航海计时器

航海计时器（Marine chronometer）是一种精密的计时器，随身携带于船上，用于透过天文导航来确定船只位置。它透过比较格林威治标准时间（GMT）与目前天体观测中发现的时间来确定经度。它在18世纪首次开发时，是一项重大技术成就。因为当时缺乏电子或通讯辅助工具，在长途海上航行中，准确掌握时间的知识对于有效的航行至关重要。第一台真正的计时器是约翰·哈里森以毕生心血完成：持续了31年的实验与测试，彻底改变了航海（后来的航空）。

计时器“chronometer”一词源自希腊语 χρόνος（chronos，“时间”）和 （意义是度量）。1713年英国神职人员兼科学家威廉·德汉姆（William Derham）所著的《物理神学》一书，收录了最早描述海洋计时器的理论之一。近年来，这个词越来越常用来描述经测试并认证的手表，以符合特定精度标准的计时器。

## 历史

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要利用经典模型确定地球表面的位置，必须知道纬度、经度和高度。对于在海平面运作的船只，高度考量自然可以被忽略。直到1750年代中期，由于经度计算困难，在陆地视线之外的海上精确导航仍是未解之谜。领航员可透过测量太阳正午（即达到天空最高点，或称顶点）的角度来确定纬度，或在北半球测量北极星与地平线的角度（通常在曙暮光期间）。然而，要找到它们的经度，它们需要一个能在船上使用的时间标准。观察规律的天体运动，例如伽利略的方法基于观测木星的天然卫星，通常因船只运动而无法在海上实现。月球距离法，最初由约翰内斯·维尔纳于1514年提出，与航海计时器并行发展。荷兰科学家海马·弗里修斯于1530年首次提出使用计时器来测定经度。

计时器的目的是准确测量已知固定地点的时间，这对导航尤其重要。由于地球以规律且可预测的速度自转，若足够准确地知道计时器与船只所在当地时间的时间差，可使用球面三角学来计算船只相对于本初子午线 (定义为0°)（或开始的其它地点）的距离。

实用的天文导航通常需要用航海计时器来测量时间，六分仪来测量角度，还有航海年鉴提供天体座标表、一组观测归算表以协助执行高度与方位计算，以及区域图。使用观测归算表时，唯一需要的计算就是加法和减法。大多数人经过一两天的教学与练习后，甚至使用手动计算方法，都能掌握较简单的天文导航程序。使用航海计时器以以计时器测定经度，使领航员能获得相当准确的位置定位。因为地球的角速度与纬度相关，每四秒时间的来源误差，东西方向位置可能误差最多略超过一海里。

打造一款能在海上可靠运作的时计相当困难。直到20世纪，最好的计时器是摆钟，但船只在海上摇晃，以及地球重力变化高达0.2%，使得基于重力的简单摆锤在理论和实务上都毫无用处。

### 首批范例

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克里斯蒂安·惠更斯于1656年发明摆钟后，于1673年在法国首次尝试制造航海计时器，赞助人为让-巴蒂斯特·柯尔贝尔。在1675年，惠更斯当时领取路易十四的退休金，他发明了一种以轮摆和螺旋弹簧来调节的计时器，取代了摆锤，为航海计时器及现代怀表和腕表的诞生铺路。他从科尔贝尔那里取得了一项专利，但他的时钟在海上仍然不精确。惠更斯于1675年尝试从查理二世取得英国的专利，激励了罗伯特·胡克。他声称多年前就构思出了发条驱动的钟，尝试制造并申请专利。1675年期间，惠更斯与胡克各自交付两台此类装置给查理，但均未成功获得英国专利。而正是在这项工作中，胡克提出了胡克定律。

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“chronometer”一词首次发表于1684年，刊载于《Arcanum Navarchicum》，这是基尔的教授马提亚斯·瓦斯穆斯的理论著作。随后，英国科学家威廉·德汉姆于1713年发表了关于计时器的理论描述。德汉姆的主要著作《物理神学，或从上帝创造作品中证明其存在与属性》也提出使用真空封口以确保钟表运作更精确。1714年，英国的杰瑞米·萨克开始尝试建造可运作的航海计时器，两年后由法国的亨利·萨利完成。萨利于1726年出版了他的作品，与《Une Horloge inventée et executée par M. Sulli》，但他和萨克的模型都无法抵挡海浪的摇晃，也无法在船上条件下精确计时。

