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1.1 你分得清东南西北吗？如何辨识方向
不管你是野外游玩的需要，还是想拓展自己的知识、能力，随时能辨识方向，还是很有必要的。当然，我们这里说的是在野外。在那种高楼林立的城市街区，没法找到路时，我们只能是靠路标、靠警察，或者打开你的手机导航吧。
想做“驴友”去闯天下，那是要做专业准备的，不属于我们讨论的范畴。我们的目的只是从告诉你如何辨识方向开始，引导你去认星星，去识别星空，去认识宇宙、大自然。
一般在野外都是利用指南针和地图来分辨方向。如果没有指南针和地图，可就麻烦了，那就一点办法也没有了吗？放心，大自然会救你，你的天文学知识会救你！根据太阳、月亮、星星或是树木生长的情况，就可以辩识出我们所在的方位。
我们先来点实际、简单的。气定神闲，先从身边的事物开始。
（1）由树枝生长的情形分辨（图1.1）
图1.1 树木若吸收充分的阳光，枝叶自然生长茂密。由此可知，树叶茂密的部分即为南边。靠近太阳的一边（我们在北半球是南边更靠近太阳啦），光合作用明显，树叶茂密的同时也需要更粗的树干
（2）由树叶生长的方向辨别（图1.2）
图1.2 花草树木皆有向阳的特性，叶面所朝的方向即为南方
（3）由树木的年轮辨别（图1.3）
图1.3 如果周围有截断的大树干时，可借由年轮的情形加以分辨方向。相邻年轮距离较宽的一方，即为阳光充足能使树木生长良好的南方
（4）由石头或树根的青苔辨别（图1.4）
图1.4 利用青苔喜欢生长于潮湿地方的特性，找出背阳处，进而分辨出向阳的南方
利用附近的事物是能观察南北方向，但为了得到充分的证实，我们还是要得到远方物体的求证。
（1）以山上树木生长的茂密情形判断（图1.5）
图1.5 向南的树木生长较向北的树木快。以此可分辨出南北
（2）以民宅的坐向判断（图1.6）
图1.6 山上的民宅（尤其是庙宇）多为坐北朝南的建筑，并且会在北侧种植树木以防止寒冷的北风，依此原则也可判别出南北
戴手表又成了一种“时尚”。手表不管价格高低，有指针的表盘都可用来判断方向。看图操作吧。
（1）将手表摆平，中央立一火柴棒（小树枝亦可，图1.7（a））；
（2）旋转手表，使火柴棒的影子与短针重叠（图1.7（b））；
（3）阴影与表面12点位置之间中央的方位即为北方（图1.7（c））。
图1.7 利用手表判断方向实际操作图
我们再把我们的视野和“标的物”放大一点、放远一点。这次我们用太阳和月亮。
（1）在平地上直立一长棒，在棒影的前端放置一小石头A（图1.8（a））；
（2）10~60分钟后，当棒影移至另一方时，再放置另一小石头B于棒影的前端（图1.8（b））；
（3）在两个石头间画上一条线，此线的两端即为东西，与此线垂直的两端即为南北（图1.8（c））。
图1.8 使用木棒、小石头，利用太阳阴影的移动测定方向
如同我们可以用观察太阳移动的位置分辨方向一样，借由月亮的形状和它的移动我们也可以找出东南西北。
（1）上弦月（图1.9）
图1.9 上弦月黄昏时由南方天空升起，深夜则沉没于西方地平线
（2）满月（图1.10）
图1.10 满月黄昏时由东方地平线升起，清晨则沉没于西方地平线
（3）下弦月（图1.11）
图1.11 下弦月深夜时由东方地平线升起，清晨则位于南方天空上
如果夜空中出现美丽的星斗，我们可由北方三星座找到北极星。
（1）大熊座的A处长度加上5倍同等距离的长度；
（2）仙后座的B处长度加上5倍同等距离的长度；
（3）小熊座的尾端即为北极星所在位置（图1.12）。
图1.12 利用北斗七星“斗口”的两颗“指极星”和仙后座的W形状去找到北极星，那里就是北。而且，北极星的地平高度就是当地的地理纬度
还可以利用其他的星座来找寻北极星以及确定方向，这需要在你熟悉了更多的星座之后。我们会在后面的内容中陆续为大家介绍。比如，在我国的南方，秋冬季节北斗七星已经跑到地平线以下了，我们除了可以利用图1.12的仙后座W形状之外，还可以利用由飞马座和仙女座四星组成的“秋季大四方”，它被称作天上的“天然定位仪”，不仅能找到北极星，还能很方便地确定南北、东西。
