航海定位GPS前身
—— 六分儀

供稿 尚 可

航海定位GPS前身
—— 六分儀

供稿 尚 可

如今在茫茫大洋上航行的船只主要依靠GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)確定所處的方位，也就是當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度。而在太空時(shí)代到來(lái)之前，眾多航海家馳騁四海時(shí)所依賴的設(shè)備，除了羅盤之外就是六分儀了。顧名思義，六分儀的主體就是一個(gè)扇形框架，扇形的弧度是60°，也就是圓周的1/6。主要部件由一塊固定的半反射玻璃（地平鏡）、一塊可活動(dòng)的鏡子（指標(biāo)鏡）、望遠(yuǎn)鏡以及活動(dòng)臂組成。它可以精確測(cè)定天體與地平線之間的夾角，從而推算出地理坐標(biāo)。

六分儀的誕生

1730年，美國(guó)人戈弗雷和英國(guó)人約翰·哈德利分別獨(dú)自發(fā)明了八分儀。兩人都把設(shè)計(jì)方案提交英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，后者于1734年又提交了一個(gè)改進(jìn)方案，得到普遍采用。哈德利研制成功一種反射望遠(yuǎn)鏡，接著又制作了一種在海上測(cè)量角度的儀器。觀察者可通過(guò)一面鏡子同時(shí)看見(jiàn)地平線，它們之間的角度可用邊緣標(biāo)有刻度的象限儀測(cè)出，測(cè)角范圍可達(dá)90°，這樣就把簡(jiǎn)單的象限儀（測(cè)角范圍45°）所測(cè)量之高度增加了一倍，成為一種測(cè)緯度的理想儀器。該儀器的另一優(yōu)點(diǎn)是它能使星辰天體的形象與地平線成一直線，而且所測(cè)讀數(shù)更為精確。由于它準(zhǔn)確，價(jià)格便宜，使用方便，極受航海人員歡迎，直到20世紀(jì)仍然作為測(cè)量天體高度確定緯度的方法。

1732年，英國(guó)海軍部把八分儀放在一只小艇中作試驗(yàn)，結(jié)果非常精確?？墒前朔謨x的90°標(biāo)度用做測(cè)量月球與天體的角距，事實(shí)證明是非常不夠的，故約翰·伯德在18世紀(jì)50年代制作了一個(gè)完整的圓圈，其測(cè)量范圍可達(dá)360°，測(cè)量效果好，但很笨重，在海上使用極為不便。于是反射圈與八分儀之間采取折衷方案，1757年，坎貝爾船長(zhǎng)以八分儀為模子，把測(cè)量范圍擴(kuò)大到120°，這就是六分儀。六分儀較之以往的測(cè)緯度的星盤、卡爾瑪和直角象限儀等的精度有較大的提高。六分儀的特點(diǎn)是輕便，可以在擺動(dòng)著的物體如船舶上觀測(cè)；缺點(diǎn)是陰雨天不能使用。20世紀(jì)40年代以后，雖然出現(xiàn)了各種無(wú)線電定位法，但六分儀仍在廣泛應(yīng)用。

六分儀的原理

六分儀所基于的原理很簡(jiǎn)單：光線的入射角等于反射角。實(shí)際上，六分儀也可以測(cè)量任意兩物體之間的夾角。其原理最初由牛頓（以及更早的胡克）提出；而固定式大型六分儀很早就由各大天文臺(tái)建造，供天體測(cè)量之用（如第谷在汶島建造的紀(jì)限儀、格林尼治天文臺(tái)的大六分儀等）。

航海用六分儀是在扇形框架背面有手柄供握持用，框架上裝有活動(dòng)臂，活動(dòng)臂最上端即是指標(biāo)鏡；半反射式地平鏡安裝在六分儀的左側(cè)，地平鏡旁邊還配有濾光片供測(cè)量太陽(yáng)等明亮天體時(shí)使用。測(cè)量天體地平高度時(shí)，觀測(cè)者手持六分儀，讓望遠(yuǎn)鏡鏡筒保持水平，并從望遠(yuǎn)鏡中觀察被測(cè)天體經(jīng)地平鏡反射所成的像；同時(shí)要調(diào)節(jié)活動(dòng)臂，使星象落在望遠(yuǎn)鏡中所見(jiàn)的地平線上。這也是地平鏡需要用半反射玻璃制造的原因。

在天體的像與地平線重合時(shí)，該天體高度等于地平鏡與指標(biāo)鏡夾角的二倍。通過(guò)幾何光學(xué)中的反射定律，這一點(diǎn)可以很容易地被證明。而根據(jù)這一點(diǎn)來(lái)恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)圓弧標(biāo)尺上的刻度，就可以讓觀測(cè)者直接讀出天體高度。為提高讀數(shù)精度，實(shí)際的六分儀活動(dòng)臂上往往還附有鼓輪和游標(biāo)尺。六分儀的精度比較高，最高能達(dá)到10角秒，且輕便易用，所以它能夠迅速取代之前操作復(fù)雜的星盤，成為在海洋上測(cè)量地理坐標(biāo)的利器，也徹底解決了精確地確定海上航線這一困擾無(wú)數(shù)航海家的難題。1769年，庫(kù)克船長(zhǎng)就是在六分儀的幫助下成功抵達(dá)塔希提島觀測(cè)金星凌日的。

六分儀最大的缺點(diǎn)是受天氣的影響較大，不能在陰雨天使用。而制造過(guò)程中會(huì)無(wú)可避免地引入機(jī)械誤差，這也成了限制六分儀精度的一個(gè)因素。有一定經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)者在正常條件下白天單一觀測(cè)的均方誤差為±0.7′～±1.0′。增加觀測(cè)次數(shù)取平均值,則其均方誤差降為單一觀測(cè)值的為次數(shù)，一般取3、5、7次。天體高度最好為15°～65°。

歷史上，六分儀除了在航海方面發(fā)揮了重大作用外，還曾幫助天文學(xué)家編制高精度星表。而星表的編制也促進(jìn)了航海的發(fā)展，同時(shí)還給地理坐標(biāo)的測(cè)量帶來(lái)了重大進(jìn)步。另外還有航空用六分儀，結(jié)構(gòu)與航海用六分儀基本相同，但望遠(yuǎn)鏡視野中的地平線由水準(zhǔn)線代替。現(xiàn)在也有電子六分儀生產(chǎn)。