航海計時器

航海計時器（Marine chronometer）是一種精密的計時器，隨身攜帶於船上，用於透過天文導航來確定船隻位置。它透過比較格林威治標準時間（GMT）與目前天體觀測中發現的時間來確定經度。它在18世紀首次開發時，是一項重大技術成就。因為當時缺乏電子或通訊輔助工具，在長途海上航行中，準確掌握時間的知識對於有效的航行至關重要。第一台真正的計時器是約翰·哈里森以畢生心血完成：持續了31年的實驗與測試，徹底改變了航海（後來的航空）。

計時器「chronometer」一詞源自希臘語 χρόνος（chronos，「時間」）和 （意義是度量）。1713年英國神職人員兼科學家威廉·德漢姆（William Derham）所著的《物理神學》一書，收錄了最早描述海洋計時器的理論之一。近年來，這個詞越來越常用來描述經測試並認證的手錶，以符合特定精度標準的計時器。

## 歷史

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要利用經典模型確定地球表面的位置，必須知道緯度、經度和高度。對於在海平面運作的船隻，高度考量自然可以被忽略。直到1750年代中期，由於經度計算困難，在陸地視線之外的海上精確導航仍是未解之謎。領航員可透過測量太陽正午（即達到天空最高點，或稱頂點）的角度來確定緯度，或在北半球測量北極星與地平線的角度（通常在曙暮光期間）。然而，要找到它們的經度，它們需要一個能在船上使用的時間標準。觀察規律的天體運動，例如伽利略的方法基於觀測木星的天然衛星，通常因船隻運動而無法在海上實現。月球距離法，最初由約翰內斯·維爾納於1514年提出，與航海計時器並行發展。荷蘭科學家海馬·弗里修斯於1530年首次提出使用計時器來測定經度。

計時器的目的是準確測量已知固定地點的時間，這對導航尤其重要。由於地球以規律且可預測的速度自轉，若足夠準確地知道計時器與船隻所在當地時間的時間差，可使用球面三角學來計算船隻相對於本初子午線 (定義為0°)（或開始的其它地點）的距離。

實用的天文導航通常需要用航海計時器來測量時間，六分儀來測量角度，還有航海年鑑提供天體座標表、一組觀測歸算表以協助執行高度與方位計算，以及區域圖。使用觀測歸算表時，唯一需要的計算就是加法和減法。大多數人經過一兩天的教學與練習後，甚至使用手動計算方法，都能掌握較簡單的天文導航程序。使用航海計時器以以計時器測定經度，使領航員能獲得相當準確的位置定位。因為地球的角速度與緯度相關，每四秒時間的來源誤差，東西方向位置可能誤差最多略超過一海浬。

打造一款能在海上可靠運作的時計相當困難。直到20世紀，最好的計時器是擺鐘，但船隻在海上搖晃，以及地球重力變化高達0.2%，使得基於重力的簡單擺錘在理論和實務上都毫無用處。

### 首批範例

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克里斯蒂安·惠更斯於1656年發明擺鐘後，於1673年在法國首次嘗試製造航海計時器，贊助人為讓-巴蒂斯特·柯爾貝爾。在1675年，惠更斯當時領取路易十四的退休金，他發明了一種以輪擺和螺旋彈簧來調節的計時器，取代了擺錘，為航海計時器及現代懷錶和腕錶的誕生鋪路。他從科爾貝爾那裡取得了一項專利，但他的時鐘在海上仍然不精確。惠更斯於1675年嘗試從查理二世取得英國的專利，激勵了羅伯特·胡克。他聲稱多年前就構思出了發條驅動的鐘，嘗試製造並申請專利。1675年期間，惠更斯與胡克各自交付兩台此類裝置給查理，但均未成功獲得英國專利。而正是在這項工作中，胡克提出了胡克定律。

