地心坐标系（geocentric coordinate system ）以地球质心为原点建立的空间直角坐标系，或以球心与地球质心重合的地球椭球面为基准面所建立的大地坐标系。

20世纪50年代之前，一个国家或一个地区都是在使所选择的参考椭球与其所在地区的大地水准面最佳拟合的条件下，按弧度测量方法来建立各自的局部大地坐标系的。由于当时除海洋上只有稀疏的重力测量外，大地测量工作只能在各个大陆上进行，而各大陆的局部大地坐标系间几乎没有联系。不过在当时的科学发展水平上，局部大地坐标系已能基本满足各国大地测量和制图工作的要求。但是，为了研究地球形状的整体及其外部重力场以及地球动力现象；特别是50年代末，人造地球卫星和远程弹道武器出现后，为了描述它们在空间的位置和运动，以及表示其地面发射站和跟踪站的位置，都必须采用地心坐标系。因此，建立全球地心坐标系（也称为世界坐标系）已成为大地测量所面临的迫切任务。

第一类是重力测量方法，它是利用重力测量资料，按斯托克斯公式和韦宁-迈内兹公式全球积分，联同天文坐标得出大地原点或若干地面点的地心大地坐标 (L,B,H)。但由于重力资料在全球分布还很不均匀，多数地区还相当稀疏，按此法所得地心大地坐标精度仅约为10米以内。

第二类是卫星大地测量方法，这又可分为卫星动力法和卫星定位法。卫星动力法是单独利用人造卫星观测资料或综合人造卫星和地面大地测量观测资料，按动力法原理同时解算出地球重力场模型和全球分布的若干地面跟踪站的地心坐标。例如，美国戈达德空间飞行中心(GSFC)的地球重力场模型GEM-10至GEM-10C等，都包括全球146个跟踪站的地心大地坐标，法国和联邦德国联合研究的地球重力场模型GRIM-3，包括95个跟踪站的地心大地坐标。这两种模型地心坐标的精度约为1～5米。卫星定位法是利用地面站接收机接收某种导航卫星的信息，直接测定地面接收站的地心大地坐标。例如美国海军导航卫星系统(NNSS)或全球定位系统 (GPS)所测定的地心坐标。

第三类方法是综合利用全球地面大地测量资料和人造卫星观测资料组成新型弧度测量方程，推求局部坐标系对地心坐标系的转换参数。根据转换参数就可把局部坐标系换算为地心坐标系。换算公式是：

r =r0+(1+m)Rr′,

式中r是测点的地心坐标矢量；r0是局部坐标系原点的地心坐标矢量；r′是测点在局部坐标系中的位置矢量；m是尺度改正数；R是一个旋转矩阵,它的元素是独立的欧拉角εx、εy、εz，表示围绕局部坐标系x、y、z轴的旋转。计算这些转换参数至少要有3个公共点,它们在两种坐标系中的位置都是已知的。

由此法所得地心坐标转换参数的精度可达1～3米。

建立地心坐标系的第一类经典重力测量方法，由于全球重力资料还不足，故所得坐标精度还较低，但随着全球重力资料的增加，其精度还会提高。第二类方法可以直接得出跟踪站或接收站的地心坐标。第三类则可利用转换参数将局部大地坐标系中任一大地点的坐标换算为地心坐标系中的相应数值。