La esfera celeste es una esfera imaginaria de radio indeterminado, cuyo centro es la Tierra, en la que se suponen situados todos los astros. Se considera que la observación realizada desde la superficie terrestre nos da los mismos resultados que si la hiciésemos desde el centro de la Tierra, ya que el valor del radio terrestre (6.500 km) es despreciable frente a las distancias astronómicas.
Para fijar un astro en la esfera celeste necesitamos un sistema de coordenadas, definido por: un plano fundamental, un punto de referencia y un sentido para la medida de ángulos. Las coordenadas más interesantes desde el punto de vista de los relojes de Sol son las horizontales (el plano de referencia es el horizonte) y las ecuatoriales horarias (el plano de referencia es el Ecuador), ya que detectan el movimiento constante del Sol en la bóveda celeste.
El punto de referencia es el Sur, y las coordenadas utilizadas son:
Las coordenadas horizontales son topocéntricas (el origen de coordenadas se sitúa en el lugar de observación).
El punto de referencia es la intersección del Ecuador con el meridiano del lugar. Las coordenadas utilizadas son:
Las coordenadas ecuatoriales horarias son geocéntricas (el origen de coordenadas se sitúa en el centro de la Tierra).
Si queremos utilizar la altura y/o azimut para trazar el reloj de Sol, necesitamos convertir las coordenadas ecuatoriales horarias en horizontales. La trigonometría esférica nos procura fórmulas de paso (φ es la latitud):
