從這裡到那裡：北斗七星到北斗衛星導航系統的演進之路 / 講者：陳志雄 (地政總署高級土地測量師)
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大家好,欢迎星期日晚留在香港电台第一台收听由文教组制作的节目大学堂,我是李秋婷

自古以來人類為了文明的發展需要踏上遠征之路去探索未知的地域地圖就是其中一個指引他們的重要工具

追溯到公元前一萬二千年當時還沒有紙張的出現古人就將地圖刻畫在一條「孟馬象牙」之上簡單顯示出當時河流和沿河住宅的地貌這一個被稱為世界上非官方認定最古老地圖在 1966 年在烏克蘭出土

隨著時代變遷人類不再局限於探索地面中西方都開始各自衍生出關於天空與宇宙的理論而這些理論甚至跨越數十年影響幾代人時至今日科技的進步令人類更了解宇宙萬物由古時利用北斗七星辨別方向到現今發明北斗衛星導航系統

人類從未停止探索世界的慾望今日我們重溫由地政總署高級土地測量師陳志雄在 2024 年 12 月 7 日主講的講座從這裏到那裏北斗七星到北斗衛星導航系統的演進之路和大家探討由古至今導航的發展歷程

探索世界最重要的就是方向感關於中國四大發明之一的「指南車」就有不同的說法相傳皇帝與蚩尤爆發戰爭在「奪陸之戰」時蚩尤利用大霧迷惑皇帝的部隊於是皇帝發明「指南車」去辨別方向最終擊敗蚩尤確立帝位

除此之外也有史書記載三國時期魏國的馬軍製作出指南車而車上有一個人形公仔手指所指的方向就是北方而在英國倫敦的大英博物館就收藏了巴比倫時期的文物一塊有大約 3000 年歷史被稱為「世界異象」的褻瀛文字泥板

中國人在差不多春秋節各年代開始已經有一個天原地方的概念

除了有人字面演繹地下四方天就像蓋子般吸入去的字面解釋之外當然它亦可以引申到哲學上的一些理論蓋天說就是天在蓋子般凹著地球我們的生活當時未是地球中間如果有聽過雲天地動儀可能聽過一些名字當時亦有人覺得

世界在中间然后天就像一个球般包住然后球在转你会看到星体在天上一直兜圈你就会看到它有日出日落有不同的天象大家有听过一个故事叫《几人有天》

當時有人很害怕星星月亮太陽會從天上掉下來但當時亦有理論指出不會的 星體在氣上黏著天 浮在空中這是當時的古人如何認知和描述我們的宇宙和世界

西方國家在公元前 500 年至公元前 240 年也開始對自己居住的世界提出疑問認為地球不只是肉眼所見的平面古希臘數學家畢達哥斯拉和愛拉托薩尼相繼提出地球是球形的理論並指出通過觀察月食時地球在月亮上投射的弧形陰影而斷定地球本身就是一個球體

而这个理论直至大航海时代才被证实当时航海家麦哲伦因为开拓新航路而文明他先后进入大西洋和太平洋成为首位经太平洋到达亚洲的欧洲人并且实现环绕地球航行西方文明都有类似的一些探索他慢慢开始发觉地球不是像我们现在看到的那么简单不是就这么平的一个地方

看到一些星在不同的位置原来那个样角的角度是会变的然后在静的时间有些地方的影是很短有些地方的影很长当时的一些哲学家或者数学家其实他们的名字都很熟可能帕拉图、阿里斯多德他们这些思想家

他覺得地球其實真的好像一個波那樣他們計算了一些數據原來地球大概一個波那樣圓周是 4 萬公里那麼大其實跟現在我們實際上知道的尺數也差不太遠而已這個是一個推算慢慢的推算

到真的我們的航海家去真真正正環遊世界坐船環繞了地球一個圈發現原來地球真的是一個球他們就開始將地面的所有東西都畫在地圖上我們又看到美洲新大陸有很多這樣的地圖

地圖的發展大家可能研究歷史的朋友可能都會有很多資料在地圖上可以找得到就是知道大家當年怎樣認知不同的世界慢慢記錄了當時的文明的發展

這是一個簡圖,我們認知由很模糊開始到現在,我們科學化地球原來是一個球體甚至乎是一個拓球體,或者再細緻一點說是一個扁的拓球體當然,仍然有一些人覺得地球是平的,這就有他們的理論

