建立在
天球上的同地球的形状和大小无关的坐标系。它以地球自转轴为极轴，极轴延伸与天球的交点为天极，经过地心并同极轴垂直的面为赤道面，由这个赤道面延伸与天球相交的大圆就是天赤道。观测者的地方铅垂线(或大地水准面的法线)为天顶方向，它是天文坐标系的基本方向。天顶方向和天球赤道面的夹角称为天文纬度嗞。它从赤道分向南北两极，从0°量度到90°。赤道以北的称为北纬，以南的称为南纬。经过天极和天顶方向的平面为天文子午面。某地天文子午面与本初子午面之间的两面角称为天文经度λ。在本初子午面以东的称东经，以西的称西经，一般都用0°～180°表示，但在天文学中常用0h～12h表示。
建立在
参考椭球体上的坐标系。不同国家和地区所采用的参考椭球体不完全相同。大地坐标系的基本方向是参考椭球体面的法线。地面上一点的法线同参考椭球体的赤道面之间的夹角称为大地纬度B。该法线同参考椭球体旋转轴所构成的平面称为大地子午面；该点的大地子午面同参考椭球体上相应的本初子午面之间的两面角称为大地经度L。
大地经纬度也分别用东西经和南北纬来表示。
为了确定地面点的位置，除用上述的二维球面坐标系外，还采用三维坐标系，即地心坐标系。它包括地心直角坐标系和地心极坐标系。地心直角坐标系（或称空间直角坐标系）以地球质心为坐标原点，以
参考椭球体旋转轴为z轴，从原点向北为正向,以参考椭球体赤道面为xy平面。赤道面同参考椭球体上的本初子午面的交线为x轴，指向本初子午面的方向为正向。xyz三轴形成右旋系统。地面上任意一点的坐标可用X、Y、Z三个坐标值表示。地心极坐标系的经度λ的定义与大地经度的定义相同。地心纬度嗞 是地面上一点和地心的连线同参考椭球体赤道面的夹角。第三个坐标是该点的地心向径ρ。
天文坐标和大地坐标之间的差异，是由地面点的垂线同法线方向的不一致引起的，其中包含地球自转轴和参考椭球体短轴不重合以及地球质心和参考椭球体中心不重合的影响。这种差异称为垂线偏差，垂线偏差值一般为几个角秒，极端情况下可达几十个角秒。差异特大的原因是地球内部质量分布的不均匀，因此只能通过观测来求得垂线偏差。
大地坐标用大地测量的方法测定。地心坐标早期曾用月掩星、月球照相观测等方法测定，但精度相当低。近年来，采用多普勒方法观测子午仪卫星的频移，定位精度已达米级（
人造卫星多普勒观测）。应用
人造卫星激光测距和
月球激光测距等技术，还可能以更高的精度确定地面点的地心坐标。采用甚长基线干涉测量技术可以达到最好的测定精度（见
甚长基线干涉仪）。此外，利用全球天文大地水准面，或利用天文大地水准面和重力大地水准面的高差，也可以建立地心坐标系。
为了测定
天文经纬度，必须观测天体。测定天文经度，就是在同一时刻测定地面上某一点和本初子午线上的瞬时地方时之差;测定天文纬度,就是测定天顶方向至赤道面的天顶距。在测定地方时的方法中，具有较高测定精度的有：
中天法、东西双星等高法、
多星等高法等。本初子午线上的瞬时地方时则可通过收录无线电时号求得。在测定天文纬度的方法中,首推
太尔各特法,其次为多星等高法。测定天文经纬度的仪器有：
中星仪、
棱镜等高仪、
天顶仪、
照相天顶筒；为了建立
天文大地网的天文经纬度，大多用
全能经纬仪测定，在精度要求不高时，也用小型棱镜等高仪。在测定地面点的天文坐标时，有时也测定由该点至另一点的方向同天文子午面之间的夹角（称为天文方位角），它对大地坐标的定向是一个重要的量。