人类开始是在海上通过观测天体来辨识方向，尔后随着观测工具的发明与应用发展为通过观测天体来确定船舶在海上的位置。中国将天文应用于航海可追溯到西汉时代。中国古籍记载，西汉《淮南子·齐俗训》：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤矣。”意为乘船夜航迷失方向而不辨东西南北，在看到北斗（大熊星座）和北极星后方才醒悟。东晋法显《佛国记》：“大海弥漫无边，不知东西，唯望日月星辰而进。”北宋朱彧《萍洲可谈》：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”明《武备志》所收录的《郑和航海图》和所附的《过洋牵星图》证明，明代航海家已可以利用观测北极星高度的方法，大致测定纬度以及在不同季节根据某些星体的高度估计船舶所在的水域。15世纪末，随着C.哥伦布的远航开启了大航海时代，有经验的航海家可以利用太阳中天高度求纬度和北极星高度求纬度，但测量经度一直是一件不容易的事。18世纪30年代，航海六分仪的出现，到60年代航海天文历的发行和航海天文钟的应用，为经度的测定提供了条件。但当时的方法是分别求经度、纬度。直至1837年，美国船长T.萨姆纳（Thomas Hubbard Sumner，1807～1876）提出了等高度圈（天文船位圆，又称萨姆纳线）概念，1875年，法国人M.圣希勒尔（Marcq Saint- Hilaire）在此概念的基础上提出了高度差法（截距法）理论，使在海上同时测定船位的经度和纬度成为可能，并得到广泛应用。直到现代，高度差法依然是天文定位的理论基础。

主要包括天文定位（图1）和观测天体方位求罗经差（简称天测罗经差）两部分内容。

船舶在大洋中航行，航海人员要时刻检查船舶是否偏离了既定航线，检查的方法称为定位，如卫星定位（见船舶卫星导航）等，而观测天体确定船舶在海上的位置简称天文定位，天文定位的主要工具是航海六分仪、航海天文钟、《航海天文历》（见航海图书资料），以及相关的计算、作图工具和海图。

图1 天文定位原理

利用航海六分仪观测某一天体的高度称为观测高度，同时利用航海天文钟记下观测时的世界时。如图1所示，A为测者，天体B与地心O的连线交地面于点P_G称为天体地理位置。天体B的观测高度经几项高度改正之后可求得天体地心真高度又称天体真高度h_t。测者A到天体地理位置P_G的球面距离AP_G弧可用其所对的球心角90°－h_t表示（地球半径一定），称为真顶距Z。这样，以P_G为圆心，球面距离即真顶距Z＝90°－h_t为半径，在球面上可作一小圆（图1中过A、A′的小圆），测者A一定在该圆上，这个圆称为天文船位圆，圆心为天体地理位置P_G，半径为天体真顶距Z＝90°－h_t，这就是美国船长T.萨姆纳发现的等高度圈，又称天文船位圆。

每观测一个天体均对应一个天文船位圆，反之，在该圆上的测者，在同一时刻，观测同一天体B的高度均相等。其圆心可以根据观测天体高度时的世界时从《航海天文历》中查取的天体在天空中的位置（格林时角GHA和赤纬Dec）经简单换算获得。而半径可根据天体的观测高度经几项高度改正得到。如果测者同时观测两个天体的高度，则可得到两个天文船位圆，两个天文船位圆会有两个交点，靠近推算船位c（见地文航海）的一点，即观测船位（图2）。

图2 天文船位圆示意图

由于天文船位圆的半径很大，不能直接画出来，法国人M.圣希勒尔在此概念的基础上提出了高度差法（截距法），就是将画天文船位圆的问题转化成画天文船位线的问题，即天文船位圆线性化，如图3中线段Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。通常真实船位在靠近推算船位c附近的一小段天文船位圆曲线Ⅰ-Ⅰ上，且其曲率很小，可以用过k点（截点）的切线Ⅱ-Ⅱ代替船位圆曲线，Ⅱ-Ⅱ即是天文船位线。已知推算船位c（φ_c，λ_c）的天顶为Z_c，以其与天体B，天极P_N为顶点可得到一球面三角形，称天文三角形。其中Z_cP_N弧=90°－φ_c称余纬，BP_N弧=90°－Dec称极距，LHA=GHA±λ_c称地方时角，由解算天文三角形的基本公式求得：

