No hay necesidad de definir un “arriba” para navegar en el espacio. Pero eso no significa que nunca lo hagamos. La navegación se define de acuerdo con el marco de referencia que sea más conveniente para las matemáticas y / o la visualización. Solía enseñar una clase de marcos de referencia de ISS, y en esa clase definí alrededor de 20 marcos de referencia que son utilizados por la ISS por varias razones.
Para objetos en órbita terrestre, a menudo se usa un marco de referencia como M50 o J2000 o CTRS (Sistema de referencia terrestre convencional).
J2000 define su origen en función de la orientación de los vectores para el eje de rotación de la Tierra y el equinoccio vernal medio el 1 de enero de 2000. En el momento en que escribí esta respuesta, el vector de estado ISS, en el marco J2000, era:
- ¿Qué hace que el sonido sea un sonido?
- ¿Puede el f-14 Tomcat realizar una vuelta completa sin vectorización de empuje?
- ¿Cómo va el tiempo lento?
- ¿Cómo podemos cambiar un par de fuerzas en un punto?
- ¿Qué pasaría si un extraterrestre de alta tecnología deformara la bomba antimateria de 100.000 toneladas en el núcleo de la Tierra?
Mezclamos y combinamos mucho. Definimos la ubicación de ISS usando J2000, pero determinamos esa ubicación usando GPS, que proporciona su respuesta en CTRS.
En un marco centrado en la Tierra, “arriba” podría significar cualquier dirección radialmente alejada del centro de la Tierra.
Pero cuando hablamos de la orientación de la ISS, no usamos J2000, usamos otros marcos, como LVLH (Local Vertical Local Horizontal) en el segmento de EE. UU. Y OCK (Sistema de coordenadas orbitales) en el segmento ruso. 
Y cuando hablamos de rotaciones dentro de esos cuadros, usamos ángulos de Euler (guiñada, cabeceo y balanceo) o cuaterniones.
Pero, dentro de la ISS, utilizamos marcos de cuerpo y esos marcos difieren dependiendo de si uno está en el segmento de EE. UU. O el segmento ruso.
Si vamos más allá de la órbita de la Tierra, cambiaríamos de un marco centrado en la Tierra a un marco centrado en el Sol. 
Entonces, “arriba” es muy relativo, para naves espaciales.