实际上，在很早的古代，人们就已经用观察星星方位的方法来确定方向了。不过，古人观星定向也经历了一个发展、变化的过程。你会说，观星定向？太阳那么大、那么明亮，干吗还要去认星星辨方向呀？哦，晚上有太阳吗？就算是白天你敢“直视”太阳吗？那就用月亮好啦！我敢直视月亮，而且月亮似乎是白天、晚上都有的。是呀，那么大、那么明亮的月亮，难道我们的祖先就没有想过去利用它，而是费力地去找星、辨星用来定方向？原因当然有，听我们慢慢说。
太阳耀眼的光芒使人对其无法直视，更何况太阳高悬天际，也没法用一般工具直接测量。所以要测量太阳的运行轨迹，必须采用间接手段。
怎样做呢？通过观察，古人发现，被阳光照射的物体，一定会有相应的阴影。于是，人们不难联想到：只要将某一有固定长度或高度的物体，长期固定在某一能被阳光全天候全方位照射的地方，那么就可以通过测量此物体阴影的变化来追索出太阳的运行规律。这样，人类最早的辨别方向以及计时的工具和方法就出现了——立竿测影。
所谓“立竿测影”，就是将一根木杆树立在一片露天的空旷地面上，通过观测每日每时木杆影子的长度和角度变化来测算具体的方位、时节和时点。古人“立竿测影”法的原理，在其具体应用上，我们可以做如下推测。
立竿测影法最先可能是用于测量每日“日中”时点的变化。太阳东升西落的运行轨迹变化会在不同时点上留下不同角度的阴影，通过测量阴影角度的变化就能推算出具体的时点。被用作时辰报点的“日晷”就是依据此原理制成的。然后随着人们日复一日、年复一年的不断测量，通过大量的数据积累会发现，同一个时点在每年不同日子里，其杆影的长度也呈现周期性的变化。我们的祖先生活在北回归线以北、北极圈以南，他们发现：每年天最炎热的时节里，太阳运行的轨道相对靠近北部，此时的杆影相对偏短；而每年最寒冷的季节里，太阳运行的轨道相对靠南，此时的杆影相对偏长。为了准确测量此变化，我们的祖先又做了更精确的测量：以每日正午太阳运动至轨道最高点、杆影最短时的杆影长度为基准，准确测量一年四季（实际是最冷的一天的一个周期循环）中每一天正午时刻杆影的长度，然后记录下每天此时杆影长度的数值，从而得出四季流转中太阳运行的规律。通过数据比对不难发现，一年中必有那么一天日影最长、一天日影最短，这最长的一天就是被后世称为“冬至”，最短的那天就是“夏至”。在确定了冬至和夏至这两天后，在由冬至到夏至和夏至到冬至的两个半年里再进行对半分，则得到了“春分”和“秋分”这两天。（虽然春分和秋分在立竿测影上并无显著特征，但这两天在确定“天赤道”的方法里有不可替代的作用。）这种通过测量杆影长度变化来确定一年内具体的每一天的方法，后来演化成“圭表法”。
在掌握了“圭表法”计日后，人们自然会因为杆影长度的几个特征数值而注意到一年中四个特殊的日子——冬至、夏至、春分、秋分。而这四个日子在圭表上则反映为三道被着重标记的刻线：冬至点标线离测杆基点最远，夏至最近，春分和秋分时标线到基点的距离等于测杆长度，如图1.13所示。
图1.13 古人经过一个“冷暖冷”周期的测量，利用太阳影子的周期性变化，确立了两分两至点，从而确立了方向
因为这三道线在圭表法中是一年时节四等分的依据，所以其重要性独一无二、无可替代。我们的祖先为了彰显其重要性，还将其作为文饰而到处刻画。从一些考古发掘出的出土文物中就可见一斑，如图1.14所示的象牙梳就是大汶口文化的遗物，其表面就刻画了一圈呈横“8”字形回旋的“三”字纹。
图1.14 大汶口文化距今6500—4500年，延续时间约2000年
