天上的灯塔

古时候，人们通过航海探寻远方，但随着船只驶离港湾，航海者逐渐失去了陆地参照物和地文导航的帮助。面对茫茫大海，人们只能向天空追问方向，由此天文知识被应用到航海中，利用日月星辰运行规律来定向的天文导航术逐渐发展起来。今天，我们就来看看从古至今，人类远航时都有哪些定位的好方法吧！

测量纬度靠什么？

航海定位最基本的一项任务就是测量纬度。早在唐代以前，人们就发现，在不同地方，北极星的高度不一，船员可以通过观察北极星的高度来确认位置。比如，在南海海域（南方）人们观察到的北极星高度比在东海海域（北方）观察到的会更低。唐代开元年间，两位天文学家一行和南宫说（yuè）主持了对地球子午线的天文大地测量，计算得出结论：北极出地度（即北极星与水平地面的夹角）相差一度时，地面上南北相差三百五十一里八十步（唐制，约为130千米）。这个测量结论对于航海来说具有非常重要的意义，从此人们只需要测量北极星的仰角变化，就可以知道南北距离的变化，从而大致推算出船只航行到的位置，实现粗略定位。

北宋朱彧（yù）撰写的《萍洲可谈》中记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”《宣和奉使高丽图经》中记载：“是夜，洋中不可住，维视星斗前迈。若晦冥，则用指南浮针，以揆南北。”可见，在宋代时，即便指南针已被应用到航海活动中，天文导航术仍发挥着重要的作用。指南针更主要的作用是，通过判断船只瞬时方位（东西南北），结合船速推算船的航行轨迹，从而推测船只目前所处的地理位置。

元代，位于登封的告成观星台已经出现测量天体高度的“量天尺”。明代郑和下西洋时就在“量天尺”的基础上发展出了“过洋牵星术”，使用一套叫作“牵星板”的器具，通过星斗仰角变化测量地面南北的距离。一套牵星板由12块高度不等的正方形木片组成。测量时，测量者手持一块大小合适的牵星板，将手臂水平伸直，使牵星板与海平面垂直，同时使其上缘与被观测天体相切，这样就可以通过牵星板的高度和测量者的臂长计算出天体的仰角。

比郑和稍晚一些，西方航海家们开始使用航海星盘、象限仪等仪器来测量纬度。尽管测量结果不是很精确，但基本可以满足当时航海的需求。现在，西班牙大加纳利岛的克里斯托弗·哥伦布故居博物馆中还收藏着16世纪的航海星盘。这种星盘需垂挂使用，可先使零度标记与海平面平齐，然后将表面的指针指向待测量高度的天体，指针与零度标记之间的角度就是天体的仰角。已知天体仰角就可以得出船只所在位置的纬度了。

18世纪30年代，航海家开始使用一种更加精确的测角仪器——六分仪。六分仪是一种反射镜类型的测角仪器，其原理最早是由牛顿提出的。起初，这种测角仪器量角的刻度弧为45°（即圆周的八分之一），被称作八分仪。后来，约翰·坎贝尔船长将刻度弧扩大到60°，发展成六分仪。再往后，刻度弧被调整为72°，但仍旧沿用了六分仪这个名字。如今，“六分仪”这个名称已经成为航海、航空领域测量天体高度或方位的仪器专用名，与仪器是否有刻度弧或刻度弧的大小没有关系了。

航海星盘

测量经度靠什么？

在16世纪哥伦布发现了新大陆之后，为了应对日益频繁的横跨大西洋的航海需求，测量经度的任务变得越发紧迫。

1741年，一支英国舰队在驶往南美洲的途中遇到风暴，连续五十多天的狂风暴雨把军舰吹离了原定的航道，舰队中的几艘军舰就此失散。风暴过去之后，其中一艘“百夫长”号军舰的舰长乔治·安森完全判断不出军舰所在的位置。不久，船上的物资即将耗尽，不少船员患上了严重的坏血病，舰长急需带领大家找到最近的岛屿，尽快上岸。

安森知道在南美洲南纬35°上有一座名叫费尔南德斯的小岛。可此时的安森并不知道自己所在的经度，他只能先向北驶到南纬35°，然后再沿着纬度线航行。但是，在纬度线上该向东还是向西呢？安森决定向西。但他们行驶了4天都没有发现小岛。船上不断有人死去，安森只好決定掉头向东行驶。然而，在西风的影响下，他们没有找到费尔南德斯岛，只发现了一座海岸上充满悬崖峭壁、难以登陆的小岛。最后，他们只好再次掉头。因为测不出经度，“百夫长”号在海上耽误了两个星期，白白牺牲了很多人的生命。

