查看完整版本: 古代及近代欧洲船只导航定位技术的发展

古代及近代欧洲船只导航定位技术的发展

　　在古代，船只如何更为精确地确定自己所在的方位及航向航速，一直是困扰
着当时船员们的一个大问题。以古代欧洲为例，尽管从腓尼基人开始，希腊人、
罗马人、波斯人、维京人、威尼斯人、热那亚人等等都先后在地中海和北海上扬
帆起航，但是那时候的航行范围还大多局限于近海，虽然有腓尼基人的环非洲航
行[1] 以及维京人横渡大西洋的壮举，可是由于不可测的水文、气象条件所限，
无论是商业还是文化的交流，都是在近海航行的基础上开展的。

　　类似的，在中国古代，自汉代开始就一直有记载八方朝贡，包括黄支国（今
印度康契普纳姆）、天竺国、大秦国（东罗马帝国）等国家的使臣和商人都曾经
自海路涉及过当时的汉国，同样的，汉朝商船也「自日南障塞、徐闻、合浦船行
可五月，有都元国；又船行可四月，有邑卢没国；又船行可二十余日，有谌离国；
步行可十余日，有夫甘都卢国；自夫甘都卢国船行可二月余，有黄支国……自黄
支船行可八月，到皮宗；船行可二月，到日南、象林界云」以作往来交通。但是，
和古代欧洲相似的是，当时水平不高的导航技术亦是制约古代中国远航的一个重
要因素，有记载「大海弥漫无边，不识东西，唯望日月星宿而进。若阴雨时，为
逐风去，亦无准」。

　　在这样的条件下，无论是东方还是西方，为了开拓更多的航线，扩大自身的
影响力，以及获取更多的贸易收入，除了加大造船业的投入之外，更纷纷创造和
发展了多种多样的导航定位的方法，这些研究和方法等历经几百年乃至上千年的
演化，有许多至今仍然是船员们必须学习和掌握的内容，可见其重要性。

　　但是，笔者在学习研究的过程中，发现无论是国内还是国外，对于这段历史
都缺乏细致深入的探究，使得这部分历史缺乏应有的重视。因此，探究各种导航
技术形成和发展的历史具有极重要的历史价值，同时也能够推进我国的航海教育，
增长国民的海洋意识。

　　通过整理一些资料，笔者对这段历史有了粗浅的认识。本文则不揣浅见，兹
将笔者对古代及近代欧洲船只导航技术的一些论证如下，以期抛砖引玉之效。

　　　　　　　　　　　1、古代欧洲的导航定位技术

　　古希腊被公认为欧洲文明的滥觞，这一点在航海学方面不外如是。公元前200
多年，亚历山大图书馆馆长、「地理学之父」埃拉托斯特尼就曾经提出过地圆学
说，与此同时，他还提出了经纬网的概念，这在航海学史上具有重要的意义：他
首先估算了有人居住世界的宽度和长度。宽度数值是沿通过亚历山大里亚城的子
午线测算出来的，结果是38000 希腊里；长度数值则是沿着从赫尔克列斯之位至
恒河河口一线来估算的，结果是78 000希腊里。长度线与宽度线组成了地图的基
础坐标，它们在罗得岛相交，然后，他在这两条基础座标线上，各选了一系列地
点，如经线纵座标上的阿罗马提斯（Aromates，今索马里）、麦罗埃（Meroe ）、
西恩纳、亚历山大里亚、赫勒斯湾、波里斯丹尼河（Borysthene，今第聂伯河河
口）和图勒等七处；纬线横座标上的印度河、「里海之门」、幼发拉底河上的塔
普萨克（Thapsa-que）、罗马和迦太基（Carthage）等处，分别划出横向的纬线
和纵向的经线，组成了地图的经纬网格。

　　继埃拉托斯特尼之后，古希腊还有另一位伟大的地理学家暨天文学家托勒密，
在天文方面，托勒密在希帕恰斯的基础上，提出了后世著名的《托勒密星表》，
在地理方面，他改进了古希腊原有的「地方志」和「地图学」两个方面，并且提
出了自己的地理学体系，包括总结出的两种地图投影法，绘制「托勒密地图」，
记录当时各主要城市的经纬度等等，甚至有一种说法，后世葡萄牙的恩里克王子
之所以下定决心开辟海上疆土，与托勒密的一本著作《地理学指南》的再版有很
大的关系。