这种“三”字纹很有可能就是后世阴阳八卦的原形。不过，在那个时代也没有今日之“阴阳”。虽然从红山文化（距今五六千年）发掘出的玉器中，我们可以发现当时已经有了雌雄两两相比的概念，并有向“阴阳”概念发展的趋势，但我们并不能因此而断定当时也会有从“阴阳”推演出的“八卦”。况且，从进化论的角度来看，事物的发展大多会经历从简单到复杂、从孤立到系统的过程。而即使是相对简单的各只有三道线共八个卦象的先天八卦，其中也包含了不少的数理计算。因此，很难想象“八卦”能被一蹴而就地发明出来（神话中，伏羲根据天地图形一下子画出来，据说那来源于上天的传授），而应该是经历了反复推演变迁后所得的，八卦应该有更原始、更单纯的雏形源出。所以八卦的雏形起源于没有“阴阳”之分的“三”字纹是种合乎逻辑的推测。后世的八卦很有可能就是“三”字纹与“雌雄相匹”这两种意识交融的成果，两者交融从而催生出“阴阳八卦”。
从考古上看，华夏先祖早在5000年前就已经掌握圭表测量的技术，安徽含山一距今5600年至5300年的考古遗址中所发现的一块玉制龟板上就有表示土圭测日的痕迹，如图1.15所示。
图1.15 龟板上的痕迹具有明显的规律，且有方向性的指示
从此玉龟板上看，当时的古人不仅知道了春分、秋分、冬至和夏至，还有了立春、立夏、立秋和立冬的概念。至此可以认为，我们的祖先已经有了一套相对精确的计时方法，可以通过太阳的变化来测算出今天处于一年四季中的哪个节点上、今时又处于一天中的哪个点刻上。有了这种精确的计时方式，何时进行种植业的播种收获就有了准确的依据，种植业才能高效地运行而规避因择时错误而带来的巨大损失。这在人类生产力发展的历史上是个重大的进步，有了种植业的发展，人类就能用同样面积的土地养活更多的人，从而释放剩余劳动力来从事其他工作，为人类的进步打下了坚实的基础！
“圭表法”纪日是在新石器时代晚期的生产力条件下所能运用的一套最有效的计时和判定方向的方式。但这套方法在当时却有个明显的短板——需要有专职的观测员脱产（不种地）从事日象观测；并且需要长期（跨年度）固守在某一固定地点才能有效展开工作。这两个问题放在生产力高度发达的当下来看，简直不是问题，但在新石器时代晚期却是个重大难题。
首先，在当时的生产力条件下，各部落的人口总数是相当少的。从目前的考古发现来看，当时一般的城邑也就能容下千把人的人口，其规模也就相当于现在的一个村。受当时的农业水平限制，当时的粮食亩产量是相当低的，不及今日的十分之一（当时的耕种主要为“刀耕火种”，纯粹靠山吃山，没有灌溉、施肥等人工助产手段）。所以在当时生产力条件下，要每个村都来供养几个专职的天文工作者是不现实的。村里人各种各的地，也仅能保证温饱无虞，还要防备各种天灾人祸带来的风险，所以一个小城邑或村落的有限剩余农产品是难以“供养”一套专职的天文观测班子的。因此，当时有限的生产能力是不支持绝大多数城邑村落来长期从事“立竿测影”这一脱产工作的。
其次，当时的农业生产方式也难以保证个人能长期固守某地从事立竿测影工作。众所周知，最早的种植方式是“刀耕火种”，即先以石斧砍伐地面上的树木以及枯根朽茎、草木晒干后用火焚烧。经过火烧的土地变得松软，不用翻地，利用地表草木灰作肥料，播种后不再施肥，一般种一年后易地而种。这种一年一转移的生产方式是新石器时代晚期最普遍的种植方式，如果天文观测人员也跟着进行转移，那么所测得的日影数据必然会引入年际间的地域误差，这对确定具体时节的精确度是会造成重大影响的。
另外，使用立竿测影法就必须先清理出一片大面积的平坦开阔的露天广场，这样才能保证阳光不受遮蔽阻挡地照射到测影竿上。这问题在田亩连片的后世并不难解决，但在灌木连片成林的洪荒年代，要开垦出一大片空旷地也绝非易事。这也需要耗费不少的人力才能办到，对一般的小城邑或村落而言，是笔沉重的经济负担，没有一定规模的生产力也是难以承办此事的，若是在山区就更困难了。
所以，以立竿测影为原理的圭表法纪日，虽然在技术上能保证计时的准确度，但其人力投入也较大，一般村落难以负担其高昂的经济花销。所以圭表法纪日难以全面推广，我们的祖先需要更经济实惠的方式来解决年内纪日的问题。但此时在太阳观测技术上已经难以再有突破性的技术创新了，于是人们就将目光从白天的太阳转移到了夜晚的星星，希望从星星变化中找到与太阳运行相关的规律，来降低纪日工作的经济成本，以利于推广普及。
