天体视运动（apparent motion of celestial bodies）
地面观测者直观观测到的天体的运动,主要是由地球自转引起的.对太阳系内的天体来说,地球绕太阳公转和这些天体本身的空间运动也是形成天体视运动的重要原因.在太阳系外的各类天体中,一些近距星的视位置还要受到因地球公转所引起的周年视差和太阳本动带来的长期视差的影响.此外,岁差和章动、光行差、自行和大气折射等也会引起天体在天球上视位置的改变,但这些通常都不属于天体的视运动的研究范围.
天体的周日视运动 由于地球自转,地面上的观测者看到天体于一恒星日内在天球上自东向西沿着与赤道平行的小圆转过一周.这个圆称为天体的周日平行圈.这种直观的运动称为天体的周日视运动.周日视运动是一切天体最显著的视运动.在用天体照相仪对北极天区所拍得的照片上,可以清晰地看到北极附近恒星的周日视运动轨迹.在地球北极处,北天极与天顶重合,天体的周日平行圈与地平圈平行,天体既不升起,也不下落,永远保持同一高度.那里只能看到天球北半部的天体.在赤道处,天极落在地平圈上,天体的周日平行圈与地平圈相垂直,天体沿着与地平圈垂直的圆周自东向西作周日视运动.那里可以看到全天的天体.天体因周日视运动不断改变着自己的地平坐标,即方位角和高度.
天体在作周日视运动时,经过天球上一些特殊的圈（包括大圆和小圆）或点,这些现象在天体测量工作中具有重要意义.
中天 天体经过观测者的子午圈时称为中天.经过包括天极和天顶的那半个子午圈时,天体到达最高位置,称为上中天;经过包括天极和天底的那半个子午圈时,天体到达最低位置,称为下中天.
出没 天体经过观测者的地平圈时称为出没,也称升落.天体从地平圈下升到地平圈上称为出,反之称为没.永不下落和永不上升的天体没有出没现象.
由于地球公转等因素的影响,不同日期内天体周日视运动的轨迹是有变化的.对太阳系的天体,特别对太阳和月球来说,它们的赤道坐标在短时期内有显著变化,它们的周日视运动的轨迹变化较快,尤其是每天的出没时刻和方位以及中天的时刻和高度都会有显著的变化.但对于恒星来说,这种影响是极其微小的.
太阳的视运动 太阳除参与因地球自转引起的周日视运动外,还存在因地球公转引起的在恒星背景上的相对运动,即周年视运动.太阳因周年视运动在黄道上自西向东每天移动约1°.在一年的不同日期内,太阳的赤经、赤纬的变化,引起昼夜长度的变化.对北半球来说,一年内只有两天,即春分和秋分,太阳由东点出,西点没,昼夜相等.从春分起,太阳的出没方位逐渐北移,夏至日到达最北点.在这段时间内,太阳出的时刻逐日提早,而没的时刻逐日延迟.同时中天高度越来越高,白昼变长,黑夜缩短.夏至那天中天高度最高,白天最长.夏至以后,太阳的出没方位逐渐南移,中天高度逐渐下降.秋分以后,太阳的出没位置已在东、西点以南,昼短夜长.这个过程一直延续到冬至日为止.这时,太阳的出没位置到达最南点,白昼最短,黑夜最长.以后,太阳的出没点重新北移,到春分点时昼夜又相等,完成一年一周的运动.由于纬度不同,太阳周日视运动的变化情况也有所不同.纬度越高,夏季白天越长,冬季白天越短.极圈以北开始出现“白夜”和“黑昼”.在地球北极,则是半年白天,半年黑夜,太阳不再每天东升西落.南半球的情况和北半球完全相同,只是冬和夏、春和秋,恰好相反.在赤道上,一年四季昼夜的长短是不变的.
