天文导航：天文定向与定位技术

天文航海技术与地文航海技术一样，也是人类在海上赖以导航的重要手段。天文导航技术的出现标志着人类航海活动由近海扩展到远洋。天文导航技术主要包括天文定向和天文定位两项技术。

天文定向的航海技术，在中国古代航海史上由来已久，可以追溯到非常遥远的年代。早在奴隶社会初期的夏代，据《夏小正》⁽¹¹⁾中描述的天象，已有一年内各个月份的晨昏时观测北斗斗柄指向与若干恒星的见、伏或中天的记载。在商、周的甲骨卜辞中，已有测得新星的实录。到春秋时期，天球黄赤道带附近的恒星二十八宿已被确定下来，并出现了确定621颗恒星赤道坐标值和黄道内外度的《石氏星表》⁽¹²⁾，这是世界上最早的星表之一。

在汉朝，随着远洋航海的兴起，古代的天文导航术有了明显的提高。据《汉书·艺文志》⁽¹³⁾介绍，当时介绍海上占星导航的书就有《海中星占验》十二卷、《海中五星经杂事》二十二卷、《海中五星顺逆》二十八卷、《海中二十八宿国分》二十八卷、《海中二十八宿臣分》二十八卷、《海中日月慧虹杂占》十八卷。这多达一百三十六卷的天文航海书籍虽然早已流散失传，但是完全可以肯定，汉朝的中国海员已有相当可观的天文航海技术，这一点从成书于西汉初年（约公元前140年）的《淮南子》⁽¹⁴⁾中可以得到证明。该书记载道：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则寤（wù）矣。”到晋朝，葛洪说：“夫群逆乎云梦者，必须指南以知返，立乎沧海者，必仰辰极以得返。”法显从印度归国亦称：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。”到南北朝，周舍⁽¹⁵⁾说：“昼则揆日而行，夜则考星而泊。”到唐朝，王维在《送秘书晁监还日本国》的诗中也说：“向国惟看日，归帆但信风。”从上述史料，我们可以清楚地看到，在唐朝以及以前历代的航海中，天体观测尚停留在定向助航的定性阶段，还不能由此来核定海船所在的地理位置。这种传统的天体导向手段在宋朝依然得到了继承。如徐兢在奉使高丽途中就有这方面的纪录：“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。”从这里可以看出，在西太平洋近海做较短距离的惯常航行中，天文定向仍是良好天气时的主要导航手段，而指南浮针则是坏天气时的辅助导航手段。然而，单纯的天文定向对于印度洋方面的长途跋涉和横渡直航则显得大为不够了。由于长时间远离海岸的大洋航行，不可避免地要受到海风与海流的影响与干扰，这种由外界自然界因素构成的风压差与流压差长期作用于船体，将使船舶在若干时间后的实际船位远远地偏离单纯应用天文定向或航迹推算所确定的理想船位，而这种局面一旦出现，必将带来两个严重后果：或者失去航线，不能到达既定的航行目标；或者触礁搁浅、倾覆沉没，发生重大海难事故。因此，为了确保大洋航行的安全，必须有一种相对较为准确的客观定位手段，这就是天文定位技术。

北斗七星是由大熊座七颗明亮的恒星组成。在北天排列成斗（或勺）形，因为这七颗星较易被观星者辨认出来，所以常被用作指示方向和认识星座的重要标志，是一个重要的星群（见图3-3）。

图3-3　北斗七星

北斗七星之名始见于汉朝《春秋运斗枢》⁽¹⁶⁾中记载：“第一天枢，第二天璇，第三天玑，第四天权，第五玉衡，第六开阳，第七瑶光。第一至第四为魁，第五至第七为标，合而为斗。”北斗七星的中国星名由斗口至斗杓连线顺序为天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳和瑶光。前四颗称“斗魁”，又称“璇玑”；后三颗称“斗杓”。现代星名则命名为大熊座α、大熊座β、大熊座γ、大熊座δ、大熊座ε、大熊座ζ和大熊座η。通过斗口的两颗星连线，朝斗口方向延长5倍可以找到北极星，这两颗也称作指极星。

中国古代十分重视北斗七星，战国时期的《甘石星经》⁽¹⁷⁾记载：“北斗星谓之七政，天之诸侯，亦为帝车。”这是指皇帝坐着北斗七星视察四方，定四时，分寒暑，把北斗星斗柄方向的变化作为判断季节的标志之一。战国时期古籍《鹖（hé）冠子》⁽¹⁸⁾记载：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”《史记·天官书》与《汉书·天文志》均有“直斗杓所指，以建时节”的记载。

通过北斗七星，我们可以找到许多知名天体。沿天璇、天枢方向可以找到北极星；沿天权、天枢方向可以找到五车二；沿天权、天璇方向可以找到北河二；沿天权、天玑方向可以找到轩辕十四；沿“勺柄”往外方向可以找到大角星；沿天玑、天权方向可以找到织女星。

天文定位是通过测量太阳、月球、恒星等天体的高度角求出船位的方法。可以不需任何陆标，只需天气条件良好、海天水平线清晰便可进行，直到当今电子航海时代，用六分仪测天定位仍是海员必须掌握的基本功之一。

