1．科学与神话
在现代社会里，各式各样的导航仪在我们生活中并不少见。多用于汽车上，用于定位、导航和娱乐，随着汽车的普及和道路的建设，城际间的经济往来更加频繁，车载GPS导航仪显得很重要，准确定位、导航、娱乐功能集于一身的导航更能满足车主的需求，成为车上的基本装备。
各式各样的现代导航仪
现在人们所使用的导航仪，是高科技的电子产品。可是在并不发达的古代，人们要去一个地方，靠什么工具导航，靠什么方法分辨方向呢？相传在约公元前2600年前，我国南方有个九黎部族。有一年，他们的首领蚩尤，与炎帝族发生了冲突。于是，炎帝族和黄帝族联合起来同蚩尤部落大战。据说黄帝和炎帝的部落和蚩尤作战三年，进行了72次交锋，都未能取得胜利。在涿鹿同蚩尤部落进行了激烈战斗时，蚩尤使用魔法，造出漫天的大雾，把黄帝和他的军队团团围在里面。正当黄帝愁眉不展、万分焦急的时候，一个叫风后的臣子做了一辆指南车。有了指南车的引导，黄帝统帅的军队冲破重重迷雾，终于战胜了蚩尤部落，建立了华夏文明。
这虽然只是一个故事，但也说明古人对指引方向的工具，有着强烈的需求。根据历史记载，东汉时期杰出的科学家张衡(78-139)发明过指南车，可是他的制造方法不久就失传了。到了三国时，马钧于青龙3年（235年）的重新造出了指南车。这种车要用马拉着走。车上装有一个木头做的“仙人”，无论车子怎祥改变方向，“仙人”总是面向南方，右手臂也指出南方。即使道路是圆形的，“仙人”也会随着自动调整，指向南方。马钧造的指南车虽有记载，但造法失传。宋、金两朝的燕肃与吴德仁等科学家都研制出指南车，《宋史?舆服志》对其机械构造有具体记载。指南车是古代一种指示方向的车辆。
指南车是一辆双轮独辕车，车上立一木人，伸臂车中，除两个沿地面滚动的足轮(即车轮)外，尚有大小不同的7个齿轮。《宋史?舆服志》分别记载了这些齿轮的直径或圆周以及其中一些齿轮的齿距与齿数。车轮转动，带动附于其上的垂直齿轮(称“附轮”或“附立足子轮”)，该附轮又使与其啮合的小平轮转动，小平轮带动中心大平轮。指南木人的立轴就装在大平轮中心。当车转弯时，只要操作车上绳轮离合装置，即竹绳、滑轮(分别居于车左或车右的小轮)和铁坠子，就可以控制大平轮的转动，从而使木人指向不变，例如，当车向右转弯，则其前辕向右，后辕必向左。此时只要将绕过滑轮的后辕端绳索提起，使左小平轮下落，从而与大平轮啮合；同时使右小平轮上升，从而与大平轮离开，大平轮就随左小平轮而逆转。由于各个齿轮匹配合理，车轮转向的弧度与大平轮逆转弧度相同，故木人指向不变。
古代指南车
我国古代很早就将天文定位技术应用在航海中。司南是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器，还不是指南针。 早在两千多年前汉（公元前206－公元220年），中国人就发现山上的一种石头具有吸铁的神奇特性，并发现一种长条的石头能指南北，他们管这种石头叫做磁石。古代的能工巧匠把磁石打磨凿雕成一个勺形，放在青铜制成的光滑如镜的底盘上，再铸上方向性的刻纹。这个磁勺在底盘上停止转动时，勺柄指的方向就是正南，勺口指的方向就是正北，这就是我国祖先发明的世界上最早的指示方向的仪器，叫做“司南”。 司南的“司”就是“指”的意思。
司南
根据春秋战国时期的《韩非子》书中和东汉时期思想家王充写的《论衡》书中的记载，以及现代科学考石学家的考证和所制的司南模型，说明司南是利用天然磁石制成汤勺形，由其勺柄指示南方。而在春秋战国时期的《管子》书中和《山海经》书中便有了关于慈石的记载，而在这一时期的《鬼谷子》书中和《吕氏春秋》书中还进一步有了慈石吸铁的记载。这可以说是古代最早的磁指南器，现在北京的中国历史博物馆和其他地方的许多博物馆都有司南的模型展出。
