天球（Celestial Sphere）
本文作者：天疆说
定义
天球（Celestial Sphere）是以观测者为中心、半径任意大的假想球体，用于描述天体在天空中的视位置。所有天体（恒星、行星、太阳、月球等）都被投影到天球面上，用方向（角度）来表示其位置，而不考虑距离。天球是天文学和航天导航中最基本的参考框架。
核心要素
天球上的基本点和圈
天球上定义了一系列基本点和大圆，用于建立坐标系：
- 天顶（Zenith）和天底（Nadir）：观测者所在铅垂线向上和向下延长与天球的交点
- 真地平圈：过天球中心且垂直于铅垂线的平面与天球相交的大圆
- 天极（Celestial Pole）：地球自转轴延长与天球的交点，分为北天极和南天极
- 天赤道（Celestial Equator）：地球赤道面扩展与天球相交的大圆
- 黄道（Ecliptic）：地球绕太阳公转轨道面与天球相交的大圆，黄道面与赤道面的夹角约为 23.44°
- 黄极（Ecliptic Pole）：垂直于黄道面的直线与天球的交点
天体视位置
天体在天球上的投影位置称为视位置。由于地球自转和公转，天体的视位置会随时间变化。恒星的视位置主要受地球自转影响（周日视运动），行星的视位置还受地球公转和行星自身运动影响。两天体间的距离用它们在天球上的角距离（大圆弧对应的角度）来度量。
球面三角形
天球上的位置关系可以用球面三角形描述。球面三角形是球面上三个点用大圆弧连接所围成的图形，其边用角度度量（而非长度）。球面三角公式（余弦公式、正弦公式）是天文导航和轨道计算的基本工具。
应用价值
天球是航天导航和天文观测的基本参考框架。卫星的星下点轨迹、恒星敏感器的姿态确定、深空探测器的天文导航等都依赖天球坐标系。地月空间任务中的轨道设计和姿态确定同样需要天球参考框架。
相关概念
参考文献
- 郑伟, 安雪滢, 周祥, 何睿智. 空天飞行力学[M]. 国防科技大学, 2026.
- 任萱, 肖峰. 人造地球卫星轨道力学[M]. 国防科技大学出版社.