自然科学史研究所严敦杰
我国幅员辽阔，海岸线很长，不只是一个大陆国家，而且也是一个海洋国家，自古以来航海事业就很发达。
天文航海技术
天文航海技术主要是指在海上观测天体来决定船舶位置的各种方法。我国古代出航海上，很早就知道观看天体来辨明方向。西汉时代《淮南子》就说过，如在大海中乘船而不知东方或西方，那观看北极星便明白了。（《齐俗训》：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。”）晋代葛洪的《抱朴子外篇·嘉遯》上也说，如在云梦（古地名）中迷失了方向，必须靠指南车来引路；在大海中迷失了方向，必须观看北极星来辨明航向。（“夫群迷乎云梦者，必须指南以知道；并乎沧海者，必仰辰极以得反。”）东晋法显从印度搭船回国的时候说，当时在海上见“大海弥漫，无边无际，不知东西，只有观看太阳、月亮和星辰而进。”一直到北宋以前，航海中还是“夜间看星星，白天看太阳”。只是到北宋才加了一条“在阴天看指南针”。
大约到了元明时期，我国天文航海技术有了很大的发展，已能观测星的高度来定地理纬度。这是我国古代航海天文学的先驱。这种方法当时叫“牵星术”。牵星术的工具叫牵星板。
牵星板用优质的乌木制成。一共十二块正方形木板，最大的一块每边长约二十四厘米，以下每块递减二厘米，最小的一块每边长约二厘米。另有用象牙制成一小方块，四角缺刻，缺刻四边的长度分别是上面所举最小一块边长的四分之一、二分之一、四分之三和八分之一。比如用牵星板观测北极星，左手拿木板一端的中心，手臂伸直，眼看天空，木板的上边缘是北极星，下边缘是水平线，这样就可以测出所在地的北极星距水平的高度。高度高低不同可以用十二块木板和象牙块四缺刻替换调整使用。求得北极星高度后，就可以计算出所在地的地理纬度。
元代意大利的马可波罗由陆路来我国，在我国耽了二十多年后由海路回去。海路航线是经我国南海进入印度洋折而往西。马可波罗当时是搭乘我国航海家驾驶的我国船舶回去的。在马可波罗游记中记载了当时我国海船和航海的情况。据游记记载，海船由马六甲海峡进入印度洋后，便有北极星高度的记录，可见那时我国航海家已经掌握了牵星术。明代郑和七次下“西洋”，“往返牵星为记”。可知当时航行在印度洋中的我国航海家已经十分熟悉牵星术了。明代牵星，一般都是牵北极星，但在低纬度（北纬六度）下北极星看不见时，改牵华盖星（北极星是小熊座a星，华盖星是小熊座β、γ双星）。
明代在航海中还定出了方位星进行观测，以方位星的方位角和地平高度来决定船舶夜间航行的位置。当时叫观星法，观星法也属牵星术范围之内。
明代牵星术的航海记录，例如从古里（今印度西海岸的科泽科德）到祖法儿（今阿拉伯半岛东海岸阿曼的佐法尔）航路，在古里开船，看北极星的高度是六度二十四分（折合今度，下同）。船向西北，船行九百公里到莽角奴儿（今印度西海岸的门格洛尔），看北极星的高度是八度。后船向西北偏西，航行一千五百公里，在大海中，看北极星的高度是十度。又船向正西稍偏北，航行二千一百公里，到祖法儿，看北极星的高度是十二度四十八分。把北极星高度用当时的算法拆算地理纬度，和现在各地的地理纬度基本相合。又从航路来看，航向和航程也和现在的肮路大致相同。由此可见，明代天文航海技术已经相当先进。
关于求天象出没时间，明代航海家也有些规定。流传下来的明末抄本航路专书中有太阳月亮的出没时间表，还有“定太阳出没歌”和“定太阴出役歌”。“定太阳出没歌”文是：
