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古代测量定方向与航海定位

古代测量定方向与航海定位

战国时期《考工记·匠人篇》有把表立起，用挂着重物的绳子校准表垂直于地面，观测表影测绘地形的记载。

《尚书·尧典》中记载的方向已有东、西、南、北四个，《尚书·禹贡》中增加到八个。1977年在安徽阜阳西汉汝阴侯墓出土的西汉初的六壬式盘上，由八干、四维组成了12个方位。

中国古代测定东西南北四方及时辰的方法，一般有好几种。

一、观太阳定方位：

所谓的观太阳定方位就是指用圭表测太阳照射下的日影来辩方正位。

在《考工记》中在营建城邑确定方位时用了以表测影的方法。具体做法如《周礼·考工记·匠人》记载：“匠人建国。水地以县，置槷以县，视以影为规，识日出之景，与日入之景。昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕。”

这一段话是说：周代匠人在建立国都的时候，用悬（县）挂准绳的方法来平整土地和垂直立表（槷），以定表为中心划圆（规），用来观察太阳升起和落下的日影（景）。白天参照正午的日影，夜晚参考北极星位置，用这样的方法来确定日出（朝）和日入（夕）的方位。

圭表测影方位

《周礼·夏官·司马》说：“土方氏掌土圭之法以致日影，以土地相宅，而建邦国都。”

简单说下：

立竿测影的“竿”，也称“表”。“表”的影子，古书作“景”，也专称为“晷”，即日影。用于立竿测影的“表”后来专门化为“日晷”。

立竿测影的方法是：立一根垂直于平地的标杆（一般长八尺），每天早、中、晚三次测量日影长度的变化，还要与漏刻和夜间北极星的位置相参照。每天日影最短的时刻，就是太阳上中天（“正南方”）的时刻。

图 古代圭表定位东西南北-示意图

测定太阳上中天的准确时刻有相当重要的意义。

第一，可以较精确地测定南方，从而可以定出东西、北方。

第二，可以定出午时，即一天时间的中点。所以到现在我们还把一个白昼分为上午和下午两半，原因就在此。午时制度是时刻制度不可缺少的组成部分。

第三，可以定出夏至和冬至。

立竿测影的作用是：

①正日影，即考定日影的精确性；②测土深，是指测量地球的直径；③求地中，是指求证地球的正中心——极。

《周礼·地官·司徒》指出：“以土圭之法，测土深，正日影，以求地中。”土圭，古时用以测日影、正四时和测量土地的器具。“测土深”并不是指“测土的深度”，而是指“测地球的深度”。

郑玄曾经注释说：测土深是指测量南北东西的深度。即是测整个地球从南到北，从东到西的深度。也就是整个地球赤道的从南到北的直径和从东到西的直径。因为如果是测地平面的南北、东西直径，是不会说成测土深。

据《周礼·冬官·考工记》郑注：“土犹度也。”因此土圭就是度圭，是量度日影长度的天文仪器，一般是石做的，平放在地上，南北方向，用以量度每天中午日影的长短以定四时。后世又称为“量天尺”。

《周礼·春官·典瑞》记载了：“土圭致四时日月，封国则以土地。”意为土圭可以精密地标识四时季节和时日月份，建筑城池则用以测定方位。

圭表测影+北极星定位

1、《诗·国风·定之方中》有云：“定之于中，作于楚宫，揆之以日，作于楚室”。

据解释，定即定星，又叫营星，当夏历十月的时候，此星在黄昏时分出现在天之正中，古人认为这时可以营建宫室。“揆之于日”，就是依靠日影测定东西南北方位，这实际上就是“土圭法”。

图 《六经图》中的“楚丘揆日景图”

2、《周礼·冬官·考工记下》：“匠人建国，水地以县，置槷以县，眡以景，为规，识日出之景与日入之景，昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕。”

图 《六经图》中的“公刘相阴阳图”

解释，“水地以县”就是观察木杆的影子，“为规”，就是以柱长为半径、柱立处为圆心画圆，“识日出之景与日入之景”，就是测量日出日入的影子，“昼参诸日中之景，夜考之极星，以正朝夕”，就是白天依据太阳的影子，晚上依据北极星，以测定方位的正确性。

可见，所谓土圭法，就是在水平的地中央竖柱，并通过悬绳使之垂直于地面，然后观察太阳在日出与日落时柱子在水平地面上的投影，这两个影子以柱为圆心、柱长为半径所画的圆的两交点线即正东西方向，再参考正午时的柱影或夜晚北极星的方位来校正。

二、观星辰、星宿定方位

《诗经·小雅·大东》载：“东有启明，西有长庚。有捄天毕，载施之行。维南有箕，不可以簸扬。维北有斗，不可以挹酒浆。”

中国古代星相学用四象来表示方位。四象指的是东方苍龙（青龙）、西方白虎、南方朱雀、北方玄武。从中可以看出，我国古代在很早的时候就以星辰确定方向了。

三、北斗星定方位

《鹖冠子》说：“斗柄东指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬”。

具体说应是正月指寅、二月指卯、三月指辰等等，也即夏历二、五、八、十一月指向正东南西北。这与战国秦汉时的十二月斗建的说法也相一致，且适合于战国秦汉时的天象。古人这种用斗柄指向来判断年、季、月、日（时）的方法是非常智慧的。

