从不辨东西到星辰大海——人类导航技术史初探 

　　文/任  辉

　　我们是谁，我们从哪里来，要到哪里去……这是哲学史上的永恒之问。但在人类漫长的历史上，不知道自己在哪里，不知道从何来，不知道往哪儿去，却也是实实在在的生活困扰。自农业文明以来，我们的生活范围不断扩大，如何确定自己的方位，成了每个人必须面对的难题。

　　自然万物的变化总是能给人们带来启发：太阳总是从一侧升起，另一侧落下，东西方向的定义也就由此而来。而夜间的星辰变换虽然复杂，但仔细观察不难发现，北半球的所有星辰都在围绕一个点——北极星做圆周运动，由此，南北方向的定义也由此而生。

　　但定向和定位是完全不同的两个概念：我们要去往陌生目的地的时候，仅仅知晓方向并不能解决问题，我们还需要知道目的地与我们的相对位置和距离。在今天，我们用经纬度坐标可以方便地获取这些信息，但是在远古时期，人们只能通过地标作为参考——小明居住的村落，在我的村落旁边河流的下游；村头大槐树南边50步，就是他的茅屋。这个办法我们至今也在沿用，比如我们问路的时候，对方总会告诉你，往南走，过第二个红绿灯右拐300米就是你的目的地。这就是一种典型的地文定位法。

　　地文定位虽不精确，但在陆地上还是大概堪用的，可随着人类的活动范围从陆地扩展到江海，在缥缈浩瀚的深海大洋上就很难找到可靠的参照物了，所以最早期的航海活动，都只能沿着岸边航行，通过观察岸上标志性的地形、植被来判断自己的大概位置。

　　生活在南太平洋上的南岛人似乎突破了这个局限，在他们对南太平洋岛屿长达4000年的征服史中，不可避免地会远离海岸航行，那么在茫茫大洋之上他们如何找到陆地和岛屿呢？我们推测，他们通过经验掌握了洋流和风向的变化规律，并学会了以星辰的角度修正自己的航向，甚至可以通过海鸟导向——大多数海鸟会定期返回岸边巢穴，跟着鸟走，就可以找到岛屿。可以看到，以风向水势、甚至海洋生物引路的方式，在波利尼西亚航海的过程中发挥了巨大的作用，这就是所谓的水文定位法。

　　当然，水文定位对所经过海域的水文环境要求很高，需要有明确的水色变化，或者独特的水生生物作为标记，而这些特点在绝大多数远洋水域都很难找到。更要命的是，水文定位的精确性非常差，指示个大概方向尚可，远距离精确导航就完全不靠谱了。

　　不过很快的，另一种导航方式逐渐成熟起来，这就是更路导航法。

　　我们知道，古人通过观察日月星辰，已经可以大致的定位东西南北方向，尤其是指南针发明之后，在海上判别方向已经不是难事。一些早期的航海探险者就把自己远洋游荡的经历汇集成册，编成了《更路薄》。比如一个老水手偶然从三亚闯荡到了西沙并侥幸得以归航，他就会在《更路薄》上记载自己这趟航程中所遇到的一些地标和路程，比如在海南发现的《立东海更路》就有这样一条记载：自大潭过东海，用乾巽驶到十二更。

　　“更”是古代水手使用的距离单位，1更约等于60里，聪明的水手们会把木片从船头扔下，计算它漂到船尾的时间，用船的长度相除，就能算出船只现在的航速，然后以焚香、沙漏等方式，大致算出跑一更的时间。根据这条更路薄的记载，从大潭（今潭门港）出发，往东南方向（乾巽）行驶了12更（720里），就可以到达东海（今西沙群岛）。

　　其实大家也能看出，这个方式精确度不会太高，由于风向、洋流的影响，测量出的船速误差很大，而老水手们凭借经验总结出的航线距离和方位，也只是一个大概。东晋时期的法显和尚在天竺学经回国，走的就是海路，尽管水手们使用了最新的更路薄，但法显乘坐的船只还是错过了原本的目的地广州，一直漂流到青岛才得以靠岸。

　　和纬度不同，经度完全是一个人为概念，在同一纬度上的任何一点，没有任何天文和地理意义上的差别，你完全可以把北京的位置定位东经100度，也可以定为西经100度，并没有本质的区别，这也让我们无法通过自然特征去测量自身的经度。然而总有一个变通之法：地球24小时自转一周，将这一周等分为360度，那么每个小时就相当于15度，只要知道两地的时间差异，就可以知道两者之间的经度差了。举例来说，如果知道某地的正午12点正好是伦敦的上午10点，那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。

　　根据这个设想，荷兰数学家弗里西斯提出用一个“特别精确的钟”来推算经度。这个钟总是显示陆地上一个地区——比如伦敦——的当地时间，带着它航行，然后测量星体高度角计算出本地时间，再用这个时间和伦敦时间比对，就能知道这个地方位于伦敦东西方的确切经度。这就是“钟表法”。

