[转载]中国古代恒星方位天文学与赤道坐标系
2015-08-03 16:41阅读：
古代中国十分重视对恒星的观测和记录，主要可分为对恒星在天空中相对位置和运动的观测以及对恒星本身特征，如颜色、亮度的观测。前者就是恒星方位天文学。
如同地球球面坐标系用地理经纬度来标记地球上的位置一样，为了标记恒星在天空背景下的相对位置，也需要建立一种球面参考坐标系，称为天球坐标系。现代天文学中常用赤道坐标系，这种坐标系以天赤道做基本大圆，一条贯穿南北两天极的线做基本轴，春分点做基本起算点。两个坐标量是赤经和赤纬，赤纬从赤道向南北两天极量度，正负各90°，赤经从春分点起算，自西向东量度。这样一来，天球上任意天体的位置都可以用两个数字表示出来。
古代中国也使用赤道坐标系，而且除了外在形式上的区别外与今天的赤道坐标系并无本质区别。本文主要论述一下古代赤道坐标系的建立与发展。
一、天赤道与天极
根据《尚书·尧典》中的记载，我国在帝尧时期便已经安排专人负责恒星的观测与记录，“四仲中星”的观测便是那一时期观象授时的要求。对于“四仲中星”的具体所指以及观测方法还存在一些没有完全解答的问题，但无论是观察恒星从东方地平线升起还是从西方地平线下落，这实际上都包含着天文学上方位和高度的测量。[1]
《夏小正》相传记载的是夏代历法，其中明确写出运用“昏旦中星”法以授时。昏旦中星是指在“昏”与“旦”时刻观察天体的中天。这样一来便可以推知太阳在恒星背景下的位置。显然，该方法虽然科学，但在古代的观测条件下实际上很难操作，当时并没有能够指示昏旦的计时器，“中天”的测量也很模糊。西方直到17世纪才发明类似方法，并且当时已经有了子午仪和钟表。
但昏旦中星的科学思想却是十分先进的。在太阳出没的前后观察当时恰好位于正南方天空中的恒星，这就肯定会建立起北天极和相应方向的概念，在观察过程中人们会注意到太阳和恒星在东西方向上的角距离，从而对太阳在恒星间自西向东的周年视运动有所认识，而这个方向正是天赤道方向。[2]
顺带一提，古人在观测之中也自然而然地认识了太阳运动的轨迹，即黄道的概念。如古埃及就是通过观测恒星偕日出或偕日没来确定季节，也就是观察太阳出没前后在地平线上出现的恒星，它们好像是伴随着太阳同升同落一样，从这些恒星的轨迹也就认识到太阳的运动轨迹。这样建立起的坐标系就是黄道坐标系。
古代中国也很早就认识到了黄道的概念，但由于昏旦中星法使得人们推知了天赤道的存在，从而一开始就采用赤道坐标系。
北天极和天赤道的认识就对后面赤道坐标系的建立打下了基础。
二、二十八宿的建立
在观象授时阶段，确定四季变化最简便的方式就是观察星象的变化，不同季节所看到的星象是不同的。于是就产生了对星象分区的想法，早期分为两大群称为两象，待到认识四季之后（最早可能是殷商后期）又发展为四象，形成东方龙、南方雀、西方虎、北方龟。而到了春秋战国时期，根据当时流行的五行配五色的说法便又将四象配上相应颜色，就发展成了今天我们所熟悉的青龙、白虎、朱雀、玄武。
将星象分成四区还是太粗略，人们希望对恒星的相对位置能够有更精确的描述，于是便将多寡不等的几颗恒星组成一组，这样的组合称为星官。司马迁的《史记·天官书》是第一部系统描述全天星官的著作，《天官书》全部采用文字描述恒星的相对位置，这种方式有别于用坐标标记的星表而称为星录，恒星星录也是我国古代天文学史中很重要的一项。
由于此时已经对黄道、天赤道有了认识，于是人们还将黄道赤道附近的星官选了二十八个出来形成二十八宿。
二十八宿作为一个整体被提出最早见于《周礼》，关于二十八宿的起源问题在天文学史上是一个悬案，从出土文物看春秋时期已经有了二十八宿体系是可信的。至于是否是中国独立起源，还是受了古印度、古巴比伦的影响至今仍未有定论，但结合二十八宿与中国独特的赤道坐标系来看，独立起源的可能性很大。二十八宿最初的建立就是用于标记天体在天空中的位置，并对赤道坐标系的建立有着至关重要的贡献。
