天上的燈塔

古時候，人們通過航海探尋遠方，但隨著船只駛離港灣，航海者逐漸失去了陸地參照物和地文導航的幫助。面對茫茫大海，人們只能向天空追問方向，由此天文知識被應用到航海中，利用日月星辰運行規(guī)律來定向的天文導航術逐漸發(fā)展起來。今天，我們就來看看從古至今，人類遠航時都有哪些定位的好方法吧！

測量緯度靠什么？

航海定位最基本的一項任務就是測量緯度。早在唐代以前，人們就發(fā)現(xiàn)，在不同地方，北極星的高度不一，船員可以通過觀察北極星的高度來確認位置。比如，在南海海域（南方）人們觀察到的北極星高度比在東海海域（北方）觀察到的會更低。唐代開元年間，兩位天文學家一行和南宮說（yuè）主持了對地球子午線的天文大地測量，計算得出結(jié)論：北極出地度（即北極星與水平地面的夾角）相差一度時，地面上南北相差三百五十一里八十步（唐制，約為130千米）。這個測量結(jié)論對于航海來說具有非常重要的意義，從此人們只需要測量北極星的仰角變化，就可以知道南北距離的變化，從而大致推算出船只航行到的位置，實現(xiàn)粗略定位。

北宋朱彧（yù）撰寫的《萍洲可談》中記載：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦觀指南針?！薄缎头钍垢啕悎D經(jīng)》中記載：“是夜，洋中不可住，維視星斗前邁。若晦冥，則用指南浮針，以揆南北?！笨梢?，在宋代時，即便指南針已被應用到航海活動中，天文導航術仍發(fā)揮著重要的作用。指南針更主要的作用是，通過判斷船只瞬時方位（東西南北），結(jié)合船速推算船的航行軌跡，從而推測船只目前所處的地理位置。

元代，位于登封的告成觀星臺已經(jīng)出現(xiàn)測量天體高度的“量天尺”。明代鄭和下西洋時就在“量天尺”的基礎上發(fā)展出了“過洋牽星術”，使用一套叫作“牽星板”的器具，通過星斗仰角變化測量地面南北的距離。一套牽星板由12塊高度不等的正方形木片組成。測量時，測量者手持一塊大小合適的牽星板，將手臂水平伸直，使牽星板與海平面垂直，同時使其上緣與被觀測天體相切，這樣就可以通過牽星板的高度和測量者的臂長計算出天體的仰角。

比鄭和稍晚一些，西方航海家們開始使用航海星盤、象限儀等儀器來測量緯度。盡管測量結(jié)果不是很精確，但基本可以滿足當時航海的需求?，F(xiàn)在，西班牙大加納利島的克里斯托弗·哥倫布故居博物館中還收藏著16世紀的航海星盤。這種星盤需垂掛使用，可先使零度標記與海平面平齊，然后將表面的指針指向待測量高度的天體，指針與零度標記之間的角度就是天體的仰角。已知天體仰角就可以得出船只所在位置的緯度了。

18世紀30年代，航海家開始使用一種更加精確的測角儀器——六分儀。六分儀是一種反射鏡類型的測角儀器，其原理最早是由牛頓提出的。起初，這種測角儀器量角的刻度弧為45°（即圓周的八分之一），被稱作八分儀。后來，約翰·坎貝爾船長將刻度弧擴大到60°，發(fā)展成六分儀。再往后，刻度弧被調(diào)整為72°，但仍舊沿用了六分儀這個名字。如今，“六分儀”這個名稱已經(jīng)成為航海、航空領域測量天體高度或方位的儀器專用名，與儀器是否有刻度弧或刻度弧的大小沒有關系了。

航海星盤

測量經(jīng)度靠什么？

在16世紀哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸之后，為了應對日益頻繁的橫跨大西洋的航海需求，測量經(jīng)度的任務變得越發(fā)緊迫。

1741年，一支英國艦隊在駛往南美洲的途中遇到風暴，連續(xù)五十多天的狂風暴雨把軍艦吹離了原定的航道，艦隊中的幾艘軍艦就此失散。風暴過去之后，其中一艘“百夫長”號軍艦的艦長喬治·安森完全判斷不出軍艦所在的位置。不久，船上的物資即將耗盡，不少船員患上了嚴重的壞血病，艦長急需帶領大家找到最近的島嶼，盡快上岸。

安森知道在南美洲南緯35°上有一座名叫費爾南德斯的小島?？纱藭r的安森并不知道自己所在的經(jīng)度，他只能先向北駛到南緯35°，然后再沿著緯度線航行。但是，在緯度線上該向東還是向西呢？安森決定向西。但他們行駛了4天都沒有發(fā)現(xiàn)小島。船上不斷有人死去，安森只好決定掉頭向東行駛。然而，在西風的影響下，他們沒有找到費爾南德斯島，只發(fā)現(xiàn)了一座海岸上充滿懸崖峭壁、難以登陸的小島。最后，他們只好再次掉頭。因為測不出經(jīng)度，“百夫長”號在海上耽誤了兩個星期，白白犧牲了很多人的生命。

