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航海用六分儀在扇形框架背面有手柄供握持用，框架上裝有活動臂，圖中活動臂上端即是指標鏡；半反射式地平鏡安裝在六分儀的左側（中部，正對望遠鏡者），地平鏡旁邊還配有濾光片供測量太陽等明亮天體時使用。測量天體地平高度時，觀測者手持六分儀，讓望遠鏡鏡筒保持水平，并從望遠鏡中觀察被測天體經地平鏡反射所成的像；同時要調節活動臂，使星象落在望遠鏡中所見的地平線上。這也是地平鏡需要用半反射玻璃制造的原因。
在天體的象與地平線重合時，該天體高度等于地平鏡與指標鏡夾角的二倍。通過幾何光學中的反射定律，這一點可以很容易地被證明。而根據這一點來恰當地設計圓弧標尺上的刻度，就可以讓觀測者直接讀出天體高度。為提高讀數精度，實際的六分儀活動臂上往往還附有鼓輪和游標尺。六分儀的精度比較高， 能達到10角秒，且輕便易用，所以它能夠迅速取代之前操作復雜的星盤，成為在海洋上測量地理坐標的利器，也徹底解決了地確定海上航線這一困擾無數航海家的難題。1769年，庫克船長就是在六分儀的幫助下成功抵達塔希提島觀測金星凌日的。
使用六分儀測量經緯度的前提條件是當前時間已知。先用六分儀測量出某天體（一般用太陽）上中天時的地平高度，再查閱天文年歷了解當天該天體的赤道坐標，只需代入公式：cos z = sin φ sin δ cos φ cos δ cos t 就可以得出該地的緯度φ。式中z是天體天頂距（90度減去地平高度），δ是天體的赤緯，t是時角，可以由地方恒星時與天體赤經相減得出，恒星時也可以通過簡單計算得到。如果是由太陽位置計算地理緯度，更簡便的算法是：δ = z δ 當然，更的結果還需要扣除六分儀視差、蒙氣差、眼高差、天體的半徑差等誤差后才能得出。現在某些因子已有專門的改正表可供查閱。至于經度的測量，可以通過比較太陽上中天時地方時（由查閱天文年歷得出）與出發地的時間之差得出。
六分儀大的缺點是受天氣的影響較大，不能在陰雨天使用。而制造過程中會無可避免地引入機械誤差，這也成了限制六分儀精度的一個因素。歷史上，六分儀除了在航海方面發揮了重大作用外，還曾幫助天文學家編制高精度星表。而星表的編制也促進了航海的發展，同時還給地理坐標的測量帶來了重大進步。另外還有航空用六分儀，結構與航海用六分儀基本相同，但望遠鏡視野中的地平線由水準線代替。
