图4-1 大地坐标系统
长期科学观测表明，地球的自转是非常稳定的，自转轴相对地球本身的方向变化非常小。为了建立大地坐标系，假定地球是刚性的，即不能有任何变形，其自转轴相对自身是不动的。在这种情况下，作为参考基准，选择参数合适的地球椭球，将其椭球中心置于地球质心上。在全球地心直角坐标系Ox1x2x3（图4-1)内，令地球椭球的极轴（又称地球椭球的对称轴）与地球旋转轴Ox3重合（地球椭球极轴与椭球面的交点叫地球椭球的极点，位于北方的叫北极点，南方的叫南极点）。Ox1x2位于赤道平面内，并令子午面Ox1x3为地球椭球起始大地子午面（通常选取这个面为格林尼治子午面），它与地球椭球面的交线叫起始大地子午线。以这种地球椭球为基本参考架的坐标系称为大地坐标系。大地坐标系是一种全球统一的地球坐标系。
地球椭球面上任意一点的位置是由大地经度L和大地纬度B所决定的。大地经度L是过该点的大地子午面与一个特别选定起始大地子午面（格林尼治子午面）的夹角，由起始大地子午面起向东为正；大地纬度B是过该点的地球椭球面的法线（即该点正常重力方向）与地球椭球赤道面的夹角，由赤道面起向北为正。另外，地面任一点A到地球椭球面的距离AAz叫大地高。地表面任一点的位置是由大地高，大地经、纬度三个大地坐标决定的。
地面点的这三个大地坐标是不能直接观测出来的，它们与地球椭球的参数有关，当地球椭球的参数选定并在地球内部定位后，地面点的大地高，大地经、纬度可以根据可直接观测到的地面点的正高，天文经、纬度计算出来。