在古代,人们如何导航

对导航技术的探索,源自人类对未知世界的好奇。在远古,人们利用地形特征来导航,比如,英国的史前人类借助由石头山组成的环形标记,使他们能够在很远的地方凭借参照物找到自己想要去的目的地,如图1-1所示。后来,随着商品贸易的发展,一些沿海国家和地区开始航海贸易,而如何正确地引导船舶航行,对航海者来说是性命攸关的事情,从那时开始,人类不断地探索各种导航技术和方法。

图1-1　英国史前人类借助石头山进行导航

导航涉及两个方面:定向和定位,这对航海是至关重要的。航海者必须及时确定自己的方位,以便调整航向,这样才能避免迷失在海洋中。我国古代四大发明之一的指南针是最早得到应用的导航仪,如图1-2所示。大约在12世纪,指南针传入欧洲,有力地推动了欧洲航海技术的发展。指南针使得定向问题得到解决,于是,人们将关注的重点放到了定位上。

图1-2　中国古代用于定向的指南针(又称“司南”)

图1-3　古人利用牵星术规划航海路线

定位就是确定人、船只等载体或其他目标所在的方位,主要以经纬度表示。我国古代很早就将天文定位技术应用在航海中,东晋僧人法显在访问印度后乘船回国时曾记述:“大海弥漫无边,不识东西,唯往日、月、星宿而进。”当时人们所采用的观测恒星高度来确定地理纬度的方法叫作“牵星术”,如图1-3所示,所用的测量工具叫作“牵星板”,如图1-4所示。根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度,即可换算出北极星高的度角,它近似等于该地的地理纬度。“星牵沧海云帆耸,浪系天涯纽带长”。根据史书的记载和《郑和航海图》中的描述,郑和在七下西洋的过程中,使用了当时世界最先进的航海导航技术——海道针经(指南针导航)结合过洋牵星术(天文导航),这可以说是郑和时代的GPS。

图1-4　牵星板

那么,如何确定经度呢?早在公元前2世纪,古希腊人已经认识到,如果在两个不同的地方观测同一事件,并记下发生这一事件的当地时间,那么,通过计算这两地的时间差,就可以求出这两地之间的经度差。实际上,测定经度的关键在于准确计时,一方面需要有一个走得很准的钟,记录起算点的时间,另一方面必须用天文方法精确地测出当地的地方时。18世纪,航海用六分仪问世,它可以测量天体的高度角和水平角,将所得结果与天文台编制的星历表对照,就可以测定船舶所在地的当地时间。后来,英国人约翰·哈里森发明了高精度的机械钟,从此航海者可以根据钟表上的“标准时间”,结合用星历表和六分仪观测到的地方时间,随时确定自己所处的经纬度,于是航行的定位问题基本得到解决。1884年,国际天文学家代表会议决定,以经过英国伦敦格林尼治的经线为本初子午线,作为经度的起点和世界标准时区的起点,从此,全世界有了统一的经度标准,当人们说某一点的经度是多少的时候,不需要特别注明经度从哪里起算。

进入20世纪后,人类迎来了以原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志的科技革命。20世纪20年代,第一个无线电导航系统——无线电信标的问世,揭开了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章,随后又涌现出各种陆基无线电导航系统。1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星,随之而来的是空间技术的迅速发展,这使得导航技术发生了革命性变化,现代卫星导航技术应运而生。