星盘

星盘（ἀστρολάβος ; ٱلأَسْطُرلاب ; ستارهیاب）是一种古老的天文仪器，可以说是手持的宇宙模型。它的各种功能也使它成为一个精巧的测斜仪和一个能够解决天文学中几种问题的类比计算装置。在最简单的形式中，它是一个金属圆盘，带有导线、切口和穿孔的图案，允许使用者精确计算天体的位置。历史上的天文学家使用它，无论在白天或夜晚，能够量测天体在地平线上的高度；它可以用于识别恒星或行星，确定给定当地时间的当地纬度（反之亦然），量测或进行三角测量。它在古典时代、伊斯兰黄金时代、欧洲中世纪和地理大发现时代中，用于所有这些目的。

星盘的重要性不仅来自于天文学研究的早期发展，对于确定陆地或平静海面上的纬度也很有效。然而，在波涛汹涌的海面上，船舶的甲板随之升降时就不太可靠，为了解决这个问题，于是开发出了航海星盘。

## 应用

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一位10世纪的天文学家推断，星盘的各种功能大约有1000种应用，范围从占星术、天文学和宗教，到季节和日常计时和潮汐表。在星盘被大量使用的时代，占星术被广泛认为与天文学一样是一门严肃的科学，对两者的研究是并行不悖，齐头并进的。天文学的兴趣在民间天文学（阿拉伯的前伊斯兰传统），和数学天文学之间有所不同，民间天文学与天文和季节性观测有关，数学天文学则为知识实践和基于天文观测的精确计算提供资讯。关于星盘的宗教功能，伊斯兰祈祷时间的要求是由天文数值确定，以确保每天的精确时间，穆斯林祈祷和朝拜必须朝向麦加的方向，也可以通过星盘这种装置确定。除此之外，由星盘计算得出的阴历对伊斯兰教具有重要意义，因为它决定了重要宗教仪式的日期，如斋戒月。

## 词源

《牛津英语词典》给出了英语单词"astrolabe"翻译自"star-taker"，并通过中世纪拉丁语将其追溯到Greek字词"ἀστρολάβος"：，来自 "star"和λαμβάνειν : "to take"。

在中世纪伊斯兰世界的阿拉伯语单词（即星盘）被赋予了各种词源。

在阿拉伯文中，这个词被从希腊单词直接翻译成"星星塔"（آخِذُ ٱلنُّجُومْ，"star-taker"）。

比鲁尼引用并责备中世纪科学家哈姆扎伊斯法哈尼，他说："asturlab是这个波斯语短语的阿拉伯化"（意思是"星星的接受者"。）。在伊斯兰黄金时代的来源，还有一个民间词源这个词作为"lines of lab"，其中"Lab" 指的是伊德里斯（以诺）的某个儿子。10世纪的一位名叫阿里·伊本·易卜拉欣·库米的科学家提到了这个词源，但被花拉子米拒绝了。

## 历史

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### 古代的星盘

早期的星盘是佩尔加的阿波罗尼奥斯在公元前220年至150年之间在希腊化时代发明的，但一般都认为是喜帕恰斯发明的。星盘是平面球和望筒的结合，实际上是一个类比计算机，能够解决天文学中的几种不同问题。亚历山大的席恩（335–405）写了一篇关于星盘的详细论文，路易斯认为托勒密使用星盘进行了占星四书中记录的天文观测。平面星盘的发明有时被错误地归因于席恩的女儿希帕提亚（350–370; died 415 AD）。但事实上，在希帕提亚出生之前至少500年，星盘已经在使用了。这个错误归因来自于希帕提亚的学生辛奈西斯（373 – 414），其中提到希帕提亚教他如何建造平面星盘，但并没有任何文字提到是她自己发明了它。

星盘在整个拜占庭时期提的希腊语世界中一直在使用。大约在公元550年，基督教哲学家约翰·费罗普勒斯用希腊语写了一篇关于星盘的论文，这是现存最早的关于该仪器的论文。美索不达米亚主教西弗勒斯·塞博赫特也在7世纪中叶用叙利亚语写了一篇关于星盘的论文塞博赫特在他的论文中提到星盘是由黄铜制成的，这表明金属星盘在东正教的发展，早于伊斯兰世界或拉丁西方发展之前就已经为人所知。

