现如今，我们普通人都可以通过手机等设备使用“GPS”“北斗”等全球定位系统进行定位，显示自己的经纬度，也可以通过谷歌等卫星地图从上帝视角观看全球各地区的海陆地理图。

那么，在500甚至于300年前，没有先进导航定位系统，没有上帝视角，那些航海家们是如何在茫茫的大海上确定自己和位置和绘制海图的呢？

大帆船

现在我们都知道船舶在进行远洋航行时，必须时刻掌握船只所在的经纬度从而确认自己的坐标有没偏离目标航线。

其实，这一套经纬度定位法也是从古代航海术发展演变而来的。自新石器晚期开始，随着人类活动范围的扩大，便开始有了航海。一直到中古时代，航海对人类来说，都是极其冒险的活动，那时的航海主要依靠山形、水势、地物作为导航标记，这些属于地文导航，由于各种条件的限制，地文导航的航海基本不会远离海岸线去未知海域探险。而后随着指南针的出现和航海术的发展，以日月星辰作为导航标记的天文航海时代开始了，人们开始敢于离开海岸线，深入未知海域探索。

北极星和北斗七星

据说，人类所有的古代文献中，大家都一致认为地球是平的，直到哥伦布出海航行时，罗马教会所把持的解释权也认定地球是平的，地圆说简直就是异端邪说，但那些勇敢且睿智的航海家们相信地球是圆的。

如果地圆说理论往前追溯，在古希腊时期的埃及亚历山大城，有一位天才一般的天文和地理学家，他就是埃拉托色尼。

有这么一种现象引起了他的注意。他的友人寄给他的信中描述了一个奇观，埃及南部城市塞恩（今阿斯旺附近）的三角洲中有一口水井。在每年的夏至日的正午，太阳光会直射到井底，其他直立物体都没有影子。

而在尼罗河口的亚历山大城，夏至日的正午，垂直物体仍会有阴影。

于是，勤于思考的埃拉托色尼根据这种现象做了一个实验。在夏至日正午影子最短的时候，他测量了一根垂直木棍投下的影子的长度，算出了太阳与亚历山大港垂直地面方向上的角度约为7度，大约是地球圆周角的五十分之一，据此，他计算出地球周长约为4万公里，与今天测量的地球周长（40076公里相差无几）。那么为什么在塞恩一根一模一样且垂直与地面的棍子与太阳光的角度是0呢?

有时灵光一闪而过，牛顿也吃苹果。这位早于牛顿1800年的埃拉托色尼或许也被苹果砸中脑袋，灵感迸发，假设太阳发出的光线是平行的，那么自己脚下的地球就肯定是弯曲的，否则所有地方太阳光与垂直物体的夹角都是一样的。

纬度的计算

有了地球是圆的概念，提出“地理学”的埃拉托色尼发明了经纬度的概念，用来定位坐标和测绘地图。然而遗憾的是，他的著作和理论遗失在历史长河中，不为人们所熟知。

经过漫长的实践积累，那些坚信这个世界是球形的航海家们发现自己的位置，即经纬度可以通过测量海平面和特定的天体（如太阳、月亮、恒星）之间的夹角来计算得出，于是航海术便与数学几何、天文学等学科发生了紧密联系。

那么，在15至19世纪的大航海时代，航海家们到底使用什么样的仪器来测定经纬度呢？总的来说，就是天文定纬度，时间定经度。

以“天”定“纬”

最早的时候，人们观测星空，并将那些显著的星辰刻画在盘子上，形成了星盘。

到了15世纪晚期，航海家去掉星盘上的星相图，发明了一种航海星盘，用于测量陆地的纬度和船在海上的位置。航海星盘由一根可转动的指针固定在一个木盘的中心，盘上的圆周上标有度数。

航海星盘示意图

使用方法：将星盘悬挂成垂直状态，让零度标记线与水平面齐平，然后移动指针指向要测量的天体，即可测出天体高度，从而得出船舶所在的纬度位置。显然，在波涛汹涌的海上，这种方法难操作且误差大。

这种航海星盘和后续的改进型—直角象限仪，由于都采用目视直接测量角度，即使在风平浪静时，测量误差也会很大。

直角象限仪示意图

1530年以后，西方航海家们普遍使用十字测天仪。它是由一根上下两端皆有孔的短杆垂直装在一根带有刻度尺的长直杆上；短杆可在长杆上前后移动，上下两孔可分别看到地平线和天体。这种侧天仪仍然是目视法测量，所以尽管精度和方便性有所提高，测量误差依旧不小。

十字测天仪示意图

1595年，英国的约翰·戴维斯发明了反向天体高度观测仪，通过镜面反射太阳照在刻度尺上的影子，便可得出天体高度和所处纬度，这种反射式间接测量法克服了之前仪器的缺点，精度大大提高，这种仪器一直使用了100多年。

反向天体高度观测仪示意

到了1730年，美国的戈弗雷和英国的哈德利分别发明了八分仪。八分仪得名于仪器的刻度弧约为圆周的八分之一（即45°）。测量范围90°。其也是运用反射式间接观测法，方便性和精度继续提高。

八分仪示意

1757年，坎贝尔以八分仪为基础，将测量范围扩大到120°，称为六分仪。

六分仪使用示意

使用方法：观测者手持六分仪﹐转动目视镜﹐使得在视场里同时出现的天体与海平线重合。六分仪最大的特点是轻便和集成化﹐可以克服船只在海上的晃动误差，使用这种仪器测量地球纬度的精度已经很精确。

集成化的六分仪

精确测量纬度的问题解决了，但直到17世纪初期，精确测定经度的方法仍未找到。

那时的人们已经知道，精确测定经度的关键在于精确测量时间，但是计时仪器却发展很慢。

以“时”定“经”

在钟表发明前，日晷仪、沙漏和夜航仪是航海中常用的计时仪器。

日晷

日晷仪也称日晷，是观测日影记时的仪器，主要是根据日影的位置指定当时的时辰或刻数，由晷针和晷面组成。日晷是人类在计时领域十分重大的发明，被人类沿用达几千年之久。

当阴雨天气时，时间如何测定呢？人们继而想到了沙漏。用沙子下落的时间长度，来定义时间间隔。

当夜晚的时候，则使用夜航仪来测时间。夜航仪是利用北极星来测定时间，使用方法和航海星盘类似，都是用来粗略估计时间。

夜航仪

1759年，英国钟表匠约翰哈里森经过20多年的潜心研究和试验，最终制成了第四代精密天文钟，这使得以皇家格林威治时间为基准，航海精确测量时间成为可能。

哈里森H4天文钟

1766年，内维尔马斯克林内出版了英国第一本实用的《航海历书》。随后，著名的库克船长带着H4天文钟和《航海历书》，以自己强大的航海和测绘能力纵横太平洋，绘制了大量精确的地图，其精度之高，一直延续使用了近200年。

库克绘制的纽芬兰地图

库克绘制的新西兰地图

现在，航海仪器和理论都已知晓了。那么，就让我们一起驾驶着大航海时代的帆船去探索未知的世界吧！

满帆启航。