空间六分仪具有两个跟踪望远镜和一个角度测量装置，两个跟踪望远镜完全相同。测量恒星（星等<3米）与地球、月球之间的夹角时，首先通过伺服系统使跟踪望远镜自动瞄准一颗恒星与地球或月球的明亮边缘，再通过角度测量装置精确测量两个望远镜光轴之间的夹角，最后根据已知月球和地球的半径及表面地形变化对测量夹角进行一定的修正，从而求得恒星与月球质心或地球质心间的夹角。

空间六分仪天文定位通过测量一颗无限远处的恒星和地球之间的夹角，来建立一个顶点位于地球的航天器位置锥，再测量另一颗无限远处的恒星与地球的夹角建立第二个位置锥，两锥交线即为航天器到地球的位置线。观测恒星与月球之间的夹角同样可获得航天器的位置信息。由于月球、地球和航天器之间的相对位置的变化，继续观测还可得到新的位置线，在此基础上，结合航天器轨道动力学方程，利用到和计算机就可以计算出航天器的三维坐标。利用地球的测量信息可快速改善初始导航估计精度，月球测量信息和地球测量信息的结合可获得更高的导航精度。