2.2 天球与天球坐标系
2.2.1 天球
所谓天球就是人们站在地球表面上，仰望天空，平视四周时看到的那个假象球面。根据相对运动的原理，太阳就好像在这个球面上周而复始地运动一样。要确定太阳在天球上的位置，最方便的方法是采用天球坐标系。天球坐标系需要选择一些基本的参数。
2.2.2 天球坐标系
1.基本概念
天球坐标系是描述天体在天球上的视位置和视运动的球面坐标系。它包含基本点（原点、极点等）和基本圈（经圈、纬圈等）两个基本要素。
（1）天轴与天极。以地平面观测点O为球心，任意长度为半径作一个天球。通过天球中心O作一根直线POP′与地轴平行，这条直线称为天轴。天轴和天球交于P和P′，其中与地球北极相对应的P点，称为北天极；与地球南极相对应的P′点，称为南天极，如图2.2所示。
天轴是一条假想的直线。由于地球绕地轴旋转是等速运动的，所以天球绕天轴旋转也是等速运动的，转速为15°/h。天球在旋转过程中，只有南、北两个天极点是固定不动的。北极星大致位于天球旋转轴的北天极附近。
(2)天赤道。通过天球球心O作一个平面与天轴相垂直，显然它和地理赤道面是平行的。这个平面和天球相交所截出的大圆QQ′，称为天赤道，如图2.2所示。
（3）时圈。通过北天极P、南天极P′和太阳的大圆称为时圈。它与天赤道互相垂直，又称为赤经圈。
图2.2 天球坐标系示意图
（4）赤纬圈。天球上与天赤道相平行的任意小圆。
（5）天顶和天底。通过天球球心O作一根直线和观测点铅垂线平行，它和天球的交点为Z和Z′。其中Z恰好位于观测点的头顶上，称为天顶，和Z相对应的另一个Z′，则位于观测者脚下，称为天底。
(6)真地平。通过天球球心O与ZZ′相垂直的平面在天球上所截出的大圆SN称为真地平。
（7）经圈与天子午圈。通过观察者天顶Z的大圆，称为地平经圈，简称经圈。它与真地平是相垂直的，因此也称为垂圈。
通过天顶Z和北天极P的特殊的经圈PZSN，通常称为天子午圈。它和真地平交于点N和S，靠近北极的点N称为北点，而与北极正相对的点S称为南点。若观测者面向北，其右方距南北各为90°，E称为东点，而与东点正相对的点W称为西点，且东、西两点正好是天赤道和真地平的交点。
2.天球坐标系分类
天球的中心可以做不同的假定，由此可以确立如下不同的天球坐标系：①地平坐标系，天球中心与观察者位置重合；②赤道坐标系，天球中心与地球中心重合；③黄道坐标系，天球中心与太阳中心重合；④银道坐标系，天球中心与银河系中心重合。
下面针对太阳能工程中经常用到的坐标系进行详细介绍。
（1）地平坐标系。
以真地平为基本圈，南点为原点，由南点S起沿顺时针方向计量，弧SA为地平经度，转过的角度为方位角γs，由南向西方向为正；由地平圈沿地平经圈向上计量，弧的角度称为地平高度h，或由天顶沿地平经圈向下度量的角度称为天顶距z。显然，h+z=90°,如图2.3所示。
图2.3 地平坐标系示意图
易证，天极的高度角等于当地的地理纬度。
在航天、航空、航海、大地测量、测时工作中广泛应用地平坐标系。但地平坐标系随地球一起转动，且随观测者的地理位置而变化，所以（传统）天文观测中较少使用地平坐标系。
（2）赤道坐标系。
赤道坐标系通常分为第一赤道坐标系和第二赤道坐标系。
第一赤道坐标系又称时角坐标系。以天赤道为基本圈，天子午圈与天赤道两个交点中的靠近南点的Q′为原点。两个坐标分别是时角t和赤纬δ。时角由Q′起顺时针方向为正，按小时计量，记为t。赤纬由赤道圈为起点，向北为0°~90°，向南为0°~-90°，用δ表示，如图2.4所示。
天文中使用最多的是第二赤道坐标系，简称赤道坐标系。其以天赤道为基本圈，春分点为原点。坐标为赤经α和赤纬δ。赤经以春分点为起点，逆时针方向度量，0°到360°或0到24h；赤纬由赤道圈为起点，向北为0°~90°，向南为0°~-90°。若不考虑岁差，赤道坐标系为固定坐标系，不随地球自转而变化,如图2.4所示。
（3）黄道坐标系。
以黄道为基本圈，春分点为基本点。两个坐标分别是黄经λ和黄纬β。黄经以春分点为起点，逆时针方向度量0~24h；黄纬与赤纬的度量方式相似。黄道与赤道的夹角称为黄赤交角，为23°26′。
黄道坐标系不随地球自转，也不随观测点改变,主要用于描述太阳系天体的位置与运动,如图2.5所示。
图2.4 赤道坐标系示意图
图2.5 黄道坐标系示意图
（4）银道坐标系。
研究银河系内的天体位置常用银道坐标系。经过太阳且与银盘的对称平面相平行的平面称为银道面。银道面与天球相交的大圆即银道为基本圈。银道的几何极称为银极，与北天极邻近的银极称北银极。经过银极的任何大圆称为银经圈；与银道平行的小圆为银纬圈。银河系的中心方向（位于人马座）在天球上的投影必然落在银道上，取这点为银道坐标系的原点。从银河系重点方向沿银道逆时针方向度量到天球上一点的银经圈与银道交点的弧长为经向坐标，称为银经L，银经从0°~360°计算。从银道起沿过该点的银经圈度量到该点的大圆弧长为纬向坐标，称为银纬b，银纬向北为0°~90°，向南为0°~-90°。