夜晚的星空中最明亮也最易被观测到的天体，当首推月亮。古人应该先想到月亮呀！但是相对于恒星，月亮的变化规律对于古人来说太难以掌握了。现今我们所用的传统农历，也是以回归月的29.5天为一个周期来纪月，对于我们是早已习惯了这种纪月方式，所以往往也就理所当然地认为自古以来都是这么纪月的。那么历史真的是这样的吗？
首先，出土文物并不支持此观点。在整理安阳殷墟的出土甲骨时，学者们就发现：殷商甲骨中有不少在“十三月”所做的占辞，而当时各个月的时间也并不固定，最少的仅28天，最长的有32天——可见当时并没有形成一套持久稳定的纪月方式。从出土文物所示内容以及专业学者的研究来看，中国古代制定出一套完整的以月纪年的方法（19年7闰），最早也只能追溯到西周中后期。还有，从近些年挖掘出的山西陶寺天文台遗址来看，最早的纪月方式似乎并不是一年12个月，而是一年10个月（那时候一年有5季：春、夏、长夏、秋、冬，按木、火、土、金、水的相生关系而自然循环，两个月对应一季，似乎是很明显也很有道理的）。今天地处西南的彝族依然使用一种一年十等分的十月历。由此可见，今天所用的“19年7闰”的农历并不能想当然地认为“自古有之，理所当然”。很有可能初始的纪月方式并非以回归月的29.5天为基数基准。
其次，要发现“19年7闰”的月相变化规律其实并不容易。因为在人的潜意识里，喜欢以2、3、5这三个数为起点，并通过对这几个数的不断扩大倍数来寻找物理运动的数理关系。但“19年7闰”中的两个数“19”和“7”都是质数，与2、3、5之间不存在倍数关系，所以要找到19与7之间的数理联系是需要通过大量的对观测数据的处理才能得到的。
其实，直到春秋战国前，人的平均寿命也就40多岁——那就意味着人的一生一般也就能见到两个完整的“19年”轮回而已。所以个人要在有限生命中，通过有限的天文数据积累来归纳总结出“19年7闰”的年月周期，是件很难办到的事。只有当天文观测数据足够多时，才能建立可靠的数理模型。按统计学的观点来看，至少需要20组数据的分析才能达到样本足够大、偏差低于5%的数学要求。因此，很难想象在新石器晚期，在有限的观测记录和艰难的保存手段下，我们的先祖就能积累足够多的数据来发现“19年7闰”的月相变化规律。
由此看来，月亮虽然是夜空中最容易被观测到的天体，但其本身独特的运动规律让人难以捉摸，故以月亮的运行轨迹为坐标来简洁明了地追踪和表述太阳的运行轨迹是难以实现的，我们的祖先必须去找到其他的标记方式来标记太阳的运行规律。但夜空中除了月亮外，就是漫天星辰了；在这么多的星辰中，又该挑选哪些既有明显特征，又能被明显观测到的星辰呢？
在漫天的星星中，首先排除的就是金、木、水、火、土五大行星（这是西汉以后对五大行星的称呼，东周以前并不如此命名）。虽然这五颗星的运行轨迹完全不同于其他星辰自东向西的运行规律，各有各的特色且易于辨认，但这五大行星的运行并不遵循固定（视）轨迹运行，会令初学天文者感到难以捉摸。水星（古称辰星）和金星（古称太白）只有在日出前或日落后的一段时间里出现，还不是全年都能看到；火星（古称荧惑）红色的色泽在漫天星辰中显得与众不同，但其时快时慢的运行轨迹让人无所适从；木星（古称岁星）和土星（古称镇星）是自西向东运行，与其他星体的运动方向相反，而且它们的运行周期太长。五大行星与众不同各具特色的运行轨迹使得它们难以被用于作为纪年纪月纪日的基准星（木星比较特别，被称为岁星，是因为它具有12年的公转周期），所以它们首先被排除出候选名单。
其他的星辰虽然都是每晚自东向西运行，且星与星之间的距离与位差始终保持恒定——这也是“恒星”一词的由来——但在数以万计的星辰里，究竟选哪些星辰作为基准的标志星比较合适呢？
仰望夜空会一目了然地发现：整个夜空的恒星在从黄昏到黎明的整个黑夜里，都是像太阳那样从东方升起西方落下，并且也是沿着与太阳运行轨道类似的圆弧轨道运行。于是，古人们自然会思索：能否在这漫天的繁星中找出些易于被观测并有显著特征的星，作为计时的基准标识，并以此为基础制作一套报时定位系统呢？
