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(guó)航海文物

正式登陸

中國(guó)航海博物館

在沒(méi)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(shí)，必須時(shí)刻掌握船只所在的經(jīng)緯度。而經(jīng)緯度需要通過(guò)測(cè)量海平面和特定天體（如太陽(yáng)、月亮、恒星）之間的夾角來(lái)計(jì)算得出。15至19世紀(jì) ，航海家們使用什么樣的儀器來(lái)測(cè)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(pán)是一種古老的觀星儀器。1470年，航海家去掉星盤(pán)上的星相圖，將其改為一種簡(jiǎn)單的航海儀器，用于測(cè)量陸地的緯度和船在海上的位置。航海星盤(pán)由一根可轉(zhuǎn)動(dòng)的指針固定在一個(gè)木盤(pán)（或金屬盤(pán)）的中心，盤(pán)上的圓周標(biāo)有度數(shù)。

航海星盤(pán)使用示意圖

使用時(shí)將星盤(pán)懸掛成鉛直，零度標(biāo)記與水平面齊平，移動(dòng)指針指向要測(cè)量的天體，即可測(cè)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(gè)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(duì)象成一線時(shí)，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(cè)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(zhǎng)直桿上；短桿可在長(zhǎng)桿上前后移動(dòng)，上下兩孔可分別看到地平線和天體。

1595年，英國(guó)約翰·戴維斯發(fā)明了反向天體高度觀測(cè)儀，通過(guò)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(pán)、十字測(cè)天儀等需直接目視天體的缺點(diǎn)。

1730年美國(guó)T?戈弗雷和英國(guó)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(cè)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(zhǎng)以八分儀為基礎(chǔ)，將測(cè)量范圍擴(kuò)大到120°，稱為六分儀。其后六分儀的測(cè)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(pán)

六分儀原理示意圖

使用時(shí)﹐觀測(cè)者手持六分儀﹐轉(zhuǎn)動(dòng)指標(biāo)鏡﹐使在視場(chǎng)里同時(shí)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(dòng)的船舶上觀測(cè)，缺點(diǎn)是陰雨天不能使用。

六分儀

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

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

精確測(cè)定經(jīng)度的關(guān)鍵在于精確測(cè)量時(shí)間。

控“時(shí)”定“經(jīng)”

同測(cè)量緯度的儀器一樣，計(jì)時(shí)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(jì)時(shí)儀器。

日晷儀也稱日晷，是觀測(cè)日影記時(shí)的儀器，主要是根據(jù)日影的位置指定當(dāng)時(shí)的時(shí)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(jì)時(shí)的方法是人類(lèi)在天文計(jì)時(shí)領(lǐng)域的重大發(fā)明，這項(xiàng)發(fā)明被人類(lèi)沿用達(dá)幾千年之久。

英國(guó)制日晷儀

德國(guó)制帶指南針日晷儀

法國(guó)制日晷儀

中國(guó)制帶指南針日晷儀

沙漏是比較古老且常用的航海計(jì)時(shí)器，利用玻璃中的流沙以測(cè)定時(shí)間。

夜航儀是利用北極星來(lái)測(cè)定時(shí)間。沙漏和夜航儀是鐘表發(fā)明以前船員們夜間航行時(shí)用來(lái)確定和記錄時(shí)間的器具。

夜航儀使用示意圖

早期航海夜航儀

1759年，英國(guó)鐘表匠約翰?哈里森經(jīng)過(guò)二十多年的實(shí)驗(yàn)，從第一號(hào)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(guó)第一本實(shí)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(shū)》時(shí)對(duì)“文明”這樣解釋?zhuān)骸敖?jīng)天緯地曰文，照臨四方曰明”。在天地間，能發(fā)現(xiàn)時(shí)間和空間的標(biāo)準(zhǔn)，人類(lèi)的時(shí)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(duì)世界歷史進(jìn)程所作的貢獻(xiàn)。