文艺复兴时期最早涉及科学问题的论文多基于早期的古典作品，并且经常关注托勒密教义。

### 中世纪时代

星盘在中世纪伊斯兰世界得到进一步发展，其中穆斯林天文学家在设计中引入了角度的尺度，在地平线上添加标示方位的圆。它在整个穆斯林世界被广泛使用，主要是作为一种导航和一种寻找朝拜，即麦加方向的管道。八世纪的数学家穆罕默德·法扎里是伊斯兰世界制作星盘的第一人。

数学背景是由穆斯林天文学家巴塔尼在其论文《Kitab az Zij》（约公元920年）中建立的，该论文由柏拉图·提布提努斯（De Motu Stellarum）翻译成拉丁文。现存最早的星盘日期为伊斯兰历315（公元927-28年）。在伊斯兰世界，星盘被用来确定日出和恒星升起的时间，以帮助安排晨祷（salat）。在10世纪，阿左飞首先描述了星盘的1,000多种不同用途，包括天文学、占星术、导航、测量学、计时、祈祷、晨祷、基卜拉等领域。

球面星盘是星盘和浑仪的变体，是由天文学家和伊斯兰世界的发明家在中世纪发明的。

对球面星盘的描述，最早可以追溯到Al Nayrizi（fl.892-902）。在12世纪，萨拉夫·丁·图西发明了"线性星盘"，有时被称为"图西尺规"。这是"一根简单的木棒，有刻度标记，但没有瞄准镜。它配有铅垂线和双弦，用于进行角度量测，并带有穿孔指针"。齿轮机械星盘是由伊斯法罕的Abi Bakr于1235年发明的。

西欧第一个已知的金属星盘是11世纪在葡萄牙用黄铜制成的德东布（Destombes）星盘。金属星盘避免了大型木制星盘容易出现的翘曲，因此可以建造更大、更精确的仪器。但金属星盘比同样大小的木制星盘重，因此很难在航海中使用。

Reichenau Abbey的Herman Contractus研究了11世纪"量测天文学"中星盘的使用。马里孔特的彼得在13世纪后半叶写了一篇关于全球星盘的构造和使用的论文，题为"Nova compositio astrolabii Specialis"。可以在牛津科学史博物馆找到全球星盘。伊斯兰仪器历史学家大卫·A·金（David A.King）将阿勒坡的伊本·萨拉吉（Ibn al-Sarraj，又名Ahmad bin Abi-Bakr；fl.1328）设计的全球星盘描述为"整个中世纪和文艺复兴时期最复杂的天文仪器"。

英国作家杰弗里·乔叟（约1343-1400）主要基于马沙拉或ibn al-Saffar的作品，为他的儿子编纂了《"星盘论"》。法国天文学家和占星家Pélerin de Prusse等人也翻译同一来源的著作。关于星盘的第一本印刷书籍是普拉查提斯的克利斯蒂安的《星盘的组成和使用》，也使用了马沙拉的资料，但相对来说是原创的。

在1370年，印度第一篇关于星盘的论文是由耆那教天文学家Mahendra Suri撰写的，标题为"Yantrarāja"。

水手们在出海时使用一种简化的星盘，称为"balesilha"，以获得准确的纬度读数。"balesilha"是由亨利王子（1394-1460）在前往葡萄牙的途中推广的。

几乎可以肯定的是，奥里拉克的格伯特（Gerbert d'Aurillac）（后来的教宗思维二世）首先将星盘带到比利牛斯山脉北部，在11世纪初的某个时候，它在法国兰斯的学校被综合到四艺中。在15世纪，法国仪器制造商Jean Fusoris（约1365-1436年）也开始在他位于巴黎的商店里重新制作和销售星盘，以及可携式日晷和其他当时流行的科学设备；他的星盘至今仍然留存了13个。15世纪早期，欧洲工艺的另一个特殊例子是安东尼乌斯·德·帕森托设计的星盘，由多明尼克斯·德·兰扎诺制造，日期为1420年。

在16世纪，Johannes Stöffler出版了《"Declicatio fabricae ususque astrolabii"》，这是一本星盘构造和使用手册。由Georg Hartmann制作的四个相同的16世纪星盘，为分工的批式生产提供了一些最早的证据。

### 星盘和时钟

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机械天文钟最初受到星盘的影响；它们在许多方面可以被视为发条式星盘，用于连续显示太阳、恒星和行星的当前位置。例如，沃林福德的理查的钟（约1330年）基本上由一张固定在网后旋转的星图组成，类似于星盘。

