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계시(計時)와 항해를 위해 천체의 위치를 측정하는 것이 이 천문대가 설립된 이래 해온 주요업무이다.

1833년 최초의 작은 천문대가 국회의사당 근처에 세워졌다. 1844년 이 천문대 준척(準尺)에서 공을 떨어뜨려 처음으로 공공시보(公共時報)를 알렸으며, 1904년 세계 최초로 라디오 시보 방송을 했다(→ 항해 시스템). 천문대 규모는 확장되었고 그 위치도 여러 번 옮겨졌다.

1934년에 설치한 40인치(102㎝) 반사망원경을 1955년에 더 좋은 대기조건을 갖춘 애리조나 주 플래그스태프로 옮겼으며, 1964년부터는 플래그스태프에서 61인치(155㎝) 반사망원경이 사용되었다. 또다른 천문대들은 플로리다 주와 아르헨티나에 있다. '표준시'에 대한 법률상 책임, 즉 미국의 시간대 설정은 현재 교통부에 위임되어 있고, 해군천문대는 특별히 국방부와 그 계약자들이 사용하는 표준시·시간간격·무선주파수의 표준을 발표하는 임무를 수행한다.

해군천문대와 NIST는 각각 다른 시간표준을 사용했으나, 1968년 10월부터는 거의 10^-6초까지 일치하도록 시간을 조정했다. NIST가 매 24시간마다 발표하는 것처럼 해군천문대도 시간과 주파수에 대한 정보를 주기적으로 발표한다. 두 기관 모두 파리의 국제시보국(國際時報局)과 협력하고 있다.