从航海仪器管理起步
1830年12月6日，美国海军部长下令，在海军委员局之下设立海图与仪器库。远洋航行需要可靠的海图和计时工具，海军因此把分散的航海资料与仪器集中管理。路易斯·戈尔兹伯勒负责从纽约等地汇集航海钟、六分仪、经纬仪和海图；1831年，海军船厂又奉命移交航海书籍与海图。
这套机构最初承担的是保管、发放、维修和检验。校验航海钟需要可靠的天文时间，仪器库因而逐渐增加观测设施。1831至1833年间，工作人员使用纽约工匠帕滕制造的中星仪校时，把星体通过固定方向的时刻与钟表读数相比较。观测由日常器材管理中的实际需要生长出来。
白宫附近与国会山的两处台址
1831年2月，仪器库安置在白宫西北、第十七街与G街附近的一幢砖房内。查尔斯·威尔克斯1833年接任后，发现周围土壤潮湿，影响仪器工作，推动迁址。1834年5月，机构移到国会大厦以北的高地，拥有较合适的观测条件。
威尔克斯为新址修建小型观测房，并向海岸测量负责人费迪南德·哈斯勒借用一台特劳顿中星仪。海军由此利用另一个测量机构已有的设备开展工作。校时设施先承担日常仪器管理，数年后逐步加入持续的天文观测计划。
1838年的协同观测命令
詹姆斯·梅尔维尔·吉利斯接管仪器库后，观测与美国远洋考察联系起来。1838年8月13日，海军部长保尔丁命令他在华盛顿开展天文观测，并与波士顿的威廉·克兰奇·邦德协作，为威尔克斯率领的考察队提供岸上参照。
月球过中天、掩星和日月食等事件，可以供不同地点比较观测时刻，帮助确定经度。命令不仅规定观测对象，还要求写明仪器、放大倍数、恒星时钟改正以及天气状况。自1838年9月开始的系列观测持续到1842年，吉利斯承担了其中大量工作；这些记录后来整理出版，成为可以供其他观测者检查和比较的材料。
参考：[1]
天气记录与仪器的可比性
天文观测之外，吉利斯推动气象和地磁记录，并争取添置仪器和助手。早期气象记录每日进行四次，安排在凌晨3时、上午9时、下午3时和晚间9时，记载气压、温度、空气湿度、风向、风力和天气。固定时刻的连续记录，使台站工作不再只围绕偶然的天象。
保持记录一致，还需要跟踪仪器变化。1841年原有气压计损坏送修期间，台站使用一台法国制仪器暂代；原仪器修复后，又比较两者读数。格赖斯整理的台站史保留了这一细节：同一地点的一串数字，只有连同仪器、维修和替换情况保存，才便于后人理解其差异。
参考：[2]
1844年的永久设施与后续分工
场地狭小和旧仪器不足，使吉利斯持续争取永久设施。1842年8月31日获准的法案授权海军建设合适的海图与仪器库；1844年9月底，新建筑和仪器已准备就绪。10月1日，马修·方丹·莫里受命接管，并将人员、海图和仪器迁入雾谷新址。这里位于波托马克河北岸高地，配备折射望远镜、中星仪、壁面测角仪及气象、地磁设备。
新台站同时通过书籍交换联系欧洲学术团体和天文台，逐渐把航海服务与专业天文学结合。1854年，海军部正式采用“美国海军天文台与水文局”名称；1866年水文业务另设机构。1893年迁往马萨诸塞大道，则属于此后另一阶段。1830年的行政起点、1844年的永久台站和后来的迁址，各自代表不同的制度与设施变化。