这一时期，天文学家和航海家提出过很多测量经度的方法，其中，测量月球与恒星角距的“月距法”发展最快。月距法只要用八分仪（或六分仪）测量出月球与恒星的角距离，就可以在星历中查询到当前角距离（相对位置）对应的时间，从而算出与格林尼治经线的经度差。

月距法示意图（图片作者：Michael Daly）

法国天文学家拉卡耶完成了对南方天空恒星的观察记录，补齐了全天星表;1755年，德国人迈耶基于数学家欧拉对月球轨道的计算，制作了一份《月球表》，准确地描述了月球在任意时刻的位置。这两项工作都为月距法的发展奠定了基础。

后来，英国人哈里森花了很多年的时间研制航海天文钟，最终在1761年研制出仅手掌大小的第四代航海天文钟——H4。在船只出发前，船员将航海天文钟与出发地的时钟（标准时）对时;高精度的航海天文钟走时误差很小，在航行期间，时间一直与标准时同步。通过测量太阳和其他恒星的仰角，船员可以大致估算船只所在位置的地方时。标准时和地方时的差值（小时）乘以15°，就得到所在位置与出发地的经度差。这就是航海天文钟测量经度的基本原理。

在两次横跨大西洋的测试中，H4全程计时误差仅39秒，距离上仅相当于16千米，测量效果超越了月距法。不过，由于航海天文钟十分精密而且昂贵，在它被研制出来后的多年时间里并未普及。

航海天文钟

导航卫星

通过前文的讲述，我们知道航海活动中对船只进行定位，需要的是纬度和经度两个量。纬度的测量依赖对天体高度和方位的测量，而经度的测量则依赖准确的授时。无线电的发明，使无线电授时得以实现。然而，天体高度和方位的测量，仍受制于天气状况、行船颠簸等因素，难以达到很高的精度。这时，卫星定位技术给出了新的方案。

20世纪70年代，美国开始研制GPS（全球定位系统），并于1994年全面建成。该系统由24颗人造卫星、地面站，以及用户的GPS接收机组成。GPS系统可以为地球上绝大部分地区提供精确的位置信息（经度、纬度和高度）、目标速度以及高精度的标准时间。

随着GPS的普及，卫星导航与普通人的生活已密不可分。1983年，我国也提出卫星导航系统的建设方案。1994年，北斗卫星导航系统启动建设。

卫星导航示意图

由天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光组成的北斗七星，自古就是华夏民族辨认方向、确定时节的重要标志。我国的科学家将中国自主研发的卫星导航系统命名为“北斗”，正是希望“北斗”卫星未来也能成为光明和准确方向的代名词。

2000年，“北斗一号”系统的两颗定点同步卫星首发成功，实现了区域性双星定位功能。2003年，“北斗一号”第三颗卫星顺利入轨，2004年“北斗二号”系统开始建设，北斗系统开始实现区域组网，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。2009年，“北斗三号”系统启动建设，并于2018年开始向全球提供服务。2020年6月23日，“北斗三号”最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心成功发射。至此，“北斗”卫星导航系统部署全面完成。

“北斗”卫星导航系统在地球静止轨道、倾斜地球同步轨道、中圆地球轨道三种轨道上共布设了30颗卫星。这些卫星与地球上47个地面站配合，为人类提供目前世界上最精确的导航服务。

“北斗”卫星导航系统全球范围定位精度优于10米、测速精度优于0.2米/秒、授时精度优于20纳秒，实测的导航定位精度可达2米左右，比GPS的性能更好。不仅如此，“北斗”卫星导航系统还具备独创的短报文通信服务，简单来说就是发短信的功能。它可以传送1 200个汉字，甚至可以传送图片。整个“北斗”卫星导航系统精密而复杂，凝聚了众多航天人的心血与智慧。

是太陽总要发热，是“北斗”总要发光。今年，在建设雷神山和火神山医院的时候，“北斗三号”就为设计施工提供了精准测绘，为救灾减灾车辆提供了高精度的定位服务。在抗击洪灾中，得益于“北斗”卫星的帮助，防灾部门精确监测了地表形变情况，实现了及时的灾害预警，保障了人们的生命财产安全。如今，很多手机已经在使用“北斗”卫星进行导航定位。未来，无论我们去到哪里，“北斗”卫星都会像天上的灯塔一般，为我们照亮前路。

从航海到航天，只要我们满怀探索远方的好奇心和勇气，天上就一定会有星辰为勇者引路。

“北斗”卫星导航系统示意图