Sfera celeste. — Sfera di raggio arbitrario, concentrica ed esterna a quella terrestre, sulla quale si immaginano proiettati gli astri e i punti terrestri, individuandone le posizioni mediante coordinate sferiche riferite a varii sistemi di piani.
Immaginando prolungati nello spazio l'asse terrestre, il piano dell'equatore, dei meridiani, la verticale dell'osservatore e il piano ad essa normale passanti per il centro della Terra, si hanno sulla sfera celeste, rispettivamente: i poli, l'equatore, i meridiani celesti, lo zenit, il nadir, e l'orizzonte astronomico dell'osservatore.
Si considerano varii sistemi di coordinate; quelli che interessano l'astronomia nautica sono:
le Coordinate equatoriali, dette anche Coordinate celesti, che definiscono la posizione degli astri sulla sfera celeste indipendentemente dall'osservatore;
le Coordinate azimutali, che consistono nell'altezza e nell'azimut di ciascun astro e ne definiscono la posizione rispetto all'osservatore e cioè rispetto al suo zenit (o al suo orizzonte astronomico) e al suo meridiano;
le Coordinate orarie, che consistono nella declinazione e nell'angolo orario dell'astro. Essendo la prima anche una delle coordinate del sistema indipendente dall'osservatore, mentre il secondo è invece riferito al meridiano dell'osservatore, le coordinate orarie costituiscono il collegamento fra i due primi sistemi e definiscono l'orientamento della sfera celeste rispetto all'osservatore in un dato istante.
Per la determinazione del punto-nave nella navigazione astronomica bisogna risolvere un triangolo sferico, detto Triangolo di posizione, e a tale scopo occorre la conoscenza delle coordinate equatoriali, che si ricavano dalle Effemeridi, di quelle azimutali, che si ottengono con le osservazioni astronomiche e di quelle orarie basate sui dati delle Effemeridi e sul cronometro (vincolo orario tra i due sistemi).
Supponendo la Terra immobile e la sfera celeste animata da un moto di rotazione con velocità uguale a quella della Terra e in senso contrario (Senso retrogrado), la sfera celeste riproduce esattamente il moto apparente di rotazione delle stelle fisse (cerchi paralleli all'equatore celeste) e definisce in ogni istante la posizione relativa delle stelle stesse rispetto ai punti terrestri.
Per il Sole, invece, bisogna tener conto anche del moto di rivoluzione annuo della Terra sulla propria orbita, per effetto del quale il Sole, nel corso di un anno, sembra percorrere un cerchio massimo della sfera celeste, detto Eclittica, che taglia l'equatore celeste nei punti equinoziali e fa col suo piano un angolo di 23° 27΄. Per effetto di questo movimento e della rotazione diurna la rappresentazione geometrica del moto apparente diurno del Sole, non consiste in un parallelo, come per le stelle fisse, ma in un arco di spirale discendente nel periodo dell'anno che va dal solstizio d'estate a quello d'inverno ed ascendente dal solstizio d'inverno a quello di estate.
Per i pianeti, il cui moto apparente dipende non soltanto da quelli reali della Terra, ma anche dal loro moto reale lungo la propria orbita, la rappresentazione geometrica consiste nella proiezione di epicicloidi a nodi, e cioè in una specie di curve a festoni o seghettate, giacenti o quasi nel piano dell'eclittica. La linea che ne unisce le posizioni successive ha inoltre la particolarità che non va sempre nello stesso senso, ma presenta delle oscillazioni più o meno numerose, a seconda del pianeta, prima che si chiuda su sé stessa allo stesso punto del cielo rispetto alle stelle fisse, il che avviene dopo un tempo differente per i varii pianeti (Marte 2 anni, Giove 12, Saturno 30, Urano 84, Nettuno 164).