荔枝新闻专稿 记者/王晟 汪伟捷

　　“我在哪儿？”

　　“我要到何处去？”

　　这永恒的哲学之问，既是对人类自身命运的沉思，更是对时空坐标的本能探索。

　　从陶土凿壁的新石器时代，到今天完成全球组网的“北斗”卫星导航系统，数千年的历史长河中，中国人是怎么找到“北”的？

　　人们最初是通过天文手段来回答“我在哪儿”这个问题。更具体地说，是通过“星星在哪儿”在时间和空间两个维度，解决“我在哪儿”的问题。

　　中国古代的天文观测，最早可以追溯到新石器时期。

　　在河南郑州大河村出土的文物中，便有载彩陶片，上面绘有日月、星辰、星座、日晕、月晕和日珥，还有太阳光芒纹演变的彩绘图案。

　　这片印有星星的陶片，证明早在距今5000年的大河村时期，人们已经摸索着把星星连线成星座，用作位置参考。

河南郑州大河村出土陶片

　　古代中国以农业社会为基础，季节的确定对于农业生产至关重要，对于时间维度上“我在哪儿”的追问愈发重要。

　　通过考古与文献的记载，我们可以知道祖先们以观察星辰判断所处的时间，天文观测与历法制定开始逐步发展。

　　到了秦汉时期，人们已经总结出完整的二十四节气，指导春种秋收，对农业生产意义重大。

　　每天正午时，测量一根垂直于地面的杆子的影子，即可判断太阳高度，这就是高表测影法。季节不同，正午太阳的高度也不相同：夏天时，太阳高；冬天时，太阳低。先民们通过确定一年中影子最长与最短的距离，设定了夏至与冬至。再将一年24等分，得出了二十四节气。

　　二十四节气，让普罗大众都能知道自己在一年中所处的具体时节，可以更好调整生活作息，适应四季转换。

　　测量日影的那套工具：树在地上的杆子被称作“表”，放在地上的尺子被叫做“圭”，二者合称“圭表”。所谓“置信为时”，测算时间的圭表，也成了中国传统文化中，关于信用与规范的代名词。

　　除了日月，对其他星体的观测，能让“时间定位”更加精确。

　　《左传·襄公九年》记载：“陶唐氏之火正阏伯居商丘，祀大火，而火纪时焉”。

　　“大火”是先人们对心宿二的称呼，这句话的意思是：在商丘管理与火相关事务的阏伯，利用心宿二来计时。

　　现代天文学告诉我们，心宿二是一颗著名的红超巨星，能放出火红色的光亮，亮度很高。每年五月黄昏，位于正南方，此时它的位置最高；到了七月，心宿二的位置由中天逐渐西降。

　　古人看到“大火”的位置逐渐向西边落下，便“知暑渐退而秋将至”，这也是成语“七月流火”的由来。至于今天常常有人用“七月流火”形容夏季的炎热，纯粹是望文生义的谬误罢了。

　　很值得一提的，是汉代的科学家张衡。他通过对天体运转的观测，得出一年为“三百六十五度又四分度之一”，这与近代测量的地球公转一周要365天5小时48分46秒，已经相当接近了。

登封观星台，中国现存最早的古观象台，相当于一个大型圭表

　　当祖先们借助马车船只，扩大了活动半径，对地理维度上“我在哪儿”的探寻，就变得更加迫切与重要。

　　茫茫大海，没有地形参照，风雨中难见日月。

　　与原始社会根据太阳东升西落来判断方位，或是陆地上根据地图与身边参照物来定位相比，海上并没有明显的参照物来指引，定位的难度与重要性也随之上升。

　　古人凭借天文知识与数学运算，制造了实用的陆上地图测量工具。

　　《马王堆汉墓地图》证明，大约2200年前，古人已经可以对数百平方公里的复杂地形测绘制图。西晋的裴秀，创立了制图六体，分别是“分率、准望、道里、高下、方邪(斜)、迂直”。前三条点明了地图比例尺、方位和距离三个基本要素, 后三条是说如何测量实地上两点间的距离。

　　到了唐代，著名僧人、天文学家一行通过测量北极星的仰角变化进行南北定位，还发现了其中固定的比例关系。一行的大规模测量利用了名为“覆矩”的仪器来测量北极星仰角。现代研究认为，“覆矩”结构不算笨重，可以安装到船舶上，简化为我国古代航海用的“量天尺”。

