拱极星（Circumpolar stars）是指在特定纬度处观测时，围绕天极永不落下的恒星，其数量及可见性取决于观测者的纬度。拱极星座则指的是包含这些拱极星的星座，例如，对于北纬以上的观测者而言，大熊座、小熊座、仙王座、仙后座等均为终年可见的拱极星座。

拱极星和拱极星座在古代和近代都起到了重要的作用。在四大文明古国，国王被视为神明，死后有权加入永恒不落的拱极星，而拱极星则被视为国王升天的载体。在希腊神话中，阿尔甫斯（Alpheus）和阿瑞图萨（Arethusa）的故事则暗示了古代海员利用拱极星进行纬度航行的导航。

近代研究中，时间方位角和高度-方位角公式的修改和简化，使得航海员可以通过拱极星的时角和高度获取方位角信息，大大简化了航海导航。而古埃及埃及金字塔的建造日期也被推测是通过观测接近的拱极星同时凌日来确定北方向，进一步证明了拱极星在历史和科学研究中的重要性。

位于某一特定纬度的观测者所看到的围绕在天极周围永不落下的恒星被称为拱极星，拱极圈的大小取决于观测者所在纬度，因为天极的高度（也称仰角）等于观测者的纬度。例如，在纬度处观测，天极的高度是，在距离天极以内的所有恒星都是拱极星。同样，在距离相反天极的区域内也有一块相应的区域是永远不可见的。在极点处观测，所有可见恒星都是拱极星。在赤道处观测，则没有任何拱极星。

由于地球自转，拱极星与天球一起围绕着南北天极转动，当一颗恒星的赤纬大于时，它的高度为一个正数，此时对于观测者来说，这颗恒星就是永不落下的拱极星。举例来说，对于北半球的观测者，天空中的拱极星全年围绕北天极旋转；而对于南半球的观测者则刚好相反，所有拱极星都围绕南天极旋转。

天球是一个抽象概念，用于描述天体的相对方位。在此概念中，星辰看似固定在天球上，共同东升西落，仿佛整个天球均匀地由东向西做周日旋转（天旋）。然而，这其实是地球由西向东自转（地转）的现象反应。天球的构造以地球为中心，包含北天极、南天极、赤经线、赤纬线、黄道和春分点，其中天极位于地球的极点之上，天赤道则直接对应地球的赤道。虽然天球看起来每天都在绕天极旋转，但这实际上是地球自身轴旋转的结果。虽然天球看起来每天都在绕天极旋转，但这实际上是地球自身轴旋转的结果。站在地球表面的观测者一次只能看到天球的一半，这一半由观测者的地平线界定。观测者所在位置的正上方是天球的顶点，而正下方则是被称为天底的点。

天旋与地转是同一件事的两种表述。例如，站在其他天体上的人（如登上月球的宇航员）就能直观地观察到地球在自转。为了更形象地展示星空的动态，人们曾经制造了天球仪，这种模型能够通过天体在天球面的投影位置及其变化来表示天体的视方位、分布及运动规律。基于此，人们用球面三角学建立了最早的天文学分支——球面天文学，这是天体测量学的起源。

天球作为一个天文学概念，具有一些独特的性质。首先，虽然天球半径是数学的无限大，但在实际应用中可以用任意值替代。其次，从天球中心到天体的直线在天球面上的投影点代表了天体的位置。通常，天球中心一般选为观测点、地球中心或太阳中心（太阳系质心），分别对应着“站心天球”，“地心天球”或“日心天球”。此外，从地面不同观测点看向同一远方天体的视线方向是互相平行的，它们在天球面上交于同一点。对于很遥远的天体，这是足够好的近似，但对于较近天体的精确定位而言，则需要考虑不同观测点的定位差别。最后，天球上两点间的大圆弧大小用角距表示，也就是对天球中心的张角，而不是线距离。

平面与天球的交线都是圆。如果平面经过球心，则圆的直径最大（大圆）；如果平面不经过球心，则圆的直径较小（小圆）。球面上两点间的连线以大圆弧为最短，而小圆弧则较长。大圆弧的大小常以从球心到大圆弧两端点的两个半径所夹角度（圆心角）表示，也称为焦距。球面上两个大圆弧之间的夹角（球面角）用两个大圆平面的二面角来度量。过球面上三点的三个大圆弧（“边”）围成球面三角形，三个边和三个内角都以角度表示，如下图所示。

