经过长期的天文观测和理论研究，日月星辰等自然天体的坐标及其随时间的变化精确已知。在给定时刻，一个天体必然位于地球表面上某点的天顶方向，称此点为给定时刻该天体的星下点，其地理经度、纬度称为天体的地理坐标（Geographic Position，GP）。若某时刻通过观测获得了一个天体与大地水准面之间的角距（天体高度），在地球为正球体假设下，则测点必然位于地表一圆周上，称其为位置线（Line of Position，LOP），圆心为星下点，半径由天体高度唯一确定。若在后一时刻对同一天体或其他天体观测获得了另一位置线，则两条位置线（圆周）具有两个交点，观测点位于其一，且根据估值不难做出真伪判断，进而由天体的GP经计算获得测点的地理坐标。实践中，利用三条及以上位置线可唯一确定测点坐标。

天文导航中常用的天体包括日、月、行星、北极星和其他数十颗较亮的恒星，导航年历中以列表形式给出了其坐标。测量天体高度的常用仪器为六分仪，测量精度可至0.2角分，对应于定位精度0.2海里，约370米。海洋中位于移动平台上的观测者通常可获得1.5海里（约2.8千米）的定位精度，在缺失地标参考的情况下足以保障航行安全。

利用位置线交点实现天文导航也称为交叉方法，要求测量的时刻准确到1秒，否则每4秒的时刻误差将导致约1海里的定位误差。通过观测太阳或其他恒星过本地子午线时的高度，可以确定测点的地理纬度。若具有较为精确的计时，类似观测也可以确定测点地理经度。

其他天文导航还包括太阳敏感器、恒星敏感器、脉冲星导航等。太阳敏感器通过敏感太阳的方位信息以获得航天器的姿态信息。恒星敏感器通过获取天区星象、判断星座，进而获得航天器姿态信息。脉冲星为恒星演化遗迹的一种，尤其是毫秒脉冲星具有极其稳定的自旋周期，被誉为自然界最稳定的时钟，通过观测脉冲星有望同时获得航天器位置、姿态信息和完成授时。

天文导航具有鲜明的特点。①自主式导航。天文导航不依赖其他外部信息，被动获取导航信息，是一种完全自主的导航方式。②全时空覆盖。地面光学观测会受到天气因素的限制，射电波段观测除极端恶劣天气之外均可进行。对位于云层以上的航空、人造卫星、深空探测器等的天文导航，则具有鲜明的全时空覆盖特性。③高可靠、稳定和安全性。天文导航中的观测目标为自然天体、寿命长、位置信息精确可靠。导航星座稳定，不受人为因素制约。测量的重复性好、结果的稳定性高，测量误差不随时间积累。不需向外部发送信息，因而隐蔽性高、安全性好。在全球导航卫星系统应用极其普及的今天，天文导航作为复核、备份、应急等廉价、可靠手段，仍具有重要实际应用价值，在深空探测领域更是具有不可替代的重要地位。