天文水準(astronomical leveling)是利用天文大地垂线偏差推算大地水準面差距或高程异常的方法。当两天文点相距不远时，垂线偏差可视为线性变化，根据两点上天文大地垂线偏差在其方向线上分量θ1和θ2的平均值乘以两点间距离s₁₂(或表示为 )，可以求出两点间大地水準面差距的变化△N。推求高程异常还须加入由重力异常所算得的改正值。为了求出大地水準面差距或高程异常；必须从大地原点进行逐段递推。这个方法要求两相邻天文点相距不得过远，否则不能达到必要精度。

天文重力水準（astro-gravimetric leveling）是利用天文大地垂线偏差和重力测量数据，推算相邻两点的大地水準面差距之差（高差或高程异常差）的方法。当两天文点的距离较远，垂线偏差非线性变化时，须利用重力测量数据算出垂线偏差非线性变化的影响，才能较精确的推算出天文大地水準面差距之差。

大地水準面是指与平均海水面重合併延伸到大陆内部的水準面。是正高的基準面。在测量工作中，均以大地水準面为依据。因地球表面起伏不平和地球内部质量分布不匀，故大地水準面是一个略有起伏的不规则曲面。该面包围的形体近似于一个旋转椭球，称为“大地体”，常用来表示地球的物理形状。

大地水準面是由静止海水面并向大陆延伸所形成的不规则的封闭曲面。大地水準面或似大地水準面是获取地理空间信息的高程基準面。它是重力等位面，即物体沿该面运动时，重力不做功（如水在这个面上是不会流动的）。大地水準面是描述地球形状的一个重要物理参考面，也是海拔高程系统的起算面。大地水準面的确定是通过确定它与参考椭球面的间距——大地水準面差距（对于似大地水準面而言，则称为高程异常）来实现的。大地水準面和海拔高程等参数和概念在客观世界中无处不在，在国民经济建设中起着重要的作用。

天文水準是利用垂线偏差确定区域大地水準面或似大地水準面的一种经典方法。由于垂线偏差分量用天文经纬度和大地经纬度计算，故天文水準也称为天文大地水準。从原理上讲，只要垂线偏差点足够密，天文水準方法可以达到很高的精度。但是，长期以来，垂线偏差的测定是大地测量中最困难的一种工作。首先是天文经纬度测量要在夜间对星空观测，受天气影响大，作业效率低，劳动强度高，一个天文作业小组每年测不到10个天文点。其次是大地经纬度的获得需要通过建立大地三角锁网逐点推算。所以，我国过去不可能布设高精度的天文水準。

短边天文水準的垂线偏差点间距平均为20km，长边天文水準垂线偏差点间距平均为54km，每千米高程异常差中误差分别为μ=±0.07m和μ=±0.11m，精度很低，主要原因是垂线偏差的非线性变化引起较大的误差。天文重力水準利用重力数据能对垂线偏差的非线性变化进行改正，因而可使垂线偏差点间距扩大。我国一等天文重力水準路线上垂线偏差点距离平均为92km，垂线偏差精度为±0.5″，每千米高程异常差中误差为μ=0.027m；二等天文水準路线上垂线偏差点平均距离为97km，垂线偏差精度为±1.2″，每千米高程异常中误差±0.06m。以上的天文水準和天文重力水準是为上世纪80年代前后全国天文大地网平差对高程异常的需要而设计的，已不能适应当前的需要。

为了将GPS测定的大地高转换为正常高，以代替作业效率不高的几何水準测量，需要高精度的高程异常，高程异常差的精度要与几何水準精度相适应。目前普遍採用的方法是GPS与水準测量相结合的方法，即GPS/水準方法。欲使局部地区高程异常差精度达到几个厘米的精度，必须以GPS/水準点作为控制，用重力或地形数据内插出其它点的高程异常，构成厘米级精度的似大地水準面。但是在山区、林区、沙漠、戈壁，几何水準测量难以实施，在这些地区免除水準测量之难的唯一办法就是利用高精度天文水準。利用点距较近的垂线偏差数据也能达到与GPS/水準接近的高程异常精度，例如达到每千米高程异常差中误差为μ=±0.01m，我们所说的高精度天文水準就是这样的精度水平，这种精度与我国四等几何水準的精度相当。

天文经纬度测量和GSP大地侧量技术的进展将使垂线偏差的测定效率大大提高。利用CCD天顶摄影仪可以在几分钟内获得天顶星空的恆星像片坐标，不需沖洗和最测星像片；高精度守时记时和电子星表的套用，可在瞬间得到测点的天文经纬度；而动态GPS测量能快速确定侧点的大地坐标。快速、高精度的垂线偏差测量是高精度天文水準的技术基础。