: astronomy is a one of the oldest science, he started and is closely related to the ministry of Labour and survival of human beings. He with mathematics, physics, chemistry, biology, study as the six basic subjects. Astronomy earth also has a long history, from the beginning to now, from the traditional way to the present all kinds of precision measuring instruments, undergone earth-shaking changes. This article mainly from the basic concept of the astronomy, the main use of the land of astronomy is to determine the latitude and longitude and the other, to determine the position of the ground points. Basic knowledge is mainly on the basic concept, the celestial sphere celestial's relationship with the earth and the relationship between the celestial coordinate system with earth and transformation, using these relationships, determine some of the astronomy measurement on the methods and applications in various aspects.

Key words: the astronomy, celestial coordinate, coordinate transformation, measuring method and application

目 录

摘 要 ......................................................................................................................... 1

一 、大地天文学基本概念 ......................................................................................... 1

二 、大地天文学的发展概况 ..................................................................................... 1

三 、天球的基本概念 ................................................................................................. 2

3.1天球的定义 ......................................................................................................................... 2

3.2 天球的分类 ........................................................................................................................ 2

3.3天球的两个特性 ................................................................................................................. 2

3.4 关于天球的基本知识 ........................................................................................................ 2

四 、天球与地球的相关关系。 3

4.1 天球上与地球公转有关的圈、线、点 .......................................................................... 3

4.2 天球上与地球自转有关的圈、线、点 .......................................................................... 5

五 、天球坐标系 ............................................................................................................................ 6

5.1 天球坐标系分类 .............................................................................................................. 6

5.1.1 地平天球坐标系 ................................................................................................... 7

5.1.2 时角天球坐标系 ................................................................................................... 8

5.1.3 赤道天球坐标系 ................................................................................................... 9

5.1.4 黄道天球坐标系： ............................................................................................... 9

5.2 天球坐标系之间的转换 .................................................................................................. 9

5.2.1 天文坐标与天球坐标之间的关系 ..................................................................... 10

5.2.2 地平坐标与时角坐标之间的关系 ..................................................................... 10

5.2.3 天球直角坐标系及其转换 ................................................................................. 11

六 、大地天文学的方法及应用。 13

参考文献 ........................................................................................................................................ 15

大地天文学

一 、大地天文学基本概念 大地天文学是天文学的一个分支，也是大地测量的一个重要组成部分。它的重要任务，是用天文方法观测天体的位置来确定地面点在地球上的位置(经纬度)和某一方向的方位角，以供大地测量和其他有关的科学技术部门使用。 这是天体测量学与大地天文学的边缘学科，在测站（通常称为天文点）使用天体测量仪器观测天体以测定天文经度和纬度，也可测定测站至相邻固定目标的方位角从而确定测站的子午线。

大地天文学的传统课题包括：①测定地面点的天文经度，就是在同一瞬间测定地面上一点与本初子午线上的地方时之差。该点上的时刻可使用经纬仪、中星仪、棱镜等高仪以及照相天顶筒等仪器测定；本初子午线上的地方时则可通过收录无线电时号求得。②测定地面点的天文纬度。这等同于测定地面点的天极高度。该点的纬度可使用带有纬度水准的经纬仪、天顶仪、棱镜等高仪以及照相天顶筒等仪器测定。③地面目标方位角的测定。这等同于确定某天文点的子午线方向。观测恒星，测定其时角，算出它的方位角，然后测定该瞬间恒星与地面目标之间的水平角，从而得到目标的方位角。这些任务都包含对各种误差的分析及对削弱和消除误差的研究。近代已能测定地面点在以地心为原点的三维直角坐标系中的地心直角坐标，用诸如甚长基线干涉测量、激光测距、全球定位系统测量等技术，精度可达几厘米量级。

二 、大地天文学的发展概况

大地天文学是天文学中发展最早的一个分支。公元前3世纪，古希腊天文学家用观测夏至日正午太阳高度的方法测定了子午线的长度。公元8世纪，中国天文学家一行(本名张遂，683～727)等通过观测北极星高度推算出了子午线1°的弧长。元代天文学家郭守敬(1231～1316)组织过全国范围的纬度测量。然而，直到17世纪光学望远镜、测微器与天文钟问世以后，才形成精密的大地天文学。现代大地天文学的测量设备包括天文观测仪器、守时仪器、记时仪器和无线电接收机。 天文观测仪器主要是全能经纬仪，也可用中星仪和棱镜等高仪等。守时仪器已全部采用石英钟。记时仪器用以记录观测恒星的时刻。无线电接收机则用

以收录时号。为提高观测精度和效率，各国都在研制新的观测仪器，例如美国的自动天文定位系统、方位角监测仪，意大利的天顶摄影机等。

三 、天球的基本概念

3.1天球的定义

各个天体同地球上的观测者的距离都不相同。天体和观察者间的距离与观测者随地球在空间移动的距离相比要大得多，人的肉眼分辨不出天体的远近，所以看上去天体似乎都离我们一样远，仿佛散布在以观测者为中心的一个圆球的球面上（站心天球）。实际上我们看到的是天体在这个巨大的圆球的球面上的投影位置，这个圆球就称为天球。

3.2 天球的分类

文学上就将以空间某一点为中心，以无限大为半径，内表面分布着各种各样天体的球面称为天球。天球是研究天体的位置和运动而引进的一个半径为无限大的假想圆球，想象中所有天体都附着在天球表面上。根据所选取的天球中心不同，有站心天球、日心天球、地心天球等。

