มีการศึกษากลุ่มดาวบนท้องฟ้ากันมาแต่โบราณ มนุษย์จินตนาการมองกลุ่มดาวเป็นรูปคน สัตว์ สิ่งของต่างๆ เพื่อให้สังเกตและจดจำได้ง่าย กลุ่มดาวบนท้องฟ้ามีมากมาย เช่น ดาวเหนือ กลุ่มดาวหมีใหญ่ กลุ่มดาวจระเข้ กลุ่มดาวค้างคาว กลุ่มดาวนายพราน นอกจากนี้ ยังมีกลุ่มดาวจักรราศีที่เป็นตัวแทนของเดือนต่างๆ

คนในสมัยก่อนเชื่อว่า เบื้องบนเป็นสวรรค์ เบื้องล่างเป็นนรก โดยมีโลกมนุษย์อยู่ตรงกลาง มนุษย์จินตนาการว่า โลกที่เราอยู่นั้น มีทรงกลมท้องฟ้าล้อมรอบ โดยมีดวงดาวติดอยู่ที่ทรงกลมนั้น ดังนั้น คนโบราณจึงคิดว่า ดวงดาวแต่ละดวงอยู่ห่างจากโลกเป็นระยะทางเท่าๆ กัน เนื่องจากบนท้องฟ้ามีดวงดาวอยู่เป็นจำนวนมาก มนุษย์จึงแบ่งดวงดาวออกเป็นกลุ่มๆ และวาดภาพจินตนาการว่าเป็นรูป คน สัตว์ สิ่งของ ไปต่างๆ นานา ตามความเชื่อและวิถีชีวิตของแต่ละวัฒนธรรม

การมองกลุ่มดาว (Constellations) บนท้องฟ้ามีความแตกต่างกันไปตามวัฒนธรรม เช่น ชาวยุโรปซึ่งอยู่บนภูเขาดำรงชีพด้วยการล่าสัตว์เป็นหลัก มองเห็นกลุ่มดาวนายพราน (Orion) เป็นรูปนายพราน แต่ชาวสยามทำการเพาะปลูก หรือเกษตรกรรมเป็นหลัก จึงมองเห็นกลุ่มดาวเดียวกันนี้เป็นรูปเต่า และคันไถ ในกรณีของกลุ่มดาวหมีใหญ่ (Ursa major) ก็เช่นกัน ชาวยุโรปซึ่งใช้ชีวิตบนภูเขามองเห็นเป็นรูปหมีใหญ่ แต่ชาวสยามใช้ชีวิตอยู่ริมน้ำจึงมองเห็นเป็นรูปจระเข้

ในอดีตกลุ่มดาวเป็นเพียงเรื่องของจินตนาการ ซึ่งมีความแตกต่างกันไปในแต่ละท้องถิ่น เชื้อชาติ ภาษา และวัฒนธรรม ฉะนั้น เพื่อให้สื่อความหมายตรงกัน สมาพันธ์ดาราศาสตร์สากลจึงกำหนดมาตรฐานเดียวกัน โดยแบ่งกลุ่มดาวบนทรงกลมท้องฟ้าออกเป็น 88 กลุ่ม โดยมีชื่อเรียกให้เหมือนกันโดยถือเอาตามยุโรป เช่น กลุ่มดาวนายพราน และกลุ่มดาวหมีใหญ่ ส่วนชื่อกลุ่มดาวเต่า กลุ่มดาวจระเข้นั้น ถือเป็นชื่อท้องถิ่นภายในประเทศไทย

การหาตำแหน่งของดาวเหนือ

ทรงกลมท้องฟ้าหมุนเคลื่อนที่ไปตลอดเวลา เราจึงมองเห็นกลุ่มดาวหมุนเวียนเปลี่ยนไปตามวันเวลา และตามฤดูกาล ดังนั้น ในการเริ่มต้นสังเกตการณ์ท้องฟ้า เราจะต้องรู้จักตำแหน่งของทิศทั้งสี่เสียก่อน หากไม่มีเข็มทิศเราก็สามารถใช้กลุ่มดาวเป็นประโยชน์ในการบอกทิศได้

โลกหมุนรอบตัวเองจากทิศตะวันตกไปยังทิศตะวันออก ทำให้เรามองเห็นดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และกลุ่มดาวบนท้องฟ้า เคลื่อนที่จากทางตะวันออกไปยังทางตะวันตก ดาวเหนือเป็นดาวดวงเดียวที่ปรากฏอยู่กับที่ ไม่เคลื่อนที่ไปไหน อย่างไรก็ตามดาวเหนือมีความสว่างไม่มาก และอยู่สูงเหนือเส้นขอบฟ้าไม่มากเมื่อมองดูจากประเทศไทย

การหาดาวเหนือจากกลุ่มดาวหมีใหญ่ (กลุ่มดาวจระเข้)

ในบางครั้งเรามองหาดาวเหนือได้จากการดู “กลุ่มดาวหมีใหญ่” (Ursa major) หรือที่คนไทยเราเรียกว่า “กลุ่มดาวจระเข้” กลุ่มดาวนี้มีดาวสว่างเจ็ดดวง เรียงตัวเป็นรูปกระบวยตักน้ำ เส้นตรงจากดาวสองดวงแรกของกระบวยตักน้ำจะชี้ไปยังดาวเหนือเสมอ ไม่ว่าทรงกลมท้องฟ้าจะหมุนไปอย่างไรก็ตาม ดาวเหนือจะอยู่ห่างออกไป 4 เท่าของระยะทางระหว่างดาวสองดวงแรกเสมอ