许多天文钟使用星盘式显示，例如著名的布拉格天文钟，采用黄道面的球极平面投影（见下文）。近年来，星盘手表变得很流行。例如，1985年，瑞士钟表制造商Ludwig Oechslin结合雅典表合作设计制造了一款星盘手表。荷兰手表制造商Christaan van der Klauuw现在也生产星盘手表。

## 构造

星盘由一个称为"母盘"（mater）的圆盘组成，其深度足以容纳一个或多个称为"子盘"或"克利莫"的平板。一个子盘是为一个特定的纬度制作的，上面刻着一个圆的球极平面投影，表示天球在地平线上部分的方位角和高度角。母盘金属边缘通常分为时间、弧度，或两者并存。

在母盘和子盘上方，是一个"网"的框架，承载着黄道平面的投影和几个指针，可以自由旋转来指示最亮恒星的位置。这些指针取决于工匠的技能，通常只是简单的点，但也可以是非常精细和艺术化。有一些星盘的例子，其中有球、星星、蛇、手、狗头和树叶等形状的艺术指针。标示的恒星名称通常用阿拉伯语或拉丁语刻在指针上。一些星盘有一个狭窄的"尺子"或"标签"，可以在网上旋转，并且用赤纬的刻度来标记。

代表天空的网，起著星图的作用。当它旋转时，恒星和黄道在子盘上的座标投影上移动。一个完整的旋转相当于一天的过去。因此，星盘是现代星座盘的前身。

在母体的背面，通常刻有许多刻度，这些刻度在星盘的各种应用中都很有用。但这些刻度会因为设计师不同而有很大的差异，可能包括时间转换曲线、将一个月中的某一天转换为太阳在黄道上位置的日历、三角尺度以及围绕后缘周围360度的刻度。"照准仪"则附在背面。当星盘垂直握持时，可以旋转星盘，并以方位仪观察太阳或恒星，以便可以从星盘的刻度边缘读取（“得到”）其高度（以度为单位）；因此，这个词的希腊语词根：“astron”（ἄστρον）=star+“lab-”（λαβ-）=得到（to take）。

一些星盘的背面也出现一个可以产生阴影的正方形，这种星盘是穆斯林占星家在9世纪开发的，而古希腊传统的设备背面只有高度的刻度。这被用来转换阴影长度和太阳的高度，其用途多种多样，从可以量测到量测无法到达之处的高度。

星盘制造商通常会在设备的背面署名，并在星盘背面刻有铭文。如果有该物品的赞助人，则其名称会出现在正面；或者在某些情况下，在位苏丹或星盘师的姓名也会出现在此处。星盘的制造日期经常也会被签署，这使历史学家能够确定这些装置是世界上第二古老的科学仪器。星盘上的铭文也让历史学家得出结论，天文学家倾向于自己制作星盘，但许多星盘也是按订单制作的，并有库存出售，这表明这些设备在当代有一定的市场。

星盘的一部分由一个圆盘、一个瞄准管、一个照准仪和装有刻度尺的臂组成。圆形圆盘是星盘的主要部分，它主要用于查看天空中的物体。瞄准管放置在圆盘的顶部，用于观察恒星或行星。照准仪有垂直和水平的十字准线，在称为等高圈（almucantar）的方位环上绘制位置。一个称为幅的臂从星盘的中心连接到光轴，光轴与另一个包含高度和距离测量值刻度的臂（也称为幅）平行。

## 数学基础

星盘的建造和设计是基于天球的立体投影的应用。通常进行投影的点是南极，投影到的平面是赤道的平面。

### 通过立体投影设计鼓室

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鼓室捕捉到天球坐标轴，“地球”将在这些坐标轴上旋转。它是能够在日和年的特定时间点上精确确定恒星位置的部件。

因此，它应该投影：

- 天顶：其将根据星盘用户的纬度变化。
- 地平线和地平纬圈或平行于地平于地平线的圆圈，这将允许确定天体的高度（从地平线到天顶之间）。
- 天球子午线（穿过天顶，南北向的经度线）和次子午线（通过天体在天顶与南北子午线相交的大圆），这将使天体的方位能够量测。
- 三个主要的纬度圈（南回归线、赤道和北回归线）来确定一年中的至日和分日的精确时刻

#### 回归线和赤道定义了鼓室

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在影像的右侧：

- 浅蓝色的球体代表天球。
- 蓝色箭头表示正北（北极星）的方向。
- 中心的蓝色点代表地球（观测者的位置）。
- 天球的地理南面是投影极。
- 赤道平面做为投影平面。
- 橘色是北回归线。
- 紫色是赤道。
- 绿色是南回归线。

