早在兩千多年前的戰(zhàn)國時期，充滿智慧的古代人民就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了磁石具有指極性。于是他們利用磁石的指極性發(fā)明了司南，《鬼谷子》其中寫道:"鄭人之取玉也，必載司南之車，為其不惑也。"從典籍的記錄中，我們也可以看出司南在古代人出行中，起到了不可或缺的作用。

而司南被人類不斷改進(jìn)，便出現(xiàn)了中國古代四大發(fā)明之一——指南針。指南針的出現(xiàn)并非一蹴而就，而是經(jīng)過了極其漫長的改良，才得以現(xiàn)世。司南的改良作品——指南魚與水浮磁針主要記載于唐宋年間，例如《神機秘籍》中說:"針法古無所傳，自昔玄真始制。"玄真便是擅長物理的唐朝人。指南魚的制備方法記錄于《武經(jīng)總要》，書中說：“用薄鐵葉剪裁，長二寸，闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數(shù)分則止，以密器收之。”此書則寫于北宋時期。

水浮磁針同樣也記于北宋時期，具體記載于著名科學(xué)家沈括的代表作《夢溪筆談》，其中卷二十四，其文曰:"方家以磁石摩針鋒，則能指南。"

比起在陸地，人類在航海時更易迷失方向，此時的指南針并不能完全滿足航海需求，在這種情況下，人類發(fā)明了更多在航海中可以指明方向的工具，這些工具幫助人類走上了偉大的航海之路。

在航海過程中迷失方向是極為危險的事情，東晉僧人法顯曾記述：“大海彌漫無邊，不識東西，唯望日，月，星宿而進(jìn)。”由此可見，古人除了利用地磁導(dǎo)航外還會利用天文中的規(guī)律進(jìn)行導(dǎo)航，其中最為著名的天文導(dǎo)航工具，便是陪伴鄭和七下西洋的牽星板。

牽星板，是我國古代利用天文定位技術(shù)——牽星術(shù)來進(jìn)行航海定位導(dǎo)航的工具。它的主要原理是通過牽星板測量出的垂直高度與纖繩長度來換算北極星的高度角，進(jìn)而確定所在地的地理緯度。

在《武備志》中保存了二十頁鄭和海圖，其中有四幅為“過洋牽星圖”，在圖中船員們所用的觀測儀器即為牽星板。

據(jù)記載牽星板為12塊邊長為2-24厘米、帶有刻度的烏木板組成。觀測者需手持牽星板，使板面與海平面垂直，下邊緣與海天交界線垂直，上邊緣與所測天體相接，板上引一長繩以固定牽星板與觀測者眼睛之間的距離，計算單位為“指”與“角”，一指約為今天的1.9°，折合四角。

在國家海洋博物館海洋天文展廳中便有體驗牽星板原理的互動屏幕。

在西方也有用于測量星辰進(jìn)行導(dǎo)航的六分儀，六分儀所基于的原理很簡單，即光線的反射角等于入射角。使用時﹐觀測者需手持六分儀﹐轉(zhuǎn)動指標(biāo)鏡﹐使在視場里同時出現(xiàn)的天體與海平線重合。根據(jù)指標(biāo)鏡的轉(zhuǎn)角可以讀出天體的高度角﹐其誤差約為±0.2°~±1°。

六分儀的原理是由牛頓提出的，到了1732年，英國海軍開始將原始儀器安裝在船艇上，因為當(dāng)時最大測量角度是90度，因此被稱為八分儀。1757年，約翰·坎貝爾船長將八分儀的測量夾角提高到120度，發(fā)展成為六分儀。其后六分儀的測量夾角雖然逐漸提升到144度，但是其名稱卻一直保持不變。

在國家海洋博物館海洋天文展廳入口上方的水晶裝飾，就是一個六分儀的造型。

除此之外經(jīng)天緯地展區(qū)中也展示著不同時期世界各國生產(chǎn)的六分儀與八分儀。

從波尼西亞人利用特殊手勢結(jié)合天空中的星星來辨別方向，到如今人類向太空中發(fā)射衛(wèi)星用于航海導(dǎo)航，人類從未停止對大海與星空的探索，不斷精進(jìn)的設(shè)備，不斷突破的極限，從指南針到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從簡易裝置到大國重器，都彰顯著人類文明與科技的進(jìn)步。