式中h_c、A_c是由计算得到，因此称为计算高度h_c和计算方位A_c。在航海实践中，根据上述公式利用三角函数计算器或计算机解算，或利用专用表册《天体高度方位表》解算，或利用卫星导航仪中的航海计算功能解算。将天文三角形Z_cBP_N投影到地面上得到球面三角形cp_Gp_n，称其为导航三角形，其间有如下关系：

    ∠p_Gcp_n=A_c,kc弧=p_Gc弧-p_Gk弧=（90°－h_c）－（90°－h_t）=Dh

式中Dh为高度差（altitude difference）或截距（intercept），有“±”。

c计算点，A_c计算方位，Dh高度差三者统称为天文船位线三要素。当Dh为“+”时，说明计算点c在天文船位圆之外，此时，过c点沿计算方位线朝向天体（天体地理位置p_G）的方向截取Dh得截点k，过k点作计算方位线的垂线，即是天文船位线。当Dh为“-”时，说明计算点c在天文船位圆之内，此时，过c点沿计算方位线背向天体（天体地理位置p_G）的方向截取Dh得截点k，过k点作计算方位线的垂线，即是天文船位线。当Dh为“0”时，说明计算点c在天文船位圆之上，此时，c点就是截点k，过c点作计算方位线的垂线，即是天文船位线。

在航海实践中，通常航海人员在晨光昏影（黎明或黄昏）时段，“同时”观测两个或三个星体得到两条或三条船位线相交来确定船位。白昼采用观测太阳移线定位（见地文航海）。当观测南或北方向的天体（天体中天）时，天文三角形的三条边重合在一起，不必解算天文三角形就可求得船位线，这就是测者的纬度线，即：

      φ=Z+Dec

式中φ为测者纬度；Z为天体中天时的顶距；Dec为天体中天时的赤纬。式中中天顶距命名与天体方向相反。顶距与赤纬同名相加，异名相减，纬度与大项同名。

图3 高度差法原理

罗经是指引船舶航行的主要航海仪器之一，其工作正常与否直接影响船舶航行安全，航海人员通过观察罗经差的变化规律来判断罗经工作是否正常，并对利用罗经得到的航向和方位进行必要的罗经差修正。利用罗经测得天体的方位称为天体的罗方位CB。同时记下观测时间。根据观测时间经计算求出天体的计算方位A_c代替天体真方位，其误差可忽略不计，真方位与罗方位之差就是罗经的误差，即罗经差：

   ΔC=A_c－CB

式中CB是利用罗经直接观测得到，A_c是利用式（2）得到。现代航海中常用观测低高度太阳方位求罗经差，观测太阳真出没方位求罗经差，观测北极星方位求罗经差等。

天文定位是船舶在大洋航行中采用的定位方法，具有设备简单、可靠，费用节省，观测的目标是自然天体而不受人为控制，并且不发任何声、光和电波而具有隐蔽性等优点。然而，天文定位受自然条件限制，不能全天候定位，必须人工观测，计算烦琐等缺点限制了其进一步发展和应用。天测罗经差是目前船舶测定罗经差的主要方法之一。

随着科技的进步，人们正在研究新的仪器和方法来克服天文定位的缺陷，如夜视六分仪的出现使夜间观测天体定位成为可能，计算机的应用使天文定位迈出了半自动化的步伐，而射电六分仪的研究是天文定位向全天候导航的探索。随着卫星定位技术的发展和应用，天文定位已由原来的主要定位方法变为次要或辅助的定位方法。在现代航海实践中逐步被忽视，甚至放弃使用。为使航海人员保持天文航海的适任能力以应对导航卫星失效后的情况，国际海事组织（IMO）在2010年《海员培训、发证和值班标准国际公约》（STCW）马尼拉修正案第B-Ⅱ/1节评估航行值班的能力和技能以及天文航海培训中，对航海人员保持天文航海的适任能力做了相应的规定和评估要求，即远洋船舶驾驶员必须掌握天文航海的基本方法。