当投影到赤道平面上时，三个同心圆对应于地球的三个纬度圈（影像的左侧）。其中最大的一个是南回归线，它定义了星盘的鼓室大小。鼓室的中心（以及三个圆的中心）实际上是地球自转的南北轴，因此，随着时间的推移，星盘的“中心”将围绕这一点旋转（由于地球自转）。

鼓室上的三个同心圆有助于确定全年至日和分日的确切时刻：如果知道太阳在“日期”上的位置，并且它的位置及鼓室的外圆（南回归线）重合，它象征着冬至（对于南回归线的观测者来说，太阳将处于天顶，意味着南半球的夏天和北半球的冬天）。另一方面，如果它的位置与内圈（北回归线）重合，则表示夏至。如果它的位置在中间的圆（赤道）上，它对应于两个分点中的一个。

#### 地平线和高度量测

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在第一个影像的右侧：

- 蓝色箭头表示正北（北极星）的方向。
- 中心的蓝色点代表地球（观测者的位置）。
- 黑色箭头代表观测者的天顶方向（根据观测者纬度的不同而变化）。
- 黑圈代表观测者周围的地平线，它垂直于天顶向量，定义了观测者可见的天球部分。
- 天球的地理南面是投影极。
- 赤道平面做为投影平面。

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当将地平线投影到赤道平面上时，它会转化为相对于南北轴（鼓室中心）向上移动的椭圆。这意味着天球的一部分将落在鼓室的外圆（南回归线）之外，因此不会被呈现。

此外，当绘制平行于地平线直到天顶的圆（地平纬圈）时，会构建一个连续椭圆的网格，当“基准”与设计的鼓室重叠时（如第二张影像所示），可以确定恒星的高度

#### 子午线与方位量测

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在影像右侧：

- 蓝色箭头表示正北（北极星）的方向。
- 中心的蓝色点代表地球（观测者的位置）。
- 黑色箭头代表观测者的天顶方向（根据观测者纬度的不同而变化）。
- 黑圈代表观测者所在地周围的地平线，它垂直于天顶向量，定义了观测者可见的天球部分。
- 红点表示天顶和天底（天球上相对于观测者与天顶相对的点）。
- 橙色圆圈代表天球子午线（或对观测者来说，从地平线的正北方经过天顶至地平线正南方的子午线）。
- 红圈代表一条相对于观测者地平经线，在东方40°的次子午线。与所有次子午线一样，它在天顶和天底与主子午线相交。
- 天球的地理南面是投影极。
- 赤道平面用作投影平面。

投影天球子午线时，会产生一条与天顶和天底所在的鼓室垂直轴重叠的直线。然而，当投影东方40°的次子午线时，会获得另一个同时穿过天顶和天底投影的圆，因此其中心位于连接两个点的线段的垂直平分线上。实际上，天球子午线的投影可以被认为是一个半径无限大的圆（一条直线），其中心位于该平分线上，距离这两点无穷远。

如果投影将天球划分为相等扇区的连续子午线（如从天顶辐射的“橙色切片”），则可以获得穿过天顶投影在鼓室上的曲线族。这些曲线一旦与包含主要恒星的“轨道”重叠，就可以确定位于“轨道”上旋转时，在一天中特定时间的恒星方位。

## 外部链接

- Interactive digital astrolabe by Alex Boxer
- A digital astrolabe (HTML5 and javascript)
- Astrolabe Tech Made ... Not So Easy
- paper astrolabe generator, from the ESO
- "Hello World!" for the Astrolabe: The First Computer Video of Howard Covitz's Presentation at Ignite Phoenix, June 2009. Slides for Presentation Licensed as Creative Commons by-nc-nd.
- Video of Tom Wujec demonstrating an astrolabe. Taken at TEDGlobal 2009. Includes clickable transcript. Licensed as Creative Commons by-nc-nd.
- Archive of James E. Morrison's extensive website on Astrolabes
- A working model of the Dr. Ludwig Oechslin's Astrolabium Galileo Galilei watch
- Ulysse Nardin Astrolabium Galilei Galileo: A Detailed Explanation
- Fully illustrated online catalogue of world's largest collection of astrolabes
- Mobile astrolabe and horologium
- Medieval equal hour horary quadrant