任何事件或质点的运动过程必定在空间发生，描述运动必须有一个参考物。参考系统是为了表示位置坐标而定义的类似于标尺作用的系统。如将椭球体看作参照物，则椭球表面的经线、纬线、法线以及相应刻度就共同构成参考系统。参考系统确定后，可将相应的空间称为参考空间。参考系统一般需要满足几个条件：①有稳定的守时系统；②有稳定的长度度量系统；③有已知的原点；④具有方位度量系统。

参考系统的原点和长度用于确定质点的位置，辅以守时系统则可以确定质点的运动速度以及加速度。方位度量系统的意义在于能够给某个确定事件的定向。在实际应用中，守时系统和长度度量系统分别是由时钟和标尺来实现的。如果时钟的运行速率不稳定，由此确定的质点速度就不准确。守时系统一般用原子钟实现，其稳定性可以达到10^-16左右。尽管牛顿的时空观与爱因斯坦的相对论不相容，就研究地球参考系统而言，一般选用绝对的时间和空间，即在参考系满足的前两个条件中，时钟和标尺分别指理想的时钟和标尺。但在某些情况下，需要考虑相对论效应，例如GPS、VLBI测量中的相对论改正。

一种参考系统可能包含了多种等价的坐标系统，从其中任意选取一个坐标系统都不会影响对客观规律的描述。一般地，选定了一个坐标系统，就表明已经选定了参考系统。众所周知，牛顿的运动定律仅适用于惯性参考系统，即在静止的或匀速直线运动状态的坐标系统中才有效。

实际上，在不同的参考系考察质点的运动形式有所不同。由于牛顿第一运动定律和第二运动定律只适用于惯性系统，因而在惯性系统中考察质点的运动规律才是本征运动规律，在非惯性系统中考察质点的运动规律则是一种特定的表现形式。

按照相对论观点，时间标尺和长度标尺的变化由两方面的原因引起：①运动学效应，或狭义相对论效应：运动的时钟变慢（时间膨胀），运动的量杆缩短（长度收缩）；②引力场效应，或广义相对论效应：引力场使得时钟的运行速率变慢，使得量杆变短。

在不同点位的时钟和量杆是不同的，这就是通常所说的局部时钟和局部量杆。由于时钟和量杆是建立参考系统（坐标系统）的基本要素，这就涉及了基于统一标准的改化问题。所谓统一标准，是指在一个足够小的区域内选定一个相对静止的参考系或参考空间，在该参考系中设定相对静止的时钟守时系统和长度度量系统作为标准时间和标准量杆。其他地区或其他参考系中的时间和量杆均以前述的标准时钟和标准量杆为参考而进行改正。

参考系统选取视具体问题而定。例如，可以选加速运动的笛卡儿直角坐标系统，匀速或加速旋转的球面坐标系统，静止的或运动的柱面坐标系统等。参考系统侧重于确定参照物的选取，而坐标系统决定参考系采用的数学表述形式。人造卫星运动理论建立在惯性参考系统的基础上，研究卫星的运动适合于采用原点在地球质心的地心天球参考系统。

以地球质量中心为原点建立一个与地球固结在一起的参考系统，通称地心地固参考系统。在这个参考系统之下，为了描述一个质点或质体的运动规律，可以采用笛卡儿直角坐标系统，也可以采用球面坐标系统或其他坐标系统，只要这些坐标系统的原点都在地心，而且它们相对于上述地心地固参考系统静止，那么，所描述质点的运动规律（包括质点的位置）就完全相同，不会因为选用不同的坐标系统而不同。也就是说，一种参考系统包含了很多本质上相同的坐标系统，其中任意一个坐标系统都不会影响对客观规律的考察。正因如此，首要解决的问题即为确定参考系统，再考虑选定坐标系统的形式。

参考系统的具体实现，不可能将椭球体或者笛卡儿坐标这类人为定义的东西具体标示出来，而只能代之以用固定在地球上的一组标记及其坐标和其他一些参数间接地表示出来，这组标记称为参考框架。换言之，参考框架就是参考系统的具体实现。例如，精确的FK5星表可用于实现一个协议惯性系统（CIS）；ITRF（International Terrestrial Reference Frame）国际地球参考框架就是ITRS（International Terrestrial Reference System）国际地球参考系的一种具体实现。