Quỹ đạo của Trái Đất quanh Mặt Trời là một hình elíp. Bán trục lớn của quỹ đạo elip được xác định bằng một nửa đoạn thẳng trục lớn nối hai điểm cận nhật và viễn nhật. Mặt Trời nằm trên đoạn thẳng này, nhưng không nằm ở trung điểm của nó. Bởi vì elip là một hình xác định một cách tường minh, việc biết được các điểm nằm trên nó cho phép xác định chính xác hình dạng toán học của quỹ đạo elip, từ đó có thể tính toán ra quỹ đạo cũng như dự đoán cho các quan sát trong tương lai. Thêm vào đó, khoảng cách lớn nhất trong một năm Trái Đất quay quanh Mặt Trời (điểm viễn nhật) sẽ biết được, cho phép xác định được thời điểm và vị trí để quan sát thị sai (sự dịch chuyển vị trí biểu kiến của vật thể trên bầu trời) cực đại đối với các ngôi sao ở gần. Biết được chuyển động của Trái Đất và thị sai của một ngôi sao cho phép ước lượng khoảng cách đến ngôi sao đó. Nhưng mọi phép đo đều có sai số và độ bất định, và các độ bất định trong độ dài đơn vị thiên văn chỉ làm tăng độ bất định của khoảng cách đến ngôi sao. Việc nâng cao độ chính xác luôn là một điều quan trọng nhằm nâng cao hiểu biết thiên văn đối với các nhà khoa học. Trong thế kỷ 20, các lần đo đã ngày càng chính xác và phức tạp hơn, và sự phụ thuộc vào độ chính xác trong quan sát thiên văn đối với các hiệu ứng miêu tả bởi thuyết tương đối của Einstein cũng như vào công cụ toán học mà nó sử dụng.

Nâng dần độ chính xác trong đo lường liên tục được kiểm tra và kiểm tra chéo bởi kiến thức của các nhà thiên văn về các định luật của cơ học thiên thể mà chi phối chuyển động của các vật thể trong không gian. Vị trí và khoảng cách dự đoán của vật thể ở một thời điểm nhất định được tính toán (theo AU) từ các định luật này, và được ghi lại thành một tập hợp dữ liệu gọi là lịch thiên văn (ephemeris). Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA cung cấp một số dịch vụ tính toán lịch thiên văn.[9]

Năm 1976, để thiết lập một phép đo chính xác hơn cho đơn vị thiên văn, tổ chức IAU đã chính thức chấp nhận một định nghĩa mới của đơn vị thiên văn. Mặc dù dựa trực tiếp trên những đo lường quan sát chính xác nhất cho đến thời điểm đó, định nghĩa này được viết lại theo các số hạng toán học phù hợp nhất rút ra từ cơ học thiên thể và các dữ liệu hành tinh. Phát biểu của định nghĩa "đơn vị thiên văn là độ dài (A) mà hằng số hấp dẫn Gauss (k) có giá trị &-1000000000000000.0172020.01720209895 khi các đơn vị đo lường là đơn vị thiên văn của độ dài, khối lượng và thời gian".[6][10][11] Một cách tương đương, theo định nghĩa này, 1 AU là bán kính của quỹ đạo tròn Newton không bị nhiễu loạn của một hạt có khối lượng vô cùng nhỏ với tâm là Mặt Trời, chuyển động với tần số góc bằng &-1000000000000000.0172020.01720209895 radian trên một ngày;[12] hoặc một cách khác nó là độ dài mà hằng số hấp dẫn nhật tâm (heliocentric gravitational constant) (tích của GM) bằng (&-1000000000000000.0172020.01720209895)2 AU3/d2, khi độ dài được sử dụng để miêu tả vị trí của vật thể trong hệ Mặt Trời.

