从古代开始，欧洲船一般都是沿岸航行。这样一来，沿海水域就比较繁忙，而且沿岸海域暗礁浅滩等航行障碍物也比较多。为帮助船员辨认船位、航行顺畅，许多人造设施如灯塔、航标灯等航路标志便设立起来。中世纪盛期，地中海各城市的商人船只大多还是沿岸航行。从西地中海沿岸出发的商船，一船都是沿意大利半岛南行，通过墨西拿海峡，再环绕希腊半岛，沿干地亚北岸驶向罗得岛和塞浦路斯，再直航到叙利亚海岸，然后沿岸南行到达提尔和阿克尔等地。那些从西北欧来的船只，在通过直布罗陀海峡后，也不是向东直航，而是沿着西班牙、法国和意大利的地中海海岸作迂回航行。总之，没有一个船主敢冒险出海到望不见陆地的洋面上去，因为他们认为，那碰到暗礁和浅滩的船难危险，总不如沉没在大海里的可怕。不敢穿洋直航，有三个原因：一是怕迷失方向；二是害怕远洋中的风暴；三是害怕遭到海盗袭击。但归根到底还是第一个原因。因为在导航技术进步了的后一时代，虽然仍有第二、三个原因的存在，但船只却敢作穿洋航行了。
古代测量工具
因此，在远洋航行中，确定船只的方位是第一位的。这在西欧有许多经验型的作法。同阿拉伯的“卡玛尔”、中国人的牵星术一样，欧洲人很早也知道了测量天体角度来定位的原理。古代希腊人称之为“狄奥帕特拉”。中世纪早期北欧海盗通常也这样做。他们在航海中可以利用任何简陋的工具，哪怕是一只手臂、一个大姆指，或者一根分节的棍子都行，来使观察到的角度不变以保持航向。约14世纪前后，阿拉伯的航海家们运用名叫“卡马尔”的仪器来测量纬度，其原理是一手持小板，另一只手持线，线与小板的中心连接，并在使用的过程中拉直，然后将拉线板的上端对准某颗亮星，慢慢拉绳子直到木板下沿和海平面重合即可，这个时候量出木板的长和绳长，就可以计算出这颗亮星的高度，以及船只所在的纬度，15世纪左右欧洲人使用的测纬度的航海仪器十字测天仪、雅各棒、金杖等，虽然外形有别，其原理也大致相同：将一根短杆垂直缚在长约36英寸、附有角度比例尺的长直杆上，短杆可在长杆上前后移动。短杆上下两端各穿一孔。要探测船的纬度时，先选定一颗不动的星，海员即把长杆按前伸方向放在眼前，从其一端观察，一面调整移动短杆的位置，直到可从其下面孔中看到地平线，而同时从上面孔中看到北极星为止。然后，记下短杆在长杆标尺上的位置，进而计算出星体高度和船只纬度。
比雅各竿要先进一些的是十字测角器，其应用大致是中世纪后期的事。观测者将竖杆的顶端放到眼前，然后拉动套在竖杆上的横杆（或横板，一般也有好几块），最后使横杆的一端对着太阳，另一端对着地平线，这样就得出了太阳的角度。另一个更先进的观测仪器是星盘。据说哥伦布航海时就带了这两种东西。星盘是一个金属圆盘，用铜制成，上面一小环用作悬挂用。圆盘上安一活动指针，称作“照准规”，能够绕圆盘旋转。照准规两端各有一小孔，当圆盘垂直悬挂起来时，观测者须将照准规慢慢移动。到两端小孔都能看到阳光或星光时，照准规在圆盘上所指的角度也就是星体（或太阳）的角度。这种星盘虽然在中世纪后期才普遍应用，但实际上８世纪法兰克著名文学家圣路易就已在祈祷文中进行过描述。
星盘
16世纪末期，英国著名的航海家约翰·戴维斯在寻找西北航道的过程中，使用了自己发明的象限仪，又称“反向天体高度测量仪（反测仪）”或者“四分仪”，该仪器实际上是在十字测天仪的基础上增加了一个反射装置，穿过遮阳板缝隙的阳光会照射在刻度尺上，观察者只需要直接读出读数即可，这种航海仪器的发明极大地推进了纬度的测量工作。17到18世纪左右，在英国和美国两个发明家分别发明了八分仪，所谓八分，是将圆周的360°均分为八等份，而仪器可以测量的角度为其中的一份，即45°，设计八分仪的英国人后来改进了设计，在原先的八分仪上增加了反射镜，使得这种仪器的可测量角度翻了一倍，即变成了90°，这种仪器代替了过去各种测量纬度的仪器，在很长一段时间里都为海员们所使用。后期又因为八分仪可测量的角度太小，人们发明了完整的圆周反射圈，它虽然较八分仪而言可测量的范围提高了数倍，但是过于笨重，最终，人们选择了将圆周六等分，也就是60°作为框架的角度，大约在18世纪中期到19世纪之间，有关纬度的测量已经达到了一个非常精确的地步。
