یک سیستم مختصات در علوم تعیین موقعیت به معنای سیستمی است که مکان داده های جغرافیایی را برای استفاده همگان به صورت یکپارچه مشخص می کند. سیستم مختصات جهانی یک سیستم مرجع بوده که بیانگر مکان عوارض جغرافیایی، تصاویر و مشاهداتی همچون مشاهدات GPS است.
هر سیستم مختصات توسط موارد زیر تعریف می شود.
بیش از چند صد سیستم مختصات جغرافیایی و در حدود هزاران سیستم تصویر برای استفاده وجود دارد، این در حالی است که امکان تعریف یک سیستم سفارشی نیز وجود دارد. اما مرسوم ترین این سیستم ها خصوصا در بحث GNSS و GIS عبارتند از:
هر سه سیستم فوق یک چهارچوبی برای تعریف موقعیت در جهان واقعی به همراه دارند.
سیستم مختصات Earth Centered Erath Fixed (ECEF) گاها به عنوان سیستم زمینی قراردادی (conventional terrestrial) نیز شناخته می شود که مختصات X, Y , Z را نشان می دهد. مبدا مختصاتی در مرکز جرم زمین تعریف شده و به مختصات حاصل از آن مختصات ژئوسنتریک نیز گفته می شود.
یک سیستم مختصات جغرافیایی geographic coordinate system (GCS) یک سطح کروی سه بعدی برای تعریف موقعیت روی زمین استفاده می کند. گاها به اشتباه به سیستم مختصات جغرافیایی، دیتوم گفته می شود این در حالی است که دیتوم تنها بخشی از سیستم مختصات جغرافیایی می باشد. سیستم مذکور شامل واحد اندازه گیری زاویه ای، نصف النهار مرجع (اولیه) و یک دیتوم (بر اساس شکل یک اسفروئید) خواهد بود. اسفروئید ابعاد و شکل مدل زمین را تعریف می کند و دیتوم اسفروئید را به سطح زمین متصل می کند.
موقعیت یک نقطه با مقادیر طول و عرض جغرافیایی مشخص می شود. طول و عرض جغرافیایی زوایایی هستند که از مرکز زمین به سطح زمین در موقعیت نقطه اندازه گیری می شوند. این زوایا معمولا با واحد درجه (یا گراد) اندازه گیری خواهند شد.
در سیستم کروی، خطوط افقی یا همان خطوط شرقی-غربی، خطوطی با عرض جغرافیایی یکسان یا موازی هستند و خطوط شمالی-جنوبی، خطوطی با طول جغرافیایی یکسان یا همان نصف النهارات هستند. این خطوط یک شبکه به نام گریتوکول (graticule) ایجاد می کند.
خط میان دو قطب تحت عنوان استوا یاد می شود که در آن عرض جغرافیایی صفر است. همچنین خط طول جغرافیایی صفر، نصف النهار مرجع نام دارد. برای اکثر سیستم های مختصات جغرافیایی نصف النهار مرجع از گرینویچ در لندن عبور می کند. مرکز گریتوکول مکانی است که نصف النهار مرجع و استوا به هم می رسند.
طول و عرض جغرافیایی معمولا به صورت درجه دسیمال و یا درجه، دقیقه، ثانیه (DMS) اندازه گیری می شود. عرض جغرافیایی از منفی 90 درجه در قطب جنوبی تا مثبت 90 درجه در قطب شمالی تعریف شده است. طول جغرافیایی نیز نسبت نصف النهار مرجع اندازه گیری می شود. ابعاد آن به منفی 180 درجه در صورت حرکت به سمت غرب و به مثبت 180 درجه در صورت حرکت به سمت شرق تغییر خواهد کرد. با تعاریف فوق چنانچه گیرنویچ نصف النهار مرجع باشد، استرالیا در عرض جغرافیایی منفی و طول جغرافیایی مثبت قرار خواهد گرفت.
ترانسفورماسیون های جغرافیایی (دیتوم):
اگر چنانچه دو مجموعه داده در یک سیستم مختصات یکسان نباشند، نیاز به یک ترانفورماسیون جغرافیایی وجو دارد. این خود یک روش ریاضی برای تبدیل مختصات ها بین دو سیستم مختصات جغرافیایی است. روش های ترانسفورماسیون نیز مانند سیستم های مختصات جغرافیایی تعداد بسیار زیادی دارند. گاها استفاده از یک سیستم مختصات ثالث برای تبدیل مختصات ها مانند World Geodetic System 1984 (WGS84) بهترین روش می باشد.
سیستم ژئودتیک جهانی World Geodetic System (WGS) کاربردهای بسیار در علم نقشه برداری، ژئودزی، تعیین موقعیت ماهواره ای ایفا می کند. این سیستم در اصل یک سیستم مختصات برای زمین را با یک سطح مرجع اسفروئیدی (تحت عنوان بیضوی مرجع) برای اطلاعات ارتفاعی و یک سطح هم پتانسیل گراویتی (ژئوئید) که مقایسه می کند. ژئوئید خود سطح تراز دریاها را تعریف خواد کرد.
مبدا این سیستم مرکز جرمی کره زمین با عدم قطعیتی در ابعاد کمتر از 2 سانتیمتر است. نصف النهار مبدا این سیستم با طول جغرافیایی 0 درجه، نصف النهار مرجع IERS بوده که حدود 102 متر در راستای شرقی با نصف النهار گرینویچ فاصله دارد. سطح دیتوم WGS84 یک اسفروئید پخ با شعاع استوایی a= 6378137 متر در استوا و پخی معادل f= 1/298.257223563 می باشد. محور نیم قطر اقصر این اسفروئید در راستای قطبی از رابطه زیر طبعیت می کند. a × (1 − f) = 6356752.3142 m. در حال حاضر سیستم WGS84 از مدل گراویتی 1996 با نام egm96 بهره می برد.