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我们站在地球上仰望星空，看到天上的星星好像都离我们一样远。星星就好像镶嵌在一个圆形的天幕里。实际上，星星和我们的距离有远有近，我们看到的是在个巨大的圆球上的投影，这个巨大的圆球就称为天球。地球就悬挂在这个天球中央。
 
星星在天空中移动的方向并不是杂乱无章的，星星从东方的地平线爬上来，爬到最高点（中天），然后往西方沉下去。看起来就像整个天球围绕着地球旋转一样。
为了形容天上星体在天球上的准确位置，天文学家制订了一套座标系统。 这套座标系统和地球上惯用的经纬度座标相似。是从天球赤道开始至两极止，天球赤道是0度，向北至天球北极是+90 度，向南至天球南极是 -90 度。赤经的算法较特别，和地球经度（由-180度至+180度）的算法不同。
天球赤道和地球赤道位于同一平面上，把地球自转轴延伸到天球上的位置，就是天球的北极和南极。把地球的赤道伸延到天球上的位置，就是天球赤道了。在图中，我们可以看到赤道与黄道的交接点；春分点。秋分点是太阳由北半天降到北半天的位置（太阳直射北半球转换成直射南半球）。冬至日正午为太阳一年当中仰角最低的时刻，也是太阳在天球上最南边的时刻。
星球所发出电磁波总量称为光度，而地球上收到星球的能量称为亮度。星球的亮度不一样，它们的光度有可能会一样。亮度和光度大小成正比、和距离平方成反比。
恒星会绕着北极星为转动中心，平均每小时转15度，其原因是地球自转造成周日运动现象。而地球自转造成星座每天看起来会由东向西绕北极星转一周。
恒星视运动方向与地球自转方向相反，但是皆以北极星为中心。在赤道，恒星视运动轨迹垂直地表升落，一年里头可以看到全天所有的88个星座。
由于地球自转轴对准天球北极（也就是北极星所在），所以北极星的仰角等于观测者所在地的纬度。由于地球自转造成天体看起来绕北极星转动，所以如果某星的周日运动都在地平线以上进行，它和北极星的张角应该在25°以内，否则会落到地平线以下。若观测者所在地为赤道，赤道的纬度为0°，观测者所见到众多星星移动轨迹所构成的圆面，都会有是90°角度与水平面垂直。所以北极星的仰角为0°，所有天体周日运动轨迹会在此垂直于地平面。
星团是由数十万到数百万颗恒星群聚所构成，离太阳最近的恒星为半人马座的毗邻星，是南半球天空的星球，仙女座星系和地球所在的本银河系同属于一群，大约由30个星系所构成的本星系群，宇宙越向外的空间越大，星系的数目越多，看起来也就越不明亮。
月球自转和绕日公转的速度相同，所以月球都以同一面面向地球，但非地球以同一面面向月球，月球的盈亏现象主要是因为月球和地球不会发光，只能靠反射太阳光来显示亮面，而当日地月三天体相对位置改变时，由地球看月亮或由月表看地球都会出现盈亏现象，而且当地球看月亮呈现「眉月」同时，月表上所见之地球则会呈现「凸地」，月「海」其实是由玄武岩组成的低地、颜色较深，较明亮的部分则是由长石为主要成分的高地。
地球公转的轨道与黄道十二宫的示意图
地球绕日公转轨道到夏至点，由地球往太阳方向看过去，太阳投影在双子座。地球上背对太阳的时刻为子夜，面对太阳的时刻为午时，当地球位于春分点位置时，室女座在当天子夜过中天（对地球来说，此时室女座恰好和太阳反方向）。
若太阳由正东方升起时，黄道十二宫中的某一星座正由西方落下，则半年后，此星座将与太阳同时升起。因为，除了地球自转与公转，太阳和星座固定不动；星座升落或季节改变都是地球运动的结果。
 天球中心O与北天极的连结线(1)为地球自转轴的延长线，地球自转轴的延长线通过天球南北极点。直线(1)垂直的大圆(A)的名称为天球赤道，天球赤道恒与极轴相互垂直。面对北天极的方向也就是面对北极星的方向为「北」方（交点c），(a)为南方、(b)为东方、(d)为西方。
由于地球自转同时也在绕太阳公转，造成同一恒星每天提早约四分钟升起。相对于距离地球极远的恒星来说，当X恒星两次出现在相同的位置时，地球恰巧自转360度；但因为地球绕日公转，太阳距离地球相对于恒星X近多了，所以地球如果以太阳为参考点，两次正午之间地球必须转动361度。
 
从左图可知，黄道十二宫与天赤道的四象二十八宿只在春分点及秋分点相合，天赤道和地球赤道位于同一平面上。赤经是在天球赤道自西向东由0000小时至2300小时，赤经的每小时分为60分，每分可再细分为60秒（註：赤经的分秒并不等如角度用的角分角秒）。赤经计算的起点为春分点，春分点是天球赤道和黄道的两个相交点其中一个（另一个是秋分点）。
位于地球上的时间划分，由于地球的倾斜而太阳光横跨经度。而0经度只是一个均衡点，所以，必需把西经7.5度到东经7.5度定为零时区，由零时区分别向东与向西每隔15度划为一时区，而子时横跨二个小时，由太阳所照射到的第一位值算起，所以在零时区的前一个时区。
二十四节气是根据阳历划定，即根据太阳的黄道上的位置，把一年划分为24个彼此相等的段落，与以四象二十八宿十二时辰毫无关系。
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