3.3天球的两个特性

由于天球的半径可视为无穷大，在空间任何有限的距离与天球半径相比，都微小到可以忽略不计。因此天球具有下面两个特性：

1)相距有限距离的所有平行直线，向同一方向延长与天球交于一点。

2)相距有限距离的所有平行平面天球交于同一大圆。

3.4 关于天球的基本知识

观测者所能直接辨别的只是天体的方向。在球面上处理点和弧段的关系，比在空间处理视线方向间的角度要简便得多，在天文学的一些应用中，都用天体投影在天球上的点和点之间的大圆弧段来表示它们之间的位置关系。天球的半径是任意选定的，可以当作数学上的无穷大。

我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好

像镶嵌在一个圆形天幕上的宝石。实际上星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这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。星星在天空中移动的方向并不是杂乱无章的，而且星座的形状并不会改变。星星从东方的地平线爬上来，爬到最高点（中天），然后往西方沉下去。看起来就像整个天球围绕着地球旋转一样。相信大家都明白，地球并不是宇宙的中心，星体并不会绕着地球转。星体在天空中绕着我们旋转，是因为地球自转而产生的错觉，天球本身是不会移动的。我们身在地球中，并不会感觉自己在转动的，就好像们乘坐火车时看见窗外的景物向后移动，而并不感觉到自己在移动中。

天球是一个直观的假象球，其形成的原因是人的肉眼分辨不出天体的远近。设在地球中心照准空间远近不等的天体，将各天体方向线延长与天球相交的各投影点称为各天体在天球上的位置。显然，就存在有两个或多个天体在天球上的投影位置是重合的。

四 、天球与地球的相关关系

4.1 天球上与地球公转有关的圈、线、点

黄道在天球上的位置较难确定。所谓黄道是指地球绕着太阳运行的公转轨道平面无限扩大与天球相交截出的大圆，它也是地球公转轨道在天球上的投影。地球每年绕太阳运行一周，但在地球上的人们看来，却好像是太阳在天空众星之间绕地球转圈。因此，黄道也就是太阳每年在天球上所作视运动的路线。

黄道面是地球绕太阳系质心运动的平均轨道平面，将这一平面延伸与天球相交的大圈称为黄道；过天球中心作一条直线垂直与黄道面，这条直线与天球相交于K和K′两点，靠近北天极的K点称为北黄极，靠近南天极的K′点称为南黄极。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，一般用ε来表示，其值约为23.5。天球上距离黄道90°的两点，即黄道轴与天球相交的两点，称黄极。靠近北天极的一点叫北黄极（通常用K表示），靠近南天极的一点叫南黄极（通常用K′表示）。

二分点和二至点：天球上黄道与赤道相交于和两点，称为二分点，即春分点

和秋分点。在黄道上距春分点和秋分点90的两个点称为二至点，即夏至点和冬至点，其中在赤道以北（最北）的那一点称为夏至点。在赤道以南（最南）的那一点 称为冬至点。

二分圈和二至圈：在天球上通过天极、春分点和秋分点的大圈，称为二分圈。在天球上通过天极、夏至点和冬至点的大圈，称为二至圈。

4.2 天球上与地球自转有关的圈、线、点，我们要经常用到的基本圈、线、点为：

天轴和天极：通过天球中心（这里为测站点）而与地球瞬时自转轴pp′相平行的直线PP′称为天轴，它与天球相交的两点P和P′称为天极。相应地球北极p的一点P称为北天极，相应地球南极p′的一点P′称为南天极。

天顶和天底：测站的瞬时铅垂线ZZ′与天球相交于Z和Z′两点，在观测者头顶上方的Z点称为天顶，与天顶相对的Z′点称为天底。

天球地平面和天球地平圈：通过天球中心而垂直于测站瞬时铅垂线ZZ′的平面ESWN称为天球地平面，它与天球相交的大圈称为天球地平圈。

天球上的主要圈、线、点

天球赤道面和天球赤道：通过天球中心而与天轴PP′垂直的平面EQWQ′称为天球赤道面（简称赤道面），它与天球相交的大圈EQWQ′称为天球赤道（简称赤道）。其中在天球地平面之上的赤道圈上的点Q称为赤道上点；与赤道上点Q相对应的另一点Q′称为赤道下点。

天球子午面和天球子午圈：由测站铅垂线ZZ′和北天极P所决定的平面PZP′Z′N称为天球子午面（或称天文子午面），它与天球相交的大圈称为天球子午圈（或称天文子午圈）。也可以说通过测站天顶Z和北天极P的大圈即为测站的天文子午圈。其中包含天顶Z和赤道上点Q的半圆PZQSP′称为上子午圈，相对的另一半PNQ′Z′P称为下子午圈。

子午线和四方点：天球子午面与天球地平面垂直，它们的交线NS称为子午线。子午线与天球相交于两点，靠近北天极的那一点N称为北点，和它相对的另一点S称为南点。观测者面向北，在右方地平圈上距南北点各90度的E点称为东点，在左方与东点相对称的一点W称为西点。东南西北四个方向点称为四方点。东西两点也是天球赤道圈与天球地平圈的两个交点。

垂直圈和卯酉圈：通过天顶和天底的任意大圈，例如ZbZ′称为垂直圈。其中过东西点的垂直圈称为卯酉圈。

时圈：通过北天极和南天极或包含天轴的任意大圈，例如PbP′称为时圈。 我们在地球上随着地球的自转而不停地绕着地球自转轴由西向东旋转。所以我们相对地看到地球上的日月星辰都像随着天球绕着地球由东向西旋转，每日旋转一周。因而产生天体东升西落的现象。这种直观的由于地球由西向东自转而产生的天球或天体的视运动，称为天球周日视运动或天体周日视运动。