经过反复的观测，我们处于北半球中高纬度的祖先终于发现：所有恒星的圆弧运动都似乎是在围绕同一中轴作圆周运动，而这个中轴就在天穹上的顶点，应该在北方天空的某一点上，这个点就是所谓的“北极”。如《晋书·天文志》就明确指出：“北极，北辰最尊者也，其纽星，天之枢也。”随着更多、更深入的观测，人们又发现，这条“中轴”并不与地平面平行，而是与地平面成一定角度的夹角。而天空中北半球的某些星也因此在一年四季中的无论哪一天都能整夜出现在夜空中，这一片天空构成了后来所谓的“恒显圈”（我国天区分布中最重要的三垣里的恒星基本都属于这里）。这片天空面积所占的比重在夜空中最大，这里的星辰运动轨迹差异也最大。另一部分星在一年中的某些时候是无法被观测到的。当然，还有一部分星因为地轴倾角而始终无法被观测到，也就是后来所谓的“恒隐圈”，但这部分始终看不到的天空显然不在当时古人的考虑范围中，因为这片看不到的天空显然是没有“实用”价值的。于是，我们的祖先就从恒显圈入手，找寻具有观测和实用价值的星或星群。最明显的当然就是“北斗七星”啦！
古人说到的“北斗”，大家马上就会联想到呈勺状的北斗七星（图1.16）。是的，北斗七星是北半球较为明亮的一组星，不仅我们中华民族的先祖观察到了这一组亮星，北半球其他中高纬度的先民也都看到了它们，譬如古希腊所划分的大熊星座就是以北斗七星为主的星座，生活在北极圈的萨米尔人（瑞典）也有类似的北斗星座，等等。
图1.16 在旷野中用一般相机拍摄到的北斗七星
为什么北半球的先民都会不约而同地选择北斗七星作为计时定向的工具呢？其实原因也很简单——北斗七星是夜空中最容易被区别和观测的一组亮星。
首先，北斗七星处于北半球天空的恒显圈中，一年四季都能在夜空中被观测到，观测北斗七星可保持观测的连续性；其次，北半球的亮星比南半球的少，而北斗七星又是北半球中少有的一组亮星，所以北斗七星是相对最容易被识别和区分出的一组亮星。观测者在追踪北斗七星的运动轨迹时就不会被其他亮星干扰，对天文初学者来说“易标识”是相当重要的一点。基于以上两点，北斗七星就自然成为居住于北半球中高纬度各地先民的首选天然“报时器”加“定向仪”。
我们的祖先在对北斗进行长期观测后发现，在一日内的整个夜晚中，北斗七星围绕着北极点作圆周运动（图1.17）。而经过长期的进一步观测后，人们发现：若选择每天同一固定时间观测北斗七星，那么将其全年在此时间点上（每天）所处的位置进行连线，得到的依然是一个以北极为原点的圆周。因此，人们会思考：能否以每日内的一个固定或相对固定的时间点位为基准，通过观测北斗七星的位置来确定每日处于年内的哪个具体时间节点上，从而制作一套相对圭表法而言更加简单易懂的纪日定向方法呢？
图1.17 通过计算机推演的2000年前黄河流域的星象夜景
在开始动手制作新的报时器后，遇上最大的难题就是：在一夜中，选择哪个具体时间点观测北斗七星的方位变化，由此来作为全年观测分析的基准呢？这个问题在今天看来简直不是问题，只要大家对个表、定个时不就解决了吗？但遥想在四五千年前的远古，别说钟表，当时连个钟摆沙漏都没有，甚至漏刻之类的最原始计时工具也没有，而日晷圭表之类需要阳光照射才能报时的工具在夜晚又起不到丝毫作用。在这样的情况下该如何确定具体的计时基准点呢？
在当时的生产力条件下（新石器时代），一天内有两个时间节点相对其他时段最容易把握，那就是黄昏和黎明。在这两个时间节点观测，相对其他时段有何优势呢？
首先，黄昏时太阳刚落山，黎明时太阳即将跃起，此时天空由亮转黑和由黑转亮，这两个转换过程都是在相对较短的时间内完成的，一般都不超过三刻钟（图1.18）。相对于漫漫黑夜，这两个时间节点的时间跨度是小得多的，因此，观测不占用劳作人员很多的时间，精力容易集中。进行星象观测所得的数据的精确度也容易得到保障。
图1.18 黎明（上）和黄昏（下）时的天象