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「chronometer」一詞首次發表於1684年，刊載於《Arcanum Navarchicum》，這是基爾的教授馬提亞斯·瓦斯穆斯的理論著作。隨後，英國科學家威廉·德漢姆於1713年發表了關於計時器的理論描述。德漢姆的主要著作《物理神學，或從上帝創造作品中證明其存在與屬性》也提出使用真空封口以確保鐘錶運作更精確。1714年，英國的傑瑞米·薩克開始嘗試建造可運作的航海計時器，兩年後由法國的亨利·薩利完成。薩利於1726年出版了他的作品，與《Une Horloge inventée et executée par M. Sulli》，但他和薩克的模型都無法抵擋海浪的搖晃，也無法在船上條件下精確計時。

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1714年，英國政府提供一項經度獎，以獎勵一種海上經度測定方法，獎金依準確度而定，介於1萬英鎊至2萬英鎊（以計值約200萬至400萬英鎊）。約克郡木匠約翰·哈里森於1730年提交了一個計畫，並於1735年完成了一座鐘，這些時鐘基於一對反向擺動的加重樑，這些樑由彈簧連接，其運動不受重力或船隻運動影響。他的前兩款航海用時計H1和H2（1741年完成）採用了此系統，但他意識到它們對離心力有根本的敏感度，這意味著它們在海上永遠無法達到足夠的準確度。他於1759年建造的第三台機器H3，包含了新穎的圓天平，以及雙金屬條和滾子軸承的發明，這些發明至今仍被廣泛使用。然而，H3的圓天平仍不夠精確，最終放棄了大型機器。

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哈里森於1761年以體積更小的H4計時器設計解決了精度問題。H4看起來很像一把大型五吋（12CM）直徑懷錶。1761年，哈里森提交H4參加2萬英鎊的經度獎。他的設計採用由溫度補償螺旋彈簧控制的快速輪擺。這些功能一直沿用到穩定的電子振盪器，才能以實惠成本製造非常精確的便攜式時計。在 1767年，經度委員會在《哈里森先生計時器的原理》中發表了他的工作描述。1767年，一支由查爾斯-弗朗索瓦-塞薩爾·勒泰利耶·德·蒙米雷爾（Charles-François-César Le Tellier de Montmirail）指揮的法國探險隊，首次使用船上航海計時器測量經度，該艦為「Aurore」。

### 後續發展

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1748年在法國，皮埃爾·勒羅伊發明了現代計時器特有的卡位擒縱器。1766年，他創造了一台革命性的計時器，結合了棘輪擒縱、溫度補償擺輪以及等時游絲：哈里森展示了在海上擁有可靠天文碼錶的可能性，但勒羅伊的這些發展被魯珀特·古爾德認為是現代天文碼錶的基礎。勒羅伊的創新使計時器比預期更為精確。

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費迪南·貝爾圖在法國，以及托馬斯·馬奇 (鐘錶師)也成功生產了航海計時器。雖然這些設計都不簡單，但它們證明哈里森的設計並非解決問題的唯一方法。實用性最大的進步來自湯瑪斯·恩肖和約翰·阿諾德於1780年開發並申請專利的簡化、分離式「彈簧棘動」擒縱器，將溫度補償調整至擺輪，並改進了遊絲的設計與製造。直到電子時代，這些創新組合成為航海計時器的基礎。

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這項新技術最初較昂貴，以至於並非所有船隻都配備精密計時器，這使東印度公司的阿尼斯頓號遇難，造成372人罹難。然而，到了1825年，皇家海軍已開始定期為其艦艇供應精密計時器。

自1820年起，英國皇家天文台在格林威治進行海軍部發起的一項試驗或「計時競賽」計畫，測試航海計時器，旨在鼓勵其改良。1840年，第七任皇家天文學家喬治·比德爾·艾里開始進行一系列不同形式的試驗。這些試驗以大致相同的形式持續進行，直到1914年第一次世界大戰爆發之後才被暫停。雖然正式試驗停止，但皇家海軍的計時器測試並未停止。

