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标  题: 赤道坐标系与中国古代天文学
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标  题: 赤道坐标系与中国古代天文学
发信站: 武汉白云黄鹤站 (2003年04月20日04:48:02 星期天), 站内信件

                          中国古代赤道坐标系

    著名科技史专家、中国科技馆馆长王渝生说，中国古代科技发明辉煌灿烂，光耀世
界，中医中药、十进位值制、赤道坐标系、雕版印刷术在中国古代科技发展进程中作用
以及对世界文明的贡献，与四大发明同等重要，完全可以称之为新四大发明。

    中国还是天文学古国，中国是世界上最早有文字记载太阳黑子、哈雷彗星、超新星
等天象的国家，王渝生说，中国古代天文计算采用的赤道坐标已经为现代天文学所采用
，中国成为领先世界采用赤道坐标的国家。古代天文学家在进行天文计算时分别依照地
球自转的赤道平面和公转的黄道平面确定坐标系，中国古代天文计算采用的是赤道坐标
，以赤道二十八宿为准研究日、月、五星的运动，西方则按黄道坐标，有所谓黄道十二
宫，这是两种不同的坐标体系。中国现存的古代观象仪器，像北京古观象台攀龙附凤的
多种观象仪，采取的都是赤道坐标。现代天文学研究证明，赤道坐标优于黄道坐标，现
代天文学已经用赤道坐标系统替代黄道坐标系统。

    地球赤道平面延伸后与天球相交的大圆，称为天赤道。天赤道的几何极称为天极。
天赤道是赤道坐标系中的基圈，北天极P是赤道坐标系的极。过天极的大圆称为赤经圈或
时圈，任何一个赤经圈都和天赤道相垂直。天球上与天赤道平行的小圆称为赤纬圈。天
体的赤经圈与天赤道相交于 B点，大圆弧σB =δ 就是天体在赤道坐标系中的第一坐标
，称为天体的赤纬(Dec)。赤纬也可以用平面角σOB 来量度。按规定，由赤道起向南北
天极两个方向计算δ ，从0°～±90°，赤道以北的赤纬为正，赤道以南则为负。天体
在赤道坐标系中的第一坐标，也可以用北天极到天体之间的大圆弧Pσ 或平面角POσ 来
量度,称为极距p。极距由北天极量起，从0°～180°。

   由于所取的主圈、主点以及随之而来的第二坐标的不同，赤道坐标系又有第一赤道坐
标系和第二赤道坐标系之分。第一赤道坐标系的主圈是子午圈，主点是天赤道与子午圈
在地平圈之上的交点F。天体的第二坐标是大圆弧FB=t或球面角FPσ，t称为天体的时角
。由主点F 开始按顺时针方向量度时角t,从0°～360°,或从0h～24h。周日运动不会改
变天体的赤纬，而仅仅使时角发生变化。第二赤道坐标系的主点是春分点Υ，它是黄道
对赤道的升交点。过春分点的赤经圈就是该坐标系的主圈。春分点的时圈与天体时圈之
间的球面角 ΥPσ或大圆弧ΥB=α，是天体在第二赤道坐标系中的第二坐标，称为天体
的赤经(R.A.)。赤经是由春分点开始按逆时针方向量度的,从0°～360°,或从0h～24h。
第一赤道坐标系是右旋坐标系,第二赤道坐标系为左旋坐标系。

   天体的周日运动不影响春分点Υ与天体σ之间的相对位置,因此也就不会改变天体的
赤经和赤纬,而在不同的测站、不同的观测时间，天体的时角却是变化的。所以，在各种
星表中通常列出的都是天体在第二赤道坐标系中的坐标──赤经和赤纬，供全球各地的
观测者使用。

    中国古代的天文史上，产生了许多杰出的天文学家，还有许多天文仪器，这些，直
接或间接的为人类的天文史作出了贡献。而这一切，都是在中国古代赤道坐标系基础上
的。

    张衡（78-139），字平子，南阳西鄂（今河南南阳县石桥镇）人。他是我国东汉时
期伟大的天文学家，为我国天文学的发展作出了不可磨灭的贡献；在数学、地理、绘画
和文学等方面，张衡也表现出了非凡的才能和广博的学识。

    张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一；他指出月球本身并不发光，月光其实是日
光的反射；他还正确地解释了月食的成因，并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢
与距离地球远近的关系。

    张衡观测记录了两千五百颗恒星，创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏
水转浑天仪，第一架测试地震的仪器——候风地动仪，还制造出了指南车、自动记里鼓
车、飞行数里的木鸟等等。

    张衡共著有科学、哲学、和文学著作三十二篇，其中天文著作有《灵宪》和《灵宪
图》等。

    为了纪念张衡的功绩，人们将月球背面的一环形山命名为“张衡环形山”，将小行
星1802命名为“张衡小行星”。

    20世纪中国著名文学家、历史学家郭沫若对张衡的评价是：“如此全面发展之人物
，在世界史中亦所罕见，万祀千龄，令人景仰。”　

