再加上,《坤舆万国全图》中的“看北极法”量天尺:“夜对北极望之,看在地在线几十度,即知此地上北极出地若干度,为此地离赤道若干度。”
牵星术单位是“指”,“指”以下单位是“角”,一指等于四角。“角”可从牵星板刻度读出,或用小 象牙块量得。
即,勾股测量法(勾股测望术):北极星高度=当地纬度,或者,北极星的高度角(天体仰角)=当地纬度
因此,测量当地北极星的高度角(天体仰角)=当地纬度!
所以,我们能够测得北京的纬度是40°!(更精确的北京纬度由朱载堉测得,他是中国历史上第一个精确计算出北京的地理位置(北纬39°56′,东经116°20′)的人。而《坤舆万国全图》的北京纬度尚是40度,说明绘制于朱载堉之前哦!)
明代的牵星,一般都是牵北极星,在低纬度(北纬六度)下看不到北极星时,改牵华盖星(北极星是小熊座a星,华盖星是小熊座β、γ双星)。另外,还定出其它方位星进行观测,如织女星、灯笼骨星等。
明代在航海中还定出了方位星进行观测,以方位星的方位角和地平高度来决定船舶夜间航行的位置。当时叫“观星法”,观星法也属牵星术范围之内。
郑和航海图中记录了大量的牵星坐标,如北辰星三指、灯笼骨星7指等,这些类似恒星高度角的观测值记录了某个地点的纬度值。航路点岛屿间的短距离航行过程中主要依据指南针的定向,以时间更数计程,观测北辰等星座的目的是确定南北的偏移,接近目标时通过对景定位,观测海岛山峰的高度角判断远近,准确抵达目的地;在长距离跨洋航行时,则难以依靠罗盘定向航行,必须通过观测一组恒星的高度角来控制航线,牵星跨洋来寻找目的地,这样的图称为跨洋牵星图。
海图上共记录了64处各地所见的北辰星和华盖星的高度。同时,观测的牵星记录和测量的水深也都有记载。《郑和航海图》详细记录了我国船舶航行于东南亚、印度直到东北非的航程,直到16世纪初葡萄牙人在东南亚航行时,仍旧用我国的针路。
在此要说明的是牵星坐标是目的地的准确坐标值,通过一组恒星来控制纬度,这种方法在长距离跨洋航行中发挥着重要的导航作用。因为如果只有指南针的话,在茫茫大海中,季风、海流、地磁变化等会使航向偏离,有了牵星观测就会有效修正偏移差错,准确抵达目标。
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《坤與万国全图》中的南北纬度数
在《坤與万国全图》黄赤道节气部分也同样提到了北京纬度是40度,不过内容略有差别。
图 《坤與万国全图》黄赤道节气示意图部分
上图也说了“假如右图,京师地方北极出地平线四十度,则赤道离天顶南亦负四十度”,图中也画了“出地四十度”!
这里面说的是北京是北纬40°,赤道南同样位置为南纬-40°,而现在北京的纬度是北纬40°左右,和现在的说法一样,证明测绘已经很精确了!
这几处地方都说到了北京的纬度是40°,都是应用的“北极星高度=当地纬度”得知纬度度数的,说明当时的中国人已经知道地理经纬度了,于现今表达方式并无差别!
或者说,其实,现在的天文地理知识是来自于中国古代才对!
而此时的西方尚未建立天文台,本初子午线更没有,更别提西方一直无法确定经度,因其无“南”向,也无测量方向的仪器,它们自然不可能确定“经度”了,因此这只能是中国自己的知识!
有了这些知识,绘制带有经纬度的中国地图,乃至世界地图也是完全可以做到的,上面反复提到北京是北纬40°,还附有计算“太阳出入赤道纬度”的度数表,这想必已是长期观测获得的数据,那么当时的明朝以此绘制精确的经纬度的中国地图也是正常的!
其中“太阳出入赤道纬度”的度数表,这应该是反映太阳视运动的日躔表,以二十四节气为引数,列出各气内太阳的实际运动数,和平均运动数的差等各种有关数据。利用此表可以进行在从平朔改正到定朔时因太阳而产生的改正数。皇极历是我国古代现存最早的完整的载有二十四节气太阳视运动不均匀性改正数值表(日躔 Chán表)的历法,其前身即张子信的“入气差”。
中国历法是阴阳合历,观察到“月行迟疾”后产生的“定朔法”,“日行迟疾”产生的“定气法”计算太阳视运动出现日躔表,西方没天文台就没有积累,即便有了历法和天文台,也与月亮、节气无关,自然不可能有日躔表的观测数据出现,时间也更加不够呢!
