是在天文学和导航上想出的一个与地球同圆心，并有相同的自转轴，半径无限大的球。天空中所有的物体都可以当成投影在天球上的物件。地球的赤道和地理极点投射到天球上，就是天球赤道和天极。天球是位置天文学上很实用的工具。
天文学上用来描绘天体在天球上位置的坐标系统。有许多不同的坐标系统都使用球面坐标投影在天球上，类似于使用在地球表面的地理坐标系统。这些坐标系统的不同处只在用来将天空分割成两个相等半球的大圆，也就是基面的不同。例如，地理坐标系统的基面是地球的赤道。每个坐标系统的命名都是依据其所选择的基面。天球坐标系统有：地平坐标系（地理平面为基面）、赤道坐标系统（赤道平面为基面）和黄道坐标系统（公转黄道面为基面）。
又作地平座标系，是天球坐标系统中的一种，以观测者所在地为中心点，所在地的地平线作为基础平面，将天球适当的分成能看见的上半球和看不见（被地球本身遮蔽）的下半球。上半球的顶点（最高点）称为天顶，下半球的顶点（最低点）称为地底。
地平坐标系统使用高度角（Altitude, Alt）和方位角（Azimuth, Az）表示位置：高度角是天体和观测者所在地的地平线的夹角，方位角是沿着地平线测量的角度（由正北方为起点向东方测量）。
又作赤道座标系统，是使用得最广泛的天球坐标系统。与地理坐标系统非常相似，因为两者使用相同的基准平面和相同的极点。地球的赤道在天球上的投影就称为天球赤道，相同的，地理极点在天球上的投影就是天极。
赤道坐标系统使用赤经（Right ascension）、赤纬（Declination）表示位置信息。
天球上的赤经，与地理座标中的经度相同。赤经和经度都是沿着赤道向东或西方向量度，零点也是赤道上随意选择的。经度的零点是本初子午线；赤经的零点是春分点，这是太阳在3月下旬运行至北天球时所通过的点，也是地球的升交点。赤纬与地球上的纬度相似，是纬度在天球上的投影。
3、黄道坐标系
又作黄道座标系，是以黄道作基准平面的天球坐标系统，多用作研究太阳系天体运动情况之用。
黄道系统描述的是行星环绕太阳移动的轨道，它的中心在太阳系的重心，也就是太阳的位置。它的基本平面是地球的轨道面，称为黄道面。在行星科学中被大量使用，像是计算行星的位置和其他重要的行星轨道参数：倾角、升交点、降交点、近日点位置等等。此坐标系特别适合标示太阳系内天体的位置，大多数行星（水星和冥王星除外）与许多小行星轨道平面与黄道的倾角都很小。
银道坐标系，是以太阳为中心，并且以银河系明显排列群星的平面为基准的天球坐标系统，它的“赤道”是银河平面。相似于地理坐标，银道坐标系的位置也有经度和纬度。
岁差，又称地轴进动（axial precession），是指某一天体的自转轴指向在其他天体的引力的作用下，相对于空间中的惯性坐标系所发生的缓慢且连续的变化。地球的岁差主要由太阳、月球及其他行星作用在地球赤道隆起部分的引力矩引起。在天文学和大地测量学中，岁差一般专指地球自转轴缓慢且均匀的变化，周期约25,722年。其他周期较短或不规律的变化则被称为章动。
分点岁差：地球大约以25,800年完成一次的岁差周期，在这段期间内，恒星在赤道座标上被测量到的位置会慢慢的改变，这种变化是归结于座标本身的变动。在这个周期内，地球自转轴的北极指向将从现在的位置移开，距离北极星约1°之处，并绕着黄极画出一个角半径23.5°的圆圈（正确的说应该是23°27’）。移动的量是每180年1°，这个数值不是从圆圈的中心，是由观测者的位置量度的。
日月岁差： 因为地球不是完美的球体，是在赤道部分略微隆起的一个扁球体。月球和太阳引力引起的潮汐力产生的力矩试图将赤道的隆起拉入黄道平面，使地球自转轴绕着黄道面的垂直轴（黄道轴、黄极）旋转，在空间中描绘出一个圆锥面。由太阳和月亮共同导致的进动作用就称为日月岁差。
最早在1863年，行星岁差（英语：planetary precession）一词就被提出，用于与因太阳与月球引力而形成的日月岁差（英语：lunisolar precession）相区别。二者同样被合称作总岁差，以逐渐取代过去的“分点岁差”。在行星对赤道面的影响没有被发现之前，“行星岁差”和“黄道岁差”曾被视作同义词，“日月岁差”则和“赤道岁差”亦是如此。随着测量和计算精度的进一步提升，行星引力对赤道面的影响变得无法忽视。为避免造成误解，国际天文联合会在2006年将“日月岁差”和“行星岁差”分别重新命名为当前使用的“赤道岁差”和“黄道岁差”。
岁差（P）、章动（N）与地球自转（R）的示意图，图中黑色实直线为地球自转轴，虚线为黄轴
回归年(tropical year)，也称为 太阳年(solar year)，属于太阳时间计量系统，是太阳的平黄经变化360°所经历的时间。由于太阳视运动不是均匀的，选取不同的起点会得到不同的长度。若选取春分点作为基准，太阳从春分点出发运行一周再次回到春分点的时间为春分点年。在2000年，回归年的平均长度（即平回归年）为365.24219天(SI day)。
恒星年(sidereal year)，属于恒星时间计量系统，是太阳在黄道上的视位置相对遥远恒星变化360°所经历的时间。也相当于地球相对于遥远恒星在绕太阳公转轨道上运行360°所经历的时间。在2000年，恒星年的平均长度（即平恒星年）为365.25636天(SI day)。恒星年比回归年要长20分24.5秒，这是由于地球自转轴的进动导致的，而这个差异被称为岁差。