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坐标系的引进可以使问题清晰、理论推导简单。反之，如果坐标系选择不合适，将会使得问题复杂化。对于不同的问题，最适合采用的坐标系也各不相同。在众多坐标系中，有些坐标系仅作为推导工具而引进，这是一些仅在中间推导过程中使用的坐标系。这类中间坐标系可以按推导的需要而引进，不一定要遵守公认的定义和共同的约定。然而，不同的中间坐标系之间常常不能相互直接比较，所以，它们最终都需要联系于某些公认定义的、可作为基本标准的坐标系。将作为基本参考标准的坐标系称为基本坐标系，其他的一些坐标系称为导出坐标系。
对于航天应用来说，有两个基本坐标系是必需的，即基本天球坐标系和基本地球坐标系。基本天球坐标系用于描述航天器或太阳系天体的位置和运动，基本地球坐标系用于基于地球的观测描述。为描述天体和航天器在空间的位置和运动，需要在空间定义一个坐标系，其原点在太阳系（或地球）质心，坐标标架相对于遥远天体背景的整体没有旋转。如果这样的坐标系得以实现，就认为，相对于这个坐标系所描述的物体运动属于该物体本身相对于太阳系质心系（或地心系）的运动。通常将符合这种要求的天球赤道坐标系称为基本天球坐标系，并用符号FCCS（Fundamental Celestial Coordinate System）表示。其他各种导出的天球坐标系都要与基本天球坐标系发生联系。
同时，为描述测站在地球上的位置和运动，需要在地球本体内定义一个坐标系，其原点在地球总质量（含流体部分）的质心，其标架相对于地球的平均岩石圈整体没有旋转。如果这样的坐标系得以实现，就认为，相对于这个坐标系描述的测站的运动属于该测站自身的运动，而这个坐标系相对于基本天球坐标系的运动是地球质心的平动和绕质心的自转运动。本书将符合这种要求的地球赤道坐标系称为基本地球坐标系，并用符号FTCS（Fundamental Terrestrial Coordinate System）表示。其他各种导出的地球坐标系都要与基本地球坐标系建立联系。
一个有实际意义的基本坐标系，除上述的非旋转性外，还必须满足一个最重要条件，即这个坐标系必须有“可实现性”，就是其原点、基本面和经度起始点必须具备“可观测性”。所谓可观测性，必须是不依赖于任何已知坐标框架的“绝对可观测性”。例如，在没有任何已知数据的条件下，要能测量出一个天体（或一个测站）在该坐标系中的坐标，只有地球的某些动力学平面具有这种可观测性。
然而，地球的动力学平面，无论在空间还是在地球本体都不是固定的。任何可观测的动力学平面都只有瞬时的意义，基于其建立的坐标系都是瞬时坐标系。这样看来，对于基本坐标系的“不旋转”和“可实现”这两个主要要求却是相互矛盾的。解决这个矛盾的途径是给出地球的瞬时动力学平面的运动规律，以此规律为基础，可以用一组有旋转的瞬时动力学平面的空间定向维持一个不旋转的坐标系。这样，瞬时坐标系的可观测性就转变成基本坐标系的可观测性。
综上所述，要实现一对理想的基本坐标系，需要解决以下三个环节上的有关问题。
（1）选取适当定义的瞬时动力学平面，建立适当的瞬时坐标系。
（2）在不同时刻参考当时的瞬时坐标系，通过一定的方法对一组目标天体开展一系列定标观测。
（3）在不同的瞬时坐标系之间建立确切的理论关系，将各瞬时观测结果换算到一个共同约定历元的坐标系（即基本坐标系）。此过程中涉及的各种概念、常数、函数关系、数据处理方法等，都需要经过严格的协调（详见第5、第6章）。经这样处理后，由大量的瞬时观测数据综合成为一个参考架，该参考架才是基本坐标系的体现。至于坐标原点的定义，需要通过动力学方法建立的框架实现。
上述三个环节构成了实现理想基本坐标系的一套整体方案，这方案就成为地基测量的参考系统（Reference System），通常简称为“参考系”。