在周日视运动中不变的圈、点为：南北天极、地方性圈、点（如：子午圈、地平圈、天顶、天底、四方点等）。赤道则在赤道面上原位旋转。其他的圈线点则均绕天轴旋转。

五 、天球坐标系

5.1 天球坐标系分类

为了表示天体在天球上的位置和进行天文测量的需要，需在天球上建立球面坐标系。要建立天球坐标系，须首先确定两个基本要素，如图（5-1）所示：

1）基本平面，由天球上某一选定的大圆所确定。大圆称为基圈，基圈的两个几何极之一作为球面坐标系的极。

2）原点，由天球上某一选定的过坐标系极点的大圆与基圈的交点所确定。 天体在天球坐标系中的位置由两个球面坐标标定，如图（5-1）所示：

1）经向坐标，作过该点和坐标系极点的大圆称为副圈（或终圈），从原点到副圈与基圈交点的弧长为经向坐标。

2）纬向坐标，从基圈上起沿终圈到该点的大圆弧长为纬向坐标。天球上任何一点的位置都可以由这两个坐标唯一地确定。这样的球面坐标系是正交坐标系。对于不同的基圈和原点，以及经向坐标所采用的不同量度方式，可以引出不

同的天球坐标系，常用的有地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系和银道坐标系等。

地平天球坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。取测站的地平圈作为基圈（横坐标圈），子午圈作为次圈（纵坐标圈），南点为原点的球面坐标系，称为地平坐标系。它用地平纬度（高度）h或天顶距Z和地平经度（方位角）A来表示天体在天球上的位置。

地平高度h和天顶距z:过天体ζ作一个垂直圈，设它与地平圈相交于A点。

从A点沿垂直圈量至天体ζ的弧距Aζ称为天体的地平高度、或地平纬度、或垂直角，常用h表示。h从地平圈起算，向天顶量为正，向天底量为负，其值由0到±90。

由天顶至天体的弧距离Zζ，或在天体垂直面上的平面角∠ZOζ，称为天体的天顶距，一般以z表示，其取值范围为0到180恒为正。

天顶距与地平高度的关系是：

地平方位角A：通过天体的垂直面与测站的子午面所夹的二面角∠SZA，或在天球地平面上的平面角∠SOA，或大圆弧距SA称为天体的地平经度（方位角），用A表示。

地平方位角的量算方法：由南点S起算，沿地平圈向西量，取值范围为0到360恒为正；或者由南点S起算，分别沿地平圈向东、和向西量，且约定向西量为正，向东量为负，其值由0到±180。

时角坐标系的基圈是赤道，次圈是子午圈，原点是上点Q（即赤道与子午圈的交点）；此坐标系用赤纬和时角来表示天体在天球上的位置。

赤纬δ：通过天体ζ作一时圈，设它与赤道交于点T。由T点沿时圈量至天体ζ的弧距Tζ，称为天体的赤纬，以δ表示。

赤纬的量度方法：从赤道起算，沿时圈向北天极量为正，向南天极量为负。其值范围：0到±90 。

时角t：通过天体的时圈面与测站的子午面所夹的二面角∠QPT、或大圆弧距QT称为天体的时角，用t表示。

时角的量算方法：由上点Q起算沿赤道向西量，取值范围为：0到360，或0到24小时；或者由上点Q起算，分别沿赤道向东西量，由0到±180，或0到±12小时，且约定向西量为正，向东量为负。

赤纬与周日视运动、测站无关，时角与周日视运动、测站有关有。测量时必须说明时刻。否则毫无意义。

5.1.3 赤道天球坐标系

赤道坐标系的基圈是赤道，次圈是过春分点的极分圈，原点为春分点γ。 此坐标系用赤纬δ和赤经α来表示天体在天球上的位置。

赤纬δ：同时角坐标系。

赤经α：过春分点作一极分圈（即过春分点的时圈），并通过天体ζ作一时圈，设它与赤道交于T点。则天体ζ的时圈面与极分圈面

所夹的二面角∠γPT，或大圆弧距γT称为天体的赤经，以α表示。

赤经的量度方法：从春分点γ起算，沿赤道按反时针方向（即与周日视运动相反的方向）计量，0到24小时。

5.1.4 黄道天球坐标系：

黄道坐标系的基圈是黄道，次圈为过春分点和黄极黄经圈，原点为春分点γ； 它用黄纬β和黄经l来表示天体在天球上的位置。

黄纬β：通过天体ζ作一黄经圈，设它与黄道交于R点。由R点沿黄经圈量至天体ζ的弧距Rζ称为天体的黄纬，以β表示。

黄纬的度量方法：从黄道起算，沿黄经圈向北黄极量为正，向南黄极量为负。其值：0到±90。

黄经λ：过春分点作一黄经圈（即过春分点和黄极的大圈），则天体ζ的黄经圈面与过春分点的黄经圈面所夹的二面角∠γKR，或大圆弧距γR称为天体的黄经，以λ或l表示。

黄经的量度方法：从春分点γ起算，沿黄道按反时针方向计量，0到±360。

5.2 天球坐标系之间的转换

天球坐标系是天文学中描述天空中物体位置的坐标系。类似于我们在地球表面上用到的地理坐标系。天球坐标系随着投影到天球上的坐标格网的不同而不同，沿着大圆将天空分成两个相等的半球的平面称为基础平面，而这种坐标系仅