月球的视运动 月球除了周日视运动外,由于它围绕地球每月公转一周,地球上的观测者还看到它自西向东在星座之间移动.月球的这种运动引起月球赤经、赤纬和黄经、黄纬的不断改变,使月球的周日视运动轨迹发生相应的变化.在一年的不同日期内,月球的出没方位角和中天高度变化很大.因为白道很靠近黄道,月球一月之内在天球上运动的情况与太阳的周年视运动相类似.同一月相在一年内不同月份的周日视运动轨迹也是不同的.以满月为例,在北半球的夏季,满月的运动情况与冬季的太阳相似,从东南升起,在西南下落,中天高度较低,照耀时间较短.冬季的满月则从东北升起,在西北下落,中天高度较高,照耀的时间也较长.其他月相也有类似的情况.月球平均每天东移约13°,因而升起的时间平均每天推迟50分钟左右.
行星的视运动 行星是太阳系内的天体,它们除参与周日视运动外,还因地球的公转和行星本身的绕太阳公转运动而不断改变其对于恒星的相对位置.行星在天球恒星背景上的相对运动与太阳和月球的情况不同.对太阳和月球来说,这种运动的方向始终是朝东的.对行星来说,则有时朝东,有时朝西,这是地球和行星二者的公转运动合成后在天球上的反映.行星的朝东运动称为顺行,朝西运动称为逆行.行星的主要运动方向为顺行.(看动画演示>>>)顺行和逆行之间的转折点称为“留”,在留附近行星相对恒星背景的运动是很慢的.
以地球为中心,地球和行星的连线与地球和太阳的连线之间的交角在黄道上的投影称为行星的距角.距角为0°时称为“合”,这时行星与太阳的黄经相等,行星为太阳的光辉所淹没.距角为90°时称为“方照”.距角为180°时称为“冲”.行星相对恒星背景运动一整周所经历的时间,称为行星运动的恒星周期；行星按同一方向连续两次经过同一距角位置所经历的时间,称为行星运动的会合周期.
地内行星和地外行星的距角变化情况有所不同.地内行星离太阳比地球近,它在任何位置上的距角都不会超过某一数值,因而不会出现冲和方照的现象.具体来说,水星的最大距角不超过28°,金星的最大距角不超过48°.在天球上,它们有时位于太阳以东,太阳落下后不久出现在西方地平线附近,称为昏星；有时位于太阳以西,太阳升起前不久出现在东方地平线附近,称为晨星.地内行星在一个会合周期内距角有两次达到极大值,即东大距和西大距,这时是观测地内行星的最好机会.地内行星在一个会合周期内可以出现两次合：一次在地球和太阳之间,称为下合；另一次它同地球分在太阳两侧,称为上合.
地外行星和地内行星不同,它们离太阳比地球远,在一个会合周期内距角可以从0°变化到360°,可以出现一次冲、一次上合和两次方照.行星在太阳以西时称为西方照,在太阳以东时称为东方照.地外行星冲时,离地球最近.在行星轨道近日点附近出现的冲称为大冲,大冲是观测外行星,特别是观测火星的最好机会.
