인류는 지구의 환경에 적응하여 진화해 왔기 때문에 지구의 운동을 직접 느낄 수는 없다. 지구상에서 물체의 위치나 운동의 방향을 말하기 위해서는 기준을 정해야 한다.
천구
기원전 4천 년경부터 메소포타미아의 유목민들은 밝게 빛나는 별들을 여러 개씩 묶어, 그 모양에 따라 신화에 나오는 신, 인간, 동물, 물건 등의 이름을 붙여서 별자리를 만들었다. 이렇게 아름답게 꾸며진 별자리는 별의 위치를 나타내기 위해 사용한 방법이었다.
현재 사용되는 별자리는 88개로 북천에 28개, 황도에 12개, 남천에 48개가 분포되어 있다. 관측자를 중심으로 하여 반지름이 무한히 큰 가상의 구를 천구라고 한다.
황도
지구는 태양을 중심으로 공전하고 있으므로 태양은 관측자를 중심으로하는 천구상의 대원을 1년에 한 바퀴 도는 것처럼 보이는데, 그 대원을 황도라고 한다. 황도는 적도에 대해 약 23.5도 기울어져 있다.
천구의 북극 남극 적도
지구의 자전축을 연장하여 천구와 만나는 두 점을 각각 천구의 북극, 천구의 남극이라고 하며, 이 축에 수직 한 대원을 천구의 적도라고 하는데, 이는 지구의 적도를 연장한 것과 같다.
춘분점 추분점 하지점 동지점
태양이 천구의 적도를 남에서 북으로 지나는 점을 춘분점, 북에서 남으로 지나는 점을 추분점이라고 하며, 태양이 적도에서 북으로 가장 멀리 떨어진 점을 하지점, 남으로 가장 멀리 떨어진 점을 동지점이라고 한다.
지평좌표계
관측자를 지나는 지평면을 기준으로 하여 어떤 천체의 위치를 나타내는 좌표계를 지평좌표계라고 한다. 관측자 바로 머리 위를 천정, 발아래를 천저라고 하며, 이 중 남점과 북점을 포함하는 수직권을 천구의 자오선이라고 한다.
천구의 남북극을 지나는 수직권이 지평선과 만나는 두 점 중에서 천구의 북극에 가까운 점을 북점, 천구의 남극에 가까운 점을 남점이라고 한다.
지평 좌표는 천체의 위치를 나타내기에는 간편하지만, 천구의 일주 운동 때문에 좌표값이 시간과 관측자의위치에 따라 변하므로 천구상에 고정된 천체의 위치를 나타내는 데 적당하지 못하다.
적도좌표
천구의 겉보기 운동으로 인해 모든 별은 하루에 한 번씩 하늘을 돌고 있으므로, 관측자에게는 각 별의 방위각과 고도가 시각에 따라 항상 변한다. 따라서 천구와 함께 회전하는 적도 좌표계를 이용하여 시각에 관계없이 거의 변하지 않는 위치를 표시할 수 있다.
적도 좌표계에서 천구의 북극과 남극을 지나는 대원을 시간권이라고 한다. 춘분점을 지나는 시간권과 천체 S를 지나는 시간권이 만드는 각을 적경이라 하고, 적도면에서 천체 S까지의 각을 적위라고 한다.
적도 좌표는 춘분점이 천체와 함께 일주 운동을 하므로 그 좌표값이 관측자의 위치나 시간에 관계없이 일정하다. 따라서 천구상에서 별의 위치는 주로 적도 좌표계로 표시된다.