Sekä tutkijat että merenkulkijat ymmärsivät, että jos taivaankappaleiden sijainnit voitaisiin mitata tarkasti merellä, merimiehet voisivat määrittää niiden leveysasteen kohtuullisella varmuudella. Tämän saavuttaminen vaati tarkkuusinstrumentteja.
Ptolemaios kuvasi astrolabia (tunnetaan myös tähti-mittauslaitteena); suurempia versioita käytettiin observatorioissa, kun taas pienempiä laivoissa. Astrolabien käyttäminen vaati kolmen hengen ryhmän: yksi henkilö piti instrumenttia peukalorenkaasta, toinen otti havainnon ja kolmas luki tuloksen kellotaulusta. Luonnollisesti, kun laiva keinui rajusti, tuloksena saadut mittaukset eivät olleet kovin tarkkoja. Aina kun mahdollista, merimiehet menivät maihin ottamaan lukemiaan.
Muinaiset tähtitieteilijät käyttivät risti{0}}sauvaa tähtien korkeuden mittaamiseen. Tämän tekniikan merimiehet myöhemmin omaksuivat navigointiin. Instrumentti koostui pääsauvasta ja risti-kappaleesta, ja poikki-kappaleen alaosa pidettiin vaakasuorassa. Tarkastellessaan taivaankappaletta pääsauvaa pitkin, käyttäjä liu'utti poikkikappaletta, kunnes se näytti koskettavan kohdetta (kuten aurinkoa tai tähteä) hänen näkökentässään, ja luki sitten sauvan astemittauksen. Tätä laitetta voisi käyttää yksi henkilö.
Sekä astrolabi että risti{0}}sauvat vaativat tarkkailijan katsomaan suoraan aurinkoon. Selkeinä päivinä voimakas valo teki havainnoinnin mahdottomaksi. Tämän ongelman ratkaisemiseksi englantilainen kapteeni ja navigaattori John Davis keksi backstaffin. Se koostui päävarresta ja liukuvasta risti-siivestä. Tarkkailija seisoi selkä aurinkoon päin ja liu'utti poikki-siipiä, kunnes se loi varjon edessä olevalle pienelle siivelle; tämä menetelmä antoi tarkkailijalle mahdollisuuden nähdä horisontin.
Cambridgesta kotoisin olevan matemaatikon Edward Wrightin avustuksella John Davis keksi myös kvadrantin. Tämän instrumentin poikki-siivessä oli okulaari, jonka avulla tarkkailija näki sekä horisontin että auringon heijastuneen kuvan.
Pierre Bouguer, hydrografi Croisicista, paransi kvadranttia entisestään; muunneltu versio mahdollisti tarkkailijan näkemään horisontissa lepäävän auringon okulaarin kautta.
Englannin John Hadley keksi oktantin, jota testattiin ensimmäisen kerran vuonna 1732. Se koostuu heijastavasta kaukoputkesta ja vesivaarasta. Tämä instrumentti on paljon tarkempi kuin mikään muu aiemmin merellä käytetty instrumentti.