荒野夜晚，滿天星斗，北半球的觀星者若面向正北方，就會看到這些天體自右向左做逆時針轉(zhuǎn)動，也就是古人說的“天左旋”。為了記錄天體在不同時刻的位置，引入天球坐標。

天球是一個以選定點為球心的單位球。天體在天球上的位置為天球中心到天體的連線與天球的交點。天球中心可選擇為觀測者，也可選擇為地心或日心，視具體問題而定。天體在天球上的位置只表示天體相對天球中心的方向，不涉及天體到天球中心的距離。

通過在天球上定義一些點和圈，建立天球坐標，來量化表示天體。觀測者所在位置的鉛垂線與天球交于兩點：上方的一點叫天頂，用Z表示；下方的一點叫天底，用Z′表示。

過天球中心并垂直于ZZ′的平面叫地平面，地平面與天球的交線叫地平圈。地球的自轉(zhuǎn)軸于天球的交點叫天極，位于北方的一個叫北天極，用P表示，位于南方的一個叫南天極，用P′表示。過天球中心并垂直于PP′的平面叫天球赤道面。它與天球的交線叫天球赤道。另外，天球上的半圓弧PZP′叫天球上子午圈，PZ′P′叫天球下子午圈，他們所在的面叫天球子午面。黃道面與天球的交線叫天球黃道。過天球中心并垂直于黃道面的直線與天球的交點叫黃極?？拷碧鞓O的一個叫北黃極，用Ⅱ表示；靠近南天極的一個叫南黃極，用Ⅱ′表示。

圖10-1是天頂、天底、地平圈和北天極、南天極、天球赤道的相對位置圖。圖10-2是北天極、南天極、天球赤道和北黃極、南黃極、黃道的相對位置圖。在圖10-1中，地平圈與天球赤道交于E、W兩點，分別稱為東點和西點。地平圈上與E，W相隔90°的兩點S，N稱為南點和北點。天球赤道與天球上、下子午圈的交點Q，Q′分別稱為上、下赤道點，簡稱為上點和下點。在圖10-2中，天球赤道與天球黃道相交于T1，T2兩點。它們就是秋分、春分兩點時刻太陽在天球上的視位置，分別稱為秋分點和春分點。天球黃道上與T1，T2兩點相隔90°的兩點T3，T4為夏至、冬至兩個時刻太陽在天球上的視位置，分別稱為夏至點和冬至點。從北黃極看，太陽相對地球的運動是逆時針的，即T1→T2→T3→T4這樣的循環(huán)。

圖10-1 天球示意圖

圖10-2 天球上的黃道面

根據(jù)上面定義的點、圈可以建立表示天體方向的不同天球坐標系。以地平圈為基本圈、以天頂為極點的地平坐標系。它的各個坐標是方位角A和地平緯度h，或者是方位角A和天頂距z。方位角自北起向東度量；地平緯度也稱高度角，向北量為正，向南量為負；天頂距自天頂起向下度量。以天球赤道為基本圈，以北天極為極點的天球赤道坐標系。它的兩個坐標是赤緯δ和時間H，或者是赤緯δ和赤經(jīng)α。時角由天球上子午線起順時針，即向西度量；赤經(jīng)由春分點起逆時針，即向東度量；赤緯則向北量為正，向南量為負。在實用中，時角常常用時間表示。時間與角度的換算關(guān)系為360°對應(yīng)24h。以天球黃道為基本圖，以北黃極為極點的天球赤道坐標系。它的兩個坐標是黃經(jīng)Λ和黃緯β。黃經(jīng)由春分點起逆時針，即向東度量；黃緯向北量為正，向南量為負。不難看出，與觀測者位置有關(guān)的幾個坐標是方位角、地平緯度或天頂距以及時角。

地面上作天體測量與經(jīng)典儀器是沿鉛垂線安放的，因而通過天文觀測可以確定鉛垂線的方向。一點的鉛垂線與天球赤道的交角叫天文緯度，與某一點特別選定的起始天球子午面的交角叫天文經(jīng)度。天文經(jīng)、緯度也常常采用該點到大地水準面的垂線，即該點在大地水準面上投影點的鉛垂線定義。天文經(jīng)、緯度也稱為地理經(jīng)、緯度。