定義
天文定位天文導航的定義：根據天體來測定飛行器位置和航向的航行技術。天體的坐標位置和它的運動規律是已知的，測量天體相對於飛行器參考基準面的高度角和方位角就可以計算出飛行器的位置和航向。天文導航系統是自主式系統，不需要地面設備，不受人工或自然形成的電磁場的干擾，不向外輻射電磁波，隱蔽性好，定向、定位精度高，定位誤差與時間無關，因而天文導航得到廣泛套用。
原理
航空和航天的天文導航都是在航海天文導航基礎上發展起來的。航空天文導航跟蹤的天體主要是亮度較強的恆星。航天中則要用到亮度較弱的恆星或其他天體。以天體作為參考點，可確定飛行器在空中的真航向。使星體跟蹤器中的望遠鏡自動對準天體方向可以測出飛行器前進方向（縱軸）與天體方向（即望遠鏡軸線方向）之間的夾角（稱為航向角）。由於天體在任一瞬間相對於南北子午線之間的夾角（即天體方位角）是已知的。這樣，從天體方位角中減去航向角就得到飛行器的真航向。通過測量天體相對於飛行器參考面的高度就可以判定飛行器的位置。以地平坐標系在飛行器上測得某星體C的高度角h,由90°-h 可得天頂距z（圖1），以星下點(天體在地球上的投影點)為圓心，以天頂距z所對應的地球球面距離R為半徑作一圓，稱為等高圓(圖2)。在這個圓上測得的天體高度角都是h。同時測量兩個天體C1、C2,便得到兩個等高圓。由這兩個圓的交點得出飛行器的實際位置 M 和虛假位置M′。再用飛行器位置的先驗信息或第三個等高圓來排除虛假位置，經計算機解算即得出飛行器所在的經、緯度(λ、φ)。
分類
根據跟蹤的星體數，天文導航分為單星、雙星和三星導航。單星導航由於航向基準誤差大而定位精度低，雙星導航定位精度高，在選擇星對時，兩顆星體的方位角差越接近90°，定位精度越高。三星導航常利用第三顆星的測量來檢查前兩次測量的可靠性，在航天中，則用來確定太空飛行器在三維空間中的位置。
發展史
中國古籍有很多關於將天文套用於航海的記載。西漢《淮南子·齊俗訓》：“夫乘舟而惑者，不知東西,見斗極則寤矣。”東晉法顯《佛國記》:“大海瀰漫無邊，不知東西，唯望日月星辰而進。”北宋朱彧《萍洲可談》：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針。”明《武備志》所收的《過洋牽星圖》記有南北、東西星體在水天線上若干指（角度單位）的數據，用以估計船位。
歐洲在15世紀以前僅能白晝順風沿岸航行。15世紀出現了用北極星高度或太陽中天高度求緯度的方法。當時只能先南北向駛到目的地的緯度，再東西向駛抵目的地。16世紀雖然已有觀測月距（月星之間角距）求經度法，但不夠準確，而且解算繁冗。18世紀六分儀和天文鐘先後問世，前者用於觀測天體高度，大大提高了準確性；後者可以在海上用時間法求經度。1837年美國船長T.H.薩姆納發現天文船位線，從此可以在海上同時測定船位的經度和緯度，奠定了近代天文定位的基礎。1875年法國海軍軍官聖伊萊爾發明截距法，簡化了天文定位線測定作業，至今仍在套用。
套用
中國古代的勞動人民很早就開始了航海活動。在長期的航海實踐中，中國勤勞勇敢的船工們發展了一整套航海技術。其中，天文導航是極重要的一項。
早在西漢前期公元前二世紀的著作《淮南子》卷十一《齊俗訓》中就記載著：“夫乘舟而惑者不知東西，見斗、極則悟矣。”（乘船的人分辨不清方向，但是只要觀測到北斗和北極星就可以明白了。）這個經驗的產生無疑是很早很早的。
西漢時期，中國的海船就到了印度洋上的南亞地區。東晉的著名僧人法顯（約337—約422）①訪問印度和斯里蘭卡回國的時候就是乘的海船。他記述那段歷程的時候說到：“大海瀰漫無邊，不識東西，唯望日、月、星宿而進。若陰雨時，為風逐去，亦無準。……至天晴已，乃知東西，還復望正而進。”可見，天文學是當時指導航行的最重要的知識。
唐、宋以後隨著中國生產的發展，興盛的海外貿易推動了我國航海技術的飛躍發展。指南針開始套用到航海上，把導航儀器羅盤和航海天文學結合起來，引起了航海技術的大發展。
指南針可以很好地指示方向。而位置的確定卻須依靠航海天文學。具體記述了航海天文學資料的最早著作是明初鄭和（1371—1434）②“下西洋”留下的《鄭和航海圖》。圖收載在明茅元儀編的《武備志》中。
