定向法--罗盘、观斗辰、观太阳、牵星术
本帖最后由 慕羲 于 2013-5-7 09:15 编辑引自《中国国家天文》的BLOG
“大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。”这是东晋高僧法显从印度乘船回国时的记述，描写了中国古代航海中利用天文知识指导航向的情景。在卫星定位系统日益普及的今天，你也许很难想象，古时的航海家是怎样凭借天上的星斗、手中的指南针而驰骋于茫茫大海的。那么，这看似简单的古代天文导航方法，又是如何成就了世界航海史上郑和七下西洋的历史奇迹呢？
文/陈久金
中国古代的航海事业历史悠久，也掌握着先进的航海技术。就航海技术而言，主要包括天文导向和天文定位。前人对这两个问题已经做出过深入研究，严敦杰先生（著名数学史家）开创了这方面的研究，以后较有创见的尚有航海天文调研小组、潘鼐和陈美东诸家，就结论而言，尚存在“本土说”和“阿拉伯传入说”以及1指等于1.5度还是1.9度等分歧意见，现仅就笔者的理解述说如下。
天文导向之观斗辰
以北斗或北极星来导航的记载，自汉代以来屡见于史籍。西汉早期的《淮南子·齐俗训》就曰：“夫乘舟而惑者，不知东西，见斗极则悟矣。”是说舟行于大海之中，四面都是水，找不到分辨方向的标志物时，就不能分辨出东西方向而迷惑了，这时可以借助于北斗星或北极星来分辨方向。
西晋葛洪《抱朴子外篇·嘉遯》也说：“竝乎沧海者，必仰辰极以得还。”上古史书中的这些泛泛议论，却真实地反映了早在西汉以前，中国先民就已经开创了航海事业，并且懂得借助于北极星的导向，来纠正行船的方向。
除了北斗星与北极星外，古人还利用其它星宿来确定方向，从清初的《指南正法》便可见一斑，如“北斗出在丑癸，入宰壬亥；华盖出在癸入在壬；灯笼骨星出仔巳丙，入在丁未”等等。从理论上说，古人也可以利用这些星座定位，但由于明代下西洋移动海域的方位变化太大，所推实际效果不太准确。不过唐宋以前，主要在与朝鲜、日本航行时使用，还是有效的。
虽然北极星是指示方向的最好标志，但利用日月和其它星辰的出入方位，同样也可以辨别方向，以期达到拨正航向的目的。
天文导向之观太阳
东晋高僧法显曾远行到天竺（今印度）取经，回国后撰《佛国记》，书中记载其浮海东归的经历时说：“大海弥漫无边，不识东西，唯望日月星宿以进。若阴雨时，为风逐去，亦无准，……至天晴已，乃知东西，还复望正而进。”这就是说，除掉夜观辰极以定向以外，白天还可以用太阳来确定方向。但如果遇到阴雨天看不到太阳、星星和月亮时，只有等到天晴日出有星之时，才能分辨出方向，纠正船的正确方向继续航行。
观测太阳如何能知道方向？南宋吴自牧《梦梁录》曰：“舟师观海洋中日出、日入，则知阴阳。”南面为阳，北面为阴，故知阴阳就是知南北。这就是说，《梦梁录》已明确地指出舟师用观测太阳的出没方位来认定航向。任何一地的太阳出入方位，既与观测者所处的地理纬度有关，也与一岁中不同的时节有关。但无论何地，其春秋分附近的太阳出入方位，几乎都位于正东西方向。关于太阳出入方位，明代《顺风相送》中载有一首“定太阳出没歌”曰：
正九出乙没庚方，二八出兔没鸡场。
三七出甲从辛没，四六出寅没犬藏。
五月出艮归乾上，仲冬出巽没方坤。
惟有十月十二月，出辰入申仔细详。
此处正、九、二、八、三、七、四、六，各为与数字对应的农历月份。乙、庚、兔、鸡、甲、寅、犬、艮、乾、巽、坤、辰、申为中国古代的二十四方位之一。其各月太阳出入方位，大致适合黄河流域至北纬45°之间的地域。现今我们尚不知道中国舟师何时发明使用太阳出入定航船方向，但天文学家早在秦汉时就等到太阳出入方位与节气的关系了。
天文导向之指南针的应用