航海計時器製造商則尋求位於西歐的一群天文觀測站來評估他們的時計準確度。當機械時計機芯達到足夠精密度，能提供足夠精確的海上導航後，這些第三方獨立評估也演變成西歐天文台所謂的「計時器競賽」。納沙泰爾天文台（Neuchâtel Observatory）、日內瓦天文台、貝桑松天文台 （Besançon Astronomical Observatory）、喬城天文台、德國漢堡海軍天文台與格拉斯許特天文台是認證機械時計準確度的著名範例。天文台的測試制度通常持續30到50天，並包含比現代標準更嚴格且困難的準確度標準，例如瑞士官方計時器測試協會（COSC，Contrôle officiel suisse des Chronomètres）。當機芯通過天文台測試後，即獲得天文台計時器認證，並獲得天文台發布的《Bulletin de Marche》，規定機芯的執行狀況。

當時船隻常會觀察報時球，例如格林威治皇家天文台的那顆，以在啟程前檢查計時器。每天，船隻會在格林威治的泰晤士河短暫停泊，等待天文台的球在下午1點準時落下。這種做法在一定程度上促成了後來採用格林威治標準作為國際標準。大約在1920年，隨著無線電時間信號的引入，報時球變得多餘，而這些信號本身也大多被GPS時間取代。除了在啟航前設定時間外，航海計時器在海上也會透過進行月球，或觀測太陽，例行檢查準確度。在典型使用中，計時器會安裝在甲板下方的遮蔽處，以避免損壞及暴露於自然環境。航海者會利用計時器設定所謂的精密航海錶，並攜帶至甲板上進行天文觀測。雖然比計時器準確度低（且價格較低），但這種臨時手錶在設定後短時間內仍能滿足需求（也就是足夠長的時間來進行觀察）。

### 合理化生產方法

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儘管工業生產方式在19世紀中葉開始革新鐘錶製造，但計時器的製造仍長期以工藝為主，且由英國與瑞士製造商主導。20世紀初，瑞士製造商如雅典錶（Ulysse Nardin）在採用現代生產方法及使用完全可互換零件方面取得了重大進展，但直到第二次世界大戰爆發後，美國漢密爾頓手錶公司才完善了大量生產流程，使其能生產數千台漢密爾頓Model 21與Model 22計時器，從1942年起用於美國軍人及商船隊的分支，以及第二次世界大戰期間的同盟國。漢密爾頓21航海計時器以鏈條驅動，秒針在60秒標記的子錶盤以1秒為單位前進。在德國，航海計時器進口或使用外國鑰匙元件，Drei-Pfeiler Werk Einheitschronometer（三柱機芯統一計時器）由Wempe Chronometerwerke與朗格錶公司合作開發，旨在提升生產效率。精確且低成本的開發Einheitschronometer是1939年由德國海軍指揮部，以及航空部推動的倡議。量產始於1942年，所有零件均在德國製造，且可互換。二戰期間，隨著原材料短缺，必須進行改裝，工做成為強制性，有時甚至自願由多家德國製造商分擔，以加快生產速度。德國統一設計的航海計時器及其協調組件的生產持續到二戰結束後很久；蘇聯沒收了原版的Einheitschronometer，並於1949年在莫斯科設立生產線，生產出首批搭載德國機芯的蘇聯MX6計時器。1952年至1997年，MX6計時器配備小錶（НИИ ЧАСПРОМ，NII Chasprom — 蘇聯時代鐘錶研究所）所有零件均由蘇聯製造，進行設計改裝。德國設計的 統一計時器（Einheitschronometer）最終約生產58,000台，成為產量最高的機械航海計時器。其中，二戰期間生產不到3,000隻，戰後在西德和東德生產約5,000隻，在蘇聯及後來的後蘇聯俄羅斯生產約50,000隻。漢密爾頓21型航海計時器在二戰期間及戰後共生產約13,000台。儘管在機械計時器時代，傳統製法的計時器從未從市場上消失。英國的湯瑪斯·默瑟計時器公司是持續生產這種產品的公司之一。

