Теоретические основы астрономии для судоводителя начинаются с понимания того, как на небесной сфере задаются направления и углы, используемые в навигационных расчётах. Для практики важны три опорные вещи: вертикаль места (линия зенит–надир), плоскость истинного горизонта и система отсчёта, в которой измеряются высоты и азимуты светил. Эти понятия позволяют связать наблюдения с реальными направлениями в пространстве и дальше переходить к координатам светил и решению типовых задач мореходной астрономии.
Вертикаль места определяет точки зенита и надира, а плоскость истинного горизонта задаёт основной большой круг, относительно которого отсчитываются высоты светил. В дальнейшем к горизонту и вертикали добавляются меридианная плоскость и направления на стороны света, чтобы можно было однозначно описывать положение светил и выполнять вычисления.