仅会因为基本面的不同而不同。每个坐标系的名字是根据基本面的选择而定的。

5.2.1 天文坐标与天球坐标之间的关系

测站的天文纬度定义为测站的瞬时铅垂线与地球赤道面之间的夹角；测站的地球天文子午面定义为测站的瞬时铅垂线和地球瞬时北极所决定的平面；而测站的天文经度定义为格林尼治天文台的地球天文子午面与测站的地球天文子午面之间的二面角。另外，测站的地球天文子午面投影到天球上就是测站的天球子午面，而地球赤道面与天球赤道面平行（或在天球上重合）。

天球坐标与天文坐标间存在两个重要关系：

1）测站的天文纬度等于北天极的地平高度，也等于测站天顶的赤纬，即：

Φ = z + δ = δz

2）地面A、B两地同时观测同一天体的时角之差（tA - tB），等于A、B两地的天文经度之差（λA - λB），即：

A - λB = tA - tB

显然，若测站与各林尼治天文台同步观测一天体，则有λA – λG = tA – tG ，但λG = 0，故有：λA = tA – tG

由此可知，地面上任意一测站的天文经度，等于测站与各林尼治天文台在同一瞬间观测同一天体的时角之差。

5.2.2 地平坐标与时角坐标之间的关系

由天顶Z、北天极P和天体ζ为顶点构成的球面三角形称为定位三角形（也称天文三角形），局部图见图（5-5）。

在此定位三角形中，各边、角的数值如下：

= 900 – δ，

而∠PζZ = q 一般称为星位角。

根据球面三角形的边余弦公式可得：

根据正弦公式可得：

根据五元素公式可得：

及关系式：

因此，天体的地平坐标z、A和时角坐标t、δ与测站的天文坐标φ存在以上关系。 = 900 – φ， = z ∠ζPZ = t， ∠ζZP = 1800 - A

5.2.3 天球直角坐标系及其转换

地平直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向天顶Z，X轴指向地平坐标系的原点—南点S，由于地平方位角是由南点顺时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的右侧指向西点W。地平直角坐标系形成左手系。天体的直角坐标与其地平坐标的关系为：

时角直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北天极P， X轴指向时角坐标系的原点—赤道上点Q，由于时角是由上点Q顺时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该也在X轴的右侧指向西点W。时角直角坐标系形成左手系，天体的直角坐标与其时角坐标的关系为：

可见时角直角坐标系与地平直角坐标系有共同的Y轴，两个坐标系X轴或Z轴之间的夹角为测站的天文余纬度，即：900 – φ。

赤道直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北天极P，X轴指向时角坐标系的原点—春分点γ，由于赤经是由春分点γ逆时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的左侧90。赤道直角坐标系形成右手系，天体的直角坐标与其赤道坐标的关系为：

可见赤道直角坐标系与时角直角坐标系有共同的Z轴，两个坐标系X轴或Y轴之间的夹角为春分点的时角tr ，即地方恒星时S。

黄道直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北黄极K，X轴指向黄道坐标系的原点—春分点γ，由于黄经是由春分点γ逆时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的左侧90。黄道直角坐标系形成右手系，天体的直角坐标与其黄道坐标的关系为：

可见黄道直角坐标系与赤道直角坐标系有共同的X轴，两个坐标系Z轴或Y轴之间的夹角为黄赤交角ε。

根据前面讲述的坐标旋转矩阵方法，可导出天球坐标系之间的转换关系式。 时角直角坐标与地平直角坐标之间的关系：

赤道直角坐标与时角直角坐标之间的关系：

黄道直角坐标与赤道直角坐标之间的关系：

可见只要知道测站的瞬时天文纬度φ和观测瞬间的地方真恒星时s，就可将观测天体的地平坐标h和A转换成赤道坐标α和δ，反之亦然。

六 、大地天文学的方法及应用

大地天文学的主要任务是研究精确测定天文点的天文经纬度、方位角以及地方恒星时的理论和方法。已实现天文定位的地面点叫天文点。定位方法都是在测出某些天体的某些量(如天顶距z、高度h、方位角A或天体通过特定平面的时刻T) 后求解天文三角形。测定纬度的方法常用天顶距差法(或称太尔各特法)和等高法。无线电时号法与中天法专门用于测定经度。多星等高法则可同时测定经度与纬度。恒星时角法用于测定方位角。这些测定法在军事上得到广泛应用。军用地图的编绘、火炮射击目标的迅速定位和导弹等武器发射的准确性等，都需要用到它们。大地网的定向、测角的验核、部队战斗队形各要素的大地联测和部队战斗行动的测绘保障等工作，也都离不开天文定位资料。工程建设、海洋开发、国土整治、科学研究、军事测绘都需要进行大地网的布设。天文经纬度与大地测量结果相比对，可获得点位的垂线偏差，这是研究地球形状和大地水准面结构的必要参数。测量天文方位角可确定地面子午线的方向。天文方位角还可用以推算大

地方位角，从而控制大地网中的累积误差。大地天文学的测量精度通常在0.5″以下，固定的天文仪器则可达 0.05″ 左右。在保障军事行动的近似测量中，也可使用中、低精度的经纬仪，天文钟则可用精密秒表代替。

参考文献

[1] 苏宜编著。天文学新概论[M]. 华中科技大学出版社， 2005

[2] 刘学富主编。基础天文学[M]. 高等教育出版社， 2004

[3] 朱慈墭[编著].天文学教程[M]. 高等教育出版社， 2003

[4] 胡中为编著。普通天文学[M]. 南京大学出版社， 2003

[5] (法)G.伏古勒尔著，李珩译。天文学简史[M]. 广西师范大学出版社， 2003

[6] 余明主编。简明天文学教程[M]. 科学出版社， 2001

[7] 刘林著。航天器轨道理论[M]. 国防工业出版社， 2000

[8] 黄润乾著。恒星物理[M]. 科学出版社， 1998

天文学论文 篇九

摘要：天文学是一门最古老的科学，他一开始就和人类的劳动和生存密切相关。他同数学、物理、化学、生物、地学同为六大基础学科。大地天文学也是由来已久，从公元前开始到现在，从用传统的方法到现在的各种精密的测量仪器，经历了翻天覆地的变化。本文主要从大地天文学的基础概念入手，主要利用大地天文学 只是来测定经纬度和其他，从而确定地面点的位置。基础知识主要有天球上基本的概念，天球与地球的关系以及天球与地球坐标系的关系与转换，运用这些关系，确定的一些大地天文学的测量方法和在各种方面的应用。