这里要指出关于指南车的问题，前文所说的黄帝（约公元前47世纪）和历史上的西周周公（约公元前21世纪）曾制造和使用指南车，但是经过后来的模型制作试验和文献考证，都已证明指南车与指南针没有关系，汉代以后的指南车是依靠机械结构，而不是依靠磁性指南的。现在北京的中国历史博物馆中也展出了指南车的模型
知识卡片：
磁石
磁石 （药用名亦作慈石） 为氧化物类矿物磁铁矿的矿石。晶面有条纹。多为粒块状集合体。铁黑色，或具暗蓝靛色。条痕黑，半金属光泽。不透明。断口不平坦。具强磁性。性脆。无臭，无味。常产于岩浆岩、变质岩中。海滨沙中也常存在。
2．什么是导航
上面说了最古代导航的雏形是指引方向用的，而我们所认识到的现在生活中的导航却是一种电子设备，我们无论去哪只要拿着导航仪，上面就能指出详细具体的路线。那实际上导航到底是一种什么东西呢？相关文献指出啊，导航主要有两种意思，一种意思是引导飞行器或船舶沿一定航线从一点运动到另一点的方法。而另一种意思则是由于互联网的兴起而兴起的网站导航，帮助上网者找到想要浏览的网页，想要查找的信息，而现在基本上每个网站都有自己的网站导航系统为网页的浏览者提供导航服务，也有专业的导航网站提供专业导航服务。
我们这里讲的导航主要是第一种意思，但也不完全相同。我们所讲的导航实际上就是我们要到一个遥远的目的地，而我们可能对这个目的地的位置没有一个明确的概念，就需要用到导航。说白了，我们可以把导航看作一个无所不知，不会迷路的“导游”，可以指引我们到想到的地方。古代科技没有那么发达的时候，古人一般都会利用星象、风向、或者某个明显的参照物来确定方向。而随着科技的不断发展，人们确定方向和目的地的具体位置，有了很多方便的仪器，出行也不再变得有障碍。
古人晚上观察北极星的位置来分辨南北方向
早在公元前3500年前，人类就有历史记载用大船装在货物进行商业贸易的历史。这标志了人类导航艺术的诞生。 早期的导航家都是在靠近海岸线用肉眼观察陆地标记或者大地特性来辨别方向的。他们通常白天行驶，晚上找个平静的港口抛锚。他们没有航海图，但他们列出了所需的方向，类似于今天的巡航向导。当他们在看不到大陆的时候，他们通过在白天观察太阳的位置，晚上观察北极星的位置来辨别南北方向。航海家们总是在靠近海岸线的附近白天活动，当天气不好或者晚上的时候不出海活动。在中世纪，欧洲的航海家们在整个冬季都不出海活动。这样就自然的限制的他们的活动范围。大范围的航海活动必然会带来风险。在古代，船的安全行驶只能依靠原始的导航技术，这些技术能够粗略的给出船的位置。在航海的过程中，船员们需要知道两条信息：他们在地球上的经度和纬度的位置坐标，以及精确的将坐标值映射到地图上。可是纬度虽然可以通过观察太阳、月亮和星星的运动来判断，经度的判断却比较困难，必须计算出地球上不同地点的时差。总之早期的导航工具有着众多的不确定性因素，以至于绘制的世界地图不够精确 。
古代导航各种工具
后来，随着科技的不断发展，人们对定位的技术的认识也越来越深，导航的方法也越来越多，逐渐出现了惯性导航系统、天文导航系统、地形辅助系统、无线电导航系统以及全球导航系统。惯性导航系统很特别，以前的导航定位都需要依靠一定的参照物或者其他事物进行推测，而惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，使用加速计和陀螺仪来测量物体的加速度和旋转，并用计算机来连续估算运动物体位置、姿态和速度的辅助导航系统。而无线电导航系统则是人类导航发展史的一个里程碑，它 是利用无线电技术对飞机、船舶或其他运动载体进行导航和定位的系统。无线电系统通过测定无线波来向以确定运动载体与一条基准线（常用磁北基准线）的夹角。无线电测角系统一般都使用定向天线。根据使用场合不同，地面可用测向天线对飞机或船舶发射的信号测向，更多的情况是飞机和船舶利用测向天线对地面信号测向。简单的地面信标发射无方向信号，专用的地面信标本身发射含有方向信息的信号。
