航海定位GPS前身—— 六分仪

供稿 尚 可

航海定位GPS前身
—— 六分仪

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如今在茫茫大洋上航行的船只主要依靠GPS全球卫星定位系统确定所处的方位，也就是当地的经纬度。而在太空时代到来之前，众多航海家驰骋四海时所依赖的设备，除了罗盘之外就是六分仪了。顾名思义，六分仪的主体就是一个扇形框架，扇形的弧度是60°，也就是圆周的1/6。主要部件由一块固定的半反射玻璃（地平镜）、一块可活动的镜子（指标镜）、望远镜以及活动臂组成。它可以精确测定天体与地平线之间的夹角，从而推算出地理坐标。

六分仪的诞生

1730年，美国人戈弗雷和英国人约翰·哈德利分别独自发明了八分仪。两人都把设计方案提交英国皇家学会，后者于1734年又提交了一个改进方案，得到普遍采用。哈德利研制成功一种反射望远镜，接着又制作了一种在海上测量角度的仪器。观察者可通过一面镜子同时看见地平线，它们之间的角度可用边缘标有刻度的象限仪测出，测角范围可达90°，这样就把简单的象限仪（测角范围45°）所测量之高度增加了一倍，成为一种测纬度的理想仪器。该仪器的另一优点是它能使星辰天体的形象与地平线成一直线，而且所测读数更为精确。由于它准确，价格便宜，使用方便，极受航海人员欢迎，直到20世纪仍然作为测量天体高度确定纬度的方法。

1732年，英国海军部把八分仪放在一只小艇中作试验，结果非常精确。可是八分仪的90°标度用做测量月球与天体的角距，事实证明是非常不够的，故约翰·伯德在18世纪50年代制作了一个完整的圆圈，其测量范围可达360°，测量效果好，但很笨重，在海上使用极为不便。于是反射圈与八分仪之间采取折衷方案，1757年，坎贝尔船长以八分仪为模子，把测量范围扩大到120°，这就是六分仪。六分仪较之以往的测纬度的星盘、卡尔玛和直角象限仪等的精度有较大的提高。六分仪的特点是轻便，可以在摆动着的物体如船舶上观测；缺点是阴雨天不能使用。20世纪40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。

六分仪的原理

六分仪所基于的原理很简单：光线的入射角等于反射角。实际上，六分仪也可以测量任意两物体之间的夹角。其原理最初由牛顿（以及更早的胡克）提出；而固定式大型六分仪很早就由各大天文台建造，供天体测量之用（如第谷在汶岛建造的纪限仪、格林尼治天文台的大六分仪等）。

航海用六分仪是在扇形框架背面有手柄供握持用，框架上装有活动臂，活动臂最上端即是指标镜；半反射式地平镜安装在六分仪的左侧，地平镜旁边还配有滤光片供测量太阳等明亮天体时使用。测量天体地平高度时，观测者手持六分仪，让望远镜镜筒保持水平，并从望远镜中观察被测天体经地平镜反射所成的像；同时要调节活动臂，使星象落在望远镜中所见的地平线上。这也是地平镜需要用半反射玻璃制造的原因。

在天体的像与地平线重合时，该天体高度等于地平镜与指标镜夹角的二倍。通过几何光学中的反射定律，这一点可以很容易地被证明。而根据这一点来恰当地设计圆弧标尺上的刻度，就可以让观测者直接读出天体高度。为提高读数精度，实际的六分仪活动臂上往往还附有鼓轮和游标尺。六分仪的精度比较高，最高能达到10角秒，且轻便易用，所以它能够迅速取代之前操作复杂的星盘，成为在海洋上测量地理坐标的利器，也彻底解决了精确地确定海上航线这一困扰无数航海家的难题。1769年，库克船长就是在六分仪的帮助下成功抵达塔希提岛观测金星凌日的。

六分仪最大的缺点是受天气的影响较大，不能在阴雨天使用。而制造过程中会无可避免地引入机械误差，这也成了限制六分仪精度的一个因素。有一定经验的观测者在正常条件下白天单一观测的均方误差为±0.7′～±1.0′。增加观测次数取平均值,则其均方误差降为单一观测值的为次数，一般取3、5、7次。天体高度最好为15°～65°。

历史上，六分仪除了在航海方面发挥了重大作用外，还曾帮助天文学家编制高精度星表。而星表的编制也促进了航海的发展，同时还给地理坐标的测量带来了重大进步。另外还有航空用六分仪，结构与航海用六分仪基本相同，但望远镜视野中的地平线由水准线代替。现在也有电子六分仪生产。