早在两千多年前的战国时期，充满智慧的古代人民就已经发现了磁石具有指极性。于是他们利用磁石的指极性发明了司南，《鬼谷子》其中写道:"郑人之取玉也，必载司南之车，为其不惑也。"从典籍的记录中，我们也可以看出司南在古代人出行中，起到了不可或缺的作用。
而司南被人类不断改进，便出现了中国古代四大发明之一——指南针。指南针的出现并非一蹴而就，而是经过了极其漫长的改良，才得以现世。司南的改良作品——指南鱼与水浮磁针主要记载于唐宋年间，例如《神机秘籍》中说:"针法古无所传，自昔玄真始制。"玄真便是擅长物理的唐朝人。指南鱼的制备方法记录于《武经总要》，书中说：“用薄铁叶剪裁，长二寸，阔五分，首尾锐如鱼形，置炭火中烧之，候通赤，以铁钤钤鱼首出火，以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。”此书则写于北宋时期。
水浮磁针同样也记于北宋时期，具体记载于著名科学家沈括的代表作《梦溪笔谈》，其中卷二十四，其文曰:"方家以磁石摩针锋，则能指南。"
比起在陆地，人类在航海时更易迷失方向，此时的指南针并不能完全满足航海需求，在这种情况下，人类发明了更多在航海中可以指明方向的工具，这些工具帮助人类走上了伟大的航海之路。
在航海过程中迷失方向是极为危险的事情，东晋僧人法显曾记述：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日，月，星宿而进。”由此可见，古人除了利用地磁导航外还会利用天文中的规律进行导航，其中最为著名的天文导航工具，便是陪伴郑和七下西洋的牵星板。
牵星板，是我国古代利用天文定位技术——牵星术来进行航海定位导航的工具。它的主要原理是通过牵星板测量出的垂直高度与纤绳长度来换算北极星的高度角，进而确定所在地的地理纬度。
在《武备志》中保存了二十页郑和海图，其中有四幅为“过洋牵星图”，在图中船员们所用的观测仪器即为牵星板。
据记载牵星板为12块边长为2-24厘米、带有刻度的乌木板组成。观测者需手持牵星板，使板面与海平面垂直，下边缘与海天交界线垂直，上边缘与所测天体相接，板上引一长绳以固定牵星板与观测者眼睛之间的距离，计算单位为“指”与“角”，一指约为今天的1.9°，折合四角。
在国家海洋博物馆海洋天文展厅中便有体验牵星板原理的互动屏幕。
在西方也有用于测量星辰进行导航的六分仪，六分仪所基于的原理很简单，即光线的反射角等于入射角。使用时﹐观测者需手持六分仪﹐转动指标镜﹐使在视场里同时出现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角﹐其误差约为±0.2°~±1°。
六分仪的原理是由牛顿提出的，到了1732年，英国海军开始将原始仪器安装在船艇上，因为当时最大测量角度是90度，因此被称为八分仪。1757年，约翰·坎贝尔船长将八分仪的测量夹角提高到120度，发展成为六分仪。其后六分仪的测量夹角虽然逐渐提升到144度，但是其名称却一直保持不变。
在国家海洋博物馆海洋天文展厅入口上方的水晶装饰，就是一个六分仪的造型。
除此之外经天纬地展区中也展示着不同时期世界各国生产的六分仪与八分仪。
从波尼西亚人利用特殊手势结合天空中的星星来辨别方向，到如今人类向太空中发射卫星用于航海导航，人类从未停止对大海与星空的探索，不断精进的设备，不断突破的极限，从指南针到北斗卫星导航系统，从简易装置到大国重器，都彰显着人类文明与科技的进步。
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