典型的无线电导航接收机
至于全球卫星定位系统，简称GPS，是如今广泛应用的一个全球定位系统。它利用卫星，在全球范围内实时进行定位、导航，具有定位精度高，观测时间短，全球、全天候工作，高效率、多功能、操作简便、应用广泛等优点。现在GPS全球定位系统已经在汽车、船舶、飞机等各种交通工具以及个人日常生活中，被广泛使用，技术相当成熟，并且还在不断地向多功能发展。
GPS导航仪
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经度
经度泛指球面坐标系的纵坐标。定义为地球面上一点与两极的连线与0度经线所在平面的夹角。以球面上的点所在辅圈相对于坐标原点所在辅圈的角距离来表示。通常特指地理坐标的经度。为了区分地球上的每一个地区，人们给经线标注了度数，而各地的时区也由此划分，每15个经度便相差一个小时。
纬度
纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0至90度之间。位于赤道以北的点的纬度叫北纬，记为N，位于赤道以南的点的纬度称南纬，记为S。
牛顿力学定律
牛顿力学涉及很多方面，他们都涉及最基本的三个定律。牛顿力学涉及很多方面，他们都涉及最基本的三个定律。牛顿第一定律，是指一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。牛顿第二定律，是指物体在受到合外力的作用会产生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小与合外力的大小成正比，与物体的惯性质量成反比。牛顿第三定律，是指两个物体之间的作用力和反作用力，在同一条直线上，大小相等，方向相反。
3．走进历史——探索中国历代导航技术
要了解导航，首先我们就要了解它到底是怎么出现的，为什么出现，出现的最初又发挥着什么作用。前文说过导航最开始出现主要是运用在航海上。因为古代的人们对这个世界的了解远不如现在人们多，出海对于他们来说充满了未知和危险。大家想啊，在茫茫大海中，四处都是一样的，很容易就丧失了方向，迷失了回到陆地的路，可是出于生活的需要人们又不得不出海。早在距今7000年前的新石器时代晚期，中华民族的祖先已能就以原始的舟筏浮具和原始的导航知识开始海上航行，揭开了利用原始舟筏在海上航行的序幕。这说明中国和地中海国家一样都是世界海洋文化的发祥地。夏、商、周时代，由于木板船与风帆的问世，人们已开始在近海沿岸航行到今日的朝鲜半岛、日本列岛和中南半岛。春秋战国时期，我国古代航海事业的形成时期, 人们已累积了一些天文定向、地文定位、海洋气象等知识，初步形成了近海远航所需的技术和相关的知识，出现了较大规模的海上运输与海上战争。到秦汉时代，海船逐步大型化以及掌握了驶风技术，出现了秦代徐福船队东渡日本和西汉海船远航印度洋的壮举。在三国、两晋、南北朝时期，东吴船队巡航台湾和南洋，法显从印度航海归国，中国船队远航到了波斯湾。
唐朝建立后，经过"贞观之治"，中国社会经济繁荣，文化发达，在国力强盛和造船技术进步的基础上，中国与西亚、非洲沿岸国家间的海洋航运有了很大发展。唐朝时由中国航海前往阿拉伯乃至非洲沿岸国家，已由过去的分段航行实现了全程直航，不再需要经印度洋沿岸国家换乘阿拉伯商船中转，而能直接抵达。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。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。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。
