人類認識世界都是從定性的過程過渡到定量的過程。老郭在本文前面兩篇文章里面介紹春季和夏季星空的時候給出的是亮星的位置、星星之間的相互位置關系等，這樣的描述就很適合新入門的天文愛好者作為觀星的入門參考。
星星和我們的距離有遠有近，我們看到的是它們好像是在一個巨大的圓球球面上的投影，這個假想的圓球就稱為天球，它的半徑是無限大。而地球就懸掛在這個天球中央。在天文學上，為了定量地給出星空的確切描述，確定天體的位置和運動規律，天文學家們規定了天球坐標系。根據不同的用途，有不同的天球坐標系。這個系統是通過以假想的天球為基礎建立起諸如地平坐標系、赤道坐標系、黃道坐標系、銀道坐標系等坐標系。
天球（celestial sphere，圖6.1）是天文學家為了準確形容天上星體的位置和運動而引進的一個假想的圓球面。天球的中心點可以根據觀測的需要任意選取，比如觀測者、地心、日心等；天球的半徑為任意長，可以當做數學中的無窮大。通過天球中心（如地心）與天體的連線把天體投影到天球面上，該點就是天體在天球上的位置。
天球可以有助于把天體方向之間的相互關系轉化為求面上點與點之間的弧線段。通過在天球上建立參考坐標系并應用球面三角學的方法易于對這些關系進行研究。這套坐標系統和地球上慣用的經緯度坐標十分相似，天球上的方向同樣是以地球自轉為基礎，是地球上的方向的延伸。
圖6.1 假想天球
在天球上也有距離，用角度來表示，而不是直線距離。比如，織女星和牛郎星之間相距為16.4光年，但是在天球上，只能看到他們之間相距約35°。所以天球上的距離，實際上是天體之間方向上的夾角，而不是真實的直線距離。
以觀測者O 為天球中心，過天球中心的鉛垂線﹐延伸后與天球交于兩點，朝上的一點Z 稱為天頂﹐朝下的一點Z' 稱為天底。過天球中心并與天頂與天底連線相垂直的平面稱為地平面。地平面與天球相交形成的大圓稱為地平圈。天頂是地平圈的極，也是地平坐標系的極。地平面是地平坐標系（horizontal coordinate system）的基本平面。
經過天頂的任何大圓稱為地平經圈或垂直圈；天球上與地平圈相平行的小圓稱為地平緯圈﹐也稱平行圈。同一地平緯圈上任意點的地平高度都是相同的﹐因此可以稱為等高圈。
圖6.2 地平坐標系表示天體的方位和高度
天文學中習慣從南點起按順時針方向量度。以地平圈為基圈。子午圈（過北天極的地平圈）為主圈，南點為主點的坐標系稱為地平坐標系。由于周日視運動﹐天體的地平坐標不斷發生變化。另一方面﹐對不同的觀測者﹐由于鉛垂線方向的不同﹐就有不同的地平坐標系﹐同一天體也就有不同的地平坐標，各種星表不能采用地平坐標系統。
這套坐標系統把天球分為赤緯及赤經。赤緯的算法是從天球赤道開始至兩極止，天球赤道（圖6.3）是0度，向北至天球北極是+90 度， 向南至天球南極是 -90 度。赤經的算法較特別，和地球經度（由-180度至+180度）的算法不同， 赤經是在天球赤道自西向東由0小時至24 小時。和時間一樣，赤經的每小時可分為60分，每分可再細分為60秒（注：赤經的分秒并不等于角度用的角分角秒） 。赤經計算的起點為春分點，春分點是天球赤道和黃道的兩個相交點其中一個（另一個是秋分點）。
圖6.3 天球赤道坐標系 春分點
由于所去的主點以及隨之而來的經向坐標的不同，赤道坐標系又粉第一赤道坐標系和第二赤道坐標系。第一赤道坐標系又被稱為時角坐標系，與觀測者有關。主點取為天赤道與觀測者的天頂以南那段子午圈的交叉點.從主點起沿著天赤道量到天球上一點的赤經圈與天遲到焦點的弧長為經向坐標，稱為時角。時角從0°±180°或從0~±12小時來計量，向東為負，向西為正。天體因周日視運動，時角不斷變化。
第二赤道坐標系也簡稱赤道坐標系，它的主點取為春分點。從春分起沿著天赤道逆時針方向量到天球上一點的赤經圈與天赤道焦點的經向坐標，稱為赤經。赤經從0°~360°或0~24小時計量。天體的赤經和赤緯，不因周日視運動或不同的觀測地點而改變，所以各種星圖通常使用赤道坐標系。
在研究太陽系內各種天體的運動情況時﹐要用另一種天球坐標系﹐即黃道坐標系（圖6.4）。地球繞太陽公轉的軌道平面是黃道坐標系中的基本平面，稱為黃道面（太陽視運動軌道）。黃道面與天球相交的大圓稱為黃道。黃道面是黃道坐標系（ecliptic coordinate system）的基本平面。黃道的幾何極稱為黃極，與北天極鄰近的黃極即為北黃極是黃道坐標系的極。
天球上與黃道平行的小圓稱為黃緯圈。過黃極的大圓稱為黃經圈﹐它是黃道坐標系的副圈﹐所有的黃經圈都與黃道垂直。在黃道坐標系中﹐以過春分點的黃經圈為主圈﹐春分點便是主點。以黃道為基圈﹑春分點為主點以及過春分點的黃經圈為主圈的坐標系﹐稱為黃道坐標系。
圖6.4 黃道坐標系
黃道與天赤道在天球上相交于兩點﹐這兩點稱為二分點。其中﹐太陽沿黃道從赤道以南向北通過赤道的那一個交點稱為春分點﹐另一個交點稱為秋分點。黃道上與二分點黃經度數相差90°的點，在赤道以北的為夏至點﹐在赤道以南的為冬至點。黃道與赤道的交角ε 稱為黃赤交角﹐它是黃極與天極之間的角距離﹐ε =23°27。黃經從0°~360°計量，黃緯從0°~±90°計量。
