在觀測天體時，我們往往需要比較準確地說明某顆星星在天球上的位置，這時就要用一種數學的方法來加以描述，因為數學有精確描述物體位置、運動規律的本領。
我們先說個“坐標係”的概念。我們說天津市在北京市的東南方110千米處，這裏就是把北京作為基點——數學上的坐標原點。而且有了兩個坐標——方向和距離。這時，我們隻要人為規定一個參考點為0°方向，那麼我們所在的平麵上的所有位置，就都可以用數字表示出來了。比如，假定正東方為0°方向，那麼按順時針轉，正南方100千米的地方就是(90°，100千米)。
由於天體都離我們非常遙遠，我們一般就把天體都沿著我們視線的方向，投影到前麵提到過的天球球麵上。這時我們以天球上任何一個大圓BCDK(圓平麵過天球球心)作為球麵坐標係的基圓，大圓所在平麵稱為基本平麵。基圈(基本平麵和天球的交線)有兩個幾何極A和A′，選擇其中的任何一個，如A，作為球麵坐標係的極。再過極A作天球的半個大圓ACA′，作為球麵坐標係的主圈或始圈。主圈與基圈的交點C稱為球麵坐標係的主點或原點。天球上過極的每一個大圓都與基圈垂直，稱為副圈。為確定球麵上任何一點σ的球麵位置，通過極A和σ作一個大圓弧即副圈，與基圈交於D點。點σ的球麵位置，可由兩段大圓弧σD和CD，也可由大圓弧σD及球麵角CAσ或平麵角 COD加以確定。大圓弧σD或極距Aσ稱為球麵坐標係的第一坐標，而大圓弧CD或球麵角CAσ稱為第二坐標。對於不同的基圈、主圈和主點，以及第二坐標所采用的不同量度方式，可以引出不同的天球坐標係。