miniatura|Astrolabi del . miniatura|Sextant (1900). La navegació astronòmica engloba les tècniques que utilitzen els astres per a conèixer-ne la posició sobre el globus terrestre, en contraposició al de la navegació per estima, emprat principalment a la navegació de cabotatge, que no els fa servir. Els polinesis van ser capaços de poblar illes que, als europeus, els va costar moltíssim trobar. S'han descobert mapes del cel fets amb canyes i nusos, emprats pels polinesis per a representar els estels.
Durant segles, els europeus i els àrabs havien navegat al voltant de les seves costes utilitzant com a referència els punts visibles de les costes i el seu coneixement de les profunditats (sondes) en diferents llocs. Quan, als segles i , els catalans i portuguesos comencen els seus viatges d'exploració i descobriment, els seus instruments de navegació eren: Corredora i ampolleta, per a determinar la velocitat del vaixell en la navegació d'estima. Escandall, per a determinar la profunditat i naturalesa del fons. Brúixola molt rústica per a determinar el nord (magnètic). Vara de Jacob, astrolabi i quadrant, per a mesurar l'altura d'un astre sobre l'horitzó.
Coneixien les limitacions i els errors de la navegació per estima. Cristòfor Colom va descobrir que la declinació magnètica no era constant, sinó que variava amb el lloc i amb el temps. Sabien que l'estrella polar no estava situada justament sobre el pol celeste i sabien com corregir l'error que introduïa en el mesurament de la latitud mitjançant l'observació de les estrelles properes (les "guardes").
Observacions sense cronòmetre miniatura|Làmina d'un astrolabi andalusí del (MAN, Madrid). miniatura|La Suma de Geographia , publicada el 1519, descriu dos mètodes per al càlcul de la latitud: el regiment del Sol i el regiment del Nord.
L'astrolabi és invenció dels antics grecs, però es va oblidar a Europa i van ser els àrabs els qui ho van reintroduir a la península Ibèrica cap al . Des d'aquí, es va estendre a la resta d'Europa i, a l'edat mitjana tardana i durant el renaixement estava molt estès. Per a prendre una observació, requeria tres persones i donava una precisió bastant baixa, de l'ordre de dos a quatre graus d'arc. S'utilitzava per a determinar la latitud mitjançant l'observació de l'estrella polar o l'observació del pas meridià del sol.
La ballesta de creueta és d'invenció medieval, i podia ser usada per una sola persona, però era molt poc pràctica perquè necessitava visualitzar i alinear simultàniament un extrem de la creueta amb l'horitzó, i l'altre extrem amb l'astre. Això és molt difícil de fer.
Un altre instrument àrab medieval és el kamal, que està basat en el mateix principi que la ballesta de creueta. En el kamal, la creueta es veu reduïda a una tauleta amb un cordill amb nusos. L'observador subjectava un nus determinat entre les dents, la qual cosa fixava la distància de la tauleta als seus ulls i, per tant, l'angle format per l'ull i les vores de la tauleta. Els nusos es feien de manera que corresponguessin amb la latitud de diversos ports o llocs, i l'observació permetia saber la latitud de l'observador.
El 1590, Davis va inventar el quadrant que porta el seu nom. Aquest permetia a una sola persona prendre l'altura del sol amb una mica més de precisió que un astrolabi. L'observador, d'esquena al sol, alinea l'ombra del sol sobre el visor amb l'horitzó, cosa que es fa amb una sola línia recta de visió i evita el problema principal de la ballesta de creueta, on l'observador necessita visualitzar dues línies simultàniament. El quadrant de Davis va patir diversos canvis i millores al llarg de la seva existència, de manera que els últims models eren bastant diferents de l'original.
Així que, fins a mitjan , la latitud era fàcil de determinar, ja que era l'altura de l'estrella polar o bé es calculava mitjançant les taules de declinació entrant l'altura del sol al mig dia mesurada amb el quadrant, l'astrolabi, o més tard, el quadrant de Davis. Els marins tenien taules quadriennals que donaven la declinació del sol per a cada dia de l'any i, amb aquesta informació i l'observació de l'altura del sol en el seu pas pel meridià, és molt senzill determinar la latitud. A causa de la simplicitat d'aquest mètode, que no requereix cronòmetre, s'ha utilitzat tradicionalment fins als nostres dies, tot i l'existència de mètodes molt més versàtils.
En aquella època, a la darreria del , no hi havia manera pràctica de determinar la longitud geogràfica, així que el procediment seguit era el de navegar en un punt de la mateixa latitud que la destinació, per després anar navegant mantenint la latitud fins a trobar la destinació. Podríem pensar que això era molt ineficient, però és el millor que podien fer i no és tan ineficient com pot semblar a primera vista. De fet, per a les naus catalanes que anaven al Carib, això era molt pràctic per la configuració dels corrents i dels vents alisis de l'oceà Atlàntic. Des de la península anaven cap al sud, a les illes Canàries, i des d'aquí baixaven fins agafar el Corrent de les illes de Cabo verde per creuar creuar l'Atlàntic. En el viatge de retorn, pujaven fins al costat de Florida i després creuaven l'Atlàntic cap a La península ibèrica, aprofitant el Corrent del Golf i els vents, això és el més eficient. Desafortunadament per als pilots -i per sort per als cercadors de tresors d'avui-, alguns vaixells retornaven a la península creuant el mar Carib en época d'huracans, i molts van naufragar prop de les costes de Florida.
Al voltant del 1750, es va inventar el sextant, que permetia una observació molt més precisa de l'altura dels astres. Amb algunes millores i perfeccionaments menors, ha restat fonamentalment igual fins als nostres dies. De tota manera, els pilots van trigar temps a rebutjar els quadrants de Davis i a utilitzar els sextants, que eren més complicats i cars.