雖然麥捷倫、達加瑪及哥倫布等為航海時代揭開序幕但其實當時的航海技術仍無法精確掌握船隻所在的位置所以出航都有機會出現迷失航道的事故

陳志鴻就提到在 1714 年英國國會通過《京道法案》重金圓賞準確在海上測量京道的方法最終密得良方開啟航海時代的新紀元以前要找京道也不容易因為它和時間有關時間其實不是那麼容易量度大家現在可能手上有智能手機有其他錶但以前要量度一個準的時間

尤其是在船上船是移動的以前是靠一些駝標或者是一些吊鐘鐘擺會擺那些鐘在移動當年 1714 年英國有一個法例就是有一個獎如果你將那個京都的測量做到少於一度可以得到一萬英鎊

今天其實算上幾千幾萬港幣顯示到其實它不是一個容易的事到了 1773 年的時候有一個叫夏立信的人成功做了一隻標其實不知道是第幾代的已經做了幾代了做到一隻每天差 0.3 秒的不差的標他就成功地後來經過連番爭取之後又拿到這個獎金可想而知其實測量這個經度其實並不容易

回顧古人未發明地圖時太陽和北斗七星就成為宇宙自大的導航系統當人類遇上浩瀚無邊的世界依然可以透過它們辨別方向但太陽在東面升起這個理論又是否完全正確呢北極星的位置又會否改變我們又可以如何利用這兩個星體找到東南西北呢

太陽在東方升起是不是真的在正東方升起呢?原來每一天都不同的天文台的同事如果有可能都會知道我們原來在春分秋分的時候是東方在這個夏天的時候它會偏北一點

在冬天的時候會偏南一點在香港的地方有東有西自然有東南北其實你放對羅庚就知道那個方向中國人的羅庚挺有趣的跟西方是相反的南面在上面北面在下面你看到五是南面就是一個頂子就是下面我們說子午線就是一條南北的線這個名字可能大家聽了但是原來不知道是這樣的

還有看古裝劇《五門斬首》那個五門就是在南面那裡滿大家如果野外求生不小心蕩失路想找回自己的東南西北最簡單就是拿個時針對著太陽然後找時針和十二字的中間那條線就是南北方向如果你在北半球的話這個都是一個簡單的一些應路的技術

晚上就看星 说明北极星就是在北面为什么它有一颗这样的星呢?其实每一晚看到星星 它都会在不同的位置 9 点钟看一次 10 点钟看一次 它会动唯独一颗就因为它正正在地球的自转轴中间的位置就在北半球的时候就在北面 它就不转 那个方向就是北面了

除了这样看几个钟头之外,也有一些天文学的方法,找不同的星座,去再找回北极星的位置。北斗是一个我们最常说的星座,最出名,知道是用来导航,但是北极星都不止一粒,在不同年代的北极星其实是不同的。

地族的转移是令到那颗北极星几千年后对着那颗北极星就不是今天那颗北极星或者几千年前那颗北极星也不是今天那颗但是我们整个周期是说二万六千年科学家就说到底其实东南西北都可以有很多学问在后面

大家對於英國格林威治的本初子五線有多了解呢?它是一條穿過格林威治皇家天文台的模型線兩端延伸至南北兩極而它就是大家所說的「靈道經線」將地球垂直地分成兩半格林威治以東稱為東半球以西稱為西半球

格林威治作為地理上的經度的起始點同時成為時間的參考點世界各地以格林威治時間 GMT 作為標準你們知不知道其實香港也有自己的指五線呢?