“正九出乙没庚方；二八出兔没鸡场；
三七出甲从辛没；四六生寅没犬藏；
五月出艮归乾上；仲冬出巽没坤方；
惟有十月十二月，出辰入申仔细详。”
这是把十二个月的太阳出没时辰用一首歌诀来概括。正月、九月太阳出在乙时没在庚时，乙时在卯时和辰时之间，庚时在申时和西时之间。又兔指卯时，鸡指酉时。甲时在寅时和卯时之间，辛时在酉时和戌时之间。犬指戌时。艮时在丑时和寅时之间，乾时在戌时和亥时之间。巽时在辰时和已时之间，坤时在未时和申时之间。五月是夏至所在的月份，所以太阳出的时间要早，没的时间要晚。仲冬是十一月，是冬至所在的月份，所以太阳出的时间要晚，没的财间要早。这样计时和天象实际相比是有些误差的，但大致还适用。
据明代一些航海书籍记载，远洋海船上各色人员俱备，其中阴阳官、阴阳生专管观测天象。明末流传的小说《三宝太监西洋记通俗演义》中记载，“观星斗阴阳宫十员”。又说：”每一号船上面有三层天盘，每一层天盘里面摆着二十四名官军，日上看风看云，夜来观星观斗。”虽然这是一部小说，但多少也反映了明代航海中一些实际情况。
地文航海技术
我国古代地文航海技术的成就，包括航行仪器如航海罗盘、计程仪、测深仪的发明和创造，以及针路和海图的运用等。
航海罗盘是我国发明的。我国发明指南针后，很快使用到航海上。北宋时的指南浮针，也就是后来的水罗盘。宋代朱或叙述宋哲宗元符二年到徽宗崇宁元年（公元1099年到1102年）间的海船上已经使用指南针。宣和五年（公元1123年）徐兢到朝鲜去回国后所著《宣和奉使高丽图经》中描写这次航海过程说：晚上在海洋中不可停留，注意看星斗而前进，如果天黑可用指南浮针，来决定南北方向。这是目前世界上用指南针航海的两条最早记录，比公元1180年英国的奈开姆记载要早七八十年。
航海罗盘上定二十四向，二十四向我国汉代早有记载。北宋沈括的地理图上也用到这二十四向。把罗盘三百六十度分做二十四等分，相隔十五度为一向，也叫正针。但在使用时还有缝针，缝针是两正针夹缝间的一向，因此航海罗盘就有四十八向。大约南宋时已有这四十八向的发明了。四十八向每向间隔是七度三十分，这要比西方的三十二向罗盘在定向时精确得多。所以三十二向的罗盘知识在明末虽从西方传进来，但是我国航海家一直用我国固有的航海罗盘。
古时船上放罗盘的场所叫针房，针房一般人员不能随便进去。掌管罗盘的人叫火长。明代《西洋番国志》中说：要选取驾驶人员中有下海经验的人做火长，用作船师，方可把针经图式叫他掌握管理。“事大责重，岂容怠忽。”可见航海罗盘是海船上的一个重要设备。
计程仪又叫测程仪。三国时期吴国海船航行到南海一带去，有人写过《南州异物志》一书，书中有这样的记载：在船头上把一木片投入海中，然后从船首向船尾快跑，看木片是否同时到达，来测算航速航程。这是计程仪的雏型。一直到明代还是用这个方法，不过规定更具体些，就是以一天一夜分为十更，用点燃香的枝数来计算时间，把木片投入海中，人从船首到船尾，如果人和木片同时到，计算的更数才标准，如人先到叫不上更，木片先到叫过更。一更是三十公里航程。这样便可算出航速和航程。
我国古代这种计程的方法，和近代航海中扇形计程仪构造很相近似。扇形计程仪也是用一块木板（扇形），不过用和全船等长的游线系住投入海中，然后用沙时计计算时间。沙时计一倒转是十四秒。在游线上有记号，从游线长度算出航速和航程。我国古代用香枝（也叫香漏），西方近代用沙时计（也叫沙漏），两者实在是异曲同工。