其次，在这两个时间点里观测天象，也能与日晷计时做有效结合。因为，在黎明时，太阳刚从东方地平线露头时，已经有一缕阳光照射到了日晷上，通过日晷已经能大概知道具体时间。而此时光线还很微弱，不足以照耀整个天空，此时西方的天空还处于夜色中，依然能在此时看到西方天空的星辰。同样的道理也适用于黄昏，此时太阳即将西沉，西边的最后一缕阳光还能照射到日晷上，但已经无法照耀东方天际，东方夜色已露，星辰也随之显现。
在确定了两个最佳观测时段后，又应该在两者中选择哪个时段作为基准观测时间点呢？是黄昏，还是黎明？根据各种记载和文献来看，我们的祖先首先选择了黄昏作为观测基准时段。那么相比于黎明，黄昏的优势又在哪呢？
首先，人的自然作息规律是日出而作、日落而息，一般在天亮后人才会醒来，在日落后人才会休息。所以黄昏时刻，人还处于一天中的活动周期内，此时更能专注精神从事天文观测，并且在此之前有充裕的时间做与之相关的准备工作。反观在黎明时分进行观测的话，人刚从睡眼惺忪的状态中醒来，人的精神和体能状态都远未达到最佳状态。若要提前做准备工作的话，更是要在黎明前的黑暗中摸索，这在缺乏人工照明的远古可是件难度不小的工作。由此可见，两相比较后，显然在黄昏时刻观测天象更有利于天文工作的展开，先祖最早约定的天文观测基准时间也因此被定格在黄昏时刻。
在确定了黄昏为基准观测时刻后，再来看北斗七星在一年内的黄昏中有哪些具有典型特征的方位变化。经过观测发现，在冬至前后的冬季中，黄昏时刻北斗七星的斗柄指向北方；在夏至前后，黄昏时刻指向南方；在春分前后，黄昏时刻指向东方；在秋分前后，黄昏时刻指向西方（图1.19）。这就是战国著作《鹖冠子》中所指的：“ 斗柄指东，天下皆春；斗柄指南，天下皆夏；斗柄指西，天下皆秋；斗柄指北，天下皆冬。 ”后来人们在此基础上，又在四个对角线上加入了“立春、立夏、立秋、立冬”的概念，加上原有的“春分、秋分、冬至、夏至”，一年被八等分、形成了“八节”的概念。
图1.19 同样是计算机模拟的3000年前我国战国时期黄昏时刻天空中北斗七星的形态，春季指东（a）、夏冬则指向南北（b）、（c）
至此，人们终于制作出了另一套可用于年内纪日的报时定向系统，并且相比于圭表法，北斗报时系统的操作更方便。圭表法必须常年固定在某一区域，并配有专职天文观测人员，才能有效运作；而北斗报时系统的要领简单，每晚黄昏时刻仰天一望就一目了然，易学易操作。因此，北斗报时定向系统就成了当时普通大众所熟知的计时器和定位仪，北斗的文化影响力也由此奠定！
利用天上的星星定位，我们就必须先要为星星们定位。也就是在天上人为地画出（规定）一些点、线、面，用它们来确定天体在星空中的位置。而这些点、线、面构成的体系就是我们观测天体所使用的天文坐标系。最常用的天文坐标系有地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系，其他针对特殊的需要还有诸如白道坐标系（专门用来观测月球）、银道坐标系（专门用来观测银河系）等。
无论是什么形式的坐标系，无论我们要做什么观测，都是要在地球上进行的，所以，我们先来了解和“规划”地球吧。
（1）地心地轴和地球上的经纬线
地心： 地球的中心叫作地心，也就是球体地球的球心（图1.20）。
地轴： 理论上来说，任意穿过地心在地球表面对称的轴，都可以称之为地轴。不加说明的话，一般来讲地轴指的是地球的自转轴。
地极： 地轴在地球表面对称出现的两点叫地极。由于地球自转是由西向东的，所以，地极有南极和北极。地球上存在三套地极系统：通常所指的是运动的南北极（对应的是自转轴）、地理上的南北极和几何意义上的南北极（地球并不是标准的球体）。
图1.20 地心、地轴、地球南北极
经线（子午线）： 通过地轴的平面同地球相割而成的圆（图1.21（b））。经线都是大圆的一半，都在两极相交，大小相同。
纬线： 垂直于地轴的平面同地球相割而成的圆（图1.21（a））。纬线相互平行，大小不等。
图1.21 经线和经线