基本天球坐标系 FCCS 和基本地球坐标系 FTCS，它们的基本面（或基本方向）都和地球的动力学平面（或动力学轴）相联系。由于地球的各动力学轴的方向（自转角速度方向、自转角动量方向、最大惯量矩方向和轨道角动量方向）无论相对于空间还是相对于地球本体都存在着复杂的运动，为实现基本坐标系，需要精确描述瞬时动力学轴的运动规律，给出瞬时坐标系和基本坐标系间的转换关系。这将在第3、第4、第5章中介绍，本节先给出基本坐标系的转换关系。
从数学上讲，FCCS和FTCS之间的关系只要用三个欧拉角（自转角Φ、章动角Θ和进动角Ψ）就可以充分描述，这些欧拉角的具体定义与所采用的坐标旋转次序有关。可以有几种不同的旋转方式，但最后都可达到同样的目的。以图1.1所示的两个坐标系为例，令[FCCS]和[FTCS]分别为FCCS和FTCS的坐标标架（单位基矢量组成的矩阵），即
其中
和
分别为FCCS和FTCS的单位基矢量。
假设天体的位置矢量为
，其在 FCCS 和 FTCS 的坐标分别为 x
1
,x
2
,x
3
和y
1
,y
2
,y
3
，则有
图1.1 地球的空间姿态
其中
上述各式中“
−1
”表示“求逆”,p
1
,p
2
,p
3
;q
1
,q
2
,q
3
;r
1
,r
2
,r
3
分别为FCCS基矢量
在FTCS坐标标架的方向余弦。显然，[FTCS]
−1
[FCCS]就是坐标系FCCS变换为FTCS坐标系的转换矩阵。可用三个欧拉角来表示该转换矩阵
其中旋转矩阵R i （θ）,i= 1,2,3定义为
（1.1）式的形式很简单，但是，由于地球的动力学轴对空间和对地球本体的方向都是时变的，不论怎样选取FCCS轴和FTCS轴，都不能使得两者中任何一个始终和地球的动力学轴的方向保持固定关系。不难理解，在这种情况下，由于地球存在快速的周日自转，（1.1）式的三个欧拉角都存在周日变化。如果用这样一组参量描述地球的空间姿态，这些参量将是不可观测的。因为任何天体测量观测过程都不是瞬间完成的。过去传统测量技术通常取一天为一个观测时段，对现代测量技术，也需要几个小时，将来最短也需要几分钟。在这时段内，这些具有周日变化的参量都已发生了显著变化。
可见，对于地球绝对姿态的描述来说，（1.1）式的形式虽然最简单，但无法实现。需要引进瞬时坐标系，使得各坐标旋转角都不含快速的周日变化，这样才有可观测性。设想若引进这样的瞬时天球坐标系 ICCS（Instantaneous Celestial Coordinate System），使得ICCS和FCCS之间的差异只是由于地球的动力学面（赤道面和黄道面）的空间摆动所引起，而与地球的周日自转角无关，因此坐标旋转参数没有快速的周日变化。再引进瞬时地球坐标系ITCS（Instantaneous Terrestrial Coordinate System），使得ITCS和FTCS之间的差异只是由于地球的赤道面相对于地球本体的摆动所引起，而与地球的周日自转角无关，因此坐标旋转参数也没有快速的周日变化。而设法使ICCS和ITCS二者有公共的极轴，它们之间只有周日自转角的变化。在此基础上，采用一个钟速接近于地球自转角速度时钟的时间读数，近似模拟地球自转角，这样自转角未被模拟的部分将是一个变化缓慢的小量。
如果引进瞬时天球坐标系ICCS和瞬时地球坐标系ITCS，其对应的坐标标架为[ICCS]和[ITCS]，这两个坐标系间的关系可以写成
（1.5）式的左端是基本天球坐标系和基本地球坐标系间的关系，它代表了地球平均岩石圈相对于遥远天体整体背景的“空间绝对姿态”。右端将这空间绝对姿态分解成三部分，一部分（[ICCS] −1 [FCCS]）是瞬时天球坐标系相对于空间背景的姿态变化，另一部分（[ITCS] −1 [ICCS]）是瞬时地球坐标系相对于瞬时天球坐标系姿态变化，还有一部分（[FTCS] −1 [ITCS]）是地球本体相对于瞬时地球坐标系的姿态变化。如果这样的分解能够实现，将可实现地球姿态观测方程的线性化，[ITCS]和[ICCS]将能够通过观测实现，并最终实现[FCCS]和[FTCS]转换参数的确定。实现这种分解方式的关键是寻找一个合理的参考轴，作为瞬时坐标系[ITCS]和[ICCS]公共轴。有关公共参考轴以及瞬时坐标系ITCS和ICCS的选取，请见第3、第4章和第5章。