我国至迟在唐代末年已有测深的设备。一种是“下钩”测深，一种是“以绳结铁”测深。深度达到六十多尺，这还是浅水测深。再稍晚一些，有记载说用纲下水测深，“纲长五十余丈，才及水底。”纲是大绳，五十多丈，在已是深水测深了。
南宋末年吴自牧的《梦粱录》上说：如果航海到外国做买卖，从泉州便可出洋。经过七洲洋，“船上测水深约有七十余丈”。当时测水这样深，可见我国宋代已经有比较熟练的深水测深技术了。
宋代已经有针路的设计。航海中主要是用指南针引路，所以叫做“针路”。记载铁路有专书，这是航海中月积月累而成。这些专书后来有叫“针经”，有叫“针谱”，也有叫“针策”的。
凡是针路一般都必写明：某地开船，航向，航程，船到某地。航向的名称有下列各种：单向的，叫单针（也有叫丹针的），或叫正针。双向的，以相邻两向并称，就是上文提到的缝针。两个航向合称时，有四种情况：第一，先单向后双向；第二，先双向后单向；第三，两个都是单向；第四，两个都是双向。还有超过两个航向合称的。航程都用更计算。船到某地，就用四种不同称号：第一，平，并靠的意思；第二，取，经过的意思；第三，见，望见的意思；第四，收，到达的意思。船舶在晚间航行时，要把牵星记录写入针路里。又在航行过程中还要不断测量水深，也要写入针路。
现在把明代《筹海图编》记载由太仓到日本的针路举例摘录如下：“太仓港口开船，用单乙针，一更，船平吴淞江。用单乙针及乙卯针，一更，平宝山，到南汇嘴。用乙辰针出港口，打水1六七丈，沙泥地是正路，三更，见茶山。自此用坤申及丁未针，行三更，船直至大小七山，滩山在东北边。滩山下水深七八托2，用单丁针及丁午针，三更，船至霍山。……”这段文字不算难懂。现在已经发现好几种针路抄本，包括东洋和西洋的，我们要进一步研究。十六世纪初葡萄牙人航行于东南亚时，袭用了我国航海家所用的针路。
至于海图，北宋徐兢《宣和奉使高丽图经》上己有海道图，这是我国航海海图最早的记载，可惜原图已失传。我国现存最早的海道图是明初《海道经》里附刻的“海道指南图”。
明茅元仪辑《武备志》二百四十卷，卷末附有“自宝船厂开船从龙江关出水直抵外国诸番图”，这就是著名的“郑和航海图”。图上的航程地理，和明代祝允明（1460—1526）《前闻记》所记宣德五年《公元1430年）郑和末一次下“西洋”相合，推测这图大概是十五世纪中叶的作品。“郑和航海图”已蜚声中外，研究十五世纪中外交通史和航海技术史，都把这幅海图作为重要的依据。
明末有些古籍记有“各处州府山形水势深浅泥沙礁石之图”，“灵山往爪哇山形水势法图”，“新村爪哇至瞒刺加山形水势之图”，“彭坑山形水势之图”等，这些图都只保留了文字记载，原图都失传了。从这些海图的文字说明看，当时海图上都注明海上危险物（比如“有草屿”、“有芦荻”等），浅滩（比如“湾内浅可防”、“有泥浅”等），暗礁（比如“有沉礁在港口不可近”、“有沉礁打浪”等），沙州（比如“有沙礁”）以及岩石（比如“有老古石”、“有古老石岸”等）。这些和近代海图上的要求大致符合。
清代前期保存下来的海图，有西南洋各番针路方向图一幅，彩绘纸本，时代大约在康熙五十年到五十四年（公元1711年到1715年）间，有东洋南洋海道图一幅，也是彩绘纸本，时代大约在康熙五十一年到六十一年（公元1712年到1722年）间。这两幅海图现在都保存在北京故宫。
