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Une sphère armillaire (ou astrolabe sphérique) sert à montrer le mouvement des étoiles à un instant donné par rapport à la terre. L'invention de la sphère armillaire semble remonter à Eratosthènes, en Grèce vers 255 avant J.C. Elle comporte usuellement une sphère centrale mobile (figurant la terre ou le soleil) autour d'une tige représentant l'axe des pôles, une armature de cercles métalliques symbolisant les méridiens, les tropiques et l'équateur, une bande inclinée selon l'écliptique er représentant les constellations du zodiaque. Cet ensemble était articulé sur un support, l'angle de l'axe des pôles dépendant de la latitude du lieu d'utilisation de la sphère. En déplacant les éléments les uns par rapport aux autres, l'observateur obtenait la position prévue des constellations dans le ciel.
Les modèles les plus évolués comportaient en outre des cercles gradués pour figurer le déplacement apparent de la lune ou d'autres planètes.