大航海时代:古代及现代的航海定位方法

在公海上精确定位船的位置可不是个简单的任务,尤其在古代缺乏现代设备的情况下更是难上加难。众所周知,船用计算机系统一旦感染病毒,就可能连续多天无法正常工作。许多时候,由于船上缺少网络安全专家解决这些难题,有些船甚至在海上漫无目的地漂流长达数周之久。

在计算机发明前的很长一段时期,人类历史上的首批航海者—维京人和波利尼西亚人—探索了这个世界并做出了许多重要的发现。

在公海上精确定位船的位置可不是个简单的任务,尤其在古代缺乏现代设备的情况下更是难上加难。众所周知,船用计算机系统一旦感染病毒,就可能连续多天无法正常工作。许多时候,由于船上缺少网络安全专家解决这些难题,有些船甚至在海上漫无目的地漂流长达数周之久。

远古时代:人类历史上首批航海者是如何在海上任意遨游的

波利尼西亚人显然都是些出色的航海家。在哥伦布首次横渡大西洋前的几百年,波利尼西亚人就驾驶着他们的独木舟横穿太平洋,并在波利尼西亚三角群岛的各岛屿之间进行长途航行,距离长达数千英里。他们利用太阳、星星、月亮、风向和潮流方向在海上进行定位。此外,他们还用树枝和贝壳制作一些特殊的海图

维京人同样驾船在北欧、不列颠群岛、冰岛和格陵兰之间任意往来(最远还到达过北美大陆),航行距离同样达到数千英里。过人的计算能力和观察力在他们的航海中起到重要作用:尽管他们随波逐流,但却会跟踪鲸鱼,并在船上养了许多乌鸦—这些训练有素的鸟总能搜寻到最近的陆地。

根据各种历史记录,维京人之所以能在茫茫大海中确定船只位置,主要是利用太阳阴影板、海上航行的天数、估计的船速以及太阳和星星的方位等。有些专家甚至认为维京人使用了日长石,在无法看到太阳和星星的恶劣天气,通过偏正光确定太阳方位。

维京人常常凭直觉判断方位,因此经常出错。《萨迦》上面记载了维京人航海常受困于浓雾和恶劣天气。在这样的天气条件下,古代航海者很容易完全失去方向感。

难以计算的经度

就我们所知,坐标的概念最早首先出现于公元前约200年的希腊。率先提出经纬度精确概念的是古希腊天文地理学家Claudius Ptolemy。

古代航海者利用地球和天空的海图以及坐标格网定位船只的位置。即便如此,仍然很难找到必要的坐标。尽管可以利用太阳、月亮和星星确定维度,但经度却是个让人头疼的问题。

经度可以计算出来:即在同一时刻测量当地时间与某个参考点的时间之差。精确度相当重要:在赤道,每偏转1度就相当于68英里的差距。船上时间可以由太阳和星星确定,但在那个年代时钟并不准确,因此人们无法确定出发港或格林尼治本初子午线的时间。

多年以来,学习如何确定经度总是航海家首先需要掌握的技能。路易十六就曾公开表示,他的天文学让他丢失的领土比军队打仗丢失的还要多。

在十六世纪至十八世纪期间,西班牙、荷兰、葡萄牙、威尼斯和英格兰—所有这些曾在海上称霸一时的强国— 都曾悬赏重金,希望有人能发明出简单实用的方法-能精确定位航行船只的经度。英国政府就曾悬赏一大笔钱—2万英镑,相当于2015年的260万英镑(折合380万美元)。John Harrison因发明了航海天文钟而获得了大部分的奖金。从1760年开始,该工具成为了海上航行的必备装备。

在此之前的1757年,六分仪率先得以问世(包括Isaac Newton、John Hadley和Thomas Godfrey在内的多名科学家共同努力的杰作)。这两种工具的出现最终解决了长期以来的海上经度计算难题。

其工作原理又是如何?