我国幅员辽阔，海岸线很长，不只是一个大陆国家，而且也是一个海洋国家，自古以来航海事业就很发达。
天文航海技术
天文航海技术主要是指在海上观测天体来决定船舶位置的各种方法。我国古代出航海上，很早就知道观看天体来辨明方向。西汉时代《淮南子》就说过，如在大海中乘船而不知东方或西方，那观看北极星便明白了。（《齐俗训》：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。”）晋代葛洪的《抱朴子外篇·嘉遯》上也说，如在云梦（古地名）中迷失了方向，必须靠指南车来引路；在大海中迷失了方向，必须观看北极星来辨明航向。（“夫群迷乎云梦者，必须指南以知道；并乎沧海者，必仰辰极以得反。”）东晋法显从印度搭船回国的时候说，当时在海上见“大海弥漫，无边无际，不知东西，只有观看太阳、月亮和星辰而进。”一直到北宋以前，航海中还是“夜间看星星，白天看太阳”。只是到北宋才加了一条“在阴天看指南针”。
大约到了元明时期，我国天文航海技术有了很大的发展，已能观测星的高度来定地理纬度。这是我国古代航海天文学的先驱。这种方法当时叫“牵星术”。牵星术的工具叫牵星板。
牵星板用优质的乌木制成。一共十二块正方形木板，最大的一块每边长约二十四厘米，以下每块递减二厘米，最小的一块每边长约二厘米。另有用象牙制成一小方块，四角缺刻，缺刻四边的长度分别是上面所举最小一块边长的四分之一、二分之一、四分之三和八分之一。比如用牵星板观测北极星，左手拿木板一端的中心，手臂伸直，眼看天空，木板的上边缘是北极星，下边缘是水平线，这样就可以测出所在地的北极星距水平的高度。高度高低不同可以用十二块木板和象牙块四缺刻替换调整使用。求得北极星高度后，就可以计算出所在地的地理纬度。
元代意大利的马可波罗由陆路来我国，在我国耽了二十多年后由海路回去。海路航线是经我国南海进入印度洋折而往西。马可波罗当时是搭乘我国航海家驾驶的我国船舶回去的。在马可波罗游记中记载了当时我国海船和航海的情况。据游记记载，海船由马六甲海峡进入印度洋后，便有北极星高度的记录，可见那时我国航海家已经掌握了牵星术。明代郑和七次下“西洋”，“往返牵星为记”。可知当时航行在印度洋中的我国航海家已经十分熟悉牵星术了。明代牵星，一般都是牵北极星，但在低纬度（北纬六度）下北极星看不见时，改牵华盖星（北极星是小熊座a星，华盖星是小熊座β、γ双星）。
明代在航海中还定出了方位星进行观测，以方位星的方位角和地平高度来决定船舶夜间航行的位置。当时叫观星法，观星法也属牵星术范围之内。
明代牵星术的航海记录，例如从古里（今印度西海岸的科泽科德）到祖法儿（今阿拉伯半岛东海岸阿曼的佐法尔）航路，在古里开船，看北极星的高度是六度二十四分（折合今度，下同）。船向西北，船行九百公里到莽角奴儿（今印度西海岸的门格洛尔），看北极星的高度是八度。后船向西北偏西，航行一千五百公里，在大海中，看北极星的高度是十度。又船向正西稍偏北，航行二千一百公里，到祖法儿，看北极星的高度是十二度四十八分。把北极星高度用当时的算法拆算地理纬度，和现在各地的地理纬度基本相合。又从航路来看，航向和航程也和现在的肮路大致相同。由此可见，明代天文航海技术已经相当先进。
关于求天象出没时间，明代航海家也有些规定。流传下来的明末抄本航路专书中有太阳月亮的出没时间表，还有“定太阳出没歌”和“定太阴出役歌”。“定太阳出没歌”文是：