如此,这种勾股测量法演变出“六分仪”,现在被认为是西方“发明”的,但是,我们知道西方古代一直不能测量经度,那就不可能是勾股测量法的发明者,更不可能突然在毫无基础的情况下,“发明”出六分仪来。这只能来自于中国。
六分仪的原理是:根据光学的基本原理光线的反射角等于入射角。由牛顿“首次”提出,利用最基本的光学原理,光经平面镜反射后,入射角等于反射角这一原理,用于航海时利用太阳光来定位的一个仪器,在子午仪和无线定位出现前,应用比较广泛,用于GPS定位。
六分仪外形是扇形,组成部分有一架小望远镜,镜头里面有一半透明一半反射的固定平面镜即地平镜组成,一个与刻度指标相连的活动反射镜即指标镜。六分仪的刻度弧为圆周的1/6。
用来测量远方两个目标之间夹角的光学仪器。通常用它测量某一时刻太阳或其他天体与海平线或地平线的夹角,以便迅速得知海船或飞机所在位置的经纬度。
观测者通过小望远镜观望水平线,同时调较活动臂,让天体(例如太阳)的光线刚好反射到小望远镜,这样,太阳的影像便会和水平线重合。再查看刻度,便可知道太阳距离水平线的角度了。
六分仪是相当准确的仪器,能达到10角秒(1角秒即1度的1/3600 )的精度,而实际定位则准确至1公里左右。
图 六分仪动态示意图
使用时,观测者手持六分仪,转动指标镜,使在视场里同时出现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角,其误差约为±0.2°~±1°。在航空六分仪的视场里,有代替地平线的水准器。这种六分仪一般还有读数平均机构。六分仪的特点是轻便,可以在摆动著的物体如船舶上观测。缺点是阴雨天不能使用。二十世纪四十年代以后,虽然出现了各种无线电定位法,但六分仪仍在广泛应用。
据说六分仪在目前的远洋轮船上还有配备,作为应急测量船位用。其测量的原理是用六分仪测某颗星对水平线的角度,并查航海表,就可在海图上得到代表船舶所在位置的一条线,连续测量两颗星,就能得到两条线,两条线的交叉点就是船舶所这位置。由于测量时各方面可能存在误差,因此一般要求同时测量多颗星,得到多个船舶位置,真实的船位一般就在这些测量船位的中心。
在陆地上其定位功能和经纬仪有相似的地方。比如观测定位一条船在河流的一个断面上的位置。如果是使用经纬仪,则需要在河岸求一条和河流断面垂直的线,在直角那个点插好标尺,利用经纬仪测出直角三角形的一个锐角和岸上已知长度的直角边,可以确定船的位置。
和经纬仪比优点就是避免在岸上的辅助工作,不用岸上有人配合。缺点就是测量员必须有足够的经验,因为船在水面是摇摆不定的,站稳同时能够瞄准两个目标难得还是比较大的。
六分仪和子午仪可以用来确定位置:六分仪可以从太阳和星座的角度和高度来测量纬度,子午仪可以从子午线知道经度,来确定位置!(是在没有GPS的情况下)
因此,当西方“发明”六分仪时,由于需要换算纬度,那么显然西方需要建立一套观测经纬度的体系,而当时只有明朝可以做到。现代西方只是改成新的“经纬度”标准,其本质并未改变,所以,“经纬度”是从明朝中国传入西方的!
至于,用六分仪测量北极星的仰角,可以测量位置的纬度的原理,这些都是应用的“牵星术”定位的原理,那么就不能说阿拉伯人“发明”的四分仪,甚至六分仪的原理是“牛顿”提出的,而是中国人提出并应用于“牵星术”航海定位导航!
更准确的应该说,牵星术、四分仪、六分仪,乃至象限仪的出现,都是应用的中国的“勾股测量法”(勾股测望术),亦即徐光启所称之“几何”。
geometric -- 几何
geo -- 地理
metric -- 测量
实际上,geometric -- 几何应称之为“勾股测量法”,这是中国古代测量地日距离,天文测量所用。(这一点在<《机器与仪器的制造场》、《奇器图说》与中国古代机械>文章中的“勾股与几何”部分做了解释。)
徐光启所称历法的“北极高度”和纬度是等同的认识,其实这就是“牵星术”用于定位的“北极星的仰角=当地的纬度”的知识,源于中国的勾股定理。
并非是徐光启“首创”认识到将“北极高度”与纬度等同,牵星术应用到的“牵”北辰星,中国古代早就知道如何利用北极星定北向了,自然也就能够知道如何测定子午线,即0度经度。而牵星术也与勾股定理有关,理所当然能够得出“北极高度”=(当地)纬度的概念!
从唐代《大衍历》开始,传统历法中已经引入“服差”的概念——北极高度对日食的影响的相应算法,所以地理经度对历法推算也有影响,因此天文历法与地理测绘才紧密相连的!