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1714年，英国政府提供一项经度奖，以奖励一种海上经度测定方法，奖金依准确度而定，介于1万英镑至2万英镑（以计值约200万至400万英镑）。约克郡木匠约翰·哈里森于1730年提交了一个计划，并于1735年完成了一座钟，这些时钟基于一对反向摆动的加重梁，这些梁由弹簧连接，其运动不受重力或船只运动影响。他的前两款航海用时计H1和H2（1741年完成）采用了此系统，但他意识到它们对离心力有根本的敏感度，这意味着它们在海上永远无法达到足够的准确度。他于1759年建造的第三台机器H3，包含了新颖的圆天平，以及双金属条和滚子轴承的发明，这些发明至今仍被广泛使用。然而，H3的圆天平仍不够精确，最终放弃了大型机器。

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哈里森于1761年以体积更小的H4计时器设计解决了精度问题。H4看起来很像一把大型五吋（12CM）直径怀表。1761年，哈里森提交H4参加2万英镑的经度奖。他的设计采用由温度补偿螺旋弹簧控制的快速轮摆。这些功能一直沿用到稳定的电子振荡器，才能以实惠成本制造非常精确的便携式时计。在 1767年，经度委员会在《哈里森先生计时器的原理》中发表了他的工作描述。1767年，一支由查尔斯-弗朗索瓦-塞萨尔·勒泰利耶·德·蒙米雷尔（Charles-François-César Le Tellier de Montmirail）指挥的法国探险队，首次使用船上航海计时器测量经度，该舰为“Aurore”。

### 后续发展

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1748年在法国，皮埃尔·勒罗伊发明了现代计时器特有的卡位擒纵器。1766年，他创造了一台革命性的计时器，结合了棘轮擒纵、温度补偿摆轮以及等时游丝：哈里森展示了在海上拥有可靠天文码表的可能性，但勒罗伊的这些发展被鲁珀特·古尔德认为是现代天文码表的基础。勒罗伊的创新使计时器比预期更为精确。

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费迪南·贝尔图在法国，以及托马斯·马奇 (钟表师)也成功生产了航海计时器。虽然这些设计都不简单，但它们证明哈里森的设计并非解决问题的唯一方法。实用性最大的进步来自汤玛斯·恩肖和约翰·阿诺德于1780年开发并申请专利的简化、分离式“弹簧棘动”擒纵器，将温度补偿调整至摆轮，并改进了游丝的设计与制造。直到电子时代，这些创新组合成为航海计时器的基础。

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这项新技术最初较昂贵，以至于并非所有船只都配备精密计时器，这使东印度公司的阿尼斯顿号遇难，造成372人罹难。然而，到了1825年，皇家海军已开始定期为其舰艇供应精密计时器。

自1820年起，英国皇家天文台在格林威治进行海军部发起的一项试验或“计时竞赛”计划，测试航海计时器，旨在鼓励其改良。1840年，第七任皇家天文学家乔治·比德尔·艾里开始进行一系列不同形式的试验。这些试验以大致相同的形式持续进行，直到1914年第一次世界大战爆发之后才被暂停。虽然正式试验停止，但皇家海军的计时器测试并未停止。

航海计时器制造商则寻求位于西欧的一群天文观测站来评估他们的时计准确度。当机械时计机芯达到足够精密度，能提供足够精确的海上导航后，这些第三方独立评估也演变成西欧天文台所谓的“计时器竞赛”。纳沙泰尔天文台（Neuchâtel Observatory）、日内瓦天文台、贝桑松天文台 （Besançon Astronomical Observatory）、乔城天文台、德国汉堡海军天文台与格拉斯许特天文台是认证机械时计准确度的著名范例。天文台的测试制度通常持续30到50天，并包含比现代标准更严格且困难的准确度标准，例如瑞士官方计时器测试协会（COSC，Contrôle officiel suisse des Chronomètres）。当机芯通过天文台测试后，即获得天文台计时器认证，并获得天文台发布的《Bulletin de Marche》，规定机芯的执行状况。

当时船只常会观察报时球，例如格林威治皇家天文台的那颗，以在启程前检查计时器。每天，船只会在格林威治的泰晤士河短暂停泊，等待天文台的球在下午1点准时落下。这种做法在一定程度上促成了后来采用格林威治标准作为国际标准。大约在1920年，随着无线电时间信号的引入，报时球变得多余，而这些信号本身也大多被GPS时间取代。除了在启航前设定时间外，航海计时器在海上也会透过进行月球，或观测太阳，例行检查准确度。在典型使用中，计时器会安装在甲板下方的遮蔽处，以避免损坏及暴露于自然环境。航海者会利用计时器设定所谓的精密航海表，并携带至甲板上进行天文观测。虽然比计时器准确度低（且价格较低），但这种临时手表在设定后短时间内仍能满足需求（也就是足够长的时间来进行观察）。