　　埃拉托斯特尼和托勒密以及其他天文地理学家的成就，在当时来说仅仅是为
各个地区的交流提供了方便，但是从航海学的角度来看，他们无疑为后世海图的
绘制、船只及港口的定位等都起到了极其重要的奠基作用。所以，虽然他们不能
称得上是航海学方面的专家，他们的贡献仍然是历历可见，不可抹去的。

　　希腊之后到中世纪时期，欧洲也逐渐出现了一种对方向的标注方法，称为风
向蔷薇。之所以称之为风向蔷薇，是因为在最早的地图上，为了标出北方，会使
用拉丁语中北风之神Tramontane的首字母T 作来特别标注，而这个字母T 又慢慢
演化为了鸢尾花的形状，而表示东方所使用的是立凡德风Levante （从法国南部
沿海吹往直布罗陀海峡的一种风）的首字母L ，或者是基督教的十字架（暗喻基
督教圣地耶路撒冷，因其在欧洲东部）来标注，而这两个方向之间的90°等分为
两份，再将这种分割方法使用在剩余的270 °中，得到均分的八块空间，这八块
空间又使用较小的三角形分割开来，就得到了16个方向，这些大小三角形放在同
一个圆的外侧，形成的图形和蔷薇非常相似，因而就得名为风向蔷薇，后期随着
罗盘的发展，又得到了一个新的名字「磁罗盘蔷薇」。

　　除了导航定位的基础理论方面的发展之外，船员和岸上人员们也掌握了一套
自己的习惯方法，因为自身船只补给、船员数量等条件的限制，古代欧洲的船只
大都会选择近岸的海路，这时候的一些导航定位方法往往会与一些海洋上的标志
物有关，比如维京人会依靠鸟类、鱼类、水流、浮木、海草、水色、冰原反光、
云层、风势来协助自己判断方向。

　　9 世纪时，北欧著名航海家，「海上之王」弗劳克，总是在船上装了一笼渡
鸟，据神话传说，当他离开法罗群岛向西北行驶了相当远的一段路程后，从船上
放出了一只渡鸟，可是这只渡鸟向东南飞去，过了一会，弗劳克又放出了第二只
渡鸟，这只渡鸟飞回船上，然而第三只渡鸟向西北飞去了，于是弗劳克驾船尾随
渡鸟来到一片陆地。这也是许多航海家们用以辨别陆地方向的方法。

　　与维京人相比，欧洲南部各个国家的导航方法多为使用灯塔等辅助物，希腊
人在公元前5 世纪就已知道在夜里用灯塔来指示港口；罗马人曾将一块巨型方尖
碑从亚历山大运往罗马，后在船上垒以石块和粘结物，形成一座人工小岛。灯塔
就建在此小岛上，灯塔共分4 层。奥斯帝亚灯塔一直留存到公元15世纪。其中最
高的灯塔是法兰西布洛涅灯塔，塔高61米，有12或13层，上窄下宽。随着罗马帝
国的灭亡，维修灯塔所必需的的技能已丧失殆尽，有关组织也被解散；最为出名
的法罗斯灯塔则是在埃及托勒密二世时期修建的，修建时间超过40年，高度超过
400 英尺，是当时世界上最高的建筑。

　　除灯塔外，在近海水道上还布置有浮标、航标灯等用以辨识的辅助工具，这
些也都在未来很长一段时间，乃至现在仍然使用中。

　　　　　　　　2、近代欧洲各种航海仪器的产生和发展

　　在诸多的航海仪器当中，究竟哪一样仪器是最早出现的，至今没有定论，但
是对欧洲的航海水平改变最大的，毋庸置疑是指南针。「指南针打开了世界市场
并建立了殖民地」这句话虽然有以偏概全之嫌，但是也从一个侧面表明了它在航
海探险、开辟航路中的巨大作用。

　　指南针最早出现于中国，有详细记载为北宋的「指南鱼」：「用薄铁叶剪裁，
长二寸，阔五分，首尾锐如鱼型，置炭火中烧之，侯通赤，以铁钤钤鱼首出火，
以尾正对子位，蘸水盆中，没尾数分则止，以密器收之。用时，置水碗于无风处
平放，鱼在水面，令浮，其首常向午也。」古代中国对于指南仪器在航海方面的
记载也不在少数：「舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。」大约
于12世纪，指南针传入欧洲，经过一系列的改动，由原先的指南变成了指北，欧
洲人将之命名为「罗盘」（笔者注：此处史料不足，因中欧双方各有其说法，
《大英百科全书》认为罗盘compass 用于航海是中欧航海家分别独立发现的，而
《中国大百科全书》则将司南和罗盘归属于同一词条，本文以后者为准）。