### 歷史意義

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船用航海計時器是有史以來最精確的便攜式機械時鐘，在靜態環境中僅次於用於天文台，非便攜式的精密擺鐘。它們與六分儀一同用於測定海上船隻的位置。因為在海上精確定位能帶來決定性的海軍優勢，航海國家在這些精密儀器的研發上投入大量資源。若無其精確度及航海計時器所帶來的航行壯舉，英國皇家海軍及大英帝國的崛起或許不會如此顯著；帝國的形成是透過戰爭和海外殖民地的征服，當時英國船隻因計時器而擁有可靠的航行能力，而葡萄牙、荷蘭和法國等對手則無法。

例如：法國在英國之前已在印度及其它地區穩固立足，但在七年戰爭中被英國海軍擊敗。

直到20世紀，對航海計時器進行評級與維護仍被視為重要。在第一次世界大戰後，英國皇家天文台的計時器部門工作主要限於對海軍部已擁有的計時器與腕錶進行評定，並提供驗收測試。

1937年，時間部門首次設立了維修與調整英國軍隊配發的天文鐘與手錶的工作坊，而這些維修工作先前已外包給商業車間。

自1960年代起，機械式彈簧掣動的航海計時器逐漸被基於電動工程與技術的計時器所取代。1985年，英國國防部以招標方式招標出售其機械製漢密爾頓Model 21航海計時器。直到1988年，美國海軍將漢密爾頓21型航海計時器做為羅蘭-C雙曲無線電導航系統的備用。當GPS全球導航衛星系統被批准為可靠時。20世紀末，機械航海計時器生產已大幅減少，僅有少數由俄羅斯莫斯科第一鐘錶工廠「基洛夫」（Kirov，簡稱Poljot）、德國溫佩（Wempe）及在英格蘭的托馬斯·默瑟計時器（Thomas Mercer Chronometers）。

最完整的國際航海計時器收藏，包括哈里森的H1至H4，收藏於英國倫敦的格林威治皇家天文台。

## 特徵

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關鍵問題是找到一個不會受到海上船隻變化條件影響的共鳴器。平衡輪與彈簧結合，解決了大部分與船隻運動相關的問題。不幸的是，大多數擺輪彈簧材料的彈性會隨溫度改變。為了補償不斷變化的彈簧強度，大多數天文錶天平使用雙金屬條將小配重向振盪中心前後移動，從而調整擺輪週期以配合彈簧的變化力。平衡彈簧問題是用一種在常溫下的彈性不變鎳鋼合金，名為「埃林瓦爾」（elinvaar）的恆彈性鋼解決的。發明者是查爾斯·愛德華·紀堯姆，他因其冶金工作於1920年獲得諾貝爾物理學獎。

擒縱機構有兩個用途。首先，它允許列車以分段前進並記錄天平的擺動。同時，它提供微量能量以抵銷摩擦造成的微小損失，從而維持擺動平衡的動量。擒縱機構是會發動的部分。由於擺動擺輪的自然共振是計時器的核心，計時器擒縱機構的設計力盡量減少對擺輪的干擾。有許多恆定力擒縱機構和分離式擒縱機構設計，但最常見的是彈簧棘輪和樞軸式棘輪。在這兩種裝置中，都有一個小型卡位鎖住逃逸輪，使擺輪能完全不受干擾地擺動，除了振盪中心短暫的時刻，因為那時最不容易受到外界影響。在擺動中心，擺輪上的滾輪暫時移開卡位，使逃逸輪的一齒通過。擒縱輪齒會將能量傳遞到擺輪桿上的第二個滾輪上。由於擒縱輪只向一個方向轉動，擺輪只能接受一個方向的衝力。在振盪回來時，卡位尖端的彈簧通過，使桿上的解鎖滾輪能通過而不使卡位移位。任何機械計時器中最薄弱的環節是擒縱器的潤滑。當油因時間或溫度而變稠，或因濕度或蒸發而消散時，速率會改變，有時會劇烈變化，而因為擒縱機構中摩擦增加，擺輪運動量會大幅減少。卡位擒縱器因為不需要潤滑，相比其它擒縱器，它有明顯的優勢。從擒縱輪到衝力滾輪的衝動，幾乎是死點，意味著滑動動作很少需要潤滑。因為金屬在黃銅和鋼材上的滑動摩擦較小，計時器的擒縱輪與通過彈簧通常為黃金材質。