這一時期，天文學家和航海家提出過很多測量經(jīng)度的方法，其中，測量月球與恒星角距的“月距法”發(fā)展最快。月距法只要用八分儀（或六分儀）測量出月球與恒星的角距離，就可以在星歷中查詢到當前角距離（相對位置）對應的時間，從而算出與格林尼治經(jīng)線的經(jīng)度差。

月距法示意圖（圖片作者：Michael Daly）

法國天文學家拉卡耶完成了對南方天空恒星的觀察記錄，補齊了全天星表;1755年，德國人邁耶基于數(shù)學家歐拉對月球軌道的計算，制作了一份《月球表》，準確地描述了月球在任意時刻的位置。這兩項工作都為月距法的發(fā)展奠定了基礎。

后來，英國人哈里森花了很多年的時間研制航海天文鐘，最終在1761年研制出僅手掌大小的第四代航海天文鐘——H4。在船只出發(fā)前，船員將航海天文鐘與出發(fā)地的時鐘（標準時）對時;高精度的航海天文鐘走時誤差很小，在航行期間，時間一直與標準時同步。通過測量太陽和其他恒星的仰角，船員可以大致估算船只所在位置的地方時。標準時和地方時的差值（小時）乘以15°，就得到所在位置與出發(fā)地的經(jīng)度差。這就是航海天文鐘測量經(jīng)度的基本原理。

在兩次橫跨大西洋的測試中，H4全程計時誤差僅39秒，距離上僅相當于16千米，測量效果超越了月距法。不過，由于航海天文鐘十分精密而且昂貴，在它被研制出來后的多年時間里并未普及。

航海天文鐘

導航衛(wèi)星

通過前文的講述，我們知道航海活動中對船只進行定位，需要的是緯度和經(jīng)度兩個量。緯度的測量依賴對天體高度和方位的測量，而經(jīng)度的測量則依賴準確的授時。無線電的發(fā)明，使無線電授時得以實現(xiàn)。然而，天體高度和方位的測量，仍受制于天氣狀況、行船顛簸等因素，難以達到很高的精度。這時，衛(wèi)星定位技術給出了新的方案。

20世紀70年代，美國開始研制GPS（全球定位系統(tǒng)），并于1994年全面建成。該系統(tǒng)由24顆人造衛(wèi)星、地面站，以及用戶的GPS接收機組成。GPS系統(tǒng)可以為地球上絕大部分地區(qū)提供精確的位置信息（經(jīng)度、緯度和高度）、目標速度以及高精度的標準時間。

隨著GPS的普及，衛(wèi)星導航與普通人的生活已密不可分。1983年，我國也提出衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設方案。1994年，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)啟動建設。

衛(wèi)星導航示意圖

由天樞、天璇、天璣、天權、玉衡、開陽、搖光組成的北斗七星，自古就是華夏民族辨認方向、確定時節(jié)的重要標志。我國的科學家將中國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)命名為“北斗”，正是希望“北斗”衛(wèi)星未來也能成為光明和準確方向的代名詞。

2000年，“北斗一號”系統(tǒng)的兩顆定點同步衛(wèi)星首發(fā)成功，實現(xiàn)了區(qū)域性雙星定位功能。2003年，“北斗一號”第三顆衛(wèi)星順利入軌，2004年“北斗二號”系統(tǒng)開始建設，北斗系統(tǒng)開始實現(xiàn)區(qū)域組網(wǎng)，為亞太地區(qū)提供定位、測速、授時和短報文通信服務。2009年，“北斗三號”系統(tǒng)啟動建設，并于2018年開始向全球提供服務。2020年6月23日，“北斗三號”最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。至此，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)部署全面完成。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)在地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道、中圓地球軌道三種軌道上共布設了30顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星與地球上47個地面站配合，為人類提供目前世界上最精確的導航服務。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)全球范圍定位精度優(yōu)于10米、測速精度優(yōu)于0.2米/秒、授時精度優(yōu)于20納秒，實測的導航定位精度可達2米左右，比GPS的性能更好。不僅如此，“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)還具備獨創(chuàng)的短報文通信服務，簡單來說就是發(fā)短信的功能。它可以傳送1 200個漢字，甚至可以傳送圖片。整個“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)精密而復雜，凝聚了眾多航天人的心血與智慧。

是太陽總要發(fā)熱，是“北斗”總要發(fā)光。今年，在建設雷神山和火神山醫(yī)院的時候，“北斗三號”就為設計施工提供了精準測繪，為救災減災車輛提供了高精度的定位服務。在抗擊洪災中，得益于“北斗”衛(wèi)星的幫助，防災部門精確監(jiān)測了地表形變情況，實現(xiàn)了及時的災害預警，保障了人們的生命財產(chǎn)安全。如今，很多手機已經(jīng)在使用“北斗”衛(wèi)星進行導航定位。未來，無論我們?nèi)サ侥睦铮氨倍贰毙l(wèi)星都會像天上的燈塔一般，為我們照亮前路。

從航海到航天，只要我們滿懷探索遠方的好奇心和勇氣，天上就一定會有星辰為勇者引路。

“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)示意圖