　　历史公案不做赘述，但在航海罗盘的制作方法上，无论是欧洲还是中国都没
有本质的区别：将天然磁石粘在一根木棒上，木棒置于水中，那么它就会自动指
向极点。随后人们又将铁针或钢针与磁石长时间接触，再将其置于水中，则这些
针也能够指向南北方向。

　　大约在1300年左右，旱罗盘出现了，这种旱罗盘由三个组件构成：一根在固
定主轴上可以自由旋转的磁针，表面用玻璃质隔阻起来的小盒子，以及标注方向
的风向蔷薇卡片。罗盘整体固定在船的龙骨上，主轴穿过卡片与盒子固定，卡片
又由细绳与磁针连接。这样当船只方向改变的时候，风向蔷薇卡片和磁针就会一
齐转动，这样就方便了船员们辨识和改变航向。

　　除了罗盘之外，还有一样技术在不断地发展当中，那就是有关经纬度的测量。
其中，纬度在粗略测量上的进展要比经度快很多，早在希臘、羅馬帝國時代，西
方水手已有緯度的觀念，他們沿岸航行並藉助北極星與水平線之夾角來判斷船位。
希腊、罗马帝国时代，西方水手就已有纬度的观念，他们沿岸航行并借助北极星
与水平线之夹角来判断船位，这也是后来各种测量纬度的方法的基本原理。

　　月14世纪前后，阿拉伯的航海家们运用名叫「卡马尔」的仪器来测量纬度，
其原理是一手持小板，另一只手持线，线与小板的中心连接，并在使用的过程中
拉直，然后将拉线板的上端对准某颗亮星，慢慢拉绳子直到木板下沿和海平面重
合即可，这个时候量出木板的长和绳长，就可以计算出这颗亮星的高度，以及船
只所在的纬度，15世纪左右欧洲人使用的测纬度的航海仪器十字测天仪、雅各棒、
金杖等，虽然外形有别，其原理也大致相同：将一根短杆垂直缚在长约36英寸、
附有角度比例尺的长直杆上，短杆可在长杆上前后移动。短杆上下两端各穿一孔。
要探测船的纬度时，先选定一颗不动的星，海员即把长杆按前伸方向放在眼前，
从其一端观察，一面调整移动短杆的位置，直到可从其下面孔中看到地平线，而
同时从上面孔中看到北极星为止。然后，记下短杆在长杆标尺上的位置，进而计
算出星体高度和船只纬度。

　　后来又出现了一种较为先进的仪器，名叫星盘，其基座为一般铜制圆盘，圆
盘周围刻有度数，中心固定了一根活动指针，它能够绕着圆盘旋转。这根指针的
两端均有一小孔，当使用时使用者将星盘垂直悬挂起来，然后用手拨动指针，使
得光线可以同时通过两孔，此时记录下的度数就是星体的角度，然后通过计算，
也可以得到该星辰的高度。

　　16世纪末期，英国著名的航海家约翰·戴维斯在寻找西北航道的过程中，使
用了自己发明的象限仪，又称「反向天体高度测量仪（反测仪）」或者「四分仪」，
该仪器实际上是在十字测天仪的基础上增加了一个反射装置，穿过遮阳板缝隙的
阳光会照射在刻度尺上，观察者只需要直接读出读数即可，这种航海仪器的发明
极大地推进了纬度的测量工作。

　　17到18世纪左右，在英国和美国两个发明家分别发明了八分仪，所谓八分，
是将圆周的360 °均分为八等份，而仪器可以测量的角度为其中的一份，即45°，
设计八分仪的英国人后来改进了设计，在原先的八分仪上增加了反射镜，使得这
种仪器的可测量角度翻了一倍，即变成了90°，这种仪器代替了过去各种测量纬
度的仪器，在很长一段时间里都为海员们所使用。后期又因为八分仪可测量的角
度太小，人们发明了完整的圆周反射圈，它虽然较八分仪而言可测量的范围提高
了数倍，但是过于笨重，最终，人们选择了将圆周六等分，也就是60°作为框架
的角度，大约在18世纪中期到19世纪之间，有关纬度的测量已经达到了一个非常
精确的地步。