八分仪
确定纬度是比较成功的，但确定经度却非常困难。因此，“纬度航行”的方法在西欧也很普遍地采用。早期的北欧海盗虽然还没有纬度的概念，但也已懂得利用天体偏角原理，把自己置于与目的地相同的纬度线上，然后保持在这条线上航行，直到目的地。这一方法沿用至15世纪都没有多大改变。甚至连哥伦布的西航也采用了这一方法。他先南下到自认为与印度相同的纬度后，再直线往西航行。
知识卡片：
天体
天体是指宇宙空间的物质形体。天体的集聚，从而形成了各种天文状态的研究对象。天体，是对宇宙空间物质的真实存在而言的，也是各种星体和星际物质的通称。
偏角
指的是在平曲线测量中，曲线上任意点的弦与切线所夹的角。
4．神奇的“风向蔷薇”
古希腊被公认为欧洲文明的滥觞，这一点在航海学方面不外如是。上文曾经提到，公元前200多年，亚历山大图书馆馆长、“地理学之父”埃拉托斯特尼就曾经提出过地圆学说，与此同时，他还提出了经纬网的概念，这在航海学史上具有重要的意义。另外继埃拉托斯特尼之后，古希腊还有另一位伟大的地理学家暨天文学家托勒密，在天文方面，托勒密在希帕恰斯的基础上，提出了后世著名的《托勒密星表》，在地理方面，他改进了古希腊原有的“地方志”和“地图学”两个方面，并且提出了自己的地理学体系，包括总结出的两种地图投影法，绘制“托勒密地图”，记录当时各主要城市的经纬度等等。
托勒密
用地图投影法绘制的世界地图
埃拉托斯特尼和托勒密以及其他天文地理学家的成就，在当时来说仅仅是为各个地区的交流提供了方便，但是从航海学的角度来看，他们无疑为后世海图的绘制、船只及港口的定位等都起到了极其重要的奠基作用。所以，虽然他们不能称得上是航海学方面的专家，他们的贡献仍然是历历可见，不可抹去的。
风向测量仪器
除利用日月星辰等天体现象导航外，风向也是帮助确定航向的重要方向标志。在古希腊人那里，“风”与“方向”是一个同义词。他们为四个主要风向取了名（东、南、西、北），还标出了另外四个次要风向。现存于雅典的八角形风塔，建于公元前2世纪，今天仍能指出八个风向中每一个风向的生动特征。希腊人还懂得利用印度洋上的季风来进行航行。著名的印度洋上6至10月间的西南季风称为“希帕路斯风”，正是因为一个公元前1世纪的希腊航海家希帕路斯曾说明可利用这一季风驾船从红海到达印度沿岸。希腊之后到中世纪时期，欧洲也逐渐出现了一种对方向的标注方法，称为“风向蔷薇”。之所以称之为风向蔷薇，是因为在最早的地图上，为了标出北方，会使用拉丁语中北风之神的首字母T作来特别标注，而这个字母T又慢慢演化为了鸢尾花的形状，而表示东方所使用的是立凡德风（从法国南部沿海吹往直布罗陀海峡的一种风）的首字母L，或者是基督教的十字架（暗喻基督教圣地耶路撒冷，因其在欧洲东部）来标注，而这两个方向之间的90°等分为两份，再将这种分割方法使用在剩余的270°中，得到均分的八块空间，这八块空间又使用较小的三角形分割开来，就得到了16个方向，这些大小三角形放在同一个圆的外侧，形成的图形和蔷薇非常相似，因而就得名为风向蔷薇，后期随着罗盘的发展，又得到了一个新的名字“磁罗盘蔷薇”。 指南针时代到来前，几乎全欧洲的航海者都认为“方向”就是“风向”。虽然日耳曼人并不很正规地只标出四个主要风向名称，但用标有4个、8个、甚至12个风向的“风向蔷薇”卡片来导航，却在西欧非常普遍。同样，对风的崇拜程度也不亚于东方，连圣母都成了“顺风圣母”。
除了导航定位的基础理论方面的发展之外，船员和岸上人员们也掌握了一套自己的习惯方法，因为自身船只补给、船员数量等条件的限制，古代欧洲的船只大都会选择近岸的海路，这时候的一些导航定位方法往往会与一些海洋上的标志物有关，比如维京人会依靠鸟类、鱼类、水流、浮木、海草、水色、冰原反光、云层、风势来协助自己判断方向。
9世纪时，北欧著名航海家，“海上之王”弗劳克，总是在船上装了一笼渡鸟，据神话传说，当他离开法罗群岛向西北行驶了相当远的一段路程后，从船上放出了一只渡鸟，可是这只渡鸟向东南飞去，过了一会，弗劳克又放出了第二只渡鸟，这只渡鸟飞回船上，然而第三只渡鸟向西北飞去了，于是弗劳克驾船尾随渡鸟来到一片陆地。这也是许多航海家们用以辨别陆地方向的方法。
