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全球衛星定位系統確定所處的方位，也就是當地的經緯度。而在太空時代到來之前，眾多航海家馳騁四海時所依賴的設備，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）、一塊可活動的鏡子（指標鏡）、望遠鏡以及活動臂組成。它可以精確測定天體與地平線之間的夾角，從而推算出地理坐標。

六分儀的誕生

1730年，美國人戈弗雷和英國人約翰·哈德利分別獨自發明了八分儀。兩人都把設計方案提交英國皇家學會，后者于1734年又提交了一個改進方案，得到普遍采用。哈德利研制成功一種反射望遠鏡，接著又制作了一種在海上測量角度的儀器。觀察者可通過一面鏡子同時看見地平線，它們之間的角度可用邊緣標有刻度的象限儀測出，測角范圍可達90°，這樣就把簡單的象限儀（測角范圍45°）所測量之高度增加了一倍，成為一種測緯度的理想儀器。該儀器的另一優點是它能使星辰天體的形象與地平線成一直線，而且所測讀數更為精確。由于它準確，價格便宜，使用方便，極受航海人員歡迎，直到20世紀仍然作為測量天體高度確定緯度的方法。

1732年，英國海軍部把八分儀放在一只小艇中作試驗，結果非常精確。可是八分儀的90°標度用做測量月球與天體的角距，事實證明是非常不夠的，故約翰·伯德在18世紀50年代制作了一個完整的圓圈，其測量范圍可達360°，測量效果好，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，坎貝爾船長以八分儀為模子，把測量范圍擴大到120°，這就是六分儀。六分儀較之以往的測緯度的星盤、卡爾瑪和直角象限儀等的精度有較大的提高。六分儀的特點是輕便，可以在擺動著的物體如船舶上觀測；缺點是陰雨天不能使用。20世紀40年代以后，雖然出現了各種無線電定位法，但六分儀仍在廣泛應用。

六分儀的原理

六分儀所基于的原理很簡單：光線的入射角等于反射角。實際上，六分儀也可以測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建造，供天體測量之用（如第谷在汶島建造的紀限儀、格林尼治天文臺的大六分儀等）。

航海用六分儀是在扇形框架背面有手柄供握持用，框架上裝有活動臂，活動臂最上端即是指標鏡；半反射式地平鏡安裝在六分儀的左側，地平鏡旁邊還配有濾光片供測量太陽等明亮天體時使用。測量天體地平高度時，觀測者手持六分儀，讓望遠鏡鏡筒保持水平，并從望遠鏡中觀察被測天體經地平鏡反射所成的像；同時要調節活動臂，使星象落在望遠鏡中所見的地平線上。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，該天體高度等于地平鏡與指標鏡夾角的二倍。通過幾何光學中的反射定律，這一點可以很容易地被證明。而根據這一點來恰當地設計圓弧標尺上的刻度，就可以讓觀測者直接讀出天體高度。為提高讀數精度，實際的六分儀活動臂上往往還附有鼓輪和游標尺。六分儀的精度比較高，最高能達到10角秒，且輕便易用，所以它能夠迅速取代之前操作復雜的星盤，成為在海洋上測量地理坐標的利器，也徹底解決了精確地確定海上航線這一困擾無數航海家的難題。1769年，庫克船長就是在六分儀的幫助下成功抵達塔希提島觀測金星凌日的。

六分儀最大的缺點是受天氣的影響較大，不能在陰雨天使用。而制造過程中會無可避免地引入機械誤差，這也成了限制六分儀精度的一個因素。有一定經驗的觀測者在正常條件下白天單一觀測的均方誤差為±0.7′～±1.0′。增加觀測次數取平均值,則其均方誤差降為單一觀測值的為次數，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揮了重大作用外，還曾幫助天文學家編制高精度星表。而星表的編制也促進了航海的發展，同時還給地理坐標的測量帶來了重大進步。另外還有航空用六分儀，結構與航海用六分儀基本相同，但望遠鏡視野中的地平線由水準線代替。現在也有電子六分儀生產。