关键字：大地天文学，天球坐标系，坐标系转换，测量方法与应用

Abstract: astronomy is a one of the oldest science, he started and is closely related to the ministry of Labour and survival of human beings. He with mathematics, physics, chemistry, biology, study as the six basic subjects. Astronomy earth also has a long history, from the beginning to now, from the traditional way to the present all kinds of precision measuring instruments, undergone earth-shaking changes. This article mainly from the basic concept of the astronomy, the main use of the land of astronomy is to determine the latitude and longitude and the other, to determine the position of the ground points. Basic knowledge is mainly on the basic concept, the celestial sphere celestial's relationship with the earth and the relationship between the celestial coordinate system with earth and transformation, using these relationships, determine some of the astronomy measurement on the methods and applications in various aspects.

Key words: the astronomy, celestial coordinate, coordinate transformation, measuring method and application

目 录

摘 要 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 1

一 、大地天文学基本概念 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 1

二 、大地天文学的发展概况 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 1

三 、天球的基本概念 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 2

3.1天球的定义 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 2

3.2 天球的分类 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 2

3.3天球的两个特性 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 2

3.4 关于天球的基本知识 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 2

四 、天球与地球的相关关系。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 3

4.1 天球上与地球公转有关的圈、线、点 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 3

4.2 天球上与地球自转有关的圈、线、点 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 5

五 、天球坐标系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 6

5.1 天球坐标系分类 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 6

5.1.1 地平天球坐标系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 7

5.1.2 时角天球坐标系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 8

5.1.3 赤道天球坐标系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 9

5.1.4 黄道天球坐标系： 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 9

5.2 天球坐标系之间的转换 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 9

5.2.1 天文坐标与天球坐标之间的关系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 10

5.2.2 地平坐标与时角坐标之间的关系 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 10

5.2.3 天球直角坐标系及其转换 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 11

六 、大地天文学的方法及应用。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 13

参考文献 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。. 15

大地天文学

一 、大地天文学基本概念 大地天文学是天文学的一个分支，也是大地测量的一个重要组成部分。它的重要任务，是用天文方法观测天体的位置来确定地面点在地球上的位置（经纬度）和某一方向的方位角，以供大地测量和其他有关的科学技术部门使用。 这是天体测量学与大地天文学的边缘学科，在测站（通常称为天文点）使用天体测量仪器观测天体以测定天文经度和纬度，也可测定测站至相邻固定目标的方位角从而确定测站的子午线。

大地天文学的传统课题包括：①测定地面点的天文经度，就是在同一瞬间测定地面上一点与本初子午线上的地方时之差。该点上的时刻可使用经纬仪、中星仪、棱镜等高仪以及照相天顶筒等仪器测定；本初子午线上的地方时则可通过收录无线电时号求得。②测定地面点的天文纬度。这等同于测定地面点的天极高度。该点的纬度可使用带有纬度水准的经纬仪、天顶仪、棱镜等高仪以及照相天顶筒等仪器测定。③地面目标方位角的测定。这等同于确定某天文点的子午线方向。观测恒星，测定其时角，算出它的方位角，然后测定该瞬间恒星与地面目标之间的水平角，从而得到目标的方位角。这些任务都包含对各种误差的分析及对削弱和消除误差的研究。近代已能测定地面点在以地心为原点的三维直角坐标系中的地心直角坐标，用诸如甚长基线干涉测量、激光测距、全球定位系统测量等技术，精度可达几厘米量级。

二 、大地天文学的发展概况

大地天文学是天文学中发展最早的一个分支。公元前3世纪，古希腊天文学家用观测夏至日正午太阳高度的方法测定了子午线的长度。公元8世纪，中国天文学家一行（本名张遂，683～727）等通过观测北极星高度推算出了子午线1°的弧长。元代天文学家郭守敬(1231～1316)组织过全国范围的纬度测量。然而，直到17世纪光学望远镜、测微器与天文钟问世以后，才形成精密的大地天文学。现代大地天文学的测量设备包括天文观测仪器、守时仪器、记时仪器和无线电接收机。 天文观测仪器主要是全能经纬仪，也可用中星仪和棱镜等高仪等。守时仪器已全部采用石英钟。记时仪器用以记录观测恒星的时刻。无线电接收机则用

以收录时号。为提高观测精度和效率，各国都在研制新的观测仪器，例如美国的自动天文定位系统、方位角监测仪，意大利的天顶摄影机等。

三 、天球的基本概念

3.1天球的定义

各个天体同地球上的观测者的距离都不相同。天体和观察者间的距离与观测者随地球在空间移动的距离相比要大得多，人的肉眼分辨不出天体的远近，所以看上去天体似乎都离我们一样远，仿佛散布在以观测者为中心的一个圆球的球面上（站心天球）。实际上我们看到的是天体在这个巨大的圆球的球面上的投影位置，这个圆球就称为天球。