北宋朱彧《萍州可炎》中说：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦观指南针。”徐兢《宣和奉使高丽图经》也说：“是夜，洋中不可位，维视星斗前迈。若阴冥，则用指南浮针，以揆南此。” 指南针是中国的四大发明之一，但何时在舟船中使用不得而知，据以上记载至少在北宋时就已用于航海了。当时称指南浮针，或水罗盘。后经阿拉伯人传入欧洲，改进为旱罗盘。直至明嘉靖年间，才改用旱罗盘导航，其性能比水罗盘优越。人们才获得全天候的航行能力。
以上介绍的还只是判断航船所处方向的三种方法。在茫茫大海中，四面都是水，会不会反着方向走？学会判别方向就很重要。只要能判别方向，就能回到自己的出发点，就能回到自己的家乡。例如，中国位于大海的西边，到大海中打鱼或航行，一旦迷失了方向，只需会辨别方向，一直向西航行，总能找到岸边，然后沿着岸边或南或北找到家。事实上，有经验的舟师都会知道迷失方向时的风向，辨清方向之后就会懂得自己该向西南或西北航行了。在唐宋以前，中国人作出国远距离航行，一般都只有两个方向。到朝鲜、日本去，只需顺着季风向东航行就会到达目的地。另一个目的地则是向南到达越南、印度尼西亚、菲律宾等国，都在中国的南方，这就显示出学会辨别方向的重要意义了。只需学会辨别方向，要去的目的地就有把握了。因此，舟师懂得辨别方向，是最基本、也是最关键的一步。
天文定位：牵星术
但是人们在航海实践中发现，舟师仅懂得辨别航船和方向还是不够的。如果只懂得辨别方向，就会多走不少弯路。因此，好的舟师在航行的实践中都会寻找辨别自己船只所在位置的方法。例如观看远处的灯火，以附近的高大建筑物、高山或海岛为依据等。这种方法大致能解决附近几千米甚至数万米的困难，更远的路程就没有办法了。事实上，有经验的舟师，除掉借助于日月星辰的位置和触摸方位辨别方向以外，同时还都总结出一些辨别自己所处位置的方法。
例如，古代的中国人很早就认识了北极星，知道它是一颗位于正北方永不下落的星，所以用以辨别方向，故称北辰。但只需仔细观察就会发现，不同地区的人所看到此北极星的高度是不一样的。北斗星和织女星等其它星座也是这样，位于不同地区的人看同一颗位于正南方的星，所看到的高度是不一样的。航海调研小组向福建、海南到一带的舟师所收集到的资料表明，在当地舟师中早已使用以手掌宽度判断北极星高度的方法。具体做法是，直立在舟中空旷处，伸直手臂将手掌横放，以手掌和手指的宽度来判断北极星距离海平面的高度，借以判断航船位于南北的方位。北极星高则位于北方，位低则为在南方。这种方法起于何时，没有明确的记载。
不过，如果在海中航行只知道南、北方向，而不知道具体位置，仍会迷失航向，不能顺利到达目的地。随着航海事业的发展，就逐渐形成了一种叫做“牵星术”的天文航海导航技术，主要是利用牵星板来测定船舶在海中的方位。
明代李诩在《戒庵老人漫笔》条中记载说：“苏州马怀德牵星板一副，十二片，乌木为之，自小渐大，大者七寸余。标为一指、二指，以至十二指，俱有细刻，若分寸然。又有象牙一块，长二寸，四角皆缺，上有半指，半角、三角等字，颠倒相向。盖周髀算尺也。”
来华的回民中有很多人姓马，这幅牵星板的主人姓马，他是否是阿拉伯人后裔以难以考查。严敦杰先生首先注意到这组牵星板当与航海定位有关，并对此作了复原研究。他指出这十二块方板中，最大一块七寸余，当合24厘米，定为12指。其次是22厘米为11指，每块递减2厘米，最小一块约长2厘米，叫1指。另外又有用象牙制成的一个小方块，大约6厘米长，四角刻有缺口。缺口四边的长度分别是半指、一角、二角、三角，一角是四分之一指。
后来，航海天文调研小组的刘南威等同意严敦杰的意见，但同时还提出了一些修正意见，指出1明尺为31.1厘米不够精密，当为32厘米才正确。他们由《郑和航海图》和《顺风相送》等书所载的若干已确知地点的纬度和北极星指数的分析中，得出1指约相当于1.9°的结论。
