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利用上述某些点和圈，就可以在天球上建立坐标系。因研究的对象和方法不同而选取不同的天球坐标系。其实，各种天球坐标系并没有本质的区别，不同的只是选用的基圈、主点或第二坐标的度量方法不同而已。这里将介绍常用的四种天球坐标系：地平坐标系、时角坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系。
地平坐标系的基圈是真地平圈，主点为南点 S ，如图2.12所示。显然天顶是地平坐标系的极，天子午圈为主圈。通过 σ 点的地平经圈为副圈，其交真地平圈于 D 。
地平坐标系的纬角
称为地平纬度，又称为地平高度，简称高度，常记为
h
。地平纬度从真地平圈分别向天顶、天地两个方向度量，范围为0°～±90°，真地平圈到天顶为正、真地平圈到天底为负。极距称为天顶距，记为
z
。天顶距从天顶向天底方向度量，范围为0°～180°。
地平坐标系的经角
SD
称为方位角，常记为
A
。方位角从南点
S
（从天球以外向天顶看）按顺时针方向度量，范围为0°～360°；也有的由
S
分别向西、东方向度量，范围为0°～±180°，向西为正，向东为负。
图2.12 地平坐标系
注意，有时为了应用方便，方位角不从南点 S 而是从北点 N 开始度量。设 A S 和 A N 分别表示为自南点 S 和自北点 N 开始度量的方位角，则 A N = A S +180°。
地平坐标系是左手坐标系。
在地平坐标系中，天体方向的单位矢量为
地平坐标系简便、直观，便于实现，易于进行直接测量。但也有许多局限和不便，它有强烈的“地方性”，所以存在两个缺陷：一是对不同的观测者，因彼此的天顶不同，恒星的地平坐标也是不同的；二是恒星的地平坐标随着周日视运动而变化，并且是非线性的。这种随测站和时间而异的性质使记录天体位置的各种星表不能采用地平坐标系。
针对地平坐标系的缺陷，引入了以天赤道为基圈的时角坐标系，过去亦称为第一赤道坐标系。
时角坐标系的基圈是天赤道 QQ′ ，主点是天赤道最高点 Q （即天赤道与天子午圈靠近南点 S 的交点），如图2.13所示。显然北天极 P 是时角坐标系的极，天子午圈为主圆。通过 σ 点的赤经圈为副圈，其交天赤道于 D 。
时角坐标系的纬角
称为赤纬，常记为
δ
。赤纬从天赤道分别向南、北天极两个方向度量，范围为0°～±90°，向北天极为正、向南天极为负。极距称为北极距，记为
ρ
。北极距从北天极向南天极方向度量，范围为0°～180°。
图2.13 时角坐标系
时角坐标系的经角
称为时角，常记为
t
。时角从
Q
（从天球以外向北天极看）按顺时针方向（即周日视运动方向）度量，范围为0
h
～24
h
；也有的从
Q
分别向春分点、秋分点方向度量，范围为0
h
～±12
h
；向春分点为正、向秋分点为负。时角坐标系是左手坐标系。
在时角坐标系中，天体方向的单位矢量为
在时角坐标系中，任何天体的赤纬 δ 不因观测的时间、地点而改变。与地平坐标系相比，这有明显的方便之处。但是，因为各地的天子午圈各不相同，基点 Q 也是随地而异的，所以同一天体的时角 t 仍随地点不同而不同。并且，对于同一天子午圈的观测者而言，一个天体的时角随时间而同步增大。
为了进一步消除时角坐标系的缺陷，重新选取了主点，把主点选在春分点♈上，基圈仍然是天赤道 QQ′ ，建立赤道坐标系，过去亦称为第二赤道坐标系，如图2.14所示。显然，北天极 P 仍然是时角坐标系的极，通过春分点♈的赤经圈为主圈，通过点 σ 的赤经圈为副圈，其交天赤道于 D 。因为春分点♈本身也在作周日视运动，它相对天体而言，基本上是静止不动的。当然，在度量方法上也做了相应的改变。
赤道坐标系的纬角
与时角坐标系一样仍称为赤纬，仍记为
δ
。
赤道坐标系的经角
称为赤经，记为
α
。赤经从春分点♈开始（从天球以外向北黄极看）按逆时针方向（即与周日视运动相反方向）度量，范围为0°～360°（或0
h
～24
h
）。特别要指出的是，赤经没有负值。赤道坐标系是右手坐标系。
在赤道坐标系中，天体方向的单位矢量为
图2.14 赤道坐标系
如上所述，因为春分点本身在作周日视运动，所以在赤道坐标系中任何天体的坐标（ α ， δ ）都是固定的，不会因观测者在不同地点或不同时间观测而变化。赤道坐标系是最重要的天球坐标系。在各种星表和天文历表中通常列出的都是天体在赤道坐标系中的坐标，以供全球各地观测者使用。
由于太阳和众行星及月球始终在黄道上或黄道附近运行，因此引入以黄道为基圈的黄道坐标系。
黄道坐标系的基圈为黄道，主点仍然为春分点♈，如图2.15所示。显然，北黄极 K 为黄道坐标系的极。通过春分点♈的黄经圈为主圈。通过 σ 点的黄经圈为副圈，其交黄道于 D 。
黄道坐标系的纬角
称为黄纬，常记为
β
。黄纬从天赤道分别向南、北黄极两个方向度量，范围为0°～±90°，向北黄极为正、向南黄极为负。极距称为黄极距，记作
γ
。黄极距从北黄极向南黄极方向度量，范围为0°～180°。
图2.15 黄道坐标系
黄道坐标系的经角
称为黄经，记为
λ
。黄经从春分点♈开始逆时针方向（即太阳周年视运动方向）度量，范围为0°～360°。黄道坐标系是右手坐标系。
在黄道坐标系中，天体方向的单位矢量为
天体的黄道坐标和赤道坐标一样，均不随观测时间和观测地点而变。