3.2 天球的分类

文学上就将以空间某一点为中心，以无限大为半径，内表面分布着各种各样天体的球面称为天球。天球是研究天体的位置和运动而引进的一个半径为无限大的假想圆球，想象中所有天体都附着在天球表面上。根据所选取的天球中心不同，有站心天球、日心天球、地心天球等。

3.3天球的两个特性

由于天球的半径可视为无穷大，在空间任何有限的距离与天球半径相比，都微小到可以忽略不计。因此天球具有下面两个特性：

1)相距有限距离的所有平行直线，向同一方向延长与天球交于一点。

2)相距有限距离的所有平行平面天球交于同一大圆。

3.4 关于天球的基本知识

观测者所能直接辨别的只是天体的方向。在球面上处理点和弧段的关系，比在空间处理视线方向间的角度要简便得多，在天文学的一些应用中，都用天体投影在天球上的点和点之间的大圆弧段来表示它们之间的位置关系。天球的半径是任意选定的，可以当作数学上的无穷大。

我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好

像镶嵌在一个圆形天幕上的宝石。实际上星星和我们的距离有远有近，我们看到的是它们在这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。星星在天空中移动的方向并不是杂乱无章的，而且星座的形状并不会改变。星星从东方的地平线爬上来，爬到最高点（中天），然后往西方沉下去。看起来就像整个天球围绕着地球旋转一样。相信大家都明白，地球并不是宇宙的中心，星体并不会绕着地球转。星体在天空中绕着我们旋转，是因为地球自转而产生的错觉，天球本身是不会移动的。我们身在地球中，并不会感觉自己在转动的，就好像们乘坐火车时看见窗外的景物向后移动，而并不感觉到自己在移动中。

天球是一个直观的假象球，其形成的原因是人的肉眼分辨不出天体的远近。设在地球中心照准空间远近不等的天体，将各天体方向线延长与天球相交的各投影点称为各天体在天球上的位置。显然，就存在有两个或多个天体在天球上的投影位置是重合的。

四 、天球与地球的相关关系

4.1 天球上与地球公转有关的圈、线、点

黄道在天球上的位置较难确定。所谓黄道是指地球绕着太阳运行的公转轨道平面无限扩大与天球相交截出的大圆，它也是地球公转轨道在天球上的投影。地球每年绕太阳运行一周，但在地球上的人们看来，却好像是太阳在天空众星之间绕地球转圈。因此，黄道也就是太阳每年在天球上所作视运动的路线。

黄道面是地球绕太阳系质心运动的平均轨道平面，将这一平面延伸与天球相交的大圈称为黄道；过天球中心作一条直线垂直与黄道面，这条直线与天球相交于K和K′两点，靠近北天极的K点称为北黄极，靠近南天极的K′点称为南黄极。黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，一般用ε来表示，其值约为23.5。天球上距离黄道90°的两点，即黄道轴与天球相交的两点，称黄极。靠近北天极的一点叫北黄极（通常用K表示），靠近南天极的一点叫南黄极（通常用K′表示）。

二分点和二至点：天球上黄道与赤道相交于和两点，称为二分点，即春分点

和秋分点。在黄道上距春分点和秋分点90的两个点称为二至点，即夏至点和冬至点，其中在赤道以北（最北）的那一点称为夏至点。在赤道以南（最南）的那一点 称为冬至点。

二分圈和二至圈：在天球上通过天极、春分点和秋分点的大圈，称为二分圈。在天球上通过天极、夏至点和冬至点的大圈，称为二至圈。

4.2 天球上与地球自转有关的圈、线、点，我们要经常用到的基本圈、线、点为：

天轴和天极：通过天球中心（这里为测站点）而与地球瞬时自转轴pp′相平行的直线PP′称为天轴，它与天球相交的两点P和P′称为天极。相应地球北极p的一点P称为北天极，相应地球南极p′的一点P′称为南天极。

天顶和天底：测站的瞬时铅垂线ZZ′与天球相交于Z和Z′两点，在观测者头顶上方的Z点称为天顶，与天顶相对的Z′点称为天底。

天球地平面和天球地平圈：通过天球中心而垂直于测站瞬时铅垂线ZZ′的平面ESWN称为天球地平面，它与天球相交的大圈称为天球地平圈。

天球上的主要圈、线、点

天球赤道面和天球赤道：通过天球中心而与天轴PP′垂直的平面EQWQ′称为天球赤道面（简称赤道面），它与天球相交的大圈EQWQ′称为天球赤道（简称赤道）。其中在天球地平面之上的赤道圈上的点Q称为赤道上点；与赤道上点Q相对应的另一点Q′称为赤道下点。

天球子午面和天球子午圈：由测站铅垂线ZZ′和北天极P所决定的平面PZP′Z′N称为天球子午面（或称天文子午面），它与天球相交的大圈称为天球子午圈（或称天文子午圈）。也可以说通过测站天顶Z和北天极P的大圈即为测站的天文子午圈。其中包含天顶Z和赤道上点Q的半圆PZQSP′称为上子午圈，相对的另一半PNQ′Z′P称为下子午圈。

子午线和四方点：天球子午面与天球地平面垂直，它们的交线NS称为子午线。子午线与天球相交于两点，靠近北天极的那一点N称为北点，和它相对的另一点S称为南点。观测者面向北，在右方地平圈上距南北点各90度的E点称为东点，在左方与东点相对称的一点W称为西点。东南西北四个方向点称为四方点。东西两点也是天球赤道圈与天球地平圈的两个交点。