由以上介绍可以得知，明代舟师曾利用牵星板来测定天体距海平面的高度。有了星体的高度和所在方位，便可以判定当时所处的纬度。其中尤以观测北极星的高度确定纬度更为方便，因为北极星的高度就等于当地的纬度。使用时，手握牵星板，将握板之手臂伸直，让木板的下边缘保持水平线，上边缘对准所观测的星辰，这样就可以测出船舶所在地看到的星辰距离水平线的高度。高度不同可以用十二块牵星板或象牙板替换、调整。由于事先知道一指等于1.9度，算得纬度值也很容易。
不过，使用牵星术只能得知船舶所在的纬度，但决定一个地理方位需要通过纬度和经度两个数值来实现。古人确定经度是不容易办到的，他们通常用计算航船的速度来实现。例如，船队向西北方向航行，以每天行进10千米计算，可推知一个月后船已经行至距离西北约300千米的地方。
四幅过洋牵星图的释读
明末茅元仪编撰的《武备志》中，载有一组《郑和航海图》，该图备载宝船从长江口出海到南亚东非诸国的航海路径，和利用指南针方位，以及航海更数（里程）的情况。尤其是在从今斯里兰卡往西的航路上，载有大量的观测记录，有70处地点的牵星数据，其中特别令人注目的是四幅过洋牵星图，记载得特别详细，其图式均为在中央绘有一艘宝船，四周绘有不同星象，并载有“某某星某某指平水”字样。在图的右边还有总体说明，为我们提供了郑和下西洋如何应用牵星术的实例，今就这四幅图的内容予以阐释。
锡兰山回苏门答腊过洋牵星图
“时月正回南巫里洋，牵华盖星八指，北辰星一指，灯笼骨星十四指半，南门双星十五指，西北布司星四指为母，东北织女星十一指，见山。”
其意为这个时候，为从锡兰山（今斯里兰卡）回苏门答腊岛（今印尼）的海域，当见到苏门答腊山时，测得的华盖星距水面十四指，南门双星距水面十五指，西北布司星四指，东北织女星距水面十一指。
从地图上看，赤道横穿苏门答腊岛。当时观测到的北极星高度一定很低。此牵星图载为“北辰星一指”，正合适也。文中记载说织女星东北十一指，南门双星十五指。在中国古代南门星由于纬度偏南，是较难看到的，现在南门双星的高度，比织女星还要高，正是当地看到的实际情况。从织女星处于东北方位来看，观测的时间当为农历六月初昏时刻。文中还说“西北布司星四指”。在中国星座中没有布司这个星名，这也是牵星术源于阿拉伯人的一个理由。
图中所使用的星宿与中国传统星宿名称并不尽相同，有研究认为，北辰星即北极星（小熊座α星），织女星是天琴座α星，华盖星可能是仙后座49星（一说为小熊座β星、γ星），南门双星指半人马座α星和β星，灯笼骨星是南十字星座的α、β、γ、δ四星，西北布司星是双子座α星和β星。此外，还有一些星名，也并未形成科学定论。
龙涎岛往锡兰山过洋牵星图
“看东西南北高低远近，四面星收锡兰山。时月往忽鲁。别罗里开洋，牵北斗双星三指，看西南边水平星五指一角，正路看东南边灯笼骨星下双星平七指。正路看西边七星五指半平。”
从锡兰山上看四处星象，这个时候，正要将航船开往忽鲁漠斯。忽鲁是忽鲁漠斯的省称，位于今伊朗波斯湾境内，是当时明政府与波斯的一个重要贸易口岸。别罗里为锡兰国的一个贸易口岸，舟师从别罗里出发时测得北斗双星为三指。这是最重要的标志星。
从地图上看，锡兰位于印度南端的东南方，为了绕过印度南端开往波斯，锡兰的这个别罗里相当于其南部，故其纬度也比较低。文中说北斗双星三指，在其第二图中的西北角另载有“北辰星第一小星平三指一角平水”。这里出现“角”这个度量单位，按牵星术的法则，四角为一指，那么角也就是四分之一指。由此可以判断，别罗里的北极高度大致为6度。文中所说的七星，很可能就是指南方朱雀中的七星。在第一图中同时有织女星和灯笼星，且后者较高，此第二图中无织女星，且灯笼星较低，其观测的时间很可能是农历四月初昏。
古德里忽鲁漠斯过洋牵星图
“（前缺）指，过洋，看北辰星十一指，灯笼骨星四指半，看东边织女星七指为母，看西南司布星九指，看西北司布星十一指。丁得把昔开到忽鲁漠斯，看北辰星十四指。”