经纬网和经纬度： 由东西走向的经线和南北走向的纬线构成的“网”，就叫经纬网。分别从零度经线和零度纬线开始度量的系统称之为经纬度（系统），用来给出地球上某点的位置（坐标）。如图1.22所示。本初（起点）子午线规定为通过英国格林尼治(Greenwich)天文台的经线（1884年确定），也叫0°经线；经过赤道(equator)的大圆称之为0°纬线（图1.23）。
图1.22 经度就是某地经线到本初子午线的角度（b）；纬度则是经过某地的纬线的那个小圆与赤道面的夹角（a）
图1.23 经度从本初子午线开始向东、向西各180°记数（a）；纬度从赤道开始向北、向南各90°记数（b）
（2）地理坐标
某地的经度和纬度相结合，叫作该地的地理坐标。地理定位就是将地理坐标与地球上的点一一对应。书写按惯例是先纬度，后经度；数字在先，符号在后。如北京（39°54′N, 116°23′E）、舟山（29°57′N，122°01′E）。
地球上的方向通常是指地平方向。南北方向（经线方向），是有限方向；东西方向（纬线方向），是无限方向，理论上亦东亦西；实际上非东即西。
我国传统上把正午太阳所在方向定为正南，而把日出日落的方向视为东西方向；东西方向与地球自转相联系，可以这样判断：右手大拇指伸出，其余四指弯曲，大拇指指向天北极，其余四指弯曲的方向为自西向东的方向。在用时针的方向表述地球自转方向时，必须明确观测者是立足于哪个半球观测地球自转的。
（3）特殊的标志
本初子午线之所以在伦敦的格林尼治，是和“日不落”的大英帝国相关联的（图1.24）。目前那里更多地体现为旅游标志地。
图1.24 “日不落”的大英帝国和本初子午线标志
厄瓜多尔位于南美洲西北部，赤道横贯国境北部，厄瓜多尔就是西班牙语“赤道”的意思。厄瓜多尔一家名为“世界中心”的主题公园自称位于赤道上，而经全球卫星定位系统（the Global Positioning System,GPS）测定，根本不是那么回事。这家主题公园自己画的0°-0＇-0＂纬度线并不是真正的赤道（图1.25），而是偏北了240米。对此，公园官方解释说，位于公园内的赤道纪念碑修建于1936年，那时的定位技术不像现在这么精准。据悉，这家公园为国家所有，每年能够吸引大约50万名来自全球各地的游客。有趣的是，前往参观真正赤道线所在地的游客却少于前往主题公园的游客人数。
图1.25 位于厄瓜多尔“世界中心”的主题公园内的赤道标志线
地球的标志线中，唯一经过我国的就是北回归线。广东是世界上建有北回归线标志最多的地方，中国大陆最早的北回归线标志在封开，中国大陆最东的北回归线标志在汕头，世界最高的北回归线标志在从化（图1.26（b））。夏至中午，在汕头、从化和封开三处的北回归线标志，都可观察到阳光从北回归线标志的顶部圆孔直射到地面的景象。最佳观赏时间是：汕头北回归线标志12时15.4分，从化北回归线标志12时27.8分，封开北回归线标志12时35.8分。此外，云南的墨江建有“北回归线公园”（图1.26（a）），为我国的科普事业贡献很大。
图1.26 云南墨江的“北回归线公园”（a）和广州从化的“北回归线标志塔”（b）
人类最早用于观测天体的坐标系是“地平坐标系”，它的主要构架为地平圈、等高圈和北南东西四个标准点。地平坐标系更适用于确定地理方位，随着人们对星空观测的需要，逐渐开始采用“赤道坐标系”和更容易对黄道天体（太阳、月亮、五大行星都属于黄道天体）的观测而进化采用了“黄道坐标系”。
（1）天球和天体的运动
敕勒川，阴山下，
天似穹庐，笼盖四野。
天苍苍，野茫茫，
风吹草低见牛羊。
这首古代的北朝敕勒民歌有着多么宽广的气概呀！天似穹庐，我们一直就把我们头顶的天空称为“天穹”，把一望无际的天边（线）称为“地平线”（图1.27）。
图1.27 在我们头顶上像一个“锅盖”一样的“天穹”（a）和黎明时在天际边的“地平线”（b）
“天穹”是地上的半个（天）球，不难想象地下也应有半个（天）球，合成在一起就是一个——天球。天球就是以地心为球心，半径为任意的假想球体（图1.28），是表示天体视运动的辅助工具，它是一个完整的球，是一个我们目力所及的圆球。我们设想天体都是在天球上运动的。在天文学研究中，也有地心天球和日心天球之分。
