探秘世界航海丨西方“經(jīng)緯定位”航海術(shù)

與哥倫布、麥哲倫同航

穿越500年，看世界航海驚天變幻！

『世界航海五百年：15-19世紀(jì)航海文物特展』

攜五大洲20余國航海文物

正式登陸

中國航海博物館

在沒有現(xiàn)今先進(jìn)的“北斗”“GPS”等定位系統(tǒng)的輔助下，以前的航海者是如何在茫茫的大海上確定自己的位置？

我們知道船舶在進(jìn)行跨洋航行時，必須時刻掌握船只所在的經(jīng)緯度。而經(jīng)緯度需要通過測量海平面和特定天體（如太陽、月亮、恒星）之間的夾角來計算得出。15至19世紀(jì) ，航海家們使用什么樣的儀器來測定經(jīng)緯？這些儀器又有著怎樣的發(fā)展與變革？

以“天”定“緯”

星盤是一種古老的觀星儀器。1470年，航海家去掉星盤上的星相圖，將其改為一種簡單的航海儀器，用于測量陸地的緯度和船在海上的位置。航海星盤由一根可轉(zhuǎn)動的指針固定在一個木盤（或金屬盤）的中心，盤上的圓周標(biāo)有度數(shù)。

航海星盤使用示意圖

使用時將星盤懸掛成鉛直，零度標(biāo)記與水平面齊平，移動指針指向要測量的天體，即可測出天體高度，從而得出船舶所在的緯度位置。但由于船舶甲板的顛簸，較難操作，誤差較大。

直角象限儀是一個用硬木制成的直角圓弧板，圓弧劃分90度；一條直角邊下設(shè)有瞄準(zhǔn)器，用于瞄準(zhǔn)天體；直角頂系有一根線，線下系有鉛錘，用于指示度數(shù)。當(dāng)直角邊與觀察對象成一線時，垂線所指度數(shù)即為所求高度。直角象限儀只適合于風(fēng)平浪靜的情況下使用。

1530年以后，西方航海家們普遍使用十字測天儀，又稱雅各棒、金杖等。它是由一根上下兩端皆有孔的短桿垂直裝在一根帶有刻度尺的長直桿上；短桿可在長桿上前后移動，上下兩孔可分別看到地平線和天體。

1595年，英國約翰·戴維斯發(fā)明了反向天體高度觀測儀，通過鏡面系統(tǒng)投射到刻度尺上的影子，便可得出天體高度和所處緯度，克服了星盤、十字測天儀等需直接目視天體的缺點(diǎn)。

1730年美國T?戈弗雷和英國約翰?哈德利分別發(fā)明了八分儀，因其刻度弧約為圓周的八分之一（即45°）而得名八分儀，其測角范圍可達(dá)90°。

八分儀的構(gòu)造、使用示意圖和原理示意圖

八分儀

1757年，坎貝爾船長以八分儀為基礎(chǔ)，將測量范圍擴(kuò)大到120°，稱為六分儀。其后六分儀的測量夾角雖然逐漸提升至144度，已發(fā)展到約為圓周的五分之一，但其六分儀的名稱卻一直保持不變。

六分儀使用示意圖

A：指標(biāo)鏡 B：地平鏡 c:望遠(yuǎn)鏡 D：指標(biāo)臂 E:刻度盤

六分儀原理示意圖

使用時﹐觀測者手持六分儀﹐轉(zhuǎn)動指標(biāo)鏡﹐使在視場里同時出現(xiàn)的天體與海平線重合。六分儀的特點(diǎn)是輕便﹐可以在擺動的船舶上觀測，缺點(diǎn)是陰雨天不能使用。

六分儀

從星盤、直角象限儀、十字測天儀到反向天體高度測量儀，再到八分儀、六分儀，測量緯度的航海儀器不斷精進(jìn)，緯度已可以被精確地測定。但直到17世紀(jì)，精確測定經(jīng)度的問題仍未解決。

1675年，英國查理二世在格林威治創(chuàng)設(shè)皇家天文臺，目的即在于確定的各地的經(jīng)度。1714年，英國政府提供兩萬英磅獎金，以征求一種既精確又實用的確定經(jīng)度的方法，而且成立了經(jīng)度委員會（Board of Longitude）專門研究其應(yīng)用。

精確測定經(jīng)度的關(guān)鍵在于精確測量時間。

控“時”定“經(jīng)”

同測量緯度的儀器一樣，計時的儀器也有著自己的發(fā)展脈絡(luò)。在鐘表發(fā)明前，日晷儀、沙漏和夜航儀是常用的計時儀器。

日晷儀也稱日晷，是觀測日影記時的儀器，主要是根據(jù)日影的位置指定當(dāng)時的時辰或刻數(shù)，通常由晷針（表）和晷面（帶刻度的表座）組成。利用日晷計時的方法是人類在天文計時領(lǐng)域的重大發(fā)明，這項發(fā)明被人類沿用達(dá)幾千年之久。

英國制日晷儀

德國制帶指南針日晷儀

法國制日晷儀

中國制帶指南針日晷儀

沙漏是比較古老且常用的航海計時器，利用玻璃中的流沙以測定時間。

夜航儀是利用北極星來測定時間。沙漏和夜航儀是鐘表發(fā)明以前船員們夜間航行時用來確定和記錄時間的器具。

夜航儀使用示意圖

早期航海夜航儀

1759年，英國鐘表匠約翰?哈里森經(jīng)過二十多年的實驗，從第一號天文鐘不斷改進(jìn)到第四代，最終制成了精密、便攜的天文鐘；1766年，內(nèi)維爾?馬斯克林內(nèi)出版了英國第一本實用的《航海歷》。自此，海員們憑借天文鐘，與六分儀和航海天文歷配合使用，就可求出經(jīng)緯度，精確定位。

哈里森H1天文鐘

哈里森H4天文鐘

唐代學(xué)者孔穎達(dá)在注疏《尚書》時對“文明”這樣解釋：“經(jīng)天緯地曰文，照臨四方曰明”。在天地間，能發(fā)現(xiàn)時間和空間的標(biāo)準(zhǔn)，人類的時代就向前邁進(jìn)了一大步。這就是航海儀器數(shù)百年的發(fā)展對世界歷史進(jìn)程所作的貢獻(xiàn)。