从新石器时代到唐代，地文航海与指南针的重大突破

航海史

人类至迄在新石器时代晚期就已经有了航海活动。可以作为证明的是：中国大陆在新石器时代创造的彩陶文化和黑陶文化的器物已在中国澎湖岛的良文港和台湾岛的高雄、台中、台南等地发现；代表中国东南沿海地区百越新石器的特型器物“有段石锛”，在浙、闽、粤各省屡有出土，而且在台湾、菲律宾、大洋洲岛屿，甚至远到南美洲如厄瓜多尔等地都有发现。

早期的航海活动　汉代学者王充所著的《论衡》记述周成王时“越裳献雉，倭人贡畅”。越裳是古南海国名，倭人是指古代的日本人。虽非正史记载，但也反映了西周时海上航行已是经常事了。

公元前4世纪下半叶，希腊航海家皮忒阿斯驾舟从希腊当时的殖民地马西利亚（今法国马赛）出发，沿伊比利亚半岛和今法兰西海岸，再沿大不列颠岛的东岸向北探索航行到达粤克尼群岛，并由此折向东到达易北河口。这是西方最早的海上远距离航行。在此之前，地中海内的航行活动，已相当频繁，并且有海战。公元前490年发生的历史上有名的希波战争中，希腊就曾以数百艘长约130英尺、三层桨座的战舰抵抗波斯舰队。

那个时代的航海人员，不论东方的，或是西方的，都只能掌握初级的引航技术，即只凭对地形、水势的辨认以计远近，观测日月星辰以判别方向。

战国末期，中国的海上交通颇有发展，沿海地区设置了一系列港口，沿海岛屿与大陆间的联系日益增进，对邻国如朝鲜、日本、越南等的海上交通逐渐增多。

秦始皇重视航海，统一全国后，曾五次巡视各地，包括渤海沿岸的一些港口，在芝罘刻立石碑。他最后一次巡视是从镇江附近乘船出海，扬帆北上，再次到达芝罘。秦朝有几次较大规模的航海活动，徐福东渡日本，就是其中的一次。

从沿岸航行到远洋航海　汉代和唐代是中国历史上两个繁荣强盛的朝代，航运有较大发展。汉代不但开拓了广泛的沿海航行，而且向远洋发展，远达印度半岛的南部和锡兰（今斯里兰卡）；并以此为中介，使得当时世界上两大帝国——东方的汉帝国和西方的罗马帝国连结起来，构成一条贯通欧、非、亚的海上航线。唐代为了扩大海外贸易，开辟了海上“丝绸之路”，船舶远航到亚丁附近。贾耽《广州通夷海道》曾对这条当时是世界上最长的航线所经过的港口、转向点以及航行所需时间等等作了详细记载。海上“丝绸之路”，不仅是条贸易之路，更是一条友谊之路，为三大洲人民的文化和经济交流作出贡献。

汉唐两代的沿海航行，可以设想是根据山形水势来引航。这种引航方法，在航海学上称为地文航海或引航术。而当船舶航行在长期见不到陆岸的大海洋时，就采用天文航海技术来引航了。

《汉书·艺文志》的“天文类”中有“海中占验”存目136卷。虽只有卷目而无内容，但仍不难判明是当时的天文导航著作。如《海中二十八宿国分》有二十八卷，《海中二十八宿臣分》也有二十八卷，合共五十六卷，当即是天文导航的定位部分。中国古代天文学把天区划分为二十八个星空区，称为二十八宿，并按列宿划分它们所对应的地面区域。《汉书》所载的占验，不过是以二十八宿来划分它们所对应的海上区域而已。航海有了这样的“海中占验”的卷册，就不难据以判定船舶所在的地域和指导航行的方向了。但是并不能认为汉代已能在海上精确地测定船位。因为，在海上观测天体确定船位，有许多基本条件必须具备，诸如必须有天体位置的资料，观测天体的器物，准确的时计等等，而这些条件在当时几乎不可能具备。不过有了这种按星宿划分对应地面区域，至少可使海上船舶不至于迷航。

指南针应用于航海　宋代在远洋航线方面没有什么扩展，但在航海技术方面却有划时代的创新。指南针在船上的应用，是航海技术上的重大突破。指南针是中国发明创造的，把指南针应用到船上也是从中国开始的。最早的记载是宋宣宗年间朱彧的《萍洲可谈》和徐竞的《宣和奉使高丽图经》。航海使用指南针，不仅解决了恶劣天气下的海上求向问题，而且为仪器导航开辟了道路，人类从此才真正摆脱了海岸的羁绊而驰骋在更加广阔的海洋上。而航海技术的提高，反过来又促进了指南针的改善和发展，创造出更适用于航海的磁罗经，也称磁罗盘。南宋吴自牧《梦梁录》中说“风雨晦冥时，唯凭针盘而行”，针盘就是磁罗经。在12世纪船用磁罗经通过阿拉伯传入欧洲后，欧洲海员也开始使用。现在船上通用的磁罗经，则是经过19世纪末英国科学家开尔文改进的海军型磁罗经。