垂直圈和卯酉圈：通过天顶和天底的任意大圈，例如ZbZ′称为垂直圈。其中过东西点的垂直圈称为卯酉圈。

时圈：通过北天极和南天极或包含天轴的任意大圈，例如PbP′称为时圈。 我们在地球上随着地球的自转而不停地绕着地球自转轴由西向东旋转。所以我们相对地看到地球上的日月星辰都像随着天球绕着地球由东向西旋转，每日旋转一周。因而产生天体东升西落的现象。这种直观的由于地球由西向东自转而产生的天球或天体的视运动，称为天球周日视运动或天体周日视运动。

在周日视运动中不变的圈、点为：南北天极、地方性圈、点（如：子午圈、地平圈、天顶、天底、四方点等）。赤道则在赤道面上原位旋转。其他的圈线点则均绕天轴旋转。

五 、天球坐标系

5.1 天球坐标系分类

为了表示天体在天球上的位置和进行天文测量的需要，需在天球上建立球面坐标系。要建立天球坐标系，须首先确定两个基本要素，如图（5-1）所示：

1）基本平面，由天球上某一选定的大圆所确定。大圆称为基圈，基圈的两个几何极之一作为球面坐标系的极。

2）原点，由天球上某一选定的过坐标系极点的大圆与基圈的交点所确定。 天体在天球坐标系中的位置由两个球面坐标标定，如图（5-1）所示：

1）经向坐标，作过该点和坐标系极点的大圆称为副圈（或终圈），从原点到副圈与基圈交点的弧长为经向坐标。

2）纬向坐标，从基圈上起沿终圈到该点的大圆弧长为纬向坐标。天球上任何一点的位置都可以由这两个坐标唯一地确定。这样的球面坐标系是正交坐标系。对于不同的基圈和原点，以及经向坐标所采用的不同量度方式，可以引出不

同的天球坐标系，常用的有地平坐标系、赤道坐标系、黄道坐标系和银道坐标系等。

地平天球坐标系是一种最直观的天球坐标系，和我们日常的天文观测关系最为密切。取测站的地平圈作为基圈（横坐标圈），子午圈作为次圈（纵坐标圈），南点为原点的球面坐标系，称为地平坐标系。它用地平纬度（高度）h或天顶距Z和地平经度（方位角）A来表示天体在天球上的位置。

地平高度h和天顶距z:过天体ζ作一个垂直圈，设它与地平圈相交于A点。

从A点沿垂直圈量至天体ζ的弧距Aζ称为天体的地平高度、或地平纬度、或垂直角，常用h表示。h从地平圈起算，向天顶量为正，向天底量为负，其值由0到±90。

由天顶至天体的弧距离Zζ，或在天体垂直面上的平面角∠ZOζ，称为天体的天顶距，一般以z表示，其取值范围为0到180恒为正。

天顶距与地平高度的关系是：

地平方位角A：通过天体的垂直面与测站的子午面所夹的二面角∠SZA，或在天球地平面上的平面角∠SOA，或大圆弧距SA称为天体的地平经度（方位角），用A表示。

地平方位角的量算方法：由南点S起算，沿地平圈向西量，取值范围为0到360恒为正；或者由南点S起算，分别沿地平圈向东、和向西量，且约定向西量为正，向东量为负，其值由0到±180。

时角坐标系的基圈是赤道，次圈是子午圈，原点是上点Q（即赤道与子午圈的交点）；此坐标系用赤纬和时角来表示天体在天球上的位置。

赤纬δ：通过天体ζ作一时圈，设它与赤道交于点T。由T点沿时圈量至天体ζ的弧距Tζ，称为天体的赤纬，以δ表示。

赤纬的量度方法：从赤道起算，沿时圈向北天极量为正，向南天极量为负。其值范围：0到±90 。

时角t：通过天体的时圈面与测站的子午面所夹的二面角∠QPT、或大圆弧距QT称为天体的时角，用t表示。

时角的量算方法：由上点Q起算沿赤道向西量，取值范围为：0到360，或0到24小时；或者由上点Q起算，分别沿赤道向东西量，由0到±180，或0到±12小时，且约定向西量为正，向东量为负。

赤纬与周日视运动、测站无关，时角与周日视运动、测站有关有。测量时必须说明时刻。否则毫无意义。

5.1.3 赤道天球坐标系

赤道坐标系的基圈是赤道，次圈是过春分点的极分圈，原点为春分点γ。 此坐标系用赤纬δ和赤经α来表示天体在天球上的位置。

赤纬δ：同时角坐标系。

赤经α：过春分点作一极分圈（即过春分点的时圈），并通过天体ζ作一时圈，设它与赤道交于T点。则天体ζ的时圈面与极分圈面

所夹的二面角∠γPT，或大圆弧距γT称为天体的赤经，以α表示。

赤经的量度方法：从春分点γ起算，沿赤道按反时针方向（即与周日视运动相反的方向）计量，0到24小时。

5.1.4 黄道天球坐标系：

黄道坐标系的基圈是黄道，次圈为过春分点和黄极黄经圈，原点为春分点γ； 它用黄纬β和黄经l来表示天体在天球上的位置。

黄纬β：通过天体ζ作一黄经圈，设它与黄道交于R点。由R点沿黄经圈量至天体ζ的弧距Rζ称为天体的黄纬，以β表示。

黄纬的度量方法：从黄道起算，沿黄经圈向北黄极量为正，向南黄极量为负。其值：0到±90。

黄经λ：过春分点作一黄经圈（即过春分点和黄极的大圈），则天体ζ的黄经圈面与过春分点的黄经圈面所夹的二面角∠γKR，或大圆弧距γR称为天体的黄经，以λ或l表示。

黄经的量度方法：从春分点γ起算，沿黄道按反时针方向计量，0到±360。

5.2 天球坐标系之间的转换

天球坐标系是天文学中描述天空中物体位置的坐标系。类似于我们在地球表面上用到的地理坐标系。天球坐标系随着投影到天球上的坐标格网的不同而不同，沿着大圆将天空分成两个相等的半球的平面称为基础平面，而这种坐标系仅