古人从二十八宿中各选取一颗星作为标准星，称为距星。早期曾经选星宿中最亮一颗为距星，后来统一改为选取星宿中最西边的一颗星作为距星。相邻两颗距星之间的角距离称为距度。从北天极向距星画大圆弧交于天赤道就能够得到一个坐标网络。
到了二十八宿出现，已经隐隐约约有了在天空建立参考系的概念。
三、盖天说与浑天说
要建立起天空参考系最必不可少的条件自然是天球的概念，天球观念的出现与我国古代宇宙论息息相关。
首先是盖天说。成书于西汉初年的《周髀算经》是对早已存在并流行的盖天说的总结归纳，并且在这部书里还为盖天说建立了一个数学模型。盖天说分为两个发展阶段，通常人们所说的“天圆地方”实际上只是第一次盖天说，《周髀算经》中还记载了第二次盖天说的内容。二次盖天说认为天是一个圆形的斗笠，并在相应论述中有关于二十八宿的内容。
盖天说给出了测量二十八宿各宿范围的方法，并且第一次出现了古代赤道坐标系中两个坐标量中的一个：天体去极度，即天体距北天极的角距离。但在古代盖天说中却并没有天赤道的概念，尽管盖天说已经接近建立天空参考系，但只有浑天说才能真正走出这一步。
浑天说的起源年代今天也难以确定，但根据战国时代《慎子》一书记载：“天体如弹丸，其势倾斜”可知此时已经有了浑天说的基本思想。又根据三国时期吴国天文学家王蕃所说：“浑天遭秦之乱，师徒丧绝；而失其文，惟浑天仪尚在候台。”可知浑天说诞生年代应该在秦以前。而且根据马王堆出土的《五星占》来看，先秦就存在浑仪。[3]
东汉有过一次浑盖大辩论，其中浑天说的拥护者张衡在其著作《浑天仪注》中给出了完整的浑天说模型，其中假想的天球与今天没什么区别。因此，浑天说出现后天球的概念就已经建立了这点应该没什么问题。
北天极、天球、二十八宿这些概念都建立以后，赤道坐标系的出现便成为顺理成章的事情了。
四、古代赤道坐标系
赤道坐标出现的具体年代仍然不可考，世界上最早的星表是战国时的《石氏星表》，该星表中给出了古代中国的赤道坐标度数，所以至迟到战国时期我国已经建立了赤道坐标系并用于标记恒星位置。
古代中国的赤道坐标系与前文所述的现代天文赤道坐标系仅有形式上的差别。古代赤道坐标系是这样的：在二十八宿中各取一颗具有代表性的星称为距星，过北天极和距星画出大圆弧与天赤道相交，整个天球就如同一个西瓜一样被花纹分成了二十八份。从一颗距星到下一颗距星的角距离叫做距度。两个标记恒星位置的坐标分别是入宿度和去极度，入宿度是某星距离临近星宿的距星的角距离，也就是该天体与这个距星的赤经差，去极度则是该星到北天极的角距离。最后在测出冬至点在二十八宿中的位置，这样形成一个完整的赤道坐标网络。
古代建立了赤道坐标系后也不断完善。历代改历都要重新测量二十八宿的距度等数据。随着观测水平提升，人们认识到冬至点不是不变的，东汉贾逵等修订《后汉四分历》时将冬至点改为斗宿，而之前人们都认为冬至点在“牵牛初度”不变。
祖冲之的儿子祖暅纠正了以往认为极星就是北天极的错误认识，从而使得天轴调整到正确的位置。
北宋韩显符测量时一律用的“外官星位去斗极度数”来描述，不再是天体与所在宿距星之间的赤经差的“入宿度”，而是这些外星官与冬至点的赤经差，也就是将冬至点作为赤经起点，这就同现代天文学的赤经概念完全一样了，只不过现代选取的起点是春分点而已。
在具体测算坐标值也不断有所创见，元代赵友钦发明了利用两个恒星上中天的恒星时刻差球赤经值，同现代子午观测原理一致。
注：[1][2][3] 吴守贤 全和钧主编
《中国古代天体测量学及天文仪器》中国科学技术出版社 2008
参考文献：
吴守贤 全和钧主编 《中国古代天体测量学及天文仪器》中国科学技术出版社
2008
中国天文学史整理研究小组编 《中国天文学史》 科学出版社
1981.05