北宋科学家沈括发现地磁对指南针的影响。他在《梦溪笔谈》中记录了地磁有偏角，这一科学结论指出地点不同偏角的大小也不同。这一发现比1492年哥伦布横渡大西洋时的同一发现早4个世纪。不过地磁偏角的量值，则是1580年W.巴勒测得的，为11°25′。1724年G.格雷厄姆根据观测的结果，提出电磁偏角逐年在变化。

罗经自差也是中国最早提出来的。约在1652年前后，方以智《物理小识》提到铁器对磁针的干扰和海船不宜用铁钉的原因，因为“海咸烂铁，且妨磁也”。在西方，自差则是在18世纪才发现的。1724年前后，英国人J.史密斯发现木箱的铁钉会影响罗针的指向。1801—1802年，英国船长M.弗林德斯发现利用一根垂直软铁放在罗经前面，可以部分修正罗经自差；所以现在磁罗经的前面有一铜质垂直圆筒，内贮放筒形软铁。1839—1855年，英国皇家天文学家G.B.艾里提出，在罗经前后、左右和上下排列磁棒，可把罗经自差消除到最小程度。

助航设施的设立　在古代地中海沿岸就建有助航设施。公元前660年，小亚细亚西北部的特洛伊地方筑起灯塔，可能这就是灯塔的始祖。约在公元前280年，在埃及北部亚历山大港建造的灯塔，高逾200英尺，为古代世界七大奇景之一。

英国在1732年开始在泰晤士河口设置一艘小船，于横桁上悬灯一盏，指引行船，这是第一艘灯船。美国在独立战争前的1767年在特拉华河布设浮标，后在1820年换用圆柱形浮标。同年，在东部切萨皮克湾设置第一艘灯船。1850年，美国国会规定了水路标志的颜色和编号制度。19世纪末，铃声、汽笛、灯光浮标相继问世。1910年，在纽约安布路斯水道设置了用高压电石气的发光浮标，效果很好。

中国元朝海运漕粮，沿海岸航行，航道上有许多浅滩、暗礁，往往发生船沉人亡的惨剧。至大四年（1311年），海道府根据常熟州船户苏显臣等建议，在长江口西暗沙嘴设置了航标船，船上树立标旗，指引粮船进出。延佑元年至四年（1314—1317年），又在江阴的夏港、需沟等九处设置标旗；在龙山庙前，高筑土堆，四周砌垒石块，土堆上白天高悬布幡，夜间悬灯点火，指引粮船航行。这些航标的设置，对保障航行安全特别是沿海岸航行的安全起了有益的作用。

郑和七下西洋　中国航海技术，经过汉、唐、宋、元几代人的积累和创新，达到很高水平，海上交通空前繁盛。1405—1433年，明永乐至宣德年间，中国航海史中出现了一个高峰，那就是郑和率领船队七下西洋。

明朝建立初期，曾施行过“海禁”，与海外交往稀少。明成祖朱棣政权巩固之后，取消了海禁，并决定派出一支规模庞大的船队，沿着海上“丝绸之路”远航，在中国和亚、非人民之间架起一座座友谊桥梁。船队包括各类大小船只达二百余艘，船工人员二万七千余人，先后七次下西洋，历时近三十寒暑，经过三十多个国家，最远航程到达非洲东岸现今的索马里和肯尼亚一带。率领这支船队的是中国伟大航海家郑和。

郑和船队的远航表明明代中国的航海技术已达到相当完善的程度：①能够熟练地掌握太平洋西岸和整个印度洋上的信风规律和海流形态，并能充分加以利用，使得每次出海航行都能凭借自然要素，保持船队以平均4.5海里/小时的航速持续航行。②能够编组成近百艘各类船的混合船队，统一行动而队形始终保持完整。③《武备志》所收录的《自宝船厂开船从龙江关出水直抵外国诸蕃图》（后人称《郑和航海图》），虽然不是当时航行所使用的海图，确切地说只能是图解的航路指南，但从内容看，基本上可与海图相补充以满足指南的要求。④“过洋牵星”就是天文导航，在海洋中厘定航向和船位，比“海中占验”有更高的实用价值。⑤船队进入印度洋后，“都尽量利用星辰定向，和罗盘针路相辅而行”，说明当时火长（船长），包括船队统帅郑和，已觉察印度洋地区的地磁偏角变化与在太平洋西岸地区的变化有很大不同，为了避免出错，所以罗盘针路总尽量与星辰定向相辅而行，显示了郑和指挥船队的科学性。⑥船队经过的港口和航道都有详细描述记载，滩、礁、屿、岩，无有遗漏，仅郑和航海图就收录了五百多个地名，供后继者参考。(www.xing528.com)