如同平面解析几何需要选取原点和坐标轴一样，可以根据方便和需要选取天球上的基本点（原点）和基本圈（大圆），约定坐标计量的方向和范围，建立天球坐标系，进而观测计量天体视方位，一般以两个角度为坐标来表示天体的方位。

如图所示，取观测点为天球中心，过点作该地铅垂线（即重力方向），交天球于和，位于观测者头顶的最高点称为天顶，与相对的称为天底。通过中心作垂直于的平面，其交于天球的大圆称为（真）地平圈或数学地平。天顶与地平圈是等价的，只要一个确定了，另一个也就唯一地确定了。但应注意，地平圈与视地平线是两个不同的概念，视地平线是高于地表的人眼视线与周围地表（不很规则）的切线——投影到天球上也是“小圆”，其圆心偏离天球中心。

通过上述天球中心作平行于地球自转轴的直线，称为天轴，它交于天球和点，这两点对应于地球的北极和南极洲，称为北天极，称为南天极。通过天球中心作垂直于天轴的平面称为天赤道面，它交于天球的大圆称为天赤道。北天极与天赤道是等价的，只要一个确定了，另一个也就唯一地确定了。显然，天赤道平行于地球赤道面。相对于遥远的恒星来说，地球半径甚至公转轨道半径都显得微小而可忽略，因而地球表面观测的星空就如同在地心观测一样，但转动仍存在，因而仍能观测到同样的天体视运动。通过天球中心、天顶、北天极作一个平面，它与天球相交的大圆称为天子午圈。天底和南天极都在子午圈上，而观测点的地球子午面与天球交于天子午圈。

通过天顶、东点、西点作一个平面，它与天球相交的大圆称为天卯酉圈。显然，天底也在天卯酉圈上。和又分别称为卯圈和酉圈。地平圈、天子午圈和天卯酉圈都是两两相互垂直的大圆。

拱极星座是在地球上某一特定位置观测时围绕在天极周围永远不会消失在地平线之下的星座。从极地观测时，赤道以内所有可见星座均为拱极星座。从赤道观测时，不存在拱极星座。从北半球中纬度（约北纬）观测时，拱极星座可能包括：大熊座、小熊座、仙后座、仙王座等。

大熊座是北半球天空中一个巨大而突出的星座，其座内北斗七星是在北天排列成斗勺形的七颗亮星（天枢、天璇星、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光），它们构成了大熊的臀部和尾巴，十分易于辨认。对于北纬以上纬度地区来说，北斗七星的大多数恒星都是拱极星。大熊座中最亮的两颗星即天枢（大熊座）和天璇星（大熊座），这些“北斗指向标”为观测者们提供了一个宝贵的参照物，因为这两颗星之间的弧线是一条近乎精确的经线，即南北线。这条线从天璇星起始，经天枢而直指大约以外的极星。

小熊座排在88星座的第56位，其中等以上的亮星仅有18颗。7颗比较亮的星连成了一个类似于北斗七星的形状，称为“小北斗”。对于居住在北半球中纬度的人们来说，它是一年四季都能看到的拱极星座。小熊座的主要恒星组成了一头小熊的形状，类似于更大更亮的大熊座，但它的“把手”朝着相反的方向弯曲。小熊座尾巴尖上的那颗星叫做勾陈一（小熊座），是一颗造父变星，视星等约为等。它距离北天极不到，具有定位北极点的功能，故称“北极星”，自古以来一直被用于方向导航。

仙后座是一个中等大小的星座，按照大小排列位居25位，与仙女座、蝎虎座、仙王座、鹿豹座和英仙座为邻。仙后座内有3颗二等星，3颗三等星，其中仙后座的5颗主星分别是王良四（仙后座）、王良一（仙后座）、策（仙后座）、阁道二（仙后座）、阁道三（仙后座），这些主要亮星在北天连成一个巨大的或的造型。仙后座与仙王座一同环绕在北极星附近，对于北半球中纬度的观测者而言，它们全年都不会落下。当冬季北斗七星转移到北部地平线附近时容易被地面物遮挡，此时仙后座也能够作为协助确定天罡星位置的工具。

仙王座也是一个中等大小的星座，按星座大小排列位居第27位，位于仙后座与天龙座之间，并不特别突出。仙王座的轮廓由7颗不太亮的主星组成，形状类似一个“铅笔头”。仙王座亮度最高的主星为天钩五（仙王座），视星等约为等，由于地球自转轴的岁差运动，约5500年后它将成为指示北方的“北极星”。仙王座中另一颗著名的主要亮星则是造父一（仙王座），这颗黄色的超巨星是造父变星的名称来源，它距离地球不到1000光年，亮度在到等之间变化，周期约为一天零九个小时。这种变化是肉眼可见的。它同时也是一颗双星，通过小型望远镜可以观测到其蓝白色的六等星伴星。仙王座与仙后座的纬度都非常高，因此对于北半球大部分观测者而言，它们在天空中只有高度和方位的变化，因此也被划分为永不下落的拱极星座。