苍天、日月、星辰，众神居于其中，统御宇宙，安置众生。尘世凡人皆由命定，凡违天意者，必祸害临身。
诸神透过星象，向凡人传达旨意。所以人们对天充满敬畏。
公元前一千多年，古巴比伦人通过长年累月的观星，计算和预测天体现象，欲参悟人世的前途命运。他们用楔形文字将宇宙奥秘刻录在石碑上。巴比伦人将苍穹均分为十二个区域，称“ 十二星座 ”，并以传说中的神物命名，再以月相变化之29或30日为一个周期，作为历法计时之基础。
从地上望苍穹，有如一个点缀着日月星辰的巨大天球。天球绕地运行一圈记为一日。每当清晨或傍晚观察太阳，会发现太阳在一年中不同时节处在天球的不同区域（比如，九月时太阳从狮子座区域升落）。于是，巴比伦人推论，群星天球的运行比太阳稍快，所以太阳与天球相对位置不固定。每过一年，太阳便落后群星一整圈，回到一年前的相对位置。太阳在一年中经过不同星区所画出的轨迹，称为“ zodiac ”（可译为“黄道带”）。
巴比伦人还发现，肉眼可见的几大行星（中国古代所称金星、木星、水星、火星、土星等）的运行轨迹几乎在同一平面内。
“在人类历史上，这种促使一个宇宙秩序的概念得以形成的体系，似乎首先在巴比伦的文化中产生。他们发现了一个超越现实生活的思想领域，敢于以综合的观点来统览整个宇宙。”——卡西勒
球面上任意一点到球心的距离相等，球面上光滑而没有突出的棱角。多么完美的几何图形。古希腊数学家认为，球和圆是造物主最钟爱的形状。
公元前六世纪的古希腊数学家毕达哥拉斯第一次提出大地是球体这一概念。
公元前四世纪，亚里士多德总结出三个现象来证明大地是球形：
虽然他们的观点并不严谨，但在一定程度上符合客观事实。“地圆说”也是后世天文、地理学发展的重要基础。
亚里士多德反证道：“如果大地是运动着的，那么竖直向上抛出的物体怎么能落回到原位？无风的时候天上的云朵怎么没被甩在后面？”
这个观点如今看来是荒诞的，但是在力学定律发现之前的漫长岁月里，这个理由已经足够使人信服了。
并且由于观察者在地面上，于是 地球理所当然地成为了宇宙的“绝对中心” 。
在巴比伦人的天文基础上，古希腊人进一步发现，太阳年运动轨迹并非在赤道面上（当时的赤道面是指“与地球和北极星连线垂直的平面”），而是在与赤道面偏斜23.5度的平面上，称之为” ecliptic plane “（黄道面）。
提出“极限”思想和“穷竭“法的欧多克索斯设计出“同心球”模型。他指出地球是宇宙的中心，群星所在的最外层天球绕南北方向（即赤道面的垂直方向）的轴，同时带动群星和黄道面，作东西向旋转，绕行一圈为一日。太阳处于由外而内的第二层球内，绕与黄道面垂直的轴旋转，周期为一年。太阳相对于这层球的轨迹称为“黄道”，黄道与赤道面的交点恰为春分日和秋分日。
（秦始皇）三十六年（公元前211年），荧惑守心。有坠星下东郡，至地为石······——《史记·秦始皇本纪》
这段记载提到了两个天文现象——“荧惑守心”和坠星（陨石）。其中“荧惑守心”指火星在心宿（“宿”是中国古代对星区的一种划分，心宿主要属于天蝎座星区）发生短暂停留的现象（该天象被认为“凶”）。火星停留现象的背后反映了一种更普遍的现象——行星的 逆行 。这一现象同样困扰了古希腊天文学家。
通过假设等速而规则的圆周运动，能否解释行星逆行的现象呢？
欧多克索斯改进了“同心球”模型。
他提出，行星的逆行可以由四个同心球壳的简单圆周运动来解释。地球静止地处于所有球壳的中心。各球壳绕相互倾斜的轴等速旋转。最外层的天球层和次外层的黄道层仍延续原先的规律，两球层转轴呈23.5度布置。次内层与次外层转轴相互垂直。最内层和次内层，各自的旋转轴相互倾斜一个角度。行星的运动是四个球壳旋转运动的复合，最内层和次内层转轴的相互倾斜会造成行星的逆行。他提出，行星的逆行可以由四个同心球壳的简单圆周运动来解释。地球静止地处于所有球壳的中心。各球壳绕相互倾斜的轴等速旋转。最外层的天球层和次外层的黄道层仍延续原先的规律，两球层转轴呈23.5度布置。最内层和次内层，各自的旋转轴相互倾斜一个角度，可以实现行星的逆行。
