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  天頂攝影機結合數碼影像感應器(CCD)和光學鏡頭(約 10-20 釐米口徑)獲取天頂附近星星的影像。電子水平儀(傾斜感應器)提供望遠鏡指向天頂需求的手段。天頂攝影機一般都安裝在可以轉動的平臺上,以讓攝影機可以從兩個不同的方向(通常是相隔90度)取的影像。因為天頂攝影機通常不跟蹤或掃描,所以設計的曝光時間都很短,通常都在0.1秒的等級,以使星星保持圓點像。曝光時機主要利用GPS紀錄拍攝時間(時間標記)的能力。

  根據CCD感測器鏡頭使用的組合,每幅天頂影像能捕捉數十顆至數百顆的星點。星星在影像上的位置使用數碼影響處理演算法,如影象矩分析或點擴散函式,確定星星的位置。以第谷第二星表或UCAC-3星表做為參考以篩檢星點。天頂點是欄位中成像星點的內插值,以曝光時間和望遠鏡在垂線方向的軸向傾斜(小)修正。

  如果天頂攝影機的參考橢球體是已知或測量過,也就是以GPS接受器測量,就可以得到天頂攝影機的垂直偏轉結果。天頂攝影機提供的天文座標和垂直偏轉精確度約可達到0.1弧秒。天頂攝影機與CCD影像感應器每晚約可蒐集10個地點的垂直偏轉。天頂攝影機已經用於精確的調查地球的重力場(大地水準面,似大地水準面)。
天頂攝影機是現今主要用於調查地球重力場的天文大地望遠鏡。天頂攝影機被設計做為移動式的儀器,可以在現場測量天文座標垂線和現場觀測垂線的偏差。