《鄭和航海圖》包括橫條形海圖一幅，長達二十頁。還有四幅星圖，稱為“過洋牽星圖”。從海圖上可以看出，鄭和船隊從蘇州劉家港起航，出長江口，經我國浙江、福建各省和南海諸島，到達印度尼西亞的蘇門答臘島北端。在這一段海路上都是用的指南針定向。從蘇門答臘往西到錫蘭（今斯里蘭卡）的途中開始用天文定位。從錫蘭往西到南亞、西亞和非洲東海岸等地就都儘量利用星辰定位，並且和指南針針位相參照。海圖上共記錄六十四處關於各地所見北辰星（就是北極星）和華蓋星（就是小熊座β星、γ星等共八星）的高度。過洋牽星圖卻標出了途經印度洋各地的時候所見的許多星辰的方位和高度，其中方位也是用的圖示法。
《鄭和航海圖》告訴我們，中國古代航海用的是牽星法。在明人李詡的著作《戒庵老人漫筆》中記述了牽星法所用的觀測工具——牽星板。這是十二塊方形的烏木板，最大的叫十二指，每邊長大約二十四厘米。其次是十一指、十指、……最小到一指。每塊的邊長是等差遞減的。另有一塊挖去四角的象牙板，每個缺口標明半指、半角、一角和三角等。一角是四分之一指。
根據北京天文台和廣東師範學院等四單位組成的“航海天文調查研究小組”的研究，牽星板的使用方法是：觀測者手持牽星板伸向前，使板和海平面垂直，板下邊和海平線相合，上邊緣和所測天體相切。如不能相切，就從略大的那塊板邊上細分劃處觀測，可以得到指和角的讀數，它是天體地平高度的反映。為使板和人目之間的距離保持固定，可以用另一隻手從板下端引出一根長度固定的繩，牽引到人目。觀測一般取被測星正在天球子午線上的時候進行。這時，被測星的地平高度、它的赤緯和觀測地的地理緯度之間有個簡單的關係：
地理緯度=90°+赤緯-地平高度。
對每個測定的恆星來說，在相當長的時期里，可以認為，“90°+赤緯”是個常數。因此，恆星在子午線上的時候的地平高度就直接反映了地理緯度。所以，只要觀測恆星正在子午線上的時候的指、角數，就可以知道船的位置是在什麼地方了。
特別值得注意的是，“航海天文調查研究小組”研究了“指”這個名稱特殊的角度單位，證明早在秦漢時期我國的天文觀測中已經有過這種記載（例如）：唐《開元占經》中摘錄的漢代著作《巫鹹占》中就記載有關於金星和月亮緯度相去最遠是五指，用現代方法計算，這個差數是九·四度），而且它們所代表的角度量和《鄭和航海圖》上所反映出來的完全一致，都是一指等於一·九度。這是一個極其重要的發現。因為過去國內外的學者一般都認為牽星板和牽星法是阿拉伯人的發明，儘管這個論斷和我國古代遠洋航行的發達是不協調的。現在找出了“指”這個單位的起源，這就證明牽星法是中國最早發明的。
以牽星法為代表的中國古代航海天文學在保障遠洋航行的安全、準確上起了巨大的作用。正因為這樣，它也是我國古代人民為世界文化發展作出的又一卓越貢獻。
儀器和系統
航空常用的天文導航儀器有星體跟蹤器、天文羅盤和六分儀等。自動星體跟蹤器自動星體跟蹤器(星敏感器)能從天空背景中搜尋、識別和跟蹤星體，並測出跟蹤器瞄準線相對於參考坐標系的角度。天文羅盤通過測量太陽或星體方向來指示飛行器的航向。六分儀通過對恆星或行星的測量而指示出飛行器的位置和距離。天文導航系統通常由星體跟蹤器、慣性平台、計算機、信息處理電子設備和標準時間發生器等組成。星體跟蹤器是天文導航系統的主要設備，一般由光學望遠鏡系統、星體掃描裝置、星體輻射探測器、星體跟蹤器信號處理電路和驅動機構等組成。它通過掃描對星體進行搜尋，搜尋到星體之後立即轉入跟蹤狀態，同時測出星體的高度角和方位角。星體跟蹤器的輻射探測器在飛機上較多採用光電倍增管和光導攝像管，在太空飛行器上較多採用光導攝像管和析像管。電荷耦合器件是70年代發展起來的一種探測器，它體積小、靈敏度高、壽命長,不用高壓供電,能直接獲得精確的空間信息，近年來在飛機、飛彈、太空梭和衛星上得到廣泛套用，並為星體跟蹤器小型化創造了條件。
展望
與無線電定位相比，天文定位受天氣條件限制，解算複雜費時，但卻有獨立性強，儀器簡單，費用節省，隱蔽性好，沒有覆蓋區限制，定位誤差穩定，沒有積累誤差等優點。目前天文定位正從如下幾方面改進：①實現定位計算全部自動化。各國已研製出多種航海計算器或天文定位計算器，有些已達到實現計算全部自動化的要求。②擴大晝夜觀測的時機。如40年代出現的幾種人工地平氣泡、陀螺六分儀，70年代前後出現的光增強夜視六分儀、晝夜數字六分儀、遙控微光電視照相六分儀、計算機六分儀等，但大部分仍處在完善或降低價格階段。③提高海上觀測的精度。如研究連續觀測高度、自動平差的儀器設備等。④開發天文定位的新途徑。如測定天體其他參數或其他的輻射波。20世紀50年代開始研製的射電六分儀，就是觀測天體的無線電波。⑤天文定位與其他導航儀聯合使用，取長補短。如已出現的組合導航系統。