图1.28 天球的半径是任意的，所有天体，不论多远，都可以在天球上有它们的投影。这里显示的是地心天球，主要用来研究天体的视运动。替代地球，以太阳为中心的天球叫日心天球，主要用来进行天体运动研究的动力学计算
随着地球一天的自转，反映到天体就是“周日视运动”。对于地球观测者，天球围绕我们以与地球自转相反的方向（向西）和相同的周期旋转。天球上的天体则随着地平高度的不同，它们周日“视”运动行经的路线，越近天极的天体周日圈越小，反之亦然（图1.29）。
图1.29 天体周日视运动的轨迹，天文学称之为“拉线”
天体除去“周日视运动”，还参与“周年运动”。比如太阳的周年运动（图1.30）方向是自西向东，与地球公转方向相同。太阳“周年视运动”的视行路线被称为黄道。天体的“周年运动”还会产生星空的季节变化（图1.31）。
图1.30 太阳的周年运动
图1.31 由于地球绕太阳公转造成的太阳周年视运动而产生的四季星空更替的现象（图中对应的是观察者当地时间晚上8时左右的星空），这一现象也可以由地球的自转产生，只不过地球自转的24小时中，有12个小时星空被太阳的光芒所覆盖了
太阳同时参与两种相反的运动。由于地球自转而随同整个天球的运动，方向向西，转一周为一日；由于地球公转而相对于恒星的运动，方向向东，巡天一周为一年；所以，太阳的周日运动由于参与周年运动的原因是落后于永远不动的恒星的。
（2）天球上的圆和点
根据天文坐标系的需要，我们在天球上设置了一些基本的圈和点（图1.32）。
三个基本大圆： 地平圈、天赤道、黄道。
三对基本（极）点： 地平圈两极——天顶和天底；天赤道的两极——天北极和天南极；黄道的两极——黄北极和黄南极。
各大圆所产生的（重要）交点： 天赤道交地平圈——东点和西点；黄道交天赤道——春分点和秋分点。
图1.32 天球上根据天文坐标系的需要而设置的基本圈和基本点。（a）地平圈与天赤道的交点（东、西）和远距点（南、北、上点、下点）；（b）黄道与天赤道的交点（春分秋分）和远距点（夏至冬至点和黄道起始点）
天球上的方向是地球上方向的延伸。东西方向是这样规定的：俯视天北极，逆时针方向为东，上北下南。天球上只有角距离（图1.33）。
（3）天球坐标系
天球是一个球形，所以天文坐标系都属于球坐标系。球坐标系的一般模式是以基圈、始圈和终圈构成一球面三角形。纵坐标即纬度；横坐标即经度（图1.34）。
天球坐标系一般分为两大类，右旋坐标系：与天球周日运动（地球自转）联系，向西；左旋坐标系：与太阳周年运动（地球公转）联系，向东。
图1.33 最著名的“鹊桥会”，两个主角牛郎织女的实际距离是16.4光年，而我们在天球上看去，它们的角距离是35°
图1.34 球坐标系的基本构成
①地平坐标系（图1.35）
用途： 表示天体在天空中的高度和方位；
基本圈： 地平圈、子午圈、卯酉圈；
基本要素： 原点——南点、始圈——午圈、纬度——高度（0°~90°，从地平圈向天顶度量）、经度——方位（0°~360°，自南点向西沿地平圈度量）。
②赤道坐标系（图1.36）
用途： 表示天体在天球上的位置；
基本圈： 天赤道、二分圈和二至圈；
基本要素： 基圈——天赤道、原点——春分点、始圈——春分圈、纬度——赤纬（自赤道面向北向南0~±90°度量）、经度——赤经（自春分点沿天赤道0~360°向东度量）。
图1.35 地平坐标系的基本要素
图1.36 赤道坐标系的基本要素
③黄道坐标系（图1.37）
用途： 表示日月行星等黄道天体的位置及其运动；
基本圈： 黄道、无名圈（通过春分点的黄经圈）和二至圈；
基本要素： 基圈——黄道、原点——春分点、始圈——无名圈、纬度——黄纬（自黄道面向北向南0~±90°度量）、经度——黄经，自春分点沿黄道向东度量（为使太阳的黄经“与日俱增”）。
图1.37 黄道坐标系的基本要素