　　在纬度的测量逐渐成熟之时，经度的测量才逐渐开始。制约经度测量的因素
有很多：

　　首先是基准值0 °线的位置，因为原本想要定为原点的圣地耶路撒冷不在欧
洲人手中，在民族主义的阻碍下，「纵向赤道」无法确定，争端的各国也就无法
正常开展学术交流，直到1884年国际子午线大会才通过决议，将格林尼治天文台
作为0 °位置，而在此之前各个国家的都争相将自己的首都设为0 °位置，这争
议的0 °点包括罗马、哥本哈根、耶路撒冷、圣彼得堡、比萨、巴黎、费城和华
盛顿等。

　　其次是没有良好的测速工具和钟表，也就没有办法较为准确地计算航速，欧
洲人沿用了很长时间（甚至在哥伦布时期仍然如此）的航行方法大都是航行到一
个已知纬度的港口的同纬度海域，再转而向东或向西，最终到达目的地，哥伦布
西航的起始点是在加那利群岛（北纬28°），它想要维持原本的纬度，但是到达
西印度群岛的时候受到海流的影响，事实上已经偏南了一段距离，这也是无法确
定经度时的纬度航行会带来的很正常的结果。

　　在精度测量的发展过程中，英国国会在1714年通过的《经度法案》起到了很
大的作用，要求是给发明能够较为精确地测量经度的发明家以赏金，如果能够精
确到0.5 °，就能够获得两万英镑的奖金。高额的悬赏吸引了多方的竞争者，一
种方法是木卫法，通过观测木星的四颗卫星被木星遮蔽到出现到再被遮蔽的时刻，
可以推得所在地的经度，但是因为木卫的观测难以在颠簸的海船上使用，也就意
味着这种方法的实用性不足。

　　另一种方法是月距法，通过使用八分仪测量月亮和某些特定的星星与观测者
所夹的角度，经过一系列计算得出观测者的经度，当时甚至专门为使用者编写了
一份宏大的计算量表，但也因为过于复杂而没有得到进一步的发展；最后一种则
是钟表法，其原理比以上的方法要简单许多，并且这种方法在海员当中已经使用
了很长的时间，简而言之，即是通过携带一只表示着伦敦时间的钟表，每到一处
地方，通过观测太阳的仰角确定正午，再看钟表的读数，就可以知道该地和伦敦
的时间差，因为1 小时等于15°的经度差，那么该地的经度就可以求出来。

　　第三种方法虽然原理简单，但是实际操作却有很大的困难，过去的海员没有
精确的计时工具，只能依赖于水钟、沙漏等，当时虽然已经出现了摆钟，但是只
要将当时使用的摆钟放在摇晃的船舱里的话，它的钟摆就会无法正常工作，最终
导致周期失衡，而使用螺旋平衡发条的钟表则会遭遇到弹簧自身的热胀冷缩和环
境湿度变化的影响，也有或多或少的计时不准。当时的人将之称为钟表的「晕船
病」。针对这种情况，1735年，英国钟表匠约翰哈里森改进了原本的钟表，在其
螺旋平衡发条上增加了一个名叫「补偿弧」（现多称为擒纵器）的装置，由于这
种补偿弧的制约，极大地减小了各种环境对于螺旋平衡发条的影响，从而极大地
提高了其精确程度。

　　以后，哈里森的又几次改进了他的天文钟，从H1天文钟开始，到后来的H4、
H5天文钟，除了在精度上有所提升之外，其外形也越来越小。并且由于其极高的
精确程度，英国也开始大批地生产这种天文钟，到1780年，一只天文钟的价格下
降到六十五到八十英镑。英国东印度公司要求每只船装备一到两只天文钟。英国
海军在朴次茅斯港的海军学院设立了一个天文钟的储备室，每个出港的军舰舰长
都可以要求配备一只天文钟。后来经度委员会于一八二八年解散，海军立即接替
了它的职责，监督测试和配备天文钟。到1860年，英国海军拥有两百多艘舰船，
六百多只天文钟。

　　哈里森发明的天文钟，是航海史上最为伟大的发明之一，因为它的出现，牛
顿所说的「这样的计时器至今犹未问世」被彻底打破，精确地测量经度成为了可
能，进而精确的经度和纬度相结合，海船的位置就不再是秘密，结合磁罗盘的导
航，昔日的探险活动慢慢变成了各个国家抢先发现并占领新殖民地的争夺战。