    郭守敬（1231-1316）， 字若思，顺德邢台（今河北邢台）人，元朝天文学家、水
利学家、数学家和仪表制造家。

    郭守敬和王恂、许衡等人，共同编制出我国古代最先进、施行最久的历法《授时历
》。为了编历，他创制和改进了简仪、高表、候极仪、浑天象、仰仪、立运仪、景符、
窥几等十几件天文仪器仪表；还在全国各地设立二十七个观测站，进行了大规模的“四
海测量”，测出的北极出地高度平均误差只有0.35；新测二十八宿距度，平均误差还不
到5'；测定了黄赤交角新值，误差仅1'多；取回归年长度为365.2425日，与现今通行的
公历值完全一致。

    郭守敬编撰的天文历法著作有《推步》、《立成》、《历议拟稿》、《仪象法式》
、《上中下三历注式》和《修历源流》等十四种，共105卷。

    为纪念郭守敬的功绩，人们将月球背面的一环形山命名为“郭守敬环形山”，将小
行星2012命名为“郭守敬小行星”。

    一行（683-727），俗名张遂， 魏州昌乐（今河南省南乐县）人，唐代高僧和杰出
的天文学家。
     为了观测天象，一行与机械制造家梁令瓒合作，创制出了黄道游仪和水运浑象。在
掌握大量实测资料的基础上，一行重新测定了150多颗恒星的位置， 发现古籍上所载的
这些恒星位置与实际位置不符。

    从开元十二年（公元724年）起， 一行主持了规模宏大的天文大地测量，全国十二
个观测站中，以南宫说等人在河南所作的一组观测最有成就，经一行归算，得到了子午
线一度的长，这是世界上首次子午线实测。

    从开元十三年（公元725年）起， 一行历经两年时间编制成《大衍历》（初稿）二
十卷，纠正了过去历法中把全年平均分为二十四节气的错误，是我国历法上的一次重大
改革。

    一行还编写了《开元大衍历》、《七政长历》、《易论》、《心机算术》、《宿曜
仪轨》、《七曜星辰别行法》、《北斗七星护摩法》等。为了纪念一行的功绩，人们将
小行星1972命名为“一行小行星”。

    天体仪，古称“浑象”，是我国古代一种用于演示天象的仪器。我国古人很早就会
制造这种仪器，它可以用来直观、形象地了解日、月、星辰的相互位置和运动规律，可
以说天体仪是现代天球仪的直接祖先。北京古观象台上安置的天体仪（如图），是我国
现存最早的天体仪，制于清康熙年间，重3850公斤。

     天体仪的主要组成部分是一个空心铜球，球面上刻有纵横交错的网格，用于量度天
体的具体位置；球面上凸出的小圆点代表天上的亮星，它们严格地按照亮星之间的相互
位置标刻。整个铜球可以绕一根金属轴转动，转动一周代表一个昼夜，球面与金属轴相
交于两点：北天极和南天极。两个极点的指尖，固定在一个南北正立着的大圆环上，大
圆环垂直地嵌入水平大圈的两个缺口内，下面四根雕有龙头的立柱支撑着水平大圈，托
着整个天体仪。利用浑象，无论是白天还是阴天的夜晚，人们都可以随时了解当时应该
出现在天空的星空图案。

    我国东汉天文学家张衡，曾经在天体仪上安装了一套传动装置，利用相当稳定的漏
刻的水推动铜球，均匀地绕金属轴转动，每24小时转一圈，这一业绩已载入我国光辉成
就的史料库中。后来，唐朝的一行和梁令瓒、宋代的苏颂和韩公廉等人，把天体仪和自
动报时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟。

    “浑仪”是我国古代的一种天文观测仪器。在古代，“浑”字含有圆球的意义。古
人认为天是圆的，形状像蛋壳，出现在天上的星星是镶嵌在蛋壳上的弹丸，地球则是蛋
黄，人们在这个蛋黄上测量日月星辰的位置。因此，把这种观测天体位置的仪器叫做“
浑仪”。

    最初，浑仪的结构很简单，只有三个圆环和一根金属轴。最外面的那个圆环固定在
正南北方向上，叫做“子午环”；中间固定着的圆环平行于地球赤道面，叫做“赤道环
”；最里面的圆环可以绕金属轴旋转，叫做“赤经环”；赤经环与金属轴相交于两点，
一点指向北天极，另一点指向南天极。在赤经环面上装着一根望筒，可以绕赤经环中心
转动，用望筒对准某颗星星，然后，根据赤道环和赤经环上的刻度来确定该星在天空中
的位置。

    后来，古人为了便于观测太阳、行星和月球等天体，在浑仪内又添置了几个圆环，
也就是说环内再套环，使浑仪成为多种用途的天文观测仪器。

    简仪是我国古代的一种天文观测仪器，它与浑仪一样用于测量天体的位置。但是，
浑仪的结构比较繁杂，观测时经常发生环与环相互阻挡视线的现象，使用极不方便。元
朝天文学家郭守敬将浑仪化为两个独立的观测装置，安装在一个底座上，每个装置都十
分简单实用，而且除北极星附近以外，整个天空一览无余。因此，古人称这种装置为“
简仪”。

