天文航海，又称“天文导航”、“航海天文学”，是一种通过观测天体高度、方位等来确定船位的导航技术。这种方法在全球范围内都有效，误差稳定，且具有独立性和良好的隐蔽性。尽管天文航海受到天气条件的限制，解算过程复杂耗时，但它仍然因其独特的优点而在现代导航领域占有重要地位。

中原地区的古代文献中有多次提到将天文知识应用于航海的情况。西汉的《淮南子·齐俗训》中就有这样的描述：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤矣。”此外，东晋法显的《法显传》和北宋朱彧的《萍洲可谈》也都提到了利用天文现象进行导航的例子。明代的《武备志》收录了《过洋牵星图》，其中记录了南北、东西星体在水天线上若干指（角度单位）的数据，这些数据可用于估算船位。

在欧洲，直到15世纪之前，航海主要依靠海岸线和风向。15世纪时，人们开始使用北极星高度或太阳中天高度来确定纬度。16世纪，虽然已经有人提出利用月距（月星之间角距）来求经度的方法，但由于精度不足且计算繁琐，这种方法并未普及。18世纪，六分仪和天文钟相继问世，前者用于观测天体高度，显著提升了精度；后者则能在海上通过时间法求得经度。1837年，美国船长T.H.萨姆纳发现了天文船位线，这一发现奠定了近代天文定位的基础。1875年，法国海军军官圣伊莱尔发明了截距法，简化了天文定位线的测定工作，至今仍在使用。

天文定位的基本问题是通过观测天体高度来获取天文船位线。根据天球和地球的关系，被观测天体在特定时刻的地面上的投影点被称为星下点（S）。天体星下点的经纬度可以通过观测时间和航海天文历查得。观测所得的天体高度（h）的补角称为天体顶距（z），即：

z = 90° - h

观测者的实际位置必然位于以星下点为中心，以天体顶距在地面所跨距离（一角度分相当于1海里）为半径的圆上，这个圆称为天文船位圆，又称等高圆。通过观测两个不同的天体可以获得两个天文船位圆，两圆相交处靠近推算船位的交点即是天文船位。天文船位圆通常非常大，但在实践中，只有靠近推算船位的部分被视为直线，这部分称为天文船位线，又称萨姆纳线。通常在晨昏蒙影期间同时观测两个以上的星体，或者在白天每隔一段时间（一般为2~3小时）观测太阳，然后通过移动天文船位线来确定船位。航海者还常常将上午的太阳船位线移动并与观测太阳中天高度求得的纬度线相交，以此得出中午的天文船位。

天文船位线的求法通常是解决由天顶、天极、天体三点构成的球面三角形（称为天文三角形）。天文三角形的解法包括经度法和截距法，后者更为常用。截距法是利用推算船位求出观测和计算高度之差来绘制天文船位线的方法，又称高度差法或高度法。具体步骤包括：首先，使用推算船位对应的天顶解天文三角形，求得天体计算高度和方位，精度分别要求达到0.1'和0.1°。其次，观测高度减去计算高度得到截距，即推算船位至天文船位圆的距离。截距为“+”，表明推算船位在天文船位圆外侧，天文船位线朝向天体（星下点）；截距为“-”，则天文船位线朝向远离天体的方向。最后，根据截距的符号和大小，在天体计算方位线上量取截点，垂直画出天文船位线。观测南北方向（中天）天体所得的纬度线为特殊的天文船位线，其公式简化为以下代数式：

天文船位误差取决于天文船位线的误差及其方位夹角。船位误差包括偶然误差和系统误差。船位偶然误差可以用误差椭圆方法表示，但用均方误差圆方法表示更加简便。对两条等精度天文船位线，天文船位均方误差圆半径（63%~68%概率）为：

式中m、e分别为船位线的偶然误差和系统误差；A1、A2为两天体方位。两式中，天体方位夹角的影响正好相反。如m和e为同数量级，为了兼顾这两种影响，两天体方位夹角取60°~70°最佳，避免小于30°或大于150°。增加观测天体的次数取平均值，可提高定位的精确性。如果观测三个或四个天体，它们的方位以分别相距120°和90°为佳。这也有助于消除系统误差。有经验的航海者在良好条件下测天定位的误差很少超过2海里。

航空常用的天文导航仪器包括星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。自动星体跟踪器（星敏感器）能够在天空背景下搜索、识别和跟踪星体，并测量跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向。六分仪通过对恒星或行星的测量来指示飞行器的位置和距离。天文导航系统通常由星体跟踪器、惯性平台、计算机、信息处理电子设备和标准时间发生器等组成。星体跟踪器是天文导航系统的核心设备，一般由光学望远镜系统、星体扫描装置、星体辐射探测器、星体跟踪器信号处理电路和驱动机构等组成。星体跟踪器的辐射探测器在飞机上较多采用光电倍增管和光导摄像管，在航天器上较多采用光导摄像管和析像管。电荷耦合器件是70年代发展起来的一种探测器，它体积小、灵敏度高、寿命长，无需高压供电，能直接获得精确的空间信息，近年来在飞机、导弹、航天飞机和卫星上得到了广泛应用，并为星体跟踪器小型化创造了条件。

根据跟踪的星体数目，天文导航可分为单星、双星和三星导航。单星导航由于航向基准误差大而定位精度较低，双星导航定位精度较高，在选择星对时，两颗星体的方位角差越接近90°，定位精度越高。三星导航常利用第三颗星的测量来检查前两次测量的可靠性，在航天中，则用来确定航天器在三维空间中的位置。

天文导航经常与惯性导航、多普勒导航系统组成组合导航系统。这种组合式导航系统具有较高的导航精度，适用于大型高空远程飞机和战略导弹的导航。当星体跟踪器固定在惯性平台上并组成天文-惯性导航系统时，可为惯性导航系统的状态提供最优估计和进行补偿，从而使一个中等精度和低成本的惯性导航系统能够输出高精度的导航参数。在低空飞行时，天文导航受限于能见度，较少采用。但对于高空战略轰炸机、战略运输机和侦察机进行跨越海洋、通过极地、沙漠上空的飞行，天文导航则十分适用。对于远程导弹，天文导航能修正发射点的初始位置和瞄准角误差，因此特别适用于机动发射的导弹。弹道导弹可在主动飞行段的后期使用天文导航，也可借助天文导航完成再入后的末制导，以修正风的影响。星体跟踪器对星体的瞄准能建立精确的几何参考坐标，并且在空间没有云的干扰，因此天文导航（星光制导）在航天器上得到了更广泛的应用。

天文定位虽受天气条件限制，解算复杂费时，但具有独立性强、仪器简单、费用节省、隐蔽性好、没有覆盖区限制、定位误差稳定、没有积累误差等优点。目前，天文定位正在从多个方面进行改进：①实现定位计算的全自动化。各国已研制出多种航海计算器或天文定位计算器，一些已经达到实现计算全自动化的要求。②扩大昼夜观测的机会。如40年代出现的人工地平气泡、陀螺六分仪，70年代前后出现的光增强夜视六分仪、昼夜数字六分仪、遥控微光电视照相六分仪、计算机六分仪等，但大部分仍处在完善或降低成本的阶段。③提高海上观测的精度。如研究连续观测高度、自动平差的仪器设备等。④开发天文定位的新途径。如测定天体其他参数或其他的辐射波。20世纪50年代开始研制的射电六分仪，就是观测天体的无线电。⑤天文定位与其他导航仪联合使用，取长补短。如已出现的组合导航系统。