El sextant permetia més precisió en l'observació de l'altura, la qual cosa redundava en una determinació de la latitud més precisa, però els marins seguien sense tenir un mitjà per a determinar la seva longitud geogràfica mitjançant observacions astronòmiques.
La invenció del telescopi i els avenços de l'astronomia van permetre que, a final del , es pogués predir la posició dels astres amb prou exactitud i, a la fi del , el Reial Observatori Britànic de Greenwich va començar a publicar l'almanac nàutic, que continua sent una de les eines bàsiques de la navegació astronòmica fins als nostres dies.
Desenvolupament del cronòmetre miniatura|Cronòmetre marí muntat sobre anells cardan Durant el , s'havia fet tot l'estudi teòric necessari que permetria la determinació de la longitud geogràfica, condicionat al fet que l'observador sabés amb certa precisió l'hora en el meridià de referència en el moment de l'observació o, cosa que és el mateix, la diferència horària entre el punt de l'observació i el meridià de referència (comunament Greenwich). Fins aquest moment, el temps a bord es mesurava mitjançant ampolletes de sorra, que els grumets invertien cada mitja hora. Aquest sistema era, evidentment, poc precís i totalment inadequat per a navegació astronòmica, que requereix molta més precisió. El problema de la determinació de la longitud geogràfica era, per tant, un problema de poder saber amb precisió l'hora en el meridià de referència.
Es van desenvolupar sistemes de navegació que permetien determinar l'hora mitjançant observacions astronòmiques, però eren molt complexos i inexactes. Entre aquests, hi havia el mètode de les distàncies lunars, basat en l'observació del moviment relativament ràpid de la Lluna i el mètode de l'observació dels satèl·lits de Júpiter. Avui, sabent l'hora, l'almanac ens dona l'angle horari de la Lluna. El mètode de les distàncies lunars es basava en el procés invers: observant la posició de la Lluna respecte a les estrelles, i aplicant les corresponents correccions per paral·laxi, semidiàmetre, etc., l'observador deduïa l'hora. El mètode de l'observació de les ocultacions dels satèl·lits de Júpiter requeria l'ús d'un telescopi, i feia impossible l'ús d'aquest mètode a bord.
Tot i que aquests mètodes eren una millora sobre els mètodes existents fins a aquest moment, eren molt molestos de calcular i molt subjectes a inexactituds i errors, per la qual cosa no van guanyar gaire difusió. Clarament, se sentia la necessitat d'una màquina que permetés saber a bord del vaixell l'hora del meridià de referència.
Espanya i altres països havien ofert recompenses a qui inventés i construís un cronòmetre, però ni tan sols això va produir la desitjada invenció. A mitjan , Anglaterra va oferir una gran recompensa a qui "descobrís la longitud geogràfica en el mar amb una precisió de 60 milles després d'un viatge de sis setmanes al mar". Aquesta precisió pot interessar molt poc avui dia però, en efecte, suposa saber l'hora amb una precisió de quatre minuts de temps després del pas de sis setmanes. En aquella època, era el màxim que es podia demanar.
Al contrari que altres invencions de l'edat moderna que van fer ús de tecnologia existent donant-hi nous usos, la invenció del cronòmetre va ser producte de la necessitat i la tecnologia necessària va haver de ser inventada i desenvolupada.
Des que Galileu va descobrir el ritme constant del pèndol de gravetat, els inventors havien tractat d'inventar un rellotge basat en aquest principi, però els resultats eren imperfectes en terra ferma i aquests cronòmetres no podien funcionar en un vaixell en moviment. Tot el va ser dedicat a la invenció del cronòmetre, però els pilots van haver d'esperar a la segona meitat del XIX i manejar-se sense, amb les distàncies lunars.
Com a resposta de l'oferta anglesa, John Harrison va acoblar el pèndol amb un moviment d'escapament de la seva invenció i va produir els primers cronòmetres "transports" durant el . El primer pesava 30 quilos i necessitava uns enormes suports amb cardan per a mantenir el mateix angle respecte a l'horitzontal, cosa impossible en cas de temporal, només el "Harrison IV" era efectiu al mar. Anys de treball i millores van produir, finalment, cronòmetres pràctics i que podien ser produïts en massa.
Només, a partir de principis del , es van començar a fabricar cronòmetres útils i eren molt cars; és per això que, durant la primera meitat del segle, molts vaixells encara navegaven sense cronòmetre.
Una vegada que el cronòmetre estigué disponible a principis del , el pilot tenia a la seva disposició per a la navegació astronòmica les mateixes eines que utilitza avui dia, dos segles després: sextant, cronòmetre i almanac nàutic. Des d'aleshores, els avenços en la navegació astronòmica han ragut, no en els instruments mecànics, sinó en la teoria de mètodes i càlculs usats en la reducció de les observacions.
Observacions cronometrades Amb l'arribada del cronòmetre es podia determinar la longitud geogràfica. Això es feia, generalment, de la següent manera: el pilot determinava la seva latitud pel procediment que sempre havia usat: per l'observació meridiana del sol. Aquesta observació es deia observació meridiana, i no requeria l'ús del cronòmetre. Després, feia una observació d'un astre que tingués un azimut molt proper a 90° o 270°, és a dir, E o W. Aquesta observació es deia observació cronometrada o temporal, perquè s'anotava l'hora de l'observació. En aquest moment, estimava la seva latitud avançant-ne la meridiana mitjançant càlculs d'estima. Utilitzant la nova latitud en els seus càlculs i les dades de l'observació cronometrada obtenia la seva longitud geogràfica. El procés matemàtic de càlculs que se segueix amb una observació per arribar a un resultat en forma de posició es diu reducció de l'observació.