香港當年又怎樣做呢?以前我們香港的天文台以前如果大家有看過一些文件或者是在說這個 12 點的時候正午有個波報時其實就是讓船家知道現在是正午你對著你的鐘你對著你的鐘也就會知道你和你的出發點例如是英國的哪個地方那個時差你又可以記得

香港和英國當年去到 1920 年代的時候都正式地用一個無線電的方法計算了時差就是 7 小時 36 分 11.25 秒這個正正就是我們現在香港經緯度或者做測量的同學、同事就會知道這個是我們的經度的來源是天文台香港的指引線的一個經度

地球作為三維空間的球體被繪畫成平面時便會出現變形的情況在航道上他們會利用默卡托頭的拍法去確保形狀和方向正確但除了將地球變成平面外亦需要計算高度以良鐸山脈為例便要利用海拔計算又或以地心為起點良鐸的方式不同得出的結果亦不一樣

但我們很多時候在球面上有經到位到但我們日常做事用紙走路時用紙不會很踏地球而且用地球畫的東西可能不太仔細我們很多時候要將一個球面的東西放在一張紙上我們都需要一些技術一些數學的方法將一個球形的三維世界放在一個平面世界

數學上你怎樣做都不能夠全面地、準確地將所有東西都保存到當你保存到形狀的時候,大小就可能有偏差保存到面積的時候,距離可能有不同這是數學上的取捨不同的方法有不同的功能其中一個我們常用的就是例如導航相我們會用一個叫做 Maccato 的投影法就會保住翼狀,特別是方向

譬如我們要去倫敦去西雅圖或者西雅圖去倫敦這裏應該在說在紙上最平最直接的兩點的方法在地圖上就是連條直線如果你跟著這條直線走即是下面 87 度那條直線你跟著同一個方向一路走你是會走到倫敦的但實際上它的距離並不是最短而最短那條就是上面彎那條

相差了 1100 多公里因為它在地球的一個面經過一個高一點的方向是節省了一些時間但是又要休航一直知道要轉彎那對於渡航或者是探險的人可能會有一點偏差可能就危險了可能會去不了倫敦或者去到別處這個也是當時我們在地圖上一些數學的處理問大家一個常識題全世界最高的山是誰

這是最多人回答的如果用海平面計算起海拔是八百四百米這個珠穆朗瑪峰是最高不過用不同的方法計算可能有不同的答案例如由山腳計算起最高的原來是在夏威夷它的山腳在水底差不多一萬米

就是它前前後後由板凸到這個頭的高度就會是這一隻另外一個定義就是用地球中心開始計算距離地球中心最遠的那座山又不是這一座是阿瓜多爾這個也挺有趣的一個分析所以其實我剛才這樣說因為每一個位置都是有一個參考的我們要定對那個參考才能說得到我們在說的位置的系統

所以我們要先講清楚這個系統比如最簡單我們講地址彌敦道 123 號好像一個很直接的描述但是其實你背後隱藏了哪裏是彌敦道哪裏是彌敦道 1 號哪一個方向是彌敦道的大號、小號我們也要知道我們在街上我要看著彌敦道 80 號、90 號我就慢慢走我就會知道我去到 123 號背後其實是有一些系統的

在香港我們地政總署就是負責這個系統的我們用一些叫做座標參考系統的形容方式將我們的經緯度定好將香港好像一個格子紙一樣選出來將我們地面上的一草一木一座大廈一條馬路放在地圖上用一個大家都公認大家都清楚標識到的一個系統

高度也是,當年有一顆釘,我們叫做 Ruffin Boat,利福文的一顆釘這顆釘現在在中環碼頭旁邊的博物館當年就是,如果沒有記錯是 1966 年,被砍到石頭上那就是當年香港的平水基準,用到現在這個釘就不在這裡了,但基準用到現在有了這個系統之後,我們就可以將我們地球的東西放進去

古人利用太陽和北斗星作為定位的方法到現代北斗衛星導航系統的建成歷史和科技反映出人類探索世界的脈絡

北斗衛星的演進過程不僅見證人類科學智慧的進步亦反映出科技在生活和文明發展中的關鍵角色精準導航技術的改進解決定位問題令人類能更安全地探索地球上未知的領域

今集大學堂的時間又差不多了下一集我們會繼續和大家探討北斗衛星的發展之路以及在全球導航衛星系統當中的角色約定大家下星期日晚上 8 點鐘香港電台第一台的大學堂再見