1.天球
在浩瀚的宇宙中存在难以数计的星系。每个星系中又有上千万、甚至多达几万亿颗恒星。我们所在的银河系就有约一千亿颗恒星，太阳只是其中很普通的一个。
太阳系由太阳和围绕它几乎在同一平面内公转的几颗行星组成。这几颗行星自里向外为：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。火星与木星相距最远，在它们之间存在许多小行星。太阳约占太阳系总质量的99.9%。为了描述天体在空间的方向，我们引进天球的概念。如果以地球质心O为中心，以任意长度为半径作一个球，一切天体都以O为中心，把它们按向径方向投影到这个球面上，这个球面叫天球。天球的中心还可选择为观测者，也可选择为地心和日心，视具体问题而定。天体在天球上的位置只表示天体相对于天球中心的方向，不涉及天体到天球中心的距离。首先，我们在天球上定义一些点和圈，用以建立表示天体方向的天体坐标。
黄道面：地球围绕太阳公转的轨道平面。黄道面在空间的位置也随时间变化，但变化非常小。
白道面：月亮绕地球旋转的轨道面。
天球赤道：将地球赤道平面向外延伸，与天球相交所组成的天球大圆。在天球赤道以北的部分叫北天，以南的部分叫南天。
天顶与天底：观测者所在位置的铅垂线与天球交于两点。上方（即观测者头顶）的一点叫天顶，用Z表示；下方一点叫天底，用Z′表示。
地平圈：过地心作一与观察者铅垂线相垂直的平面叫地平面，地平面与天球的交线，叫地平圈。
天极：地球自转轴延长线与天球的交点叫天极，位于北方的叫北天极，用P表示；位于南方的叫南天极，用P′表示。
天球上子午圈与天球下子午圈：天球上的圆弧PZP′叫天球上子午圈；PZ′P′叫天球下子午圈，它们所在的面叫天球子午面。
黄极：黄道面与天球的交线，叫天球黄道。过天球中心并垂直于黄道面的直线与天球的交点叫黄极。黄道面以北的叫北黄极，用П表示；黄道面以南的叫南黄极，用П′表示。
春分点、秋分点、夏至点以及冬至点：黄道与天球赤道相交于
图4-2a是天顶、天底、地平圈和北天极、南天极和天球赤道的相对位置；（b）图是天极、黄极与天球赤道、黄道的相对位置。在图4-2a中，地平圈与天球赤道交于E、W两点，分别称为东点和西点；地平圈上与E、W相隔90°两点S、N称为南点和北点；天球赤道与天球上、下子午圈的交点Q、Q′分别称为上、下赤道点，简称为上点和下点。
图4-2 天球坐标
2.天球坐标系
我们描述空间一点位置，常用直角坐标系（x，y，z），或空间极坐标系（r，λ，θ）。描述地球上某一点的位置时，往往用经纬度（λ，φ）和高程（h）。同理描述天体位置时，要用天球坐标系。天球坐标系是根据天球上面定义的点、圈来表示天体方向的坐标系。天球坐标系对我们比较有用的是地平坐标系、赤道坐标系和黄道坐标系。
（1）地平坐标系：是以地平圈为基本圈、以天顶为极点的坐标系（图4-3a）。该坐标系的原点是观测者的位置。它的两个坐标是方位角A和天顶距z，或者是方位角A和地平纬度h。天顶距z是天顶Z与天体M之间的大圆弧（通过球心的圆叫大圆）；方位角A是以观测者子午圈（即通过天顶Z和北天极P所作的大圆)ZP方向顺时针到M点的球面角。天顶距自天顶向下度量；地平纬度h（又称高度角）向北量为正，向南为负；方位角自北起向东度量。
图4-3 天球坐标系
（2）天球赤道坐标系：是以天球赤道为基本圈，以北天极为极点的坐标系（图4-3b）。该坐标系的原点是地心。它的两个坐标是赤纬δ（与地球上纬度的概念相似）和赤经α（与地球上经度概念相似），或者是赤纬δ和时角H。赤经是由春分点逆时针，即向东度量；赤纬向北量为正，向南为负；时角由天球上子午线起顺时针，即向西度量。在实用中，时角常常用时间表示。时间与角度的换算关系为360°对应24h。
（3）天球黄道坐标系：是以天球黄道为基本圈，以黄北极为极点的坐标系（图4-3c）。该坐标系的原点是地心。它的两个坐标是黄经Λ和黄纬β。黄经由春分点起逆时针，即向东度量；黄纬向北量为正，向南为负。
地面上作天体测量的经典仪器是沿铅垂线安放的，因而通过天文观测可以确定铅垂线的方向。一点的铅垂线与天球赤道的交角叫天文纬度，与某一特别选定的起始天球子午面的交角叫天文经度。天文经、纬度也常常采用该点到大地水准面的法线，即该点在大地水准面上投影点的法线来定义。天文经、纬度也称为地理经、纬度。