　　另一个解决思路方案来自天文学，德国天文学家约沃纳提出利用月亮的移动来测量经度。他发现，月亮在天空中的相对位置每时每刻都在改变，大约每小时移动一个月亮直径的距离。假设从地球各处观察月球在星空中运行的轨迹基本都是一样的，比如月球会在伦敦时间今晚1点刚好掩盖了某恒星A，那么海上的水手在观察到这个现象的时候，就能知道此刻伦敦的时间，只要再算出这艘船所在位置的当地时间（还是观察星体的角度），就能知道自己的经度。这就是“月距法”。

　　这两个原理看似逻辑清晰，却都被困在了第一步——因为当时根本没有这么精确的钟表，也没有办法预测月球每一天的运行轨迹。以当时的制表工艺，一块表每天快慢个几分钟都是稀松平常的，一趟远洋航行动辄数月，行驶到大洋深处时，这块表所显示的伦敦时间可能就比真正的伦敦时间差了好几小时，而以赤道为例，差四分钟，就是差了1个经度，距离上就差了108公里，如果这块表误差了半个小时，后果不堪设想。而“月距法”面临的问题是，我们当时并没有一张准确的星图，也没有一个公式能准确地推算出月球的运行规律。

　　在那个科学大爆发的时代，无数天才投身解决这个难题。在英国格林尼治村，天文学家弗拉姆斯蒂德立志为“月距法”描绘一幅精确的星图。他假定天空中有一条虚拟的零经度线，通过夜以继日的研究，一颗一颗地记录下每颗星星通过这条线的时间和所处的高度，就可以画出这张星图。作为一名坚韧的斗士，弗拉姆斯蒂德昼伏夜出，天文台就是他的家，望远镜就是他的眼睛，甚至结婚这件事都差点儿耽误了。

　　苦心研究了37年之后，弗拉姆斯蒂德获取的数据已经非常丰富，这让迫切需要这些资料来研究月球运行规律的牛顿异常兴奋，但弗拉姆斯蒂德坚持认为这些数据还不完美。心急的牛顿只得指使好友哈雷把资料偷了出来，此举彻底惹怒了弗拉姆斯蒂德，他不仅索回了大部分数据，还负气烧毁了很多设备。1727年，牛顿带着未能破解月球运动理论的遗憾与世长辞。

　　巧合的是，就在牛顿辞世的这一年，两个年轻人也投身经度难题的破解，分别从“钟表法”和“月距法”两个方面做出了重大突破。

　　约翰·哈里森本是一名籍籍无名的英国木匠，言语木讷的他却拥有极强的机械天赋和动手能力。他发现，当时最精确的钟，就是在伽利略单摆理论的基础上由惠更斯发明出来的摆钟。哈里森意识到，钟表走时不准确，一部分原因出现在惠更斯的设计缺陷上：钟表的擒纵器在传递发条能量时，总是会造成新的摩擦力，这种摩擦难以消除，又不易量化；在重力恒定的前提下，钟摆的运动频率因长度而不同，那么，热胀冷缩所引发的钟摆长度的变化，也会造成钟表不够准确；最后，传统摆钟也无法规避船只晃动对钟摆的影响。

　　为了减少擒纵器摩擦带来的误差，哈里森发明了新式擒纵器——“蚂蚱”，这种擒纵器尽量减少部件之间的接触，通过巧妙的力学平衡来达到有节奏传输发条能量的目的；随后，他又发现可以利用不同金属的热胀冷缩比的差别，来抵消气温对钟摆长度的影响；而要解决船身晃动的问题，他设计了一个哑铃状的钟摆，左右两侧的钟摆两端分别以弹簧相连，那么无论那边的受到晃动影响，都会被另一方的抵消，这就最大程度上解决了船身摇晃的问题。

　　天文学家哈雷和钟表专家乔治·格雷厄姆注意到了哈里森的研究，在他们的资助下，1736年，第一台航海钟——H1横空出世，经过海上测试，H1已经可以把经度确定到2/3度的水平。此后的几十年里，哈里森不断完善自己的设计，相继推出了可以抵消船只转向离心力影响的H2，以及采用夹圈轴承减少摩擦的H3。到了1759年，哈里森拿出了仅有13公分、1.5公斤的H4，引发了学术界的巨大轰动。

　　同样在牛顿去世那一年，一个20岁的瑞士小伙子继承了牛顿的研究，他通过分析弗拉姆斯蒂德的星图，以数学公式的形式推算出了月球运行的轨迹。这个小伙子就是数学巨匠欧拉—— 一个在眼睛瞎了之后，还可以用心算研究微积分的男人。