四、指南车定位

《古今注》记载：“黄帝与尤战于涿鹿之野，尤作大雾，军士皆迷，故作指南车以示四方，遂擒尤而即帝位。”

三国时，马钧能做许多奇特的机械。例如：

1、改进过提花机，使得操作方便而且省时，还能织出复杂精美的图案；

2、制造龙骨水车，这个水车结构精巧，运转省力，为灌溉提供了连续不断的水源；

3、改进发明了兵器，据说马钧改进了诸葛亮使用的一种“连弩”，让它在连续射箭的基础上再提高五倍的效率。

4、试制成一种很厉害的攻城武器，叫“轮转式发石机”，能连续发射砖石，射程几百步；

5、创造了“变幻百端”的“水转百戏”。这是一组木偶，利用机械传动装置，机关一开，各个木偶能够各自做着不同的动作，像是一台戏，机关一停，便马上停止运转。

6、马钧在魏明帝的支持下，根据传说潜心研究指南车的造法。不久，马钧真的造出来一辆机械的、能指定方向的车子。他把齿轮传动机装在车上，车走起来，车上木人会自动指示方向。这种车子不同于利用磁铁造的指南针。

《宋史·舆服志》里记载了燕肃制作的指南车结构，它是利用离合原理来实现指南的。

五、复合定位法：太阳日影+北极星定位，再+地磁指南定位（变身“罗盘”）

《周礼·冬官·考工记》记载了：白天参考验证太阳上中天时的影子，夜间参考验证北极星的位置，用以测定东西方位的方法。

《周礼·冬官·考工记》、《周髀算经》都记载了：以表为圆心画出一个圆圈，并将日出和日落时表影与四周相交的两点记录下来，便可以通过连接两点的直线得到正东西的方向；线的中点，跟表本身的连线，就是正南和正北。

地磁指南定位

战国时期，人们根据磁石指南的特性，发明了司南。

《韩非子·有度》说：“先王立司南以端朝夕。”《鬼谷子·谋》亦谓：“郑人之取玉也，载司南之车，为其不惑也。”

《九天玄女青囊海角经》就讲了罗盘的来历：“玄女昼以太阳出没而定方所，夜以子宿分野而定方气，用蚩尤而作指南，是以得分方定位之精微。始有天支方所、地支方气，后作铜盘合局二十四向，天干辅而为天盘，地支分而为地盘。”

天文定位航海导航

我国古代出航海上，很早就知道观看天体来辨明方向。天文航海技术主要是指在海上观测天体来决定船舶位置的各种方法。

西汉《淮南子·齐俗训》就说过：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。”，在大海中乘船不知东西向，观看北极星便明白了。

晋代葛洪的《抱朴子外篇·嘉遯》上也说：“夫群迷乎云梦者，必须指南以知道；并乎沧海者，必仰辰极以得反。”，在云梦（古地名）中迷失了方向，必须靠指南车来引路；在大海中迷失了方向，必须仰观北极星来辨明航向。

东晋法显从印度搭船回国的时候说，当时在海上见“大海弥漫，无边无际，不知东西，只有观看太阳、月亮和星辰而进。”

一直到北宋以前，航海中还是“夜间看星星，白天看太阳”。只是到北宋才加了一条“在阴天看指南针”。

北宋——沈括所著《梦溪笔谈》的《萍洲可谈》中记有：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”这是世界航海史上最早使用指南针的记载。

大约到了元明时期，我国天文航海技术有了很大的发展，将观测星的高度来定地理纬度的方法应用于航海定位导航。这是我国古代航海天文学的先驱。这种方法当时叫“牵星术”。牵星术的工具叫牵星板。

图 牵星术先确定要测量的目标星辰

图 牵星术、六分仪+“星下点”：北极星高度＝当地纬度01

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。

关于求天象出没时间，明代航海家也有些规定。流传下来的明末抄本航路专书中有太阳月亮的出没时间表，还有“定太阳出没歌”和“定太阴出役歌”。

“定太阳出没歌”文是：

“正九出乙没庚方；二八出兔没鸡场；

三七出甲从辛没；四六生寅没犬藏；

五月出艮归乾上；仲冬出巽没坤方；

惟有十月十二月，出辰入申仔细详。”

这是把十二个月的太阳出没时辰用一首歌诀来概括。正月、九月太阳出在乙时没在庚时，乙时在卯时和辰时之间，庚时在申时和西时之间。又兔指卯时，鸡指酉时。甲时在寅时和卯时之间，辛时在酉时和戌时之间。犬指戌时。艮时在丑时和寅时之间，乾时在戌时和亥时之间。巽时在辰时和已时之间，坤时在未时和申时之间。

五月是夏至所在的月份，所以太阳出的时间要早，没的时间要晚。仲冬是十一月，是冬至所在的月份，所以太阳出的时间要晚，没的财间要早。这样计时和天象实际相比是有些误差的，但大致还适用。