การหาดาวเหนือจากกลุ่มดาวค้างคาว

ในบางคืนกลุ่มดาวหมีใหญ่เพิ่งตกไป หรือยังไม่ขึ้นมา เราก็สามารถมองหาทิศเหนืออย่างคร่าวๆ ได้โดยอาศัย “กลุ่มดาวค้างคาว” (Cassiopeia) กลุ่มดาวค้างคาวประกอบด้วย ดาวสว่าง 5 ดวง เรียงเป็นรูปตัว “M” หรือ “W” คว่ำ กลุ่มดาวค้างคาวจะอยู่ในทิศตรงข้ามกับกลุ่มดาวหมีใหญ่เสมอ ดังนั้น ในขณะที่กลุ่มดาวหมีใหญ่กำลังตก กลุ่มดาวค้างคาวก็กำลังขึ้น และเมื่อกลุ่มดาวหมีใหญ่กำลังจะขึ้นกลุ่มดาวค้างคาวก็กำลังจะตกเช่นกัน

การหาดาวเหนือจากกลุ่มดาวนายพราน (กลุ่มดาวเต่า)

ในบางครั้งเมฆเข้ามาบังท้องฟ้าทางด้านทิศเหนือ ทำให้เราไม่สามารถมองเห็นกลุ่มดาวหมีใหญ่ หรือ กลุ่มดาวค้างคาวได้เลย ในกรณีนี้เราอาจใช้ “กลุ่มดาวนายพราน” (Orion) ในการนำทางได้อย่างคร่าวๆ เพราะกลุ่มดาวนายพรานจะหันหัวเข้าหาดาวเหนือเสมอ นอกจากนั้นกลุ่มดาวนายพรานยังตั้งอยู่บนเส้นศูนย์สูตรฟ้า นั่นหมายความว่า กลุ่มดาวนายพรานจะขึ้น-ตก ในแนวทิศตะวันออก-ตะวันตก เสมอ

กลุ่มดาวจักรราศี

โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ใช้เวลา 1 ปี  ทำให้ตำแหน่งปรากฏของดวงอาทิตย์ เมื่อเปรียบเทียบกับตำแหน่งของกลุ่มดาวบนท้องฟ้าเปลี่ยนแปลงไป ดังภาพที่ 1 ยกตัวอย่าง ในเดือนมิถุนายน เรามองเห็นดวงอาทิตย์อยู่หน้ากลุ่มดาวคนคู่ (ราศีเมถุน) หนึ่งเดือนต่อมา ดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ในทิศทวนเข็มนาฬิกาไป 30° เราก็จะมองเห็นดวงอาทิตย์เคลื่อนที่ไปอยู่หน้ากลุ่มดาวปู (ราศีกรกฎ) ซึ่งอยู่ถัดไป 30° เช่นกัน

เราเรียกกลุ่มดาวซึ่งบอกตำแหน่งดวงอาทิตย์ในแต่ละเดือนว่า “จักราศี” (Zodiac) ผู้คนในสมัยก่อนใช้กลุ่มดาวจักราศีเป็นปฏิทินในการกำหนดเดือน โดยการเปรียบเทียบตำแหน่งของดวงอาทิตย์ กับตำแหน่งของกลุ่มดาวจักราศีบนท้องฟ้า โดยถือเอาเส้นสุริยวิถีเป็นเส้นรอบวง 360° หารด้วยจำนวนกลุ่มดาวประจำราศีทั้ง 12 กลุ่ม ซึ่งห่างกันกลุ่มละ 30° (30° x 12 = 360°)

จากรูปตัวอย่าง ผู้สังเกตบนโลกจะเห็นดวงอาทิตย์ทับกลุ่มดาวราศีตุล แสดงว่าเป็นช่วงเดือนตุลาคม ในช่วงเดือนนี้กลุ่มดาวราศีตุลจะขึ้นจากท้องฟ้าพร้อมกับดวงอาทิตย์ ทำให้เรามองไม่เห็นกลุ่มดาวนี้ เพราะเราจะเห็นดาวได้ในตอนกลางคืน คือหลังดวงอาทิตย์ลับขอบฟ้าแล้ว แต่กลุ่มดาวราศีตุลก็จะลับฟ้าไปพร้อมๆ กับดวงอาทิตย์เช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ดวงอาทิตย์จะค่อยๆ ย้ายตำแหน่งออกจากการทับกลุ่มดาวราศีตุล โดยจะเคลื่อนที่แบบทวนเข็มนาฬิกาออกจากกลุ่มดาววันละ 1° จนกระทั่งเข้าสู่ราศีพิจิกในที่สุด ซึ่งแต่ละกลุ่มดาวจักรราศีกินมุม 30° ของทรงกลมท้องฟ้า ดวงอาทิตย์จึงทับกลุ่มดาวจักรราศีแต่ละกลุ่มเป็นเวลาราว 30 วัน หรือ 1 เดือนนั่นเอง

และเมื่อดวงอาทิตย์ย้ายตำแหน่งไปจนครบทั้ง 12 กลุ่มดาวจักรราศีหรือครบรอบ 360° ของวงกลมท้องฟ้าก็จะกินเวลาราว 360 วัน หรือเท่ากับ 1 ปี (365-366 วัน)