Πολλοί άνθρωποι είναι εξοικειωμένοι με τον τρόπο που μπορεί να εντοπιστεί ένα σημείο σε κάποιον χάρτη της Γης. Αρκούν δύο αριθμοί: Το γεωγραφικό πλάτος και το γεωγραφικό μήκος. Οι αστρονόμοι, που πρέπει να μπορούν να πλοηγηθούν όχι μόνο μεταξύ αστερισμών ή λαμπρών άστρων, αλλά και από τον έναν μακρινό γαλαξία, που ίσα ίσα είναι ορατός ακόμα και με ένα πολύ δυνατό τηλεσκόπιο, σε κάποιον άλλο αμυδρό γαλαξία, είναι υποχρεωμένοι να χρησιμοποιούν ένα ανάλογο σύστημα. Αλλιώς θα ήταν αδύνατο ένας αστρονόμος να πει στους υπόλοιπους πού βρίσκεται το ουράνιο σώμα που παρατήρησε και παρουσιάζει ενδιαφέρον. Ο ουρανός είναι μεγάλος και τα αντικείμενα σε αυτόν εμφανίζονται πολύ μικρά.

Καθώς η Γη είναι σχεδόν σφαιρική και περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της, η τομή του άξονα με την επιφάνειά της ορίζει τον Βόρειο και τον Νότιο Πόλο, ενώ η γραμμή που περιβάλλει τη Γη σε ίση απόσταση από τους δύο πόλους είναι ο ισημερινός. Αν επεκτείνουμε τον άξονα της Γης προς τον ουράνιο θόλο (την αντίληψη του ουρανού ως σφαίρας που περιβάλλει τη γήινη σφαίρα), τότε μπορούμε να προσδιορίσουμε τον ουράνιο βόρειο και νότιο πόλο, που βρίσκονται ακριβώς από πάνω μας αν σταθούμε αντίστοιχα στον Βόρειο και στον Νότιο Πόλο. Ο αστέρας Αλφα της Μικρής Αρκτου τυχαίνει να βρίσκεται αυτήν την περίοδο κοντά στον ουράνιο βόρειο πόλο, και γι' αυτό του δόθηκε το όνομα Πολικός Αστέρας. Η τομή του επιπέδου του ισημερινού με την ουράνια σφαίρα προσδιορίζει τον ουράνιο ισημερινό, που χωρίζει τον ουρανό σε βόρειο και νότιο ημισφαίριο. Ακολουθώντας τις γήινες συντεταγμένες, ο βόρειος ουράνιος πόλος ορίζεται στις 90 μοίρες και ο νότιος στις -90.

Το αντίστοιχο του γεωγραφικού πλάτους στον ουρανό είναι πιο σύνθετη υπόθεση. Η περιστροφή του πλανήτη κάνει τον βορρά και τον νότο εύκολους να προσδιοριστούν, αλλά δεν υπάρχει κάποιο προφανές όριο για τον χωρισμό σε ανατολή και δύση. Η χρήση του μεσημβρινού του αστεροσκοπείου του Γκρίνουιτς ως κύριου μεσημβρινού, δηλαδή ως μηδενικό γεωγραφικό πλάτος, ήταν μια αυθαίρετη επιλογή με βάση το στάτους της αστρονομίας το 1884, όταν έγινε η επιστημονική διάσκεψη που το αποφάσισε.

Σε αντίθεση με τη Γη, στον ουρανό δεν υπάρχει κάποιο σημείο που να είναι σταθερό και μη αυθαίρετο, εκτός από τα σημεία τομής του ουράνιου ισημερινού (η κυκλική τομή του επιπέδου του ισημερινού με τον ουράνιο θόλο) με το επίπεδο της εκλειπτικής (το επίπεδο της πορείας του ήλιου στον ουρανό καθώς η Γη περιφέρεται γύρω του). Κάθε χρονιά, κατά την εαρινή ισημερία, περίπου στις 21 Μάρτη, ο ήλιος βρίσκεται σε ένα από αυτά τα σημεία τομής, το λεγόμενο εαρινό σημείο. Οι περισσότεροι άνθρωποι σκέφτονται την εαρινή ισημερία ως μια στιγμή μέσα στο έτος, αλλά οι αστρονόμοι την αντιμετωπίζουν περισσότερο ως ένα σημείο στον ουρανό, το σημείο όπου βρίσκεται ο ήλιος εκείνη τη στιγμή. Αυτό το σημείο χρησιμοποιούν ως το σημείο μηδέν για τη μέτρηση του ουράνιου γεωγραφικού πλάτους.