　　我们可以看出，这个时候，钟表法和月距法的竞争已经白热化，两者都已经做到了理论的初步实现，现在要做的，就是比试谁的精度更高。

　　1761年，库克船长等多名航海家开始了对这两种定位方法的海上测试，实验结果表明，钟表法和月距法都非常成功。

　　但月距法还存在一个很大的问题：它需要运行大量的数学计算，一个熟练的导航员也需要算四五个小时才能得出结果，这个复杂的计算过程中出任何差错，都会导致结果谬之千里。月距法的领头人物马斯卡林显然意识到了月距法在计算上的困难，决定采用一种暴力破局的方式——他雇用了一大群学生，提前算好每年的月球轨迹，然后印刷成册子，这样水手们只需要购买当年的数据直接查阅就可以了。1766年，马斯卡林出版了第一卷《航海年鉴和天文星历》，且此后每年都会出版第二年的《年鉴》，这本年鉴甚至出版到了今天。由于《年鉴》始终把格林尼治天文台的位置作为本初子午线，世界各国也不得不接受了这种经度和时区的划分方法。

　　而哈里森的航海钟也没有停止优化的脚步，1770年，已经垂垂老矣的哈里森推出了再次升级的H5航海钟，英国国王乔治三世马上命令御用天文台对H5进行测试，测试结果非常精确。1776年3月24日，哈里森去世，作为一个一辈子追求准时的木匠，哈里森去世的日期也相当精确——他是在生日那天去世的。

　　自此之后，人类终于可以准确地知道自己在哪里，要去何方，我们第一次掌握了全球范围内的定位技术。这套经纬度定位方式是如此精确，以至于一直沿用了200多年，甚至我们现在用的卫星定位，其实也是时钟法的一个升级版本。

　　以美国的GPS系统为例，卫星1它发出信号，我们手里的设备接收这个信号，卫星发给你的信号是什么内容呢？是它上边所携带的卫星钟在发射信号的时候的时间t1，和它所在的太空中的坐标X,Y,Z，你的接收机自己带一个时间t2，两者相减再与光速相除，就是你和这颗卫星的距离。

　　但在这颗卫星1看来，和它保持这个距离的其实并不止你所在的这一个点，而是所有和它保持相同距离的一个圆。所以你需要卫星2的信号，这样可以确定你在卫星1和卫星2重合的一个面上，再引入卫星3的信号，才可以大致确定你的位置。问题在于，时间总是有误差的，GPS的时间，是通过地面基站上的原子钟，每天更新一次，而你手持设备上的时间，则误差更大，那么就需要引入卫星4的信号，通过一系列复杂的公式来抵消这个误差。这也就是为什么我们的GPS仪器接收到的卫星信号越多，定位就越精确的原因。

　　不过，人类的定位需求真的被彻底满足了吗？其实并没有，虽然在地球上，只要有GPS覆盖的地方，我们就不需要再为这个问题发愁，但是，我们的征途是星辰大海，我们已经征服了大海，接下来，势必就是星辰！

　　我们现在的很多卫星和飞船，在低于导航卫星的轨道之下的时候，依然可以和地面上一样采用卫星定位，但一些深空探测器，或者我们未来会制造出的星际飞船，则无法享受这个待遇，它们必须找到新的导航方式，而目前看来，脉冲星定位或许是一个可行的办法。

　　脉冲星在自转过程中，会按照周期性发射稳定频率的电磁辐射，我们可以把它们简单地设为灯塔，尽管我们并不知道这座灯塔和我们的相对位置信息，但我们可以在地面或太空设立三个观测站，用脉冲星信号到达各观测站的时间差，算出脉冲星与地球的相对方位，而通过对不同方向的多颗脉冲星信号测定，就可以获得脉冲星列阵。那么和航行在海上的船只一样，我们只要有一台足够精确的钟表可以记录地球的时间数据，再把飞船上接受的脉冲星信号与地球数据相对比，就可以算出飞船相对于脉冲星或地球的位置。

　　我们现在回头来看看，人类一路走来，先是不知东西，继而学会了根据太阳星辰分别方向，随后可以利用地标和方向行走四方，然后战战兢兢地沿着海岸踏入了海洋，又壮着胆子用天文、海文知识慢慢走向深海，再通过星空定位了纬度，最终在激烈的角逐中确定了经度……直到今天，我们掏出手机，就可以很方便地指示任何方位。在这漫长的岁月里，为了解决这个关于定位的最初问题，汇聚了全人类顶级的智慧，推动了无数个行业和科学门类的发展，甚至还将在更为久远的未来持续地探索下去。

　　让我们回到开头的那三个问题：我们是谁，我们从哪里来，到哪里去？这些问题可能永远没有答案，但波澜壮阔的人类文明史和闪耀的群星又仿佛在回应：“真理的大海，让未发现的一切事物躺卧在我的眼前，任我去探寻！”我们为探求未知而来，前行的步伐，就是我们的命运。