常用的天文导航目标源有行星、卫星、小行星和恒星（见图）。天文导航系统具有以下特点：①天文导航系统以自然天体为观测目标，不依赖地面测控站和导航卫星等人造信标，在获取导航信息的过程中，仅需要被动接收天体辐射的信号，无须向外部环境发射信号，工作过程隐蔽性强、安全性高；②天文导航系统的定位精度主要取决于目标源的稳定度和导航敏感器的测量精度，其误差通常不随时间积累，这一特点对于长期运行的载体而言至关重要；③自然天体能够提供可用于导航的多种信号形式，包括X射线、紫外、可见光、红外等电磁辐射，中微子等物质波，以及磁场、重力场等基准场，且天体运行不易受人为干扰，基于日月星辰构建的空间基准具有高度的稳定性，保障了天文导航系统的完备性和可靠性。
基于恒星等自然天体观测的天文导航系统具有悠久的历史。随着人类社会的发展，天文导航系统被古代欧洲、阿拉伯、中国和波利尼西亚的学者分别独立地发展起来。人们发现，通过测量某一时刻恒星与海平面或地平线的夹角，可以解算得到观测者所在位置的经纬度。20个世纪90年代以来，GNSS（全球导航卫星系统）逐渐取代了传统天文导航系统，但对于航天任务而言，天文导航系统仍具有重要应用价值，相关研究受到世界上主要航天大国的支持。进入21世纪以来，天文导航技术在理论方法和技术应用层面均得到快速发展。
面向航天器的天文导航系统具有多种实现方式，包括传统的“星光+地心方向”自主导航、空间六分仪、星光折射导航和地磁导航等，以及新兴的X射线脉冲星导航、天体重力场匹配导航、恒星多普勒测速导航，以及中微子定向导航等。根据不同的空间任务，可用于天文导航的敏感器包括地球敏感器、星敏感器、磁强计、X射线探测器、重力梯度仪、摄谱仪，以及中微子定向仪等。
经典的航天器自主天文导航系统利用恒星背景中的天体图像实现航天器位置估计，相关技术已在美国的“深空”1号（DS1）等任务中得到验证。面向地球轨道卫星的“星光+地心方向”自主导航利用航天器上配置的地球敏感器和星敏感器，分别对地心矢量和星光方向进行观测，结合航天器轨道动力学方程，基于导航敏感器的观测信息，通过滤波解算可以估计得到航天器的位置、速度和姿态等运动状态。
此外，基于星光方向测量校准陀螺漂移误差的天文/惯性组合导航技术在航空航天领域得到广泛应用。通过高精度星敏感器测量恒星在天球的方位信息，可以解算得到载体的惯性姿态，相当于在惯性导航系统中引入了没有漂移的陀螺。天文/惯性组合导航系统通过导航滤波算法对星敏感器和惯性测量单元的数据进行处理，完成陀螺漂移补偿，输出载体的位置、速度和姿态信息，适用于高空远程飞机和战略导弹等对象的自主导航。
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