Για να μην μπερδεύονται οι ουράνιες με τις γήινες συντεταγμένες, οι αστρονόμοι δίνουν στο ουράνιο γεωγραφικό πλάτος την ονομασία απόκλιση (right ascension) και στο ουράνιο γεωγραφικό μήκος την ονομασία ορθή αναφορά (declination), ονομασίες που έχουν ιστορική προέλευση, όπως και η χρήση των μοιρών για την απόκλιση, αλλά όχι για την ορθή αναφορά. Λόγω της προέλευσής της από τη μέτρηση του χρόνου με τη βοήθεια του γεωγραφικού μήκους (βλ. μεσημβρινό Γκρίνουιτς), η ορθή αναφορά μετριέται σε ώρες, από το 0 έως το 24, αντανακλώντας της περιστροφή της Γης, με τους αριθμούς να αυξάνονται προς την ανατολή.

Ενα άστρο που βρίσκεται ακριβώς πάνω στον ουράνιο ισημερινό εκεί που αυτός συναντά την εκλειπτική έχει απόκλιση 0 μοίρες και ορθή αναφορά 0 ώρες. Ενα άστρο λίγο προς τα ανατολικά θα έχει μεγαλύτερη ορθή αναφορά, και ένα στην απέναντι πλευρά του ουρανού θα έχει ορθή αναφορά 12 ωρών. Η απόκλιση προς τον βορρά μετριέται με θετικό αριθμό μοιρών και η απόκλιση προς τον νότο με αρνητικό. Ομως οι μοίρες και οι ώρες είναι πολύ μεγάλες μονάδες για να προσδιοριστεί η θέση του τεράστιου πλήθους των ουράνιων σωμάτων, και γι' αυτό χρησιμοποιούνται οι υποδιαιρέσεις αυτών των μονάδων: Τα λεπτά και δευτερόλεπτα για τις μοίρες (που ονομάζονται συνήθως λεπτά τόξου και δευτερόλεπτα τόξου, ώστε να διαφοροποιηθούν από τις ομώνυμες χρονικές υποδιαιρέσεις). Μία μοίρα απόκλιση έχει 60 λεπτά τόξου και ένα λεπτό τόξου έχει 60 δευτερόλεπτα τόξου, δηλαδή μία μοίρα έχει 3.600 δευτερόλεπτα τόξου. Η ώρα ορθής αναφοράς χωρίζεται σε 60 λεπτά και κάθε λεπτό σε 60 δευτερόλεπτα.

Αυτός ο χωρισμός έχει ως αποτέλεσμα ένα λεπτό τόξου στον ουρανό να μην είναι ίσο με ένα λεπτό ορθής αναφοράς, καθώς υπάρχουν 24 ώρες ορθής αναφοράς αλλά 360 μοίρες απόκλισης, δηλαδή μια αναλογία 1 προς 15. Ετσι, μια ώρα ορθής αναφοράς ισούται με 15 μοίρες απόκλισης και ένα λεπτό ορθής αναφοράς με 15 λεπτά τόξου απόκλισης. Σαν να μην ήταν το όλο πράγμα αρκετά περίπλοκο, οι μονάδες ορθής αναφοράς γίνονται μικρότερες κοντά στους πόλους, γιατί ένα άστρο που βρίσκεται π.χ. κοντά στον βόρειο ουράνιο πόλο διαγράφει στον ουρανό έναν μικρότερο κύκλο, καθώς η Γη περιστρέφεται, συγκριτικά με ένα άστρο που βρίσκεται κοντά στον ουράνιο ισημερινό. Οι αστρονόμοι είναι υποχρεωμένοι να παίρνουν υπόψη την αλλαγή μεγέθους των μονάδων ορθής αναφοράς στους υπολογισμούς τους (για τους έχοντες κλίση στα μαθηματικά, η μεταβολή του μήκους της μονάδας ορθής αναφοράς εξαρτάται από το συνημίτονο της απόκλισης).

Αλλά η πολυπλοκότητα δεν τελειώνει εδώ. Η αργή αλλαγή κλίσης του άξονα της Γης, λόγω των δευτερευουσών κινήσεων της μετάπτωσης και της κλόνησης του πλανήτη, σημαίνει ότι το σύστημα συντεταγμένων μετακινείται σιγά σιγά στον ουρανό, δηλαδή ότι οι συντεταγμένες ενός ουράνιου σώματος αλλάζουν με το πέρασμα του χρόνου! Γι' αυτό οι αστρονόμοι δηλώνουν και την εποχή παρατήρησης, π.χ. τη χρονιά, και χρησιμοποιούν τις συντεταγμένες που ίσχυαν εκείνη τη χρονιά, πράγμα κρίσιμης σημασίας για να πετύχουν εξαιρετικά ακριβείς παρατηρήσεις, ιδιαίτερα με τα εξαιρετικά διεισδυτικά διαστημικά τηλεσκόπια, που μπορεί να μη βρουν τον επιθυμητό στόχο αν δεν ληφθεί υπόψη και αυτός ο παράγοντας.