由于惯性导航和天文导航均为完全自主的导航方式，并且两种导航方式均可以实现全天候导航，所以组合后的天文-惯性导航系统隐蔽性好、抗干扰能力强，在军事领域，尤其是在强电子干扰下的战争中有着极高的军事应用价值。

天文-惯性导航系统组合方式主要有以下三种。①简单组合模式。惯性导航系统独立工作，提供姿态、位置、速度等各种导航数据，组合系统通过天文导航系统解算的天文位置和姿态对惯性导航系统进行校正。②基于最优估计的组合模式。将天文导航系统的解算结果作为量测信息，采用最优估计的方式来补偿惯性导航系统的陀螺漂移。③全面最优校正的组合模式。将基于最优估计的组合模式中由惯性导航系统提供的水平基准，变为高精度自主水平基准，如采用将粗略基准与星光折射间接测地平相结合的方法求取水平基准。

20世纪50年代天文-惯性导航系统被采用，诺斯罗普公司研制成功首个天文-惯性组合导航系统，并装备于“蛇鲨”（Snark）导弹。在20世纪60年代，美国B-52“同温层堡垒”远程轰炸机上就装备了天文-惯性导航系统。随后的B-2“幽灵”轰炸机、U-2“灰色的幽灵”侦察机、EP-3EII电子侦察机和SR-71“黑鸟”侦察机也都采用了天文-惯性导航系统。苏联在天文-惯性导航系统发展方面起步也较早，在图-16轰炸机、图-95轰炸机、图-160轰炸机、图-20电子侦察飞机等军机上均装备了天文-惯性导航系统。

在战争中，卫星导航系统极易受到干扰，因此天文-惯性导航系统这种全自主的导航方式在战时是一种可靠的导航方式。天文-惯性导航系统的组合效果好，但在中低空使用时容易受到气候和云层影响。在舰船、潜艇、导弹、航空以及深空探测等领域，天文-惯性导航系统将会发挥越来越重要的作用。