迪亚士、伽马的航海活动　约与郑和下西洋的航海壮举同一时期，葡萄牙亲王亨利（或称航海家亨利亲王）于1420年在他任阿尔加维总督时办了一所航海学校，传授航海、天文和地图绘制等科学知识。这所学校年复一年地送出海上远征队，绘制了自非洲西岸伸展到狮子山国的地图。1487年船长B.迪亚士到达非洲最南端，当时叫作“暴风角”。葡萄牙国王认为既然能到达这里，就有到达东方印度的希望，就把这地方更名为“好望角”。果然在九年后，葡萄牙又一船队在船长V.da伽马的率领下，于1497年秋从葡都里斯本出发，再沿非洲西海岸南下，绕过好望角，于1498年抵达印度的卡利卡特，1499年循原路安全返回里斯本。从此，葡萄牙船舶就经常取道好望角驶向东方进行贸易。随后就露出了侵略面貌，占据了锡兰、苏门答腊、爪哇和香料岛。1517年他们到了中国广州，1542年进入日本。

哥伦布、亚美利哥发现新大陆　当葡萄牙人热衷于一条绕过非洲南端到印度去的全程水路时，意大利航海家哥伦布在地圆学说的影响下，设想向西直驶渡过海洋，或许可以更迅速地和更容易地到达东方的印度、中国和日本。他于1492年8月得到西班牙国王斐迪南和王后伊萨伯拉的援助，率领三艘圆首方尾的小帆船从帕洛斯出发，向西航驶，以期能到达印度。1492年10月终于发现了陆地圣萨尔瓦多，他以为这就是印度附近的一个海岛，其实乃是巴哈马群岛的一个岛。哥伦布没有意识到他所登岸的是一个新大陆。所以，哥伦布虽是第一个登上这个大陆的欧洲人，却不是第一个认识这是一个新大陆的人。认识它是新大陆的乃是另一个意大利航海家亚美利哥。亚美利哥于1499—1500年与A.奥基达合作横渡大西洋，到达南美洲的亚马逊河口；1501—1502年他第二次再到这个大陆时，证实了这里不是亚洲，而是一个新世界，所以后人就以他的名字命名这个洲为亚美利加洲。

麦哲伦环球航行　葡萄牙航海家麦哲伦于1519年奉西班牙国王之命率领船队从圣罗卡出航，越大西洋，从南美洲东海岸南下，穿过南美大陆和火地岛之间海峡（后名麦哲伦海峡）入太平洋，于1522年抵菲律宾，他本人因故被杀。船员于同年9月回到西班牙，完成了人类第一次环球航行。

航海技术的进步　1569年，佛兰德地理学家G.墨卡托发明的圆柱心射投影图最适于航海使用，成为现代海图制绘的基础。墨氏海图的特点在于：在图上用直线接连任何两点，就是这两点之间的航向线，而且这条航向线是以恒向角交于子午线的。只要守定了所设的罗经航向，就能无误地从这一点驶到另一点。

海洋中船舶定位，最关键的问题在于经度的测定。这个问题，从13世纪以来就进行过多种尝试，例如测量月球与其他天体的角距而求经度，但需经过非常烦琐而复杂的数学计算，即使1614年J.纳皮尔的对数计算表问世，也不能减少若干计算量。

在此之后，虽然有很多新的计算经度的方法，但都没有离开观测月球与天体的角距的基本理论。一直到1735～1765年的30年中，英国人J.哈里森研制成基本上可用于海船的天文钟，1766年经过P.勒普瓦的改进，1825年才生产出可以在海船上实用的天文钟。至此，测月球与天体的角距以求经度的方法才开始被扬弃不用。

1843年，美国船长T.H.萨姆纳发现了天测位置线，也称萨姆纳位置线；1875年法国海军军官圣伊莱尔提出了“高度差方法”，此法又称“截距方法”。从此，航海者可以方便地在海上通过对天体高度的观测，求出准确的经度和纬度。

