本发明公开了一种高速目标天文定位方法，利用观测相机在凝视成像模式下拍摄一系列星图，通过星点提取和星图匹配，计算相机的姿态矩阵，再结合目标在相机探测器平面上的坐标位置，解算目标的天球坐标。通过任务前校准，标定观测相机光学系统畸变、光度以及安装矩阵；采用全区曝光模式对高速目标检测；调整观测相机姿态，以保证高速目标处于视场中心区域；分区曝光设置确保恒星和目标具有高质心提取精度；观测相机天文定姿；最后采用天文定位基本方程解算观测目标的天球坐标。本发明规避了不同运动模式的恒星和高速目标在像面上划线弥散，观测相机可以实现同一时刻高速目标监视、天文定姿和高速目标的天文定位功能。