第一节 “牵星定向”与磁针指路
明代的航海技术，仍保持着世界先进水平，而且更有所发展。郑和下西洋远航成功，不仅与先进的造船技术有关，而且是与当时先进的航海技术密不可分的，航海建立在科学的基础上。先进技术包括导航工具、掌握航向、有效利用风力、准确的针路和海图绘制等等。郑和船队的随行人员巩珍在他写的《西洋番国记》自序中作了概括的记述，他说：“往还三年，经济大海，绵邈□茫，水天连接。四望迥然，绝无纤翳之隐蔽。惟日月升坠，以辨东西，星斗高低，度量远近。斲木为盘，书刻干支之字，浮针于水，指向行舟。经月累旬，昼夜不止。海中之山屿形状不一，但见于前，或在左右，视为准则，转向而往。要在更数起止，计算无差，必达其所。”郑和船队的物标导航、罗经指向、天文定位、计程计速等航海技术的综合应用方法于此跃然纸上，已把定位航行技术推向到了一个新水平。
船位测定是关系到船舶存亡的大事，不可不慎。船舶行进必须遵循事先设定的航线，不能偏离。否则，船舶则处于盲目航行中，随时就有触礁的危险。郑和船队是用的测深定位、对景定位和天文定位三种方法。
测深定位。这是一种古老的方法。《萍洲可谈》说，北宋时，便用“十丈绳的取海底泥嗅之，便知所至”。这就是将测得的水深和提取的底质相互参照后，便知船舶所在的位置。明代航路书籍上记载得更为明确，如：“左边打水八、九庹，右边打水四、五庹，硬地”，船在旧港外。《郑和航海图》则用测深定位法，找出航路中的转向点。如自大小七山去滩山的航路，“用巽己针四更，船见大小七山，打水六、七庹，用坤申及丁未针三更，船取滩头”。这是说，船的航向为142.5°，航行到了四更时间以后，测到六、七庹水深处，就转向232.5°，再走三更时间后就到滩山。这样做比以前更为精确些。
对景定位法。是利用沿岸的山岭、建筑物、航路两侧的岛屿，求得船体与这些目标的相对位置，以用来标定船舶位置。这是近代物标定位法的初级形式。因为古代没有精密仪器，只要求得相对的大致位置，对帆船来说，就足以够用了。《郑和航海图》上有单相对景定位法与三向定位法的使用。以三个岛屿作为对景标志，定出转向点的位置，说明郑和船队在测定船位时，已经达到较高的水平。
天文定位。是指船在航行中，观测太阳或星辰的高度以测定船位的方法。郑和船队则多以观测星辰来定船位。当时，观测的是北辰星（小熊座α）、华盖星（小熊座γ、α）、北斗星（大熊座αα）、灯笼骨星（南十字座）等亮度大而有明显特征的星座。特别常用北辰星，因其高悬北方，高度及出没时间又不受季节影响，航海者历来是用这颗恒星来定向、定位的。只有船在赤道以南的时候，因其高度渐低而改测华盖星。
由于星空的天体景象，随着季节交替而改变，可是在每年同一季节中，同地区星空的星高和方位却是一致的。郑和船队就利用这一点，便随季风而往返，以固定的季节和时间来观测星空。测天的仪器，是用“牵星板”，测天的高度定量标准就叫做“指”，测定的地理位置就以星高的“指”数来表示。《郑和航海图》说的“柯枝北辰三指一角”，其中的指数，便是这个港口的天文定位的位置。行进中的航船测定星辰高度的时间是：太阳升起前的12分钟，或在日落后的12分钟之内。在这两个时间中，既能见星辰，又可见水天线。这时将测得的星辰高度，求出船位的“指”数，再与目的港的星高“指”数差估算出所需的航程，结合海图中所标的航向，即可安全到达目的港。《郑和航海图》所标各港牵星“指”数，换算成现在的纬度度数，其误差有时仅有4.5海里，此已在视线之内，不会影响船舶的安全进港。由此可见，郑和船队在测天定位技术上已经达到相当高的水平了。
郑和船队使用的测天仪器叫做牵星板，而其计量单位叫做“指”，一“指”又分为四角。《戒庵老人漫笔》说：“苏州马怀德（有）牵星板一副，十二片，乌木为之，自小渐大。大者长七寸余，标为一指、二指以至十二指，俱有细刻若分寸然。又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指、半角、一角、三角等字，颠倒相向，盖周髀算尺也。”牵星板共有12块，经过复原，最小一块为一指，每边长2厘米，依次为二指、三指……各板，每增一指，则每边递增2厘米，以至最大的一块十二指，每边则长24厘米。牵星板中心有一孔，穿孔可系一细绳，绳长54厘米。牵星时，可先选取适用的牵星板，一手平举持板向前，一手牵绳的一头置于眼前，观测者一眼顺绳前望，使板的上缘对齐所测之星辰，下缘对齐海平线即可。此时所用的是几指板，便可得出测天高度是几个“指”数。牵星板与现在的六分仪，虽属两种不同的理论体系，但其实测结果则相当精确。郑和船队所测一地的牵星指数与其地的实际地理纬度相差无几。