现代航海技术　第二次世界大战结束以来，海上运输日益趋向于快速化和自动化，相应地航海技术也有了明显的改进和提高。

奥米加导航系统的应用　20世纪60年代初出现奥米加导航系统，1966年开始建台，全球范围内只设8个发射台，便能供给航海船舶在任何海域、任何时间、任何气象条件下，选择有利的配对台组获取双曲线信号以测定位置。接收机内装有微处理机，可以自动给出测点的经度和纬度。

奥米加系统的优点在于它能够覆盖任何地区，甚至一定深度的水下。航行中的船不论在哪个海域和什么时间，只要有一台奥米加接收机，都能可靠定位。但由于电离层的突然波动，雨滴静电的干扰，天电效应等等，奥米加信号的接收受到干扰，从而影响这一系统定位的准确度。

卫星导航系统的应用　地面无线电导航系统，在技术上总会受到这种或那种条件的限制，所以当1957年第一颗人造地球卫星送入轨道后，人们就渴望卫星能给导航系统打开一个新局面。在先后发表的多种卫星导航方法中，惟一被采用的是美国海军宇宙航空学小组研制成的“海军导航卫星系统”。这个系统于1960年在伊斯坦布尔讨论会上第一次公布。1964年卫星进入轨道运行，1967年开放作为民用，至今仍在运行。卫星经过上空时，船舶接收机收到卫星的信号，比较卫星发射的频率和接收的频率，以及卫星的轨道数据，经过机内微处理机的计算，就能在接收机的面板上显示出船舶位置的经度和纬度。

海军导航卫星系统的卫星轨道高度只有1000多公里，使得它的覆盖区域受到限制，尽管这个系统有6颗卫星按一定轨道分布在天空运行，中纬度地区也还得在每隔90分钟才能获得一次定位的机会。接收机定位的准确度一般都在0.15公里的圆内，只有当卫星经过上空时，它的仰角大于80°或小于10°的情况是例外。

航行中的船舶利用海军导航卫星系统要隔90分钟才能获得一次测定位置的机会，这是不能充分满足航海定位要求的。现在正在发展一种称作“全球定位系统”的卫星导航系统，它由18颗同步地球卫星组成，轨道高度在2万公里以上。这样就使得地面上任何地点、任何时间都可有4颗卫星供连续定位选择。

全球定位系统从1977年开始进行试验，美国海军和空军联合先送入天空6颗卫星，以后陆续增添到18颗卫星，开放供航海、航空和航天使用。这样，全球定位就将提供一个真正是全球范围的、连续的、全天候的导航系统，它的定位准确度可在10米以内。

卫星导航系统能保证有很高的定位准确度，然而被动式的海军导航卫星系统所提供的准确度对商船并不具有很大意义。商船由于它的营运性质，对主动式的卫星导航更感兴趣。目前在试验的“海事卫星通信导航系统”就是一种既可导航，又可通信的系统。它的优点在于导航的同时，主管部门可与船舶保持不断的通信联系，随时掌握船舶动态，对船舶的运行作更有效的调度。

自动标绘雷达的应用　自动标绘雷达是20世纪60年代至70年代初出现的对船舶避碰有很大作用的导航设备。在此之前，航海者要对通过雷达观测获得的信息进行标绘作业，量取与会遇船的最近会遇距离（CPA）以判断与会遇船有无碰撞危险和决定应否采取相应的避让操纵。自动标绘雷达问世后，标绘和判断完全可由装置在雷达内的微处理机运算，并在荧光屏上显示。如果有可能发生碰撞危险，装置会自动地以图像和音响发出警报，并进行模拟避让，以确定可采用的最佳避让措施。由于自动标绘雷达对保证航行安全有重要作用，国际海事组织规定1984年9月1日以后建造的10000总吨以上的船舶，都应装配自动标绘雷达。

航海自动化的发展　20世纪70年代在微处理机在船舶上应用的基础上发展出自适应自动操舵仪。当船舶的载货和航速发生变化或外界条件（气象、海浪）发生变化引起船舶操纵性能变化时，这一装置能感测到这些变化而自动调整控制参数，保持最佳的操舵状态。

航海技术应用电子技术和电子计算机技术后，各种航法计算实现了自动化；船舶定位实现了自动化；船舶的机舱管理、驾驶操纵也实现了自动化。集合这些自动化系统就能构成船舶驾驶自动化的综合导航系统。但目前这个系统有许多环节尚需人工操作，仍属半自动的性质。近期研制的综合导航系统不仅对会遇船舶，而且对岛屿、礁石等障碍物也可自动避碰，还可贮存全部海图资料、航行通告、气象海浪等有关信息，从而能完成航线选择过程的自动化。