“同心球”模型非常类似于陀螺仪。
可假设模型中最内层和次内层转轴相互垂直，更显著地模拟出行星相对地球的运行速度的快慢变化。
欧多克索斯虽然不能给出天体详细的量化结构，但他以简单地球体、简单的等速运动，暗示着“ 混乱中隐藏着秩序 ”，激励着人们以 理性而非神话 去看待宇宙。
“同心球”模型将所有的天体放置于以地球为中心的球面上，因此天体运行过程中距离地球的距离不变。而观测发现，火星逆行时会看上去更明亮，也就是说距离地球更近。这成了“同心球”模型的一个严重缺陷。
阿波罗尼斯（希腊语：?πολλ?νιο?，公元前262年-公元前190年）以“本轮-均轮”的几何模型为行星与地球间距的变动提供了一种解释。
行星位于一个叫本轮的小圆周上，相对本轮中心作圆周运动。本轮中心位于以地球为圆心的大圆周上，称为均轮。（事实上，这个模型非常类似于现代观点的日地月系统模型）
行星的运动由本轮和均轮的旋转复合而成，有时快，有时慢，有时前进，有时倒退。
人们发现四季的长短并不均匀。比如春分到夏至为九十四日半，而夏至到秋分为九十二日半。这与太阳围绕地球作匀速圆周运动的模型不符。
希帕恰斯（希腊语：?ππαρχο?，公元前190年~公元前120年）主张太阳沿黄道匀速运行，但地球并非位于黄道的圆心。
“偏心圆”模型不改变赤道面位置，因此黄赤交点不变，即两分两至位置不变。图中，X为最远点，Y为最近点。A、B、C、D分别为两分两至点。。每个时节对应的圆弧长度不同，则时节的长短不同。
尤其难能可贵的是，希帕恰斯清醒地认识到 不应沉溺于设计全部天体理论的梦想当中，而应该专注于系统地收集重要的观测数据，作为检视、修正、拓展天文理论的参考基础 。
他身体力行地进行了多项天文数据的观测。计算出回归年（太阳回到春分点所用时间）为365.25-1/300日（与现代数据仅相差14分钟，即相对误差不到十万分之三），恒星年（太阳回到同一星座位置所用时间）为365.25-1/144日，由此发现了“ 岁差 “（回归年与恒星年的差异）。通过长年累月的观测，绘制了西方第一份” 恒星表 “，使用相对黄道、赤道的数据标出了至少850颗恒星的位置，并划分了亮度等级，为辅助定位行星提供了有力的依据。
随着时间的积累，各种天文观测数据越来越详细而丰富，行星运动的更多不规则特性逐渐显露出来 。单纯的“本轮-均轮”模型和“偏心圆”模型不断受到各种质疑。两三百年后的公元150年，托勒密的著作《至大论》出世。克劳迪乌斯?托勒密（希腊语：Κλα?διο? Πτολεμα?ο?，约公元100年－公元170年）提出了一整套解释行星问题的技巧，对古代天文学做了系统性整理与发展。
他从观测数据出发，通过算术和几何论证的方法，以大量演示性过程计算和数据比照，体现出天体问题背后的数学精确性。他最主要的创见在于“偏心匀速点”的引入。“本轮”中心是相对于偏离均轮圆心的“偏心匀速点”作恒定角速率的圆周运动。根据每个行星的特殊情况，本轮平面与均轮平面或重合或倾斜。行星的许多不规则性都可借由这个改进的模型得以解释，且成效卓著。
托勒密《至大论》与欧几里得《几何原本》成为西方中世纪使用最广泛、最长久的科学教科书。
托勒密认为，研究天文学不仅是为了获取知识，更是在寻找精神的归宿。他在《至大论》第一章序言中这样写道：
我深知人之必亡，有如一日之物。
然若我灵追随星辰迂回之路，
则我将不再栖息于尘世人间，
而是立于众神之畔，尽享佳肴美馔。
本文部分素材来源《千古之谜与几何天文物理两千年》/项武义、张海潮、姚珩,2010.2。
演示动画通过Matlab编写制作。部分来源于网络。
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