第二节 修正风压差与流压差
我国处于季风地带，很早就掌握了利用季风航海的技术。郑和船队便是利用东北季风出航，又利用西风季风回国的。在明代以前也是如此。但是，当船舶趁季风航行时，由于季风对水面的摩擦力，以及对海浪迎风面的压力，使得海水很自然地顺风向移动，于是产生了一股有定向的海流。从世界大洋环流图中可见，印度洋有一股冬季风海流，此海流与冬季西北信风的运动方向一致。此时，海船如趁这股海流自东向西航行，顺风顺流即可漂渡到东非的索马里。可是，当海船航行路线与风、海流方向如果形成交叉状态时，则海船一侧因受风海流的压力，就要顺着风、海流方向移位，于是便产生误差，逐步脱离原先设计的航线，此种误差，即是风压差与流压差。怎么办呢？郑和船队掌握了这一原理后，便在设计航线时，预先就把风、流压差角的修正量置于设计之内，让原设计的航向角偏小，使船体慢慢横漂，逐渐东移来修补差量，以达到正常航向。这个发现，比哥伦布要早87年。
第三节 神秘的天象观测
中国人民航海探险活动，自新石器时期就已经在太平洋上开始探索了。到了汉唐时代此风尤盛。不过这时多以印度洋和南太平洋为活动范围。汉武帝就是在印度洋上开辟了“海上丝绸之路”的。至于后来所谓“唐威令行于东南，故蛮夷呼中国为唐”者，那是指的唐代扩大了航海范围的结果。后世吴鉴在《岛夷志略·序》中所说：“中国之外，四海维之，海中夷国以万计，惟北海以风恶不可入，东西南数千万里，皆得梯航以达其路”。指的中国航海范围更加扩大到印度洋、南太平洋和西太平洋了。
航海范围扩大，海况随之复杂，自然也就多风险了。欧人艾儒略在其《职方外记》中说：“海中夷险，各处不同，惟太平洋（中国海）极浅……大西洋极深，深十余里，从大西洋至大明海四十五度以南，其风常有定候，至四十五度以北，风色便错乱不常。其尤异者，在大明海东南一隅，常有异风变乱，凌杂倏忽更二十四向，海舶惟任风而飘。风、水又各异其道，如前为南风，水必北行，倏转为北风，而水势当未趋南，舟莫适从，因至摧破。至小西洋（印度洋）海潮极高大，又极迅急，平地顷刻涌数百里，海中大舶及蛟龙鱼鳖之属，常乘潮势涌入山中不可出……至满剌加海无风倏起波浪。又不全海皆然，惟里许一处，以次第兴，后浪将起，前浪已息矣。”《岭外代答》说：船舶“风便而行，一日千里，一遇朔风，为祸不测”。《星槎胜览》说：“俗云：上怕七洲，下怕昆仑（在越南湄公河口以南，今昆仑岛），针迷舵失，人船莫存。”上述危险海域，即大明海45。以北的地方，因其风云变幻不常，骤起风暴，对航海造成极大威胁。因此，对这些海区天象的观察，就成为航海家必须解决的重大问题了。
明代，天文航海气象知识及其应用已达到了实用科学的成熟阶段。郑和船队，“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”（罗懋登《三宝太监西洋记通俗演义》第十五回）。这72名官军，相当于今日之气象台的观测员。此外，还有“阴阳生”专司海上天文与风云变幻之占验，“凡天文如日月星辰，风云□雾，各委官生昼夜占候”（《明会典》卷二二三），以供船队航行决策之用。
实际上，历来航海者对于风云的占验就已经积累了很多的经验。例如，《顺风相送》就记载了“云从东起必有东风，从西起必有西风，南北亦然。云片片相逐围绕日光，主有风。云行急主大风，日月翚主大风。云脚日色已赤，太白昼见，三星摇动，主大风。每遇日入，夜观于四方之上，若有星摇动，主有大风。人头颊热，灯火焰明，禽鸟翻飞，鸢飞冲天，俱主大风”。
《指南正法》记载：“春夏二季必有暴风。若天色湿热，午时后或风雷声所作之处，必有暴风，宜急避之。秋冬二季虽无暴风，每日行船，先观西方天色清明，由五更至辰时天色光无变，虽有微风，无论顺逆，行船无虞”。
朱彧《萍洲可谈》载：“舶船去以十一月十二月，就北风；来以五月六月，就南风。”
郑和船队在往返航行中，及时利用了信风，说明已熟练地掌握了海洋气象的变化规律。我国有经验的航海家在太平洋和印度洋上的航行规律，一般是从闽粤出发，启行时间多在十月至翌年正月，此时正值北风季节；自印度洋归国，总是在四月至七月间，此时正值南风季节。宋王十朋《提舶生日诗》就有“北风航海南风回”之句。以郑和第七次下西洋为例，于“宣德六年（1431年）十二月九日出五虎门（闽江口），（行十六日），二十四日到占城（越南南部）……八月二十八日开船回洋，（行二十三日）……五月十日回到昆仑洋（越南南部东面海上）……六月十四日到崎头洋（浙江象山港北穿山东）……二十一日进太仓（江苏太仓，指浏河口）”（见祝允明《前闻记》）。郑和的航海日期，就体现了当时对当地信风规律所作的记录。