    简仪的主要装置是由两个互相垂直的大圆环组成，其中的一个环面平行于地球赤道
面，叫做“赤道环”；另一个是直立在赤道环中心的双环，能绕一根金属轴转动，叫做
“赤经双环”。双环中间夹着一根装有十字丝装置的窥管，相当于单镜筒望远镜，能绕
赤经双环的中心转动。观测时，将窥管对准某颗待测星，然后在赤道环和赤经双环的刻
度盘上直接读出这颗星星的位置值。有两个支架托着正南北方向的金属轴，支撑着整个
观测装置，使这个装置保持着北高南低的形状。这是我国首先发明的赤道装置，要比欧
洲人使用赤道装置早500年左右。

    中国古代天文学使用赤道系，这是其—大特色和创举，为现代天文学所沿用（古代
西方多用黄道系）。这给星表计算带来了巨大的便利。

    恒星之间的相对位置变化极小，因而恒星在天球上形成几乎固定不变的图形。为表
达恒星在天球上的位置，需要采用坐标系。由于赤道坐标、黄道坐标和银道坐标与地球
的自转没有关系，恒星坐标在这些参考系中的变化都很小，因此可以采用这两种坐标系
统来表达恒星位置。由于传统最精确，最方便的测定恒星位置的方法是利用子午环测定
恒星中天时刻和中天时的天顶距，而这两个数据又很容易化为赤经和赤纬，因而赤道坐
标系成为表达恒星位置的最常用的体系。

    恒星在赤道坐标系中的位置也不是绝对不变的。岁差，章动，光行差，视差等等都
是使恒星的赤道坐标发生变化的因素。古代的观测精度远不如现代，因此在以上因素，
仅考虑岁差和恒星的自行就可以了。

   １·岁差。由于太阳，月亮对地球赤道隆起部分的引力作用，地球自转轴在空间绕着
地球公转轨道平面的法线（即南北黄极的连线）旋转，周期约26000年。这样， 北天极
绕着北黄极以23.5度为半径，26000年为周期旋转。于是，本来不动的恒星， 在赤道系
中的坐标却以很大的幅度变化着。在赤道天区，恒星赤经变化每千年可达１３度，高纬
度天区变化就更大了。同样，行星对地球赤道隆起部分也有引力作用，其结果称为行星
岁差。行星岁差幅度较小，通常与日月岁差共同计算。晋代虞喜发现岁差导致冬至点的
移动，是我国最早发现岁差现象的人。　

    2.恒星各自本身也在空间不断运动。恒星空间运动在天球上的视投影称为自行。年
自行量虽然很小，但它不是周期性而是长期累积的，因而在古天文研究中必需考虑。恒
星的空间运动是三维的。自行只表述了它在天球表面的两维投影，它的另—个分量是视
向速度。由于坐标系的变化和恒星的空间运动，自行的两个分量（赤经自行，赤纬自行
）也在不断变化。星位计算还需要用到恒星的视向速度和距离，这对于自行值较大的恒
星是必不可少的，即使是用于古天文研究。而且由于古天文计算历元跨度极大，长期运
动的累积量相当可观。因而在岁差和自行的计算上往往要求比现代天文计算还要高。　
　　　
　　在过去的天文计算中，岁差和自行往往合并采用幂级数的方法计算。这种方法在计
算非拱极星不太长的历元间隔时（例 如不超过２５年），可以用上述公式的简单计算达
到较高的精度。对于拱极星或更长的时间，就还不—定能达到要求的精度。而且当历元
跨度很大时，幂级数收敛性很差，需要考虑很多项。这样导致 的繁琐计算，使级数方法
计算方便的优点完全丧失。　　　

    直角坐标矩阵转换，是当代天体测量学计算恒星位置的通用方法。这种方法在数学
上 是严格的。在解决拱极星和大历元跨度的问题上，优点尤为明显。随着计算机的普及
，直 角坐标矩阵转换的计算繁琐已经不再成为问题。

    早在16世纪以前，中国的天象观测已经达到非常精确的程度。中国古代天文学家设
计制造出很多精巧的观测仪器，通过恒星观测，议定岁时，上百次地改进历法。我国是
世界上古代天项纪录最多也最系统的国家，从殷商时代的甲骨文钟就可以找到当时的天
象纪录，我国历史上关于新星和超新星的记录约有80条，占全世界这类纪录的90%。古代
的天文学家孜孜不倦、夜以继日的观测日月和一些显著星辰的位置，探索其与季节变化
的关系，进而制定历法，为国计民生服务。其中，中国古代天文学最为发达。中国制定
的历法精度在十几个世纪里一直居于世界最高水平；中国古代天文学家的观测数据，更
是不可多得的宝贵资料。于这些，我们不得不叹服中国的赤道坐标系，也为次而感到骄
傲。
 
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