观测者能否看到特定的拱极星座，取决于他们所在的地理纬度。有些拱极星非常明亮，使用子午仪，甚至可以在白天的任何时间观测到它们。秋季和冬季期间，中纬度地区每天有12小时到15小时的黑暗，此时能够在天体中天观测到亮度较低的拱极星。一年中的六个月里，可以在晚上5点到7点之间观察到一系列特定的拱极星在它们的上中天或下中天经过经线，十二小时之后观测同一批星体，它们会位于另一中天。通过这种方式，天文学家可以在一年内用一个仪器在上中天和下中天观测到几乎所有在极点范围范围内的七等星。

在四大文明古国的旧王国时期，国王在他们的国家中占有重要的地位。他们被认为是活神，诞生于神圣的血脉，因此死后有权加入天空中永恒不落的拱极星。神王角色的概念被视为双重和循环的，国王在天上和地下都拥有权威。这个想法反映在戴维斯（Davis）1977年的评论中，他描述了国王在死后如何重新进入神界并被赋予王权，就像他最初进入人世并获得相似的权威一样。埃及人将天空中一组在某一时间段中表现出类似拱极星性质的星星视为国王升天神话的载体，从埃及神话的角度来看，这样一颗星星战胜了死亡。在古埃及历法中，每年五月初，织女一和天狼星会一起出现在地平线上。天狼星会在落下，标志着它开始进入冥界的旅程，在接下来的大约45天内不会再被看到。而与此同时，织女星会升起，开始了它表现为拱极星的时期。这颗明亮的星星在公元前2400年期间视星等约为等，希腊人将其视为伟大的俯冲秃鹫，负责将死者的灵魂带往另一个世界。

在希腊神话中，阿尔甫斯是同名河流的河神，这条河流经伯罗奔尼撒的厄里斯和阿尔卡狄亚。他钟情于林中仙子阿瑞图萨，而阿瑞图萨为了摆脱他，祈求阿尔忒弥斯（Artemis）的帮忙，阿尔忒弥斯便将她化作了一条溪流，阿尔甫斯看见后也变回河水与阿瑞图萨的溪流汇合在一起。阿尔甫斯和阿瑞图萨的神话实际上暗含了对青铜时代伯罗奔尼撒半岛和西西里岛之间纬度航行的描述，表明古代海员利用拱极星进行导航。通过找到特定纬度的最后一颗拱极星并测量其高度，水手们可以在航行中跟随这颗拱极星的导航，以此来找到从伊利斯/麦塞尼亚到锡拉丘兹的路线。

天体的天文方位角被定义为从北方顺时针计算的角度，即观测者的子午面与通过观测者和天体的垂直面之间的角度。然而，方位观测的精度取决于测量角度的工作质量，因此按照以下三个类别进行分类：

其中，三阶方位角对详细的测量和导航能够提供很大的帮助。过去的方位角测量方法包括时间方位角法和高度-方位角法。时间-方位角法是通过记录计时器时间和水平圆读数来推导出天体的时角，并解算出方位角。高度-方位角法是通过记录接近的拱极星的水平和垂直圆读数的交点的同时进行观测来解算方位角。然而，这些方法在计算过程中存在一些困难和复杂性，并且需要使用大量的对数表和繁琐的计算步骤。在近代研究中，现有的时间-方位角和高度-方位角公式被修改和简化，通过一个简单的图表，可以在不需要复杂计算的情况下借助拱极星的时角和高度获取方位角信息，为航海导航提供了很大便利。

位于吉萨的古埃及金字塔大约建于公元前三千年纪中期左右，但它们的建造日期从未被明确。这一时期的年表是通过现存的国王名单及其统治年限重建的，但这些名单很少见，内容残缺不全，并包含已知的不一致和错误。因此，对于那个时期（旧王国）的现有年表只能精确到约年，这个数字目前通过放射性碳定年无法改进。但利用旧王国埃及金字塔朝向的趋势可以证明，埃及人通过观测两颗接近的拱极星同时凌日将金字塔向北对齐。对这些星体的岁差进行建模可以得到建造大金字塔的起始日期，并且使这一日期准确到约年，从而为旧王国年表提供了一个锚点。