航海天文学认为，天体在宇宙中都有一定规律的运动轨迹。人站在地球表面某一点上观测某颗天体，都能以该天体在地球的垂直投影点为圆心，以观测点与该投影点的距离为半径，画出一个大圆圈——天文船位圆。而站在这种天文船位圆的任何一点上观测该天体，其观测角度（或天体的出水高度）都是一致的。如以北极星（北斗星略近）为观测天体，其出水高度约为观测者所在的地理纬度。唐代已能利用仰测两地北极星的高度差，来确定南北距离的变化，并广泛应用于实践。

北宋的《新唐书·天文志》⁽¹⁹⁾记载，开元十一年（723年），著名天文学家和佛学家僧一行⁽²⁰⁾为编写历法，率府兵曹参军梁令瓒⁽²¹⁾，用铜铁铸成可以测量星宿运动和考察月球运行规律的黄道游仪。通过观测日月五星的运动，测量一些恒星的赤道坐标和对黄道的相对位置，他们发现这些恒星的位置与汉朝所测结果有很大变动。僧一行还创制了另一种测量仪器“复矩”。据《旧唐书·天文志》记载，“以复矩斜视，北极出地三十四度四分”。由此可见，其用途是测量北极仰角的。据学者推测，在“复矩”的顶点系一铅锤，在直角安装一个由0°到91.31°（因古时以圆周为365.25°，故直角为91.3°）的分度器即可。(www.xing528.com)

图3-4　复矩测北极星高度

使用时，把复矩的一个指定的边直指北极，使此边正好在人眼和北极的连线上，则悬挂重锤的线即能在分度器上指示出北极的高度来，如图3-4所示。我们知道，北极的高度与我们今天所说的地理纬度差不多相等（因为地球不是理想的球体，会有一些偏差，但该偏差很少，一般可以近似认为相等）。僧一行发明的“复矩”是一种简便的测北极高的仪器，在天文大地测量中起了非常重要的作用。

唐朝有可能用一种称为“唐小尺”的量具作为航海天文定位观测仪器。“唐小尺”是测量晷景的量具。唐小尺制广泛应用于民间，每寸相当于今2.52厘米。如航海者引臂握尺进行观测，以尺的下端平切水线，以尺的上部刻度视接北极星，即可大略推算出海上南北里程的变化数值，亦即粗糙估计出观测时的大致纬度，从而决定下一步船舶应取的大致航向。

天文定位的应用在唐诗中也有体现，唐朝诗人沈佺期⁽²²⁾在题为《度安海入龙编》的诗中这样写道：“北斗崇山挂，南风涨海牵。”即当海员观测北斗星到达“挂”在崇山（今越南境内）顶上的高度时，在涨海（今南海）中的帆船，即可渡过安海（今北部湾）而进入龙编（唐代交州港口之一，约今越南河内）。

在古代，天文导航又叫过洋牵星，包括观测方向和方位两个部分。指南针用于航海后，天文导航继续使用，并与指南针相互配合，得到进一步充实和发展。随着航海业发展的需求，人们将天文学和测量数学的知识应用于航海，就形成了称作“牵星术”的船舶定位方法。该法以“牵星高低为准”，通过所测量的星斗高低位置来计算船舶与陆地的距离，再从观测日月出没或通过指南针得知的方向，就可得出船在大海中的位置了。

牵星术的重大突破是牵星板的使用。关于牵星板的起源，目前在我国有三种不同意见：一是据我国明代史料所载，牵星板与阿拉伯航海家使用的牵星板相似，认为这种工具在我国的使用是受阿拉伯人的影响；二是依据泉州出土的竹尺，认为牵星板起源于我国宋元之际；三是以成书于公元前4世纪的《巫咸占》⁽²³⁾和马王堆中找到大量用“指”作为纬向量角单位的记载，认为牵星板的出现有可能在战国时期。

目前可见最早描述牵星板的文献是明朝李诩⁽²⁴⁾编撰的《戒庵老人漫笔》⁽²⁵⁾：“苏州马怀德（有）牵星板一副，十二片，乌木为之，自小渐大。大者长七寸余，标为一指、二指以至十二指，俱有细刻若分寸然。又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指、半角、一角、三角等字，颠倒相向，盖周髀算尺也。”以上所说的牵星板共有12块，经过复原，最小一块为一指，每边长2厘米，依次为二指、三指，各板每增一指，每边递增2厘米，至最大的一块十二指板，每边则长24厘米。板中心有一孔，穿孔系一细绳，绳长54厘米。当牵星时，先选取适用的牵星板，一手平举持板向前，一手牵绳的一端置于眼前，观测者一眼顺绳前望，使板的上缘对齐所测星辰，下缘对齐海平线。此时使用的是几指板，便得出测天高度是几个“指”数。图3-5为用牵星板测星体高度的示意图。

图3-5　牵星板测星体高度

折算后一指约为1.9°，一指又分为四“角”。经核算，此数据与唐朝《乙巳占》⁽²⁶⁾及《开元占经》⁽²⁷⁾所引用战国时代的《巫咸占》中关于金星与月亮间最大南北向角距为“容五指”的记载是相吻合的。由此可推，明初观测星体高度应用的是我国传统的计量单位。

海船在航行中利用晨光或昏影（即民用航海中日出前或后的12分钟左右），既能看到较亮的星体，又能看清水天线，测出星体的指数，再与目的港的星体指数比较，计算出所需的航程，配合海图中所标航向，便可到达目的港。牵星板的发明为明初郑和下西洋提供了强有力的定位和导航工具。