“正九出乙没庚方；二八出兔没鸡场；
三七出甲从辛没；四六生寅没犬藏；
五月出艮归乾上；仲冬出巽没坤方；
惟有十月十二月，出辰入申仔细详。”
这是把十二个月的太阳出没时辰用一首歌诀来概括。正月、九月太阳出在乙时没在庚时，乙时在卯时和辰时之间，庚时在申时和西时之间。又兔指卯时，鸡指酉时。甲时在寅时和卯时之间，辛时在酉时和戌时之间。犬指戌时。艮时在丑时和寅时之间，乾时在戌时和亥时之间。巽时在辰时和已时之间，坤时在未时和申时之间。五月是夏至所在的月份，所以太阳出的时间要早，没的时间要晚。仲冬是十一月，是冬至所在的月份，所以太阳出的时间要晚，没的财间要早。这样计时和天象实际相比是有些误差的，但大致还适用。
据明代一些航海书籍记载，远洋海船上各色人员俱备，其中阴阳官、阴阳生专管观测天象。明末流传的小说《三宝太监西洋记通俗演义》中记载，“观星斗阴阳宫十员”。又说：”每一号船上面有三层天盘，每一层天盘里面摆着二十四名官军，日上看风看云，夜来观星观斗。”虽然这是一部小说，但多少也反映了明代航海中一些实际情况。
地文航海技术
我国古代地文航海技术的成就，包括航行仪器如航海罗盘、计程仪、测深仪的发明和创造，以及针路和海图的运用等。
航海罗盘是我国发明的。我国发明指南针后，很快使用到航海上。北宋时的指南浮针，也就是后来的水罗盘。宋代朱或叙述宋哲宗元符二年到徽宗崇宁元年（公元1099年到1102年）间的海船上已经使用指南针。宣和五年（公元1123年）徐兢到朝鲜去回国后所著《宣和奉使高丽图经》中描写这次航海过程说：晚上在海洋中不可停留，注意看星斗而前进，如果天黑可用指南浮针，来决定南北方向。这是目前世界上用指南针航海的两条最早记录，比公元1180年英国的奈开姆记载要早七八十年。
航海罗盘上定二十四向，二十四向我国汉代早有记载。北宋沈括的地理图上也用到这二十四向。把罗盘三百六十度分做二十四等分，相隔十五度为一向，也叫正针。但在使用时还有缝针，缝针是两正针夹缝间的一向，因此航海罗盘就有四十八向。大约南宋时已有这四十八向的发明了。四十八向每向间隔是七度三十分，这要比西方的三十二向罗盘在定向时精确得多。所以三十二向的罗盘知识在明末虽从西方传进来，但是我国航海家一直用我国固有的航海罗盘。
古时船上放罗盘的场所叫针房，针房一般人员不能随便进去。掌管罗盘的人叫火长。明代《西洋番国志》中说：要选取驾驶人员中有下海经验的人做火长，用作船师，方可把针经图式叫他掌握管理。“事大责重，岂容怠忽。”可见航海罗盘是海船上的一个重要设备。
计程仪又叫测程仪。三国时期吴国海船航行到南海一带去，有人写过《南州异物志》一书，书中有这样的记载：在船头上把一木片投入海中，然后从船首向船尾快跑，看木片是否同时到达，来测算航速航程。这是计程仪的雏型。一直到明代还是用这个方法，不过规定更具体些，就是以一天一夜分为十更，用点燃香的枝数来计算时间，把木片投入海中，人从船首到船尾，如果人和木片同时到，计算的更数才标准，如人先到叫不上更，木片先到叫过更。一更是三十公里航程。这样便可算出航速和航程。
我国古代这种计程的方法，和近代航海中扇形计程仪构造很相近似。扇形计程仪也是用一块木板（扇形），不过用和全船等长的游线系住投入海中，然后用沙时计计算时间。沙时计一倒转是十四秒。在游线上有记号，从游线长度算出航速和航程。我国古代用香枝（也叫香漏），西方近代用沙时计（也叫沙漏），两者实在是异曲同工。
