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经纬度是如何测量的?

2021-07-27 11:17:56 1166 字数:1955字 经纬度

  地球表面上的每个点都有一对唯一的经纬度。地表经度相同的点在同一个经度圈上,纬度相同的点在同一个纬度圈上。

  要确定地球上某点的纬度比较容易。地球自转轴向北始终指向一颗普通的二等星——小熊座α,也就是我们常说的北极星。北极星总是处于遥远的北方天空。人在北极,它就在头顶;人在赤道附近,它就在非常靠近地平线的地方。由于距离非常遥远,在北半球,北极星与任何地面点的连线都近似于平行线,所以北极星高出地平线的目视夹角(地平角)就是观察者所在位置的纬度。两地同时观测北极星得到的地平角或天顶距的差值,就是两地的纬度差。同理,依赖一些天文学方法,观测其他明亮的天体——恒星甚至太阳,都可以获知纬度差,从而确定所处的纬度。

  相比纬度,经度的测量要难多了。经度的准确测量往往需借助于时间。

  地球上不同经线上的地点有不同的“地方时”,就是以日影最短的时刻为当地的中午12点钟。在同一时刻的瞬间,经度不同的地点,地方时不同,例如北京当地8点时,伦敦则是凌晨0点。测量出两地“地方时”的差,就可以确定两地的经度差。

  利用同一个天文现象(如月食)在不同地点同时观测到的时刻(地方时),就可得到两地地方时的时差。当年成吉思汗率领蒙古大军西征欧洲,随军的天文学者就利用月食观测来间接计算征战之地与蒙古老家的距离。

  可月食不是随时能观测到的,对测量经度很不方便。不过,古人很早就学会了利用漫天群星来确定天球经度。直到现代,天文观测仍是高准确测量经度所不可缺少的方法。

  在没有现代钟表的中国古代,人们依靠漏、表来测定时间,很早就达到了较高的时间准确性,有人估计达到了几分钟的精度,但难以继续提高,而且时间比对不容易。

  自从有了精确的机械钟表,可以携带、对比两地的地方时,对经度测量就方便了很多。在便于携带的机械钟表出现和使用的基础上,1530年,荷兰天文学家弗里西斯提出“以时间确定经度”的原理。地球24小时自转一圈,即360°。那么,1小时相当于15°,4分钟相当于1°。如果两地各有一台守时的机械钟表,对比它们的时间,就可以用两地的地方时间之差来衡量两地的经度差。两地时间差与单位时间的经度差相乘,得到的就是两地之间的经度差,例如北京和伦敦的时差大约8小时,两地的经差数是大约8时×15(°)/时=120°。

  全球航海推动了经纬度的测量,但远洋途中湿度、温度和重力不断变化,航海钟的设计必须克服船只晃动、曝晒高温、误差等问题。18世纪,英国成立了“经度委员会”,悬赏解决经度问题的方案。直到1735年,英国钟表匠哈里森制造出了第一台航海钟。

  后来,更精确的计时工具出现,为经度的准确测量提供了更好基础;而无线电技术用来传递时间信号,则提供了快捷的时间比对方式——这比搬动钟表去比对两地的时差要方便多了。

  时间测量越精确,测得的经度就越准确。石英钟、原子钟的发明,无线电通信技术的发展,使得经度测量不仅方便,而且准确性不断提高。各种现代通信手段都被利用来传递时间信号,无线电(电报、广播、无线电视)、有线网络(电话网、互联网)都是传递时间信号的管道。

  从20世纪70年代起,人造地球卫星用于测量距离、确定地面点的经纬度,也都是基于无线电波传递时间和测量时间的原理。电文信号里面记录有信号发出的时刻信息,接收机则可用自带的石英钟比对收到信号的时间,得到无线电信号的传播时间,可以计算出卫星到用户接收机之间的距离。一台接收机可以跟踪测得多颗卫星的信号,如果卫星的位置都是已知的,卫星到地面接收机的距离也是已知的,那么大概需要3颗卫星就可以推测出接收机的位置。

  卫星上装载先进的精密原子钟,测量时间的精度就很高,因此卫星定位的精度可以实时测量精确到几米,采用上述技术,通过长时间的观测和复杂计算,地表定位精度可以提高到毫米级的水平。也就是说,对于地面东西距离相差几毫米的两个地点,经度上的微小数值区别也能测量得出。

  【知识点】零度经线在哪里

  经度的起点是0°经线,也叫本初子午线。在历史上,零度经线曾经可以随便定义,一般把出发点或某个重要城市所在的经线定义为零度经线。清朝康熙年间测量《皇舆全览图》时,就规定北京所在的经线为零度经线。

  现代天文学规定,通过英国伦敦格林尼治天文台旧址的一根经线是零度经线,向东叫东经某某度,向西叫西经某某度。当年定义0°经线时,还在0°经线通过之处设置有专门的仪器标刻出这根经线。随着技术发展,定位精度需求不断提高,为防止地震、地壳移动等对这个标志性的零度经线的破坏和悄然移动,目前天文学界已经不再依靠当年那个仪器实物来定义零度经线,而是靠很多天文观测站网共同维持零度经线的精确定位。

  【发散思维】按赤道一圈是4万千米计算,赤道上经度每差1度、1分、1秒,地面距离分别各是多少米?

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