古希腊天文学家托勒密的地心说模型认为，天空由多层“天球”组成，恒星固定在最外层的天球上。
天空真的是球形的吗？为什么人们都有如此相似的感受？其实，这是一种错觉。造成这种错觉的原因是星星距离我们太远。我们无法判断哪些星星近，哪些星星远。结果，我们失去了距离感，误以为每颗星星到我们的距离都一样。因此，天空在我们看来就是一个球体。
尽管这种对“天球”的感知是一种错觉，但在天文观测中，我们可以利用“天球”的概念来确定天体在天空中的位置。在天文观测中，天球是一个以观测者为中心、半径无限大的假想巨型球体。由于这个球体无限远，我们无需考虑哪些恒星距离我们远，哪些恒星距离我们近；相反，我们将它们全部视为位于无穷远处的天体。因此，我们只需要在天球上绘制一个网格坐标系即可……
经度和纬度用于记录天体的位置和变化。天文学家通过望远镜观测时，可以利用这些坐标精确定位天体。
为了直观地呈现天球，人们发明了天球仪。中国汉代的浑仪和古罗马的法尔尼西亚天球仪是早期天球仪的代表。天球仪的外观与地球仪相似，同样有南北两极和赤道。然而，地球是真实的球体，而天球是假想的。天球仪描绘的不是地面上的河流和山脉，而是太阳、月亮和星星。与地球仪相比，天球仪的坐标系要复杂得多。除了常用的赤道坐标系外，还有基于太阳轨道平面的黄道坐标系、基于银河系圆盘的银河坐标系以及基于观测地点地平线的水平坐标系，所有这些坐标系都可以用来记录各种天体的位置。
三维天球仪是从天球之外的观测者视角设计的，因此其方向与从地球上看到的相反，使用起来不太方便。二维星图则更为常用，它是从天空投射出来的。苏州南宋时期的石刻天文图就是一个例子。