从古里过洋，到波斯湾口外的沙姑马山岛，这是进出波斯湾口外的重要标志，舟师于此处测得北极星为十一指，灯笼骨星四指半，东边的织女星为七指，西南的布司星为九指，西北的布司星为十一指。又从古里口外的丁得把昔开到波斯的交通口岸忽鲁漠斯，在此处测得北极星高十四指。
古里是古印度对外重要的通商口岸，位于印度南端的西南部，即现在的科泽科德市，也是明代商船通波斯的重要中间站。文中没有交代古里的北极高度，但第三图左上却记载说：“丁得把昔过洋，牵北辰星，七指平水。”第四图中也载有“丁得把昔看北辰星七指”，可知丁得把昔为古里口岸的重要标志。科泽科德市的纬度约为13度，正与丁得把昔平水的记载相合。在海中航行到达沙姑马山岛，就等于到达波斯湾口，据记载此处看北辰十一指，波斯口外阿曼南部的海岸的纬度约为20度，正与沙姑马山北辰十一指的记录相合。波斯湾的最北端约为北纬30度，波斯的忽鲁漠斯，其北极高十四指，正位于波斯湾出口处。于此观测时间为农历的五月或六月初昏。
忽鲁漠斯回古里过洋牵星图
“忽鲁漠斯回来，沙姑马开洋，看北辰星十一指，看东边织女星七指为母，看西北布司星八指平。丁得把昔看北辰星七指。看东边织女星七指为母，看西北布司星八指。”
从忽鲁漠斯回来，必须经过沙姑马山，然后才飘洋过海。在沙姑马山看北辰星为十一指，看东北边织女星为七指，看西北布司星八指平水。到达丁得阿昔之后，测得其北辰七指平水。
印度的古里，其重要的航海标志是丁得把昔，故在第三、第四图的左上方和中间，都标有“丁得把昔过洋牵北辰星七指平水。”而沙姑马山又是从古里漂洋进入波斯湾的重要标志和门户，故第三、第四图的上方同样也载有“开洋看北辰星十一指平水”，只是在第三图中将十一指误写作十四指。第三图载到沙姑马山看到的织女星为东七指，离开时也一样，说明当时在忽鲁漠斯停留的时间不到一个月。
牵星术——郑和时代的GPS
利用牵星板来测定船体所在的纬度，这是一项重大的发明。对于远洋航海来说，有着重要的现实意义和应用价值，具有划时代的意义。中国自古就有测量北极高度的传说，汉代的《周髀算经》就有冬至日中影长千里差一寸的论述，隋唐天文学家曾多次测量各地冬至日中影长以定北极高度。刘南威等根据中国自古就有以指为单位表述纬度单位的传说，突出牵星板测纬度的方法，是中国的发明。这一说法当然是与严敦杰的说法相佐的。与此同时，金秋鹏、陈美东等也主张“阿拉伯传入说”。阿拉伯人擅长航海，牵星板可能确定是阿拉伯人的发明。据福建集美航海学院收集到的《福建渔民航海指路薄》中说：“明永乐元年奉旨差官郑和、李恺、杨敏等，出使巽域，躬往东西二洋等处，开软（朝）贡累累，校正牵图星样（牵星图样），海岛、山域、水势一本，务要巽取能识山形水师，日夜无歧误也。”可见郑和在下西洋前，已经着手收集到包括牵星图在内的天文导航定位知识。又《顺风相送》所载“观星法”中某些星名，如凉伞星、灯笼星、布司星等，都是中国人所不熟悉的星名，即使所称此北斗星的画法也与中国完全不同，并言“中星居处不动”。看来牵星术确系阿拉伯人的发明，传入中国后经过中国人的改造，才成为郑和下西洋航船定位的主要器具。
郑和团队在航海中，以航海图中对沿岸和岛屿的牵星记载和“过洋牵星图”为依据，视星斗高低，度量远近，完全掌握了从某地出发，途经某地，利用星座的方位和高度，最后到达某地的技能。从《武备志》的记载可知，郑和船队不但到过印度、伊朗，其第五、第六次出海还到过东非的索马里，其间的各条航线相复杂，牵星术的使用，使郑和团队在几次航海中，能够解决判断船舶的地理位置与航行方向，确定船队的航向等一系列问题。我们不妨把牵星术称为郑和时代的GPS（全球定位系统），它同时也代表了15世纪利用天文导航的世界先进水平。
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