　　“量天尺”与“牵星术”均为我国古代典籍中提及的航海定位术，他们与“裸掌测星”一样，均是通过对星星高度的测量，判断自己在海中的相对南北位置。而根据针对华南沿海、太平洋上的群岛与阿拉伯世界的历史研究，通过一些特定星星与海天连接线的距离判断南北位置是古代航海家们的日常操作。

裸掌观星

量天尺

牵星板

　　到了17-18世纪，西方出现的基于光线反射原理制成的六分仪，提高了传统测星的准度，为航海测定纬度提供了强有力的技术支持。

六分仪

　　上面提到的航海定位，都是提供所处纬度的信息，而经度定位的方法则相对较晚出现。

　　16世纪，两种解决方案终于问世。一种是月距法，但因过于复杂难以操作而被放弃；另一种是钟表法，直到18世纪有了精准的钟表出现才得以实现。

　　钟表法定位精度，依靠精准的钟表显示出发地时间，再通过太阳的位置来计算所处地的时间，便可以得出时间差，继而换算得出经度。

　　来到近现代，人们对于“我在哪儿”有了更高更多的要求，基于天文学的定位开始向基于物理学的定位转移。

　　19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦提出电磁场理论，从理论上推测到了电磁波。19世纪80年代，德国物理学家赫兹发现并验证了电磁波的存在，为无线电技术的发展和应用奠定最初的基础。

　　无线电不仅能传输信息，还能用以定位。利用无线电波直线恒速传播特性，通过测量固定或运动的物体的位置，就能实现无线电定位。

　　今天的人们恐怕很难想象，在20世纪30年代，已经开通了跨洲际飞行的远程航线。借助早期的无线电定位和导航技术，庞大笨重的水上飞机，也可以载着几十位乘客，一站接一站地飞遍全球。

20世纪30年代的水上飞机

　　1957年10月4日，世界第一颗人造卫星，即前苏联斯普特尼克一号，发射升空，人类正式进入了太空时代，几十年间，数百颗卫星相继进入太空，履行各种使命。

　　科学家们也开始思考：既然能在地面上监测人造卫星的位置，那么能否用人造卫星的已知位置，反过来回答人们“我在哪儿”的疑问呢？

　　用人造卫星定位，首先要回答时间上的“我在哪儿”，利用时间来反推空间位置。

　　原子钟，就是卫星定位的法宝。因为原子吸收或释放能量时发出的电磁波非常稳定，计时精度可以达到几千万年才误差一秒。

　　导航定位卫星，通过搭载的原子钟进行授时，保证卫星发射端与地面接收器的时间同步。然后，通过从信号发射到信号接收之间的时间差，计算出卫星与地面接收端的距离。同时，计算多颗导航卫星与这个接收器的距离，就可以确认这个地面接收器所处的位置。

　　20世纪90年代，美国凭借这一技术首创GPS全球卫星导航系统。

　　2000年，随着第一颗北斗卫星发射升空，中国人开始了又一次重要的航天领域“三步走”计划：

　　2000年年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务；

第三颗“北斗一号”卫星发射

　　2012年年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务；

　　2020年，全面建成北斗三号系统，向全球提供服务。

发射之前的北斗系统“收官之星”

　　今天的北斗系统，已经不仅仅通过定位导航，解答我们的时空之问。而是凭着强大的功能，在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信时统、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，融入国家核心基础设施，创造显著的经济效益和社会效益。

　　按照计划，2035年，中国还将建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合定位导航授时（PNT）体系。北斗将以更强的功能、更优的性能，服务全球、造福人类。

　　今天的人们，只需要一台手机，就可以借助北斗，规划自己的路径，设计充满无限可能的未来。

　　面向未来，北斗服务全球的承诺始终如一，将像中国古代的圭表一样，以时为信，造福人类。

　　（本文资料来源：《大河村天文图象彩陶试析》、《6000多年前“星空下的村落”——探访河南郑州大河村遗址》、《古人如何掌握节气与纪年——从圭表说起》、《古代发明人物故事：张衡发明浑天仪和地动仪》、《中国古代的地图测绘》、《中国古代测绘技术的发展及其影响》、《海中识方位——航海南北定位在中国古代开始应用时间探析》、《从南岛“裸掌测星”到郑和“过洋牵星”——环中国海天文导航术的起源探索》、经“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目审核的百度百科无线电定位系统、原子钟词条。本文系荔枝新闻专稿，谢绝一切删改。）