我国至迟在唐代末年已有测深的设备。一种是“下钩”测深，一种是“以绳结铁”测深。深度达到六十多尺，这还是浅水测深。再稍晚一些，有记载说用纲下水测深，“纲长五十余丈，才及水底。”纲是大绳，五十多丈，在已是深水测深了。
南宋末年吴自牧的《梦粱录》上说：如果航海到外国做买卖，从泉州便可出洋。经过七洲洋，“船上测水深约有七十余丈”。当时测水这样深，可见我国宋代已经有比较熟练的深水测深技术了。
宋代已经有针路的设计。航海中主要是用指南针引路，所以叫做“针路”。记载铁路有专书，这是航海中月积月累而成。这些专书后来有叫“针经”，有叫“针谱”，也有叫“针策”的。
凡是针路一般都必写明：某地开船，航向，航程，船到某地。航向的名称有下列各种：单向的，叫单针（也有叫丹针的），或叫正针。双向的，以相邻两向并称，就是上文提到的缝针。两个航向合称时，有四种情况：第一，先单向后双向；第二，先双向后单向；第三，两个都是单向；第四，两个都是双向。还有超过两个航向合称的。航程都用更计算。船到某地，就用四种不同称号：第一，平，并靠的意思；第二，取，经过的意思；第三，见，望见的意思；第四，收，到达的意思。船舶在晚间航行时，要把牵星记录写入针路里。又在航行过程中还要不断测量水深，也要写入针路。
现在把明代《筹海图编》记载由太仓到日本的针路举例摘录如下：“太仓港口开船，用单乙针，一更，船平吴淞江。用单乙针及乙卯针，一更，平宝山，到南汇嘴。用乙辰针出港口，打水1六七丈，沙泥地是正路，三更，见茶山。自此用坤申及丁未针，行三更，船直至大小七山，滩山在东北边。滩山下水深七八托2，用单丁针及丁午针，三更，船至霍山。……”这段文字不算难懂。现在已经发现好几种针路抄本，包括东洋和西洋的，我们要进一步研究。十六世纪初葡萄牙人航行于东南亚时，袭用了我国航海家所用的针路。
至于海图，北宋徐兢《宣和奉使高丽图经》上己有海道图，这是我国航海海图最早的记载，可惜原图已失传。我国现存最早的海道图是明初《海道经》里附刻的“海道指南图”。
明茅元仪辑《武备志》二百四十卷，卷末附有“自宝船厂开船从龙江关出水直抵外国诸番图”，这就是著名的“郑和航海图”。图上的航程地理，和明代祝允明（1460—1526）《前闻记》所记宣德五年《公元1430年）郑和末一次下“西洋”相合，推测这图大概是十五世纪中叶的作品。“郑和航海图”已蜚声中外，研究十五世纪中外交通史和航海技术史，都把这幅海图作为重要的依据。
明末有些古籍记有“各处州府山形水势深浅泥沙礁石之图”，“灵山往爪哇山形水势法图”，“新村爪哇至瞒刺加山形水势之图”，“彭坑山形水势之图”等，这些图都只保留了文字记载，原图都失传了。从这些海图的文字说明看，当时海图上都注明海上危险物（比如“有草屿”、“有芦荻”等），浅滩（比如“湾内浅可防”、“有泥浅”等），暗礁（比如“有沉礁在港口不可近”、“有沉礁打浪”等），沙州（比如“有沙礁”）以及岩石（比如“有老古石”、“有古老石岸”等）。这些和近代海图上的要求大致符合。
清代前期保存下来的海图，有西南洋各番针路方向图一幅，彩绘纸本，时代大约在康熙五十年到五十四年（公元1711年到1715年）间，有东洋南洋海道图一幅，也是彩绘纸本，时代大约在康熙五十一年到六十一年（公元1712年到1722年）间。这两幅海图现在都保存在北京故宫。