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季风
由于大陆和海洋在一年之中增热和冷却程度不同，在大陆和海洋之间大范围的、风向随季节有规律改变的风，称为季风。形成季风最根本的原因，是由于地球表面性质不同，热力反映有所差异引起的。由海陆分布、大气环流、大地形等因素造成的，以一年为周期的大范围的冬夏季节盛行风向相反的现象。
5．“磁罗盘”的出现
真正改变欧洲航海水平的还是指南针的应用。指南针约在12世纪里传入欧洲。李约瑟认为，中国的磁罗盘先由陆路传到西方，后来又由欧洲的航海家改造成“指北”方向。欧洲记载中第一次提到指南针，是巴黎大学的学者亚历山大·内克姆。他在1180年左右的一篇文章中说：“在阴沉的天气或晚上，当水手们不能看清太阳，也不知道船首驶向何方时，他们就把针放在磁石上，针便旋转到指向北方而停住”。但欧洲人最早使用指南针的时间，应该比这更早一些。一般认为大约在1150年左右，意大利人开始在海船上使用指南针。
欧洲的指南针
欧洲最早的指南针是磁罗盘蔷薇，类似于以前的风向蔷薇，但标有16个或32个方向点。罗盘卡起初是圆形的，刻有风向蔷薇图案，平放在桌上。旁边放有装满水的碟子，一根简单的磁针放在一小木片上浮之于水面，领航员不断根据磁针所指而转动卡片。后来，又把针附在卡片之下，卡片随指针浮动而转动，这就能始终显示正确的方向。到1250年左右，航海磁罗盘已发展到能连续测量出所有的水平方向，精确度在3°以内。
磁罗盘
但磁罗盘并不很快地为欧洲人所普遍接受。由于人们还无法科学地解释指针为什么能“找到”北方，因而很具有神秘色彩，一般的航海水手都不敢使用。那些大胆而又谨慎的船长也只敢暗暗地使用，把它装入一个小盒内，不让别人看到。因此，指南针在欧洲广泛使用，是13世纪后期的事情。
使用指南针前，地中海航行因为气候关系而大受局限。每年的5至10月是天气晴朗的季节，海上盛吹着北风和西北风，利于船只从西北的意大利向东南的埃及航行，但对从埃及返航的船只就很困难了。航船先要绕道到塞浦路斯，再折向西行。而在所谓“天气恶劣”季节，即每年的10月到第二年的3月，虽然仍有顺风，但海上阴沉多云，海员不容易辨别方向，航船只能停泊。意大利城市大量记载了冬季停航的情况。往地中海东部去的船队，一般每年只能往返一次。要么是在复活节前后离开威尼斯，在多云季节来临前的9月份赶回来。要么是在8月份离开威尼斯，9月份抵达目的地，然后在那里过冬，次年5月返回威尼斯。实际上，这些商船一年中有一半时间停航。
指南针的使用，大大改变了地中海地区的航海形势。阴沉多云的天气虽然存在，但再也不是航海的障碍。全天候航行成为可能，越洋跨海的航行也成为可能。而且，有正确航向的越洋航行，也使航程大大缩短，节省了许多时间。到13世纪的最后二十五年里，一艘船完全可在一年中绕地中海两次环行，甚至在冬天里也能开船。到1300年，意大利船只可一年四季都在海上航行了。
与此同时，其他一些航海仪器也相继投入使用。如测量船体运动速度的“水钟”采用后，便可以计算航行的距离。有系统的航行方向记录，也有为航海而编制的三角函数表，还有将尾舵安置在船的中心线上以控制方向的新技术，等等，这就使航海家们特别是意大利商船能及时标出其所在的方位了。
改进的欧洲水钟
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水钟
据埃及朝官阿门内姆哈特的墓志铭记载，此人曾于公元前1500年前 后发明了水钟，一种“漏壶”。容器内的水面随着水的流出而下降，据此测出过去了多少时间。这类时钟对祭司特别有用，因为夜里他们需要了解时间，不致错过在神庙内举行宗教仪式和献技活动的既定时刻，现存最古老的水钟是阿孟霍特普三世（公元前14世纪）统治时期的产物——1905年在凯尔奈克的阿蒙神庙发现了它的残片。