仅会因为基本面的不同而不同。每个坐标系的名字是根据基本面的选择而定的。

5.2.1 天文坐标与天球坐标之间的关系

测站的天文纬度定义为测站的瞬时铅垂线与地球赤道面之间的夹角；测站的地球天文子午面定义为测站的瞬时铅垂线和地球瞬时北极所决定的平面；而测站的天文经度定义为格林尼治天文台的地球天文子午面与测站的地球天文子午面之间的二面角。另外，测站的地球天文子午面投影到天球上就是测站的天球子午面，而地球赤道面与天球赤道面平行（或在天球上重合）。

天球坐标与天文坐标间存在两个重要关系：

1）测站的天文纬度等于北天极的地平高度，也等于测站天顶的赤纬，即：

Φ = z + δ = δz

2）地面A、B两地同时观测同一天体的时角之差（tA - tB），等于A、B两地的天文经度之差（λA - λB），即：

A - λB = tA - tB

显然，若测站与各林尼治天文台同步观测一天体，则有λA – λG = tA – tG ，但λG = 0，故有：λA = tA – tG

由此可知，地面上任意一测站的天文经度，等于测站与各林尼治天文台在同一瞬间观测同一天体的时角之差。

5.2.2 地平坐标与时角坐标之间的关系

由天顶Z、北天极P和天体ζ为顶点构成的球面三角形称为定位三角形（也称天文三角形），局部图见图（5-5）。

在此定位三角形中，各边、角的数值如下：

= 900 – δ，

而∠PζZ = q 一般称为星位角。

根据球面三角形的边余弦公式可得：

根据正弦公式可得：

根据五元素公式可得：

及关系式：

因此，天体的地平坐标z、A和时角坐标t、δ与测站的天文坐标φ存在以上关系。 = 900 – φ， = z ∠ζPZ = t， ∠ζZP = 1800 - A

5.2.3 天球直角坐标系及其转换

地平直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向天顶Z，X轴指向地平坐标系的原点—南点S，由于地平方位角是由南点顺时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的右侧指向西点W。地平直角坐标系形成左手系。天体的直角坐标与其地平坐标的关系为：

时角直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北天极P， X轴指向时角坐标系的原点—赤道上点Q，由于时角是由上点Q顺时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该也在X轴的右侧指向西点W。时角直角坐标系形成左手系，天体的直角坐标与其时角坐标的关系为：

可见时角直角坐标系与地平直角坐标系有共同的Y轴，两个坐标系X轴或Z轴之间的夹角为测站的天文余纬度，即：900 – φ。

赤道直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北天极P，X轴指向时角坐标系的原点—春分点γ，由于赤经是由春分点γ逆时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的左侧90。赤道直角坐标系形成右手系，天体的直角坐标与其赤道坐标的关系为：

可见赤道直角坐标系与时角直角坐标系有共同的Z轴，两个坐标系X轴或Y轴之间的夹角为春分点的时角tr ，即地方恒星时S。

黄道直角坐标系：坐标原点在天球中心，Z轴指向北黄极K，X轴指向黄道坐标系的原点—春分点γ，由于黄经是由春分点γ逆时针量起（从Z轴往下看），因此Y轴应该在X轴的左侧90。黄道直角坐标系形成右手系，天体的直角坐标与其黄道坐标的关系为：

可见黄道直角坐标系与赤道直角坐标系有共同的X轴，两个坐标系Z轴或Y轴之间的夹角为黄赤交角ε。

根据前面讲述的坐标旋转矩阵方法，可导出天球坐标系之间的转换关系式。 时角直角坐标与地平直角坐标之间的关系：

赤道直角坐标与时角直角坐标之间的关系：

黄道直角坐标与赤道直角坐标之间的关系：

可见只要知道测站的瞬时天文纬度φ和观测瞬间的地方真恒星时s，就可将观测天体的地平坐标h和A转换成赤道坐标α和δ，反之亦然。

六 、大地天文学的方法及应用

大地天文学的主要任务是研究精确测定天文点的天文经纬度、方位角以及地方恒星时的理论和方法。已实现天文定位的地面点叫天文点。定位方法都是在测出某些天体的某些量（如天顶距z、高度h、方位角A或天体通过特定平面的时刻T） 后求解天文三角形。测定纬度的方法常用天顶距差法（或称太尔各特法）和等高法。无线电时号法与中天法专门用于测定经度。多星等高法则可同时测定经度与纬度。恒星时角法用于测定方位角。这些测定法在军事上得到广泛应用。军用地图的编绘、火炮射击目标的迅速定位和导弹等武器发射的准确性等，都需要用到它们。大地网的定向、测角的验核、部队战斗队形各要素的大地联测和部队战斗行动的测绘保障等工作，也都离不开天文定位资料。工程建设、海洋开发、国土整治、科学研究、军事测绘都需要进行大地网的布设。天文经纬度与大地测量结果相比对，可获得点位的垂线偏差，这是研究地球形状和大地水准面结构的必要参数。测量天文方位角可确定地面子午线的方向。天文方位角还可用以推算大

地方位角，从而控制大地网中的累积误差。大地天文学的测量精度通常在0.5″以下，固定的天文仪器则可达 0.05″ 左右。在保障军事行动的近似测量中，也可使用中、低精度的经纬仪，天文钟则可用精密秒表代替。

参考文献

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