測量天體地平高度及方位角的天球儀

張國新

天球儀是天文教學、天文科普的儀器，是指導人們海陸空航行的儀器。人們利用它表述天球的各種坐標、天體的視運動及求解一些實用天文問題，它能非常直觀地幫助我們理解天體的運動運行情況，很多難以理解的天文問題，通過天球儀演示便迎刃而解，所以它備受天文愛好者喜愛。

我在天文科普工作中經常與天球儀打交道，與天球儀結下了不解之緣。上世紀80年代，那時經濟不發達，天球儀很難買到，所以我于1986年制作出了第1個天球儀用于教學。后來，我又分別在2009年和2010年制作出了改進后的天球儀。在天文科普講座中，受啟蒙的聽眾常常提問或是指著天球儀問某星在天上什么位置，如何找到。一般地，根據天球儀的演示能大致估計判斷給出天體的大約地平高度和方位角位置。我常常想，如果我能夠說出某天體準確的數量化值那多好啊！所以，從2018年年初我便開始著手研制新型天球儀，經過1年多的精心設計制作，一臺能夠測量天體地平高度及方位角的新型天球儀終于研制成功（圖1）。

新型天球儀的組成

新型天球儀的組成包括底座、立柱、支架、地球模型、地平面模型、地平面支撐、滑動鎖套及頂絲、連接支撐軸、方位角盤、天體地平高度圈及方位角線球、天頂垂線、天球模型、子午圈、地平圈、天地球極軸等。

新型天球儀的技術方案

新型天球儀采用的技術方案結合圖2和圖3加以說明。

在天球模型內設有圓形地平面模型，地平面模型上面設方位角盤，地平面模型下面設有地平面支撐及調節機構，在地平面支撐上設有滑動鎖套及頂絲。地平面模型上設有天體地平高度圈及方位角線球，該球是個半球，它的邊口與地平面模型邊緣固定連接，其上設置的地平高度圈均平行地平面模型。

在地球模型的赤道直徑兩端地平面模型東西方向安裝連接支撐軸，連接支撐軸固定在地平面模型上。在天體地平高度圈及方位角線球的正上方設天頂點，在天頂點處設天頂垂線，天頂垂線垂直地平面模型，指向地球模型球心。在天赤道上設有按每小時分成的24個刻度，每小時刻度內分成60個分刻度，每一刻度對應1分鐘時間。在子午圈上0。位置與天赤道對應位置設有天赤道時間讀取指針，在黃道上設太陽每日位置標識的刻度。在天體地平高度圈及方位角線球的球面上過天頂點沿大圓線下垂至地平面模型上的方位角盤邊緣刻度處設有方位角線，方位角線刻度數與方位角盤刻度數一致，方位角線所在平面垂直地平面模型。

天地球極軸穿過地球模型和天球模型兩極。在地平高度圈及方位角線球上沿子午圈從地平面模型北點（北，標注在地平圈上）起至天頂點開有0°～90°寬度等于極軸直徑的豁口，以便調節極軸滑動到相應的緯度部位。

以上所述是天球儀在地球北半球使用時的情況，如果該天球儀在地球南半球使用，那么天球模型的南極點在地平面模型上面，互換地平圈上的南、北標注使內球豁口對準地平圈上南點即可。地平面模型上的地平高度圈及方位角線球、方位角盤和天頂垂線，交相呼應，相得益彰。天球模型和地平高度圈及方位角線球用透明工程塑料制成。

新型天球儀的使用方法

使用時，天球模型內的天地球極軸與地平面模型所成的角要調節成與所演示的地理緯度一致。如果地理緯度是α，那么，天地球極軸與地平面模型的夾角就是α。調節時，根據地平面模型下面的半圓環形地平面支撐上的角度刻線找好對應的緯度位置值，把滑動鎖套及頂絲滑動到該位置擰緊固定，同時使地平面模型上面的天地球極軸滑動到地平高度圈及方位角線球上的地平高度位置與地理緯度相等。然后，把天球模型的兩個半球的極點穿到天地球極軸上接合好固定，安裝到子午圈上，使天頂點與子午圈平面相重合。之后，把子午圈及其上裝置豎直地插入支架的3個卡口上，插入時對準南北卡口，到位后，天球模型內地平面模型與地平圈在同一平面。所在的地理緯度和經度確定后，天體的位置與時間密切相關，時間不同天體的地平高度和方位角也不同。由于地球每4分鐘均勻轉1°，相對于天球每4分鐘繞著極軸轉1°，這樣，就可以根據某緯度某經度某一天體的出或沒時間，或中天時間用該天球儀模擬演示任意時間的星空。太陽是我們的常見天體，它的出、沒、中天時刻非常容易查得，或根據當地經緯度推算太陽中天時間。這樣，就可以以太陽的出或沒或中天時間推演任意天體在任意時間的地平高度和方位角。

創新點

在天球模型內第一次設置了地平面模型、地平高度圈、方位角線、方位角盤、天頂垂線、地平面支撐、地球模型與地平面模型連接支撐軸等。在天球模型上精確標注時間推演計數刻度和太陽每日動態位置。天球模型使用2個能夠方便分開和拼合的半球。

天球模型內設置的調節機構，能夠調節天地球極軸與地平面模型成任意的夾角，適合在任意地理經緯度位置演示天體位置的需要，精確確定天體地平高度和方位角數值，全球通用。

小結

新型天球儀能夠對任意天體在任意時間、任意地理位置的地平高度和方位角作出精準解答，使天文教學和天文科普如虎添翼。該項目申報發明專利國家知識產權局于2019年7月26日已公示。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目制作了適合中小學天文學教學的可操作新型天球儀，將地球、星座等信息形象標注在容易理解和操作的透明天球上，能夠有效進行多種天文學知識的展示、教學和推演，提高學生學習天文學知識的興趣。項目具有較高水平，對傳統方法有實質性改進，效果顯著，具有示范推廣價值，希望在制作工藝和演示手段方面作出改進和提升。