在中午,领航员利用六分仪测量地平线与太阳间的角度,并与显示在精密计时表上的格林威治标准时间作比较。如此便得出了经度—船只向东或向西与本初子午线的距离。

现代海上定位工具

如今,大多数船舶依赖电子海图显示与信息系统(ECDIS)和全球定位系统(GPS)确定船只的位置。

GPS则使用由超过30颗卫星组成的网络确定船只的精确位置。最初这一系统为军事目的而研发,但如今几乎所有人—从游客到海员和飞机驾驶员—都能方便地使用。

除了GPS外,船只还能切换至电子海图模式,使得海员只需几分钟就能完成必要的绘图和修正工作。因此,值班的高级船员就能将更多的时间用于观察和分析周围的环境:天气、船速及其他重要变量。航行因此而变得更加安全,这无论对于船东还是船上装有货物的客户,以及设定保费费率的保险公司而言,都至关重要。

类似于航空领域,航海ECDIS系统也必须有两个。如果船舶想要放弃使用纸质海图,则需要有两台ECDIS设备,且显示器和数据库都应独立分开。

万一出现墨菲定律…

因为编程错误或定向攻击导致两台ECDIS系统同时出现故障,这完全有可能发生。计算机系统也会为了安装补丁和更新而停止工作。此外,研究人员还定期在例如:ECDIS和GPS这样的关键技术,以及船舶自动识别系统内发现漏洞。就算打上了安全补丁,新的bug还是会不断出现。

如果离海岸不远的话,导航系统出故障并没有太大的危险:完全可以就近求助,确定方向也不是什么难事,同时互联网和移动网络通常都可以连接。如果海员观察到不安全网站的问题,完全可以联系岸上相关负责人员,要求发送PDF格式的海图,上面通常标有浅滩、潮流以及危险的地方。

GPS有时并非100%准确。太阳的电磁辐射会严重影响到卫星的正常运行。除此之外,犯罪分子(比如海盗和恐怖分子)完全可以锁定信号,并使用简单、廉价且容易买到的GPS扰乱装置实施干扰。

受感染的GPS系统完全能让船只偏离既定航线,仿佛有人操控了一样。理想的情况下,可能只会导致延迟—而最坏的情况,可能会造成灾难性的船只撞击或搁浅。为避免这样的情况发生,美国海军专门教授船上高级船员通过太阳和星星在海上导航的方法。

因此一旦船只在公海上航行时连接遭破坏或GPS阻塞的话,这一明显的威胁将逼迫甲板高级船员重新回想起之前学习过的天文导航知识。当然,海员也有自己的一套定位方法:例如,一旦导航系统出现故障,他们还可以将GPS坐标下载到自己的智能手机上。事实上,他们这样做的原因往往是因为既想得到船舶的位置,又不想离开船舱。现代船只只要发动机和发电机能正常工作,几乎不太可能迷失在大海上。

一旦失去电子设备导航,辨别方向和定位依然是个大问题。两年前进行的一场”壮举”清楚明白地告诉了我们,在过去几个世纪人类海上航行和导航技术到底取得了怎样的进步。2014年,美国佛罗里达一男子试图进行一场水上”马拉松”:在一个”摩天轮充气球”(装有仓鼠转轮的充气船;通过跑步推动充气船前进)中从佛罗里达步行至百慕大。他的确很厉害,他发明的”充气船”不会下沉,但似乎却忘了海上导航定位。Reza Baluchi从佛罗里达海岸出发,没走多远就迷失了方向。他甚至还拦停了一艘经过的船只,询问前往百慕大的方向。

和自己的智能手机结婚?有人真这么干了

维尔茨堡大学和诺丁汉特伦特大学就我们与智能手机之间微妙的关系做了调查研究,结果着实令人大吃一惊。其中,37.4%的受访者认为智能手机与好朋友同等重要甚至更重要。可以预计,不久的将来智能手机就将彻底取代好友的位置。

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