“牵星术”、六分仪所用原理，其实就是正午太阳高度影子测定纬度，经度的测定，走时准确的钟就行（粗略计算）。

实际上是通过测量天体（如某个恒星）在某个特点时间（如子夜）和地平线的夹角，再查找长期积累下的数据记录，就可以得到所处的纬度。

真太阳时的钟（日晷），根据所处地点的正午时间（太阳最高时）和某地的正午时间之间的差值，就可以知道经度。中国古代称之为“里差”，也就是现在所说的“时间差”。

据明代一些航海书籍记载，远洋海船上各色人员俱备，其中阴阳官、阴阳生专管观测天象。明末流传的小说《三宝太监西洋记通俗演义》中记载，“观星斗阴阳宫十员”。

又说：”每一号船上面有三层天盘，每一层天盘里面摆着二十四名官军，日上看风看云，夜来观星观斗。”虽然这是一部小说，但多少也反映了明代航海中一些实际情况。

这就是为什么明代会有总结太阳月亮的出没时间表，便于航海天文定位计算经纬度换算。而这些也是传承已久的天文观测才能总结出来，古代的“四时测中星法”就是其起源。

还有在明代《天工开物》里也有类似海船导航的记载：

图 《天工开物》关于海船的描述：“海舟...其首尾各安罗经盘以定方向。”01

图 《天工开物》关于海船的描述：“海舟...其首尾各安罗经盘以定方向。”02

要知道大海在白天平静时很让人心情开阔的，哪怕是有波涛翻滚也看起来别有趣味，可是在夜晚的大海上是什么都看不见的，一片黑暗！

图 大海波浪翻滚

西方还想在没有任何导航的情况下航海，简直是天方夜谭！想的太简单了啊，西方编造假航海故事的时候，知道这一点吗？

图 海上的月光

其实，戳穿西方假航海故事的漏洞很多，不止这一点，可是一片漆黑的夜晚里大海是看不见前方，也不知身在何处，想必它们忘了这件事情了！

还不说它们自己记载的书里也扭扭捏捏的小小的承认它们一直不懂航海之事。

图 确定经度对于西方航海来说依然是难事！——《幕府将军》（美）克拉维尔著

如果航海中不懂测量经度，那是无法进行定位导航的啊，何谈进行“大航海”，乃至于绘制地图，利玛窦又怎么可能“带来”西方的地图知识，绘制《坤舆万国全图》呢？

可是，在英国、荷兰、法国、葡萄牙和西班牙居然都有航海手册。

航海手册记录着港口之间，海角之间，岬地之间和海峡之间的磁罗盘经的轨迹。它记录海水深度，船舶来去的详情，某个航向的天数，风的种类，碰到何种海流及其流向；何时起风暴，何时有好风，何处可修船，何处加淡水；沙滩、暗礁、潮汐、避风港等等一切与安全航向的事项！

图 航海手册有风向、暗礁、避风港等内容（来自中国海道针经）——《幕府将军》（美）克拉维尔著

实际上说的就是中国的海道针经，讲《郑和航海图》就提到：“海图上面有很多标记，描绘出了沿途重要地标和地理特征，既有大陆岸线、岛屿、河口、沙滩，甚至退潮时会暴露出的礁石，也有沿海的城镇、山峰和陆地上可作航行目标的宝塔、寺庙、桥梁、旗杆等标志物。对于船员们来说更为实用的是，图上标注了航海时需要知道的航道水深、航线、航道、牵星数据等各种要素，这些可都是实际的航向，是实践的总结，在使用时，他们可以按图上表示的有关图形结合测定深度等方法确定船位。”

两者对照，当时英国、荷兰、法国、葡萄牙和西班牙保留的航海手册，显然是出自于中国人制作的海道针经。

所以，《坤舆万国全图》就是由中国人绘制的世界地图，也只有中国人才有航海图，海道针经，而西方各国都有部分的海道针经，视为“航海手册”作为秘藏，且互相都想得到对方的航海资料，这都说明当时的西方不仅没有航海能力，也不可能拥有航海经验，甚至于有些海域需要葡萄牙人来领航才能航海，它们没有远洋航海的能力！

明代《筹海图编》记载由太仓到日本的针路举例摘录如下：

“太仓港口开船，用单乙针，一更，船平吴淞江。用单乙针及乙卯针，一更，平宝山，到南汇嘴。用乙辰针出港口，打水六七丈，沙泥地是正路，三更，见茶山。自此用坤申及丁未针，行三更，船直至大小七山，滩山在东北边。滩山下水深七八托，用单丁针及丁午针，三更，船至霍山。.........”

这段文字不算难懂。现在已经发现好几种针路抄本，包括东洋和西洋的。十六世纪初葡萄牙人航行于东南亚时，袭用了我国航海家所用的针路。（资料来源于网络。）

而葡萄牙正是最早和中国接触有来往的欧洲国家，它们获得且使用的航海“针路”也是采用自中国，所以，西方当时必须找葡萄牙人领航才行！

不管是测量经度还是计算经度，中国自古都具备条件，“经度”概念自然不可能是西方传教士利玛窦“带来”的了，反倒是从中国引入到西方的“经度”！