在观测天体时，我们往往需要比较准确地说明某颗星星在天球上的位置，这时就要用一种数学的方法来加以描述，因为数学有精确描述物体位置、运动规律的本领。
我们先说个“坐标系”的概念。我们说天津市在北京市的东南方110千米处，这里就是把北京作为基点——数学上的坐标原点。而且有了两个坐标——方向和距离。这时，我们只要人为规定一个参考点为0°方向，那么我们所在的平面上的所有位置，就都可以用数字表示出来了。比如，假定正东方为0°方向，那么按顺时针转，正南方100千米的地方就是（90°，100千米）。
由于天体都离我们非常遥远，我们一般就把天体都沿着我们视线的方向，投影到前面提到过的天球球面上。这时我们以天球上任何一个大圆BCDK（圆平面过天球球心）作为球面坐标系的基圆，大圆所在平面称为基本平面。基圈（基本平面和天球的交线）有两个几何极A和A′，选择其中的任何一个，如A，作为球面坐标系的极。再过极A作天球的半个大圆ACA′，作为球面坐标系的主圈或始圈。主圈与基圈的交点C称为球面坐标系的主点或原点。天球上过极的每一个大圆都与基圈垂直，称为副圈。为确定球面上任何一点σ的球面位置，通过极A和σ作一个大圆弧即副圈，与基圈交于D点。点σ的球面位置，可由两段大圆弧σD和CD，也可由大圆弧σD及球面角CAσ或平面角COD加以确定。大圆弧σD或极距Aσ称为球面坐标系的第一坐标，而大圆弧CD或球面角CAσ称为第二坐标。对于不同的基圈、主圈和主点，以及第二坐标所采用的不同量度方式，可以引出不同的天球坐标系。