　　　　　　　　　　　　　　　3、结语

　　纵观古代及近代欧洲的导航定位技术发展史，我们可以看到，在它发展的初
始阶段就有着古代国家对于开拓航运事业的需求的因素，后来虽然历经中世纪黑
暗时代，但是在文艺复兴之后，伴随着工匠、学者、政府、海员等多方面的共同
需求和推进，一如当时的科技和社会，有「一只看不见的手引导他们对生活必需
品作出几乎同土地在平均分配给全体居民的情况下所能作出的一样的分配，从而
不知不觉地增进了社会利益，并为不断增多的人口提供生活资料」，科技、商业
的因此开始飞速进步，导航技术也随之突飞猛进地发展起来，正好吻合了恩格斯
的论断：「社会一旦有技术上的需要，则这种需要就会比十所大学更能把科学推
向前进」。

　　同样的道理一次次地被现实所证明，这其中尤以英国的例子最为典型：为了
工业革命的肇兴，国家首先必须要去抢占世界市场，必须要获得工业革命所需要
的资本积累，这就需要强大的货物流通能力，需要效率极高、能够精准定位、能
够航行到世界各个角落的商船船队，这种需求进而也就催生了多种多样的导航定
位技术的发展。而且从某些角度上来讲，导航技术的发展同样也反过来催生了近
代英国的霸权，因为只有在极大地提高了效率之后，世界工厂的产品才能够迅速
流通到世界各地，为英国获取到极大的加工利润。

　　航海史之所以有其研究价值，是因为它见证了历史上各个国家的兴衰过程，
这段历史对于指引中国由陆权国家走向海洋国家尤为必要。时间已经进入2010年，
无可否认的是，中国在航运事业上正在飞快地前进，逐渐由一个航运大国成长为
航运强国。但是，我们同样不能否认的是，现在的中国缺乏系统的、深刻的航海
史教育，无论是对我国，还是对历史上各个航运大国的航海史的记述都多少流于
片面。试想，在这样的教育背景下培养出来的，没有航海意识的民族，如何能够
在未来的时间里走向海洋，建设一个强大的海权国家？

　　因此，逐渐开始回顾昔日航运事业、航运科技等的发展过程，无疑是正当其
时，有着以史为鉴的重要意义。我希望，在未来的时间里，会有更多的人投入到
航运史的研究中来，为推动我国的全民航海教育，为引导国家走向海洋做出自己
的一份贡献。

[[i] 本帖最后由 wj无为 于 2014-10-20 09:57 编辑 [/i]]

写的太专业，没看懂。还是支持楼主了。虽然楼主这篇文章没有获奖，但是支持你继续下去。为未来的星辰大海的征程做出贡献。

不全面，对于中国的指南针写的太少，中国每天十二个时辰和西方的24小时的时间推算，时间和方向联系在一起就比较合理，但说方向是不全面的。中国自古就有看太阳针的磨盘为方向。还有中国的一日三餐制度的制定都是和时间的司南有关系。白天看太阳，夜晚看星星是中国自古就有对太空的探索。你对古代中国了解的太少了。

楼主这贴子真是有些过于专业了，仔细看了三分之一就不行了，后面就是胡乱扫完。完全是因为非常喜欢欧洲的木制大帆船所以才进来看一眼的，发现我果然只是喜欢那船，至于这船是怎么运转的，半知半解都算不上。
不过对于楼上这位，你能给解释的详细一些不，只是一句不全面，太折磨人了，至少你把重点补充一些吧，我知道指南针西传对于大航海时代的到来起到了推波助澜的作用，但由于欧洲人拥有一个地中海，使得他们的航海技术一直在持续发展，我们的航海技术大发展时代应该是南宋吧？郑和下西洋就不说了，没有实际收获，净瞎花钱了，要不然刘尚书也不会把航海图和工艺图烧了吧。
还有就是，据我所知，一日三餐是近代中国才开始的，以前中国都是一日两餐啊。

这文章是从哪里负责过来的？感觉有点复杂了 记得看 美剧维京时 靠的也就是太阳日晷类的装置

*** 作者被禁止或删除 内容自动屏蔽 ***

中俄在相当长一段时间内要加强各种资源的整合，包括能源和高科技，把美国人的影响力赶出亚洲