Những cuộc thám hiểm hệ Mặt Trời về sau bằng các tàu thăm dò không gian cho phép thực hiện các phép đo chính xác hơn về vị trí tương đối của các hành tinh bên trong hệ Mặt Trời và những vật thể khác bằng cách sử dụng ra đa và đo lường từ xa (telemetry). Như đối với mọi phép đo bằng ra đa, các phương pháp này dựa trên kết quả đo thời gian mà các photon được phản xạ từ vật thể. Bởi vì mọi photon chuyển động bằng tốc độ ánh sáng trong chân không, một hằng số cơ bản trong vũ trụ, khoảng cách của một vật thể đến tàu không gian sẽ bằng tích của tốc độ ánh sáng và thời gian đo được. Tuy nhiên, để tính toán chính xác cần phải kể tới một số ảnh hưởng như chuyển động của tàu thăm dò và của vật thể trong thời gian các photon truyền đi. Thêm vào, phép đo thời gian cũng phải được quy về một hệ quy chiếu tiêu chuẩn khi tính tới ảnh hưởng của hiệu ứng giãn thời gian tương đối tính (relativistic time dilation). So sánh các vị trí trong lịch thiên văn với kết quả đo thời gian trong hệ thời gian phối hợp động lực khối tâm (Barycentric Dynamical Time, TDB) cho giá trị của tốc độ ánh sáng theo đơn vị thiên văn trên một ngày (của &0000000000086400.00000086400 s). Năm 2009, tổ chức IAU đã cập nhật các phép đo tiêu chuẩn để phản ánh những cải tiến, và tính toán tốc độ ánh sáng bằng &0000000000000173.144633173.1446326847(69) AU/ngày (TDB).[13]

Năm 1983, Ủy ban Quốc tế về Cân đo (CIPM) hiệu chỉnh hệ đo lường SI (hay hệ đo lường "hiện đại") để cho phép định nghĩa mét hoàn toàn độc lập với một thực thể nào đó, bởi vì các phép đo khác đã trở lên quá chính xác để có thể tham chiếu đến thanh mét chuẩn làm bằng platin vẫn còn được sử dụng đến lúc đó. Thay thế cho nó, đơn vị mét được định nghĩa lại theo tốc độ của ánh sáng trong chân không, mà khi cần thiết có thể xác định một cách độc lập. Tốc độ ánh sáng được định nghĩa chính xác bằng c0 = &0000000299792458.000000299792458 m/s, một giá trị số chuẩn cũng được công nhận bởi Tổ chức dịch vụ quốc tế các hệ thống tham chiếu và sự xoay Trái Đất (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS).[14] Từ định nghĩa này và tiêu chuẩn của 2009, thời gian ánh sáng truyền qua 1 AU bằng τA = &0000000000000499.004784499.0047838061+0.00000001− s, hay hơn 8 phút. Bằng cách nhân ngược lại, ước lượng tốt nhất của IAU 2009 bằng A = c0τA = &0000149597870700.000000149597870700+3− m,[15] dựa trên so sánh lịch thiên văn của JPL và của Viện hàn lâm khoa học Nga IAA–RAS.[16][17][18]

Năm 2006, Văn phòng Cân đo Quốc tế BIPM báo cáo một giá trị sử dụng đơn vị thiên văn là &0000149597870691.0000001.49597870691(6)×1011 m.[7] Năm 2014 trong tài liệu sửa đổi SI, BIPM công nhận định nghĩa lại của IAU năm 2012 với giá trị của đơn vị thiên văn bằng &0000149597870700.000000149597870700 m.[8]

Ước lượng trên vẫn được rút ra từ các quan sát và đo đạc thực nghiệm và do vậy chịu ảnh hưởng bởi sai số, và dựa trên những kỹ thuật vẫn chưa chuẩn hóa được mọi hiệu ứng tương đối tính, và do đó không bất biến đối với mọi quan sát viên. Năm 2012, nhận thấy việc kết hợp với thuyết tương đối khiến định nghĩa trở lên quá phức tạp, IAU đã sử dụng định nghĩa đơn giản năm 2009 để xác định lại đơn vị thiên văn như là một đơn vị chiều dài thuận tiện gắn liền trực tiếp với mét (giá trị chính xác bằng &0000149597870700.000000149597870700 m).[15][19] Định nghĩa mới cũng nhận ra một hệ quả đó là đơn vị thiên văn hiện giờ đóng vai trò ít quan trọng hơn, và nó chỉ được sử dụng giới hạn cho thuận tiện trong một số trường hợp.[15]

Định nghĩa trên đặt tốc độ ánh sáng, được định nghĩa chính xác bằng &0000000299792458.000000299792458 m/s, bằng chính xác &0000000299792458.000000299792458 × &0000000000086400.00000086400 ÷ &0000149597870700.000000149597870700 hay khoảng &0000000000000173.144633173.144632674240 AU/d, nhỏ hơn 60 phần nghìn tỷ giá trị ước lượng năm 2009.