計時器常包含其他創新，以提升效率與精度。如紅寶石和藍寶石等硬石常被用做寶石軸承，以減少樞軸和擒縱機構的摩擦與磨損。鑽石常用作下擺輪桿軸的頂石，以防止重擺輪在小軸心端旋轉多年造成的磨損。直到20世紀第三季機械計時器生產結束前，製造商仍持續嘗試滾珠軸承和鍍鉻樞軸等裝置。

這些時鐘通常會受到保護，並固定存放在船艙下方的傳統盒子中，該箱懸掛於雲台（一組以軸承連接的環）中。此設計使計時器保持水平「撥號向上」位置，以抵消船體傾斜（搖晃）運動對擺輪造成的計時誤差。

航海計時器始終配備一個維持電源，在上弦時持續運作，並有一個動力儲備指示器，顯示計時器在不上弦的情況下能持續運轉多久。

這些技術配備通常能讓機械航海計時器每天精確度達0.5秒以內。

## 計時器評級

嚴格來說，「評級」計時器是指在儀器投入服務前，觀察並記錄每日平均增減率，並記錄在隨儀器附送的評級證書上。這個每日速率在現場用來修正儀器顯示的時間，以獲得準確的時間讀數。即使是做工最好的計時器，溫度補償等最細緻，也會有兩種誤差：（1）隨機，（2）一致性。儀器的設計與製造品質使隨機錯誤保持在極低。原則上，一致的誤差應可透過調整消除，但實務上無法精確到完全消除此誤差，因此採用評分技術。儀器服役期間，速率也會因油脂增稠而改變，因此在長途探航中，儀器的速率會定期與天文觀測確定的精確時間進行檢查。

## 今日的航海計時器使用

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自1990年代起，小艇和輪船都可以使用多種衛星導航系統（GNSS）用於全球所有的湖泊、海域與大洋導航。海事GNSS裝置包含水上有用的功能、例如「落水人員」(MOB)功能，能即時標記落水地點，簡化救援工作。GNSS可透過NMEA 0183介面連接船舶的自動舵機與航圖繪圖器，並透過啟用自動識別系統（AIS）來提升航運交通安全。

即使有這些便利的21世紀科技工具，現代務實的導航員通常會結合電力驅動的時間來源來使用天文導航。小型手持電腦、筆記型電腦、導航電腦甚至科學計算機，讓現代導航員能在數分鐘內「約減」六分儀瞄準器，透過自動化所有計算和/或資料查詢步驟。使用多種獨立定位方法，而不僅依賴故障電子系統，有助於導航員偵測錯誤。專業航海者仍需精通傳統的駕駛與天文導航，這需要使用精確調整且評級的自主或定期外部時間信號校正的計時器。這些能力仍是某些國際海員認證的必要條件，例如導航值班主管及甲板官的船長與大副，及儲補長途私人巡航遊艇的離岸遊艇長。

現代航海計時器可基於定期由衛星時間信號或無線電時間信號校正的石英鐘（參見無線電時鐘）。當沒有訊號接收到時，這些石英鐘並不總是最精確的石英鐘，且其訊號可能會遺失或被阻擋。然而，即使是手錶中也有自主石英機芯，每年準確度可達5秒或20秒。

至少有一台為高級導航設計的石英計時器使用多顆石英晶體，並由電腦以平均值校正，再加上GPS時間信號校正。

## 外部連結

- National Maritime Museum, Greenwich
- Henri MOTEL n°258 Chronomètre de Marine 40 heures
- Marine Chronometer Kaliber 100 - Presentation of marine chronometers of "Glashütter Uhrenbetriebe VEB" with picture and explanation
- A working chronometer, National Museum of Australia . Short MPEG film showing an 1825 Barraud chronometer in action. (link is outdated)
- Marine chronometer meaning at Wiktionary
- Web chronometer

## 基本資料

- 分類：時鐘
- 產業：交通
- 應用：計時
- 是否要供電：無
- 發明日期：1761
- 發明者：約翰·哈里森