【科普】古代航海技术黑科技：天文导航和天文

近日，交通运输部与装备发展部联合印发《北斗卫星导航系统交通运输行业应用专项规划（公开版）》（交规划发〔2017〕187号）（以下简称《专项规划》）。《专项规划》是“十三五”至“十四五”期推进北斗系统在行业应用的指导性文件，明确了今后一个阶段行业北斗系统应用工作的发展目标和主要任务，将有力提升行业北斗系统应用规模及水平，进一步发挥交通运输行业在北斗系统应用推广方面的带动作用。

众所周知，北斗卫星导航系统是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是我国重要的空间基础设施。

      现在有部分船舶已经使用上了北斗卫星导航系统。我们的导助航设备越来越先进，使得今天的远洋航行再也不是一件让人望而却步的事情，信息科学、计算机技术、电子技术、通讯技术及空间卫星技术在航海上得到了成功的应用，加上国际海事组织和中国海事局对国际、国内航行安全制定的安全规范和保障措施，昔日梦想的征服大海，在今日可以安全而经济地实现。

       ，在古代，技术的落后限制了远洋航行水平的提升，也限制了人们对大海的想象力，而航海界遇到最大的技术瓶颈竟然是“迷路”。

       古时，在大海中寻找方向，特别是自身定位是一件非常困难的事，在茫茫大洋中，哪怕拥有再老到的船员和不沉巨轮也无法真正踏出畅行大洋的那一步。每个航海国家都在寻找能够破解“迷路”难题的航海技术。

先秦时期

       我们的祖先在先秦时期不但能够制造船舶，而且能够制成帆利用风力进行航行，而春秋战国时期已经能够利用北极星进行定向。

秦汉时期

       秦朝时代的远洋航海，人们已开始自觉使用季风进行航海。西汉时海上导航的占星书已经开始记载出来的天文经验和规律。

隋唐五代时期

唐代，人们已能清楚地把握北起日本海，南至南海的季风到来和结束的规律。

开元年间天文学家僧一行已可以利用“复矩”仪器来测量北极星距离地面的高度。

宋元时期

       宋元时期航海技术的提高，最突出的是指南针的广泛应用。至北宋时期，已能利用指南针航行。如徐兢的《宣和奉使高丽图经》和刘豫献于金主亶的海道图等，都说明了当时海图的发展。

明朝

       郑和七下西洋，代表了我国古代航海历史的最高水准。 在1405—1433年的二十八年间，郑和七下西洋，总计航程16万海里，最多时率船400多只，人员达两万七千多人，在世界航海史上写下了辉煌的一页。

       郑和的船队不仅是当时世界最大的舰队，也是装备最为先进、续航能力最强的超级舰队，配有世界顶级的武器系统。

      郑和成功七下西洋不仅依靠以上优势，先进的科学航海技术——天文导航也发挥着及其重要的作用。

       郑和船队除用罗盘指示针路外，还用昼间观测太阳的出没方位和夜间观测北极星的方位和其它星体的出没方法来确定航行的方向。

       牵星板用十二块正方形木板，最大的一块每边长约二十四厘米，以下每块递减二厘米，最小的一块每边长约二厘米。

       执“牵星板”一端的中心，随星体高低的不同，以几块大小不等的“牵星板”和一块长2寸、四角皆缺的象牙块替换调整使用，直到所选之板上边和所测星体相切，下边同海平线相合为止。此时牵星板是几指，这个星体的高度就是几指。原理大概如下图所示。

       每年同一季节、同一地点的星高和位置是基本相同。郑和的船队随季风往返，到达某一海区的时间和季节基本相同，在某已知地点和港口，观测到的星高，就可以作为下一次航行时的观测参考。可以理解为郑和下西洋在每个重要港口地理位置存档，在下次航行时在读档使用。

       据文书记录，郑和时期测量的纬度与现在通用纬度，两者相差仅4’.5。在500多年前的测天定位航海技术的精度能达到此水平，亦属相当先进。

       在郑和下西洋数十年后，欧洲国家进入大航海时代。1492年哥伦布发现美洲 大陆，1497年达伽马绕过非洲南端的好望角到达印度西海岸。1519年起，麦哲伦绕过美洲大陆、到达菲律宾群岛。1522年，接由残余船员返回西班牙，完成了第一次环球航行。

       中世纪的大航海时代，航海家定位唯一能够依靠的方法同样是天文导航，根据天体的测量得出所在点得纬度，而后基本保持纬度不变进行穿越大洋的航行。

       这里要给独眼船长正名，大部分不是打仗弄瞎的，更不是为了“酷”，那是船长们长期观测太阳与地平线的高度，以测算航向所付出的代价。在靠天文导航的时代，10位船长中就会有9位被刺目的阳光弄成独眼龙。

       等纬度航行适合跨越大洋，却无法准确确定船舶在地球表面东西方向的位置，也就是经度值，这时的航海家们仍旧无法在大洋自由飞翔。直到一个名不见经传的小木匠解决了这个问题。

       因为无法确定经度，在茫茫大洋上不断发生因无法精确导航而发生的各类海难，航海学始终无法翻过沉重的一页—经度。

       英国重金悬赏能测量海上经度的人才，大名鼎鼎的牛顿、哈雷、伽利略等科学家均加入科研团队。，按剧情发展的需要，他们果然都失败了。

       而“重赏之下”的那位“勇夫”是一位19岁的小木匠——约翰·哈里森，造出一全由木制的摆钟—天文钟。天文钟定经度实际上是时间确定空间的方案即将经度换算成时间。360度的地球，每24小时转动一周，所以，航船与出发地之间，每相差一小时，就表示它的经度向东或向西移动了15度。

       ，只要知道出发地和所在地的时间，就能推算出所在地的经度。哈里森实际上是制造出了能够准确测定航海出发地时间的海上钟表，利用精准的经度时间差，推算出准确的经度。

       自此，人类掌握了能够在海上测量相对精确经纬度的方法，开启了绚烂的新航海篇章。

       古代航海技术的探索史，更是一部各个航海国家的开放历史。600多年前的郑和下西洋，中国人怀抱着开放的心态向世人展示了自己强大的国力。600年后，世界更需要中国，中国也更需要世界。今天，我们重新站在历史的起点上，在新的历史时期“重走海上丝绸之路”，是强国富民的需要，更是文化的传承。