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ポルトガルの航海科学は、ポルトガル人航海士たちの度重なる探検と経験から発展した。それは比較的急速な発展を遂げ、天文学者、航海士、数学者、地図製作者といったエリート集団を生み出した。その中でも、星を使って緯度を決定する方法を研究したペドロ・ヌネスや、アフリカ周回航路全体にわたって磁気偏角に関する重要な観測を行ったジョアン・デ・カストロなどが特筆すべき人物である。
15世紀まで、ポルトガル人はバルク船やバリネル船（地中海で使用されていた古代の貨物船）を用いた沿岸航海に限られていました。これらの船は小型で壊れやすく、固定式の四角帆を備えたマストが1本しかなく、強風、浅瀬、強い海流によって容易に航行能力が限界に達してしまうため、南向きの海洋探検に伴う航行上の困難を克服する能力はありませんでした。これらの船は、マデイラ諸島、アゾレス諸島、カナリア諸島などの初期の発見や、現在のモーリタニアのアルギンまで南下した北西アフリカ沿岸の初期の探検と関連付けられています。
ポルトガルによるアフリカ沿岸探検の第一段階を真に開始させた船は、既存の漁船を基に開発されたキャラベル船でした。キャラベル船は機敏で操縦しやすく、総トン数は50～ 160トン、マストは1～3本で、三角帆はラフィング（風上に向かって
長距離航海が始まると、より大型の船も開発されました。「ナウ」はポルトガル語の古語で、主に商船などの大型船を指す同義語でした。沿岸を悩ませていた海賊行為のため、これらの船は海軍で使用されるようになり、砲門が設けられました。そのため、「ナウ」は船の大砲の威力に応じて分類されるようになりました。また、増加する海上貿易にも適応し、15世紀の200トンから後に500トンへと大型化し、16世紀には印象的な船となりました。通常、2つの甲板、船首と船尾に戦闘用の城、そして重なり合う帆を持つ2本から4本のマストを備えていました。16世紀のインドへの航海では、キャラックも使用されました。これらは、高い舷側（乾舷）と四角い帆を持つ3本のマストを備えた大型商船で、しばしば2000トンに達しました。
13世紀には、太陽の位置を頼りとした天体航法がすでに知られていました。ポルトガル人は、他のヨーロッパ人と同じように、天体航法にアラブの航海用具、例えばアストロラーベや四分儀などを用い、それらをより使いやすく簡略化しました。また、海上で太陽やその他の星の高度を測るための十字杖、あるいはヤコブの杖も作りました。1471年にジョアン・デ・サンタレンとペドロ・エスコバルが南半球に到達したことで、南十字星が基準となり、この星座を天体航法に用いるようになりました。しかし、その結果は年間を通して変動するため、修正が必要でした。
ポルトガル人はこれに対し、海洋航海に欠かせない貴重な道具である天文暦（エフェメリス）を用いました。天文暦は15世紀に著しい普及を遂げました。これらの天文暦は航海術に革命をもたらし、船乗りが緯度を計算できるようになりました。ヴァスコ・ダ・ガマとペドロ・アルヴァレス・カブラルは、天文学者アブラハム・ザクトが1496年にレイリアで出版した『アルマナック・ペルペトゥウム』の天文暦と、彼が改良したアストロラーベを使用しました。
ポルトガル人は沿岸探検の他に、気象情報や海洋情報を収集するために外洋航海も行いました（これらの航海でマデイラ諸島、アゾレス諸島、サルガッソ海が発見されました）。風のパターンや海流、すなわち大西洋の貿易風や海洋循環、そして緯度の測定に関する知識は、アフリカからの最適な航路の発見につながりました。それは、北半球で大気循環とコリオリ効果によって時計回りに回転する恒常的な順風と海流を利用して、大西洋中央部を横断し、アゾレス諸島の緯度まで行くというものでした。これによりリスボンへの航路が容易になり、ポルトガル人は海岸からますます遠くまで航海することが可能になりました。この航法は「ボルタ・ド・マール（海を駆ける）」として知られるようになりました。1565年、この原理を太平洋に適用した結果、スペインはメキシコとフィリピンを結ぶマニラ・ガレオン貿易ルートを発見しました。
カタルーニャの地図製作者アブラハム・クレスケスの息子であるジェフダ・クレスケスは、エンリケ王子に仕えた著名な地図製作者の一人であったと考えられている。しかし、署名入りのポルトガル最古の海図は、1485年にペドロ・レイネルが作成したポルトランであり、西ヨーロッパとアフリカの一部を描いており、ディオゴ・カオの探検を反映している。レイネルはまた、1504年に緯度表示付きの既知の最初の海図と、風配図の最初の図を作成した人物でもある。
息子で地図製作者のホルヘ・レイネルとロポ・オメンと共に、彼らは1519年に「ロポ・オメン＝レイネス地図帳」または「ミラー地図帳」として知られる地図帳の製作に参加した。彼らは当時最高の地図製作者とみなされており、皇帝カール5世は彼らに自分のために働いてほしいと望んでいた。1517年、ポルトガル王マヌエル1世はロポ・オメンに、船舶に搭載されているすべての羅針盤の針を認証および修正する特権を与える勅許状を授与した。
かつてのポルトガル海図製作の第三段階は、プトレマイオスの東洋描写の影響からの脱却と、陸地や大陸の描写における精度の向上を特徴としており、その中でフェルナン・ヴァス・ドラド（ゴア、1520年頃 - 1580年頃）は際立った存在であり、当時最高の地図製作者の一人として名声を確立した。彼の海図の多くは大縮尺である。