六分仪与航海定位

问题

当你突然从海中醒来，没有手表，没有通讯，只有一个六分仪和年表，如何知道自己在哪？

这是一个你可能没有想过，但说不定某一天会遇到的问题。早在1730年，一种叫六分仪的测量装置就被发明了出来，水手可以靠着它，以及一张年历表便能知道自己所处的经纬度。

六分仪的原理是通过测量天体与地平线之间的角度来确定观测者的纬度位置。六分仪由一个带刻度的圆弧和一个可移动的镜子组成，观测者将镜子调节到能将天体（如太阳或星星）的影像反射到与地平线相重合的位置。读取六分仪上的角度刻度后，结合日期和时间，可以利用天文表格计算出观测者的纬度位置。

简单来说，就是可以用它测量比如1月1日，正午12点的太阳与海平面的夹角，然后通过夹角去一个天文表格里查，通过日期+时间+角度，就能从表格中找到对应的经纬度。

年历表（Nautical Almanac）
- 提供一年内每一天的太阳、月亮、行星和特定恒星的天文数据，包括它们的赤纬（相当于地球纬度）和时角。这些数据用来帮助计算天体的实际高度，进而确定纬度和经度。
高度差表（Altitude Correction Tables）
- 用来调整观测到的天体高度角，以校正因地球大气折射和视差等因素引起的误差。这些修正值可以提高角度测量的精度，使计算位置更准确。
正午高度表（Noon Sight Reduction Tables）
- 用于在正午时观测太阳高度，通过对比表中数值简化计算，得到观测者的纬度。因正午观测较为简便，这张表成为六分仪用户快速确定纬度的常用工具。
观测简化表（Sight Reduction Tables for Marine Navigation）
- 包含通过六分仪测量的角度数据和预计算的三角函数值，帮助简化和加快经纬度计算过程。这些表格尤其在高纬度地区和非正午观测时有用。

这不禁让我们想要知道，至古以来，人们都是用什么样的方式来测量自己在海中的位置的，不同的方法的精度有何差异？

定位方式.png

即使现在的船支都配备有GPS设备，但会使用六分仪仍然是海员培训的必备项目，以应对不时之需

那么，在地球上定位这个问题的本质是什么呢？

所有定位方式的本质可以从空间参照系和相对位置计算的角度来统一解释。具体来说，定位的核心是通过已知参照点和时间或角度的测量来确定当前位置的相对位置，转换为地理坐标（经度和纬度）：

空间参照系：每种定位方法都需要一个基准参照系——无论是地面、天体、无线电台，还是卫星——作为固定点。定位系统的任务是确定测量点（船只、飞机等）相对这些基准点的位置。
时间或空间差异：定位的关键在于计算与基准参照系的时间差异或角度差异。例如：
- 时间差异：利用地球自转导致的不同位置间的时间差，航海钟记录的时间差计算经度。
- 角度差异：通过测量天体角度、无线电信号角度，或卫星信号角度和到达时间来推算位置。
数学转换：无论是从天体角度、时间差，还是信号延迟推算的距离，最后都转换成标准的地理坐标，以便在地理空间中表示具体位置。

统一表述：

定位的本质是通过已知参照系和测量点间的相对差异（时间或空间），将这一信息转换为精确的地理坐标。

最后一个问题：如果你突然从海上醒来，发现身边有一个六分仪和一份年历表，你能知道自己身处何方吗？

答案是“可能还是不行”，除非你知道今天是几几年的几月几日，并且你需要通过观察判断出太阳已经到达最高点了，然后你才能通过六分仪测量太阳的赤维角，再去年历表中查询才能知道结果，所以知道时间对你定位空间很重要。