测量天体地平高度及方位角的天球仪

张国新

天球仪是天文教学、天文科普的仪器，是指导人们海陆空航行的仪器。人们利用它表述天球的各种坐标、天体的视运动及求解一些实用天文问题，它能非常直观地帮助我们理解天体的运动运行情况，很多难以理解的天文问题，通过天球仪演示便迎刃而解，所以它备受天文爱好者喜爱。

我在天文科普工作中经常与天球仪打交道，与天球仪结下了不解之缘。上世纪80年代，那时经济不发达，天球仪很难买到，所以我于1986年制作出了第1个天球仪用于教学。后来，我又分别在2009年和2010年制作出了改进后的天球仪。在天文科普讲座中，受启蒙的听众常常提问或是指着天球仪问某星在天上什么位置，如何找到。一般地，根据天球仪的演示能大致估计判断给出天体的大约地平高度和方位角位置。我常常想，如果我能够说出某天体准确的数量化值那多好啊！所以，从2018年年初我便开始着手研制新型天球仪，经过1年多的精心设计制作，一台能够测量天体地平高度及方位角的新型天球仪终于研制成功（图1）。

新型天球仪的组成

新型天球仪的组成包括底座、立柱、支架、地球模型、地平面模型、地平面支撑、滑动锁套及顶丝、连接支撑轴、方位角盘、天体地平高度圈及方位角线球、天顶垂线、天球模型、子午圈、地平圈、天地球极轴等。

新型天球仪的技术方案

新型天球仪采用的技术方案结合图2和图3加以说明。

在天球模型内设有圆形地平面模型，地平面模型上面设方位角盘，地平面模型下面设有地平面支撑及调节机构，在地平面支撑上设有滑动锁套及顶丝。地平面模型上设有天体地平高度圈及方位角线球，该球是个半球，它的边口与地平面模型边缘固定连接，其上设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两端地平面模型东西方向安装连接支撑轴，连接支撑轴固定在地平面模型上。在天体地平高度圈及方位角线球的正上方设天顶点，在天顶点处设天顶垂线，天顶垂线垂直地平面模型，指向地球模型球心。在天赤道上设有按每小时分成的24个刻度，每小时刻度内分成60个分刻度，每一刻度对应1分钟时间。在子午圈上0。位置与天赤道对应位置设有天赤道时间读取指针，在黄道上设太阳每日位置标识的刻度。在天体地平高度圈及方位角线球的球面上过天顶点沿大圆线下垂至地平面模型上的方位角盘边缘刻度处设有方位角线，方位角线刻度数与方位角盘刻度数一致，方位角线所在平面垂直地平面模型。

天地球极轴穿过地球模型和天球模型两极。在地平高度圈及方位角线球上沿子午圈从地平面模型北点（北，标注在地平圈上）起至天顶点开有0°～90°宽度等于极轴直径的豁口，以便调节极轴滑动到相应的纬度部位。

以上所述是天球仪在地球北半球使用时的情况，如果该天球仪在地球南半球使用，那么天球模型的南极点在地平面模型上面，互换地平圈上的南、北标注使内球豁口对准地平圈上南点即可。地平面模型上的地平高度圈及方位角线球、方位角盘和天顶垂线，交相呼应，相得益彰。天球模型和地平高度圈及方位角线球用透明工程塑料制成。

新型天球仪的使用方法

使用时，天球模型内的天地球极轴与地平面模型所成的角要调节成与所演示的地理纬度一致。如果地理纬度是α，那么，天地球极轴与地平面模型的夹角就是α。调节时，根据地平面模型下面的半圆环形地平面支撑上的角度刻线找好对应的纬度位置值，把滑动锁套及顶丝滑动到该位置拧紧固定，同时使地平面模型上面的天地球极轴滑动到地平高度圈及方位角线球上的地平高度位置与地理纬度相等。然后，把天球模型的两个半球的极点穿到天地球极轴上接合好固定，安装到子午圈上，使天顶点与子午圈平面相重合。之后，把子午圈及其上装置竖直地插入支架的3个卡口上，插入时对准南北卡口，到位后，天球模型内地平面模型与地平圈在同一平面。所在的地理纬度和经度确定后，天体的位置与时间密切相关，时间不同天体的地平高度和方位角也不同。由于地球每4分钟均匀转1°，相对于天球每4分钟绕着极轴转1°，这样，就可以根据某纬度某经度某一天体的出或没时间，或中天时间用该天球仪模拟演示任意时间的星空。太阳是我们的常见天体，它的出、没、中天时刻非常容易查得，或根据当地经纬度推算太阳中天时间。这样，就可以以太阳的出或没或中天时间推演任意天体在任意时间的地平高度和方位角。

创新点

在天球模型内第一次设置了地平面模型、地平高度圈、方位角线、方位角盘、天顶垂线、地平面支撑、地球模型与地平面模型连接支撑轴等。在天球模型上精确标注时间推演计数刻度和太阳每日动态位置。天球模型使用2个能够方便分开和拼合的半球。

天球模型内设置的调节机构，能够调节天地球极轴与地平面模型成任意的夹角，适合在任意地理经纬度位置演示天体位置的需要，精确确定天体地平高度和方位角数值，全球通用。

小结

新型天球仪能够对任意天体在任意时间、任意地理位置的地平高度和方位角作出精准解答，使天文教学和天文科普如虎添翼。该项目申报发明专利国家知识产权局于2019年7月26日已公示。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目制作了适合中小学天文学教学的可操作新型天球仪，将地球、星座等信息形象标注在容易理解和操作的透明天球上，能够有效进行多种天文学知识的展示、教学和推演，提高学生学习天文学知识的兴趣。项目具有较高水平，对传统方法有实质性改进，效果显著，具有示范推广价值，希望在制作工艺和演示手段方面作出改进和提升。