### 合理化生产方法

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尽管工业生产方式在19世纪中叶开始革新钟表制造，但计时器的制造仍长期以工艺为主，且由英国与瑞士制造商主导。20世纪初，瑞士制造商如雅典表（Ulysse Nardin）在采用现代生产方法及使用完全可互换零件方面取得了重大进展，但直到第二次世界大战爆发后，美国汉密尔顿手表公司才完善了大量生产流程，使其能生产数千台汉密尔顿Model 21与Model 22计时器，从1942年起用于美国军人及商船队的分支，以及第二次世界大战期间的同盟国。汉密尔顿21航海计时器以链条驱动，秒针在60秒标记的子表盘以1秒为单位前进。在德国，航海计时器进口或使用外国钥匙元件，Drei-Pfeiler Werk Einheitschronometer（三柱机芯统一计时器）由Wempe Chronometerwerke与朗格表公司合作开发，旨在提升生产效率。精确且低成本的开发Einheitschronometer是1939年由德国海军指挥部，以及航空部推动的倡议。量产始于1942年，所有零件均在德国制造，且可互换。二战期间，随着原材料短缺，必须进行改装，工做成为强制性，有时甚至自愿由多家德国制造商分担，以加快生产速度。德国统一设计的航海计时器及其协调组件的生产持续到二战结束后很久；苏联没收了原版的Einheitschronometer，并于1949年在莫斯科设立生产线，生产出首批搭载德国机芯的苏联MX6计时器。1952年至1997年，MX6计时器配备小表（НИИ ЧАСПРОМ，NII Chasprom — 苏联时代钟表研究所）所有零件均由苏联制造，进行设计改装。德国设计的 统一计时器（Einheitschronometer）最终约生产58,000台，成为产量最高的机械航海计时器。其中，二战期间生产不到3,000只，战后在西德和东德生产约5,000只，在苏联及后来的后苏联俄罗斯生产约50,000只。汉密尔顿21型航海计时器在二战期间及战后共生产约13,000台。尽管在机械计时器时代，传统制法的计时器从未从市场上消失。英国的汤玛斯·默瑟计时器公司是持续生产这种产品的公司之一。

### 历史意义

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船用航海计时器是有史以来最精确的便携式机械时钟，在静态环境中仅次于用于天文台，非便携式的精密摆钟。它们与六分仪一同用于测定海上船只的位置。因为在海上精确定位能带来决定性的海军优势，航海国家在这些精密仪器的研发上投入大量资源。若无其精确度及航海计时器所带来的航行壮举，英国皇家海军及大英帝国的崛起或许不会如此显著；帝国的形成是透过战争和海外殖民地的征服，当时英国船只因计时器而拥有可靠的航行能力，而葡萄牙、荷兰和法国等对手则无法。

例如：法国在英国之前已在印度及其它地区稳固立足，但在七年战争中被英国海军击败。

直到20世纪，对航海计时器进行评级与维护仍被视为重要。在第一次世界大战后，英国皇家天文台的计时器部门工作主要限于对海军部已拥有的计时器与腕表进行评定，并提供验收测试。

1937年，时间部门首次设立了维修与调整英国军队配发的天文钟与手表的工作坊，而这些维修工作先前已外包给商业车间。

自1960年代起，机械式弹簧掣动的航海计时器逐渐被基于电动工程与技术的计时器所取代。1985年，英国国防部以招标方式招标出售其机械制汉密尔顿Model 21航海计时器。直到1988年，美国海军将汉密尔顿21型航海计时器做为罗兰-C双曲无线电导航系统的备用。当GPS全球导航卫星系统被批准为可靠时。20世纪末，机械航海计时器生产已大幅减少，仅有少数由俄罗斯莫斯科第一钟表工厂“基洛夫”（Kirov，简称Poljot）、德国温佩（Wempe）及在英格兰的托马斯·默瑟计时器（Thomas Mercer Chronometers）。

最完整的国际航海计时器收藏，包括哈里森的H1至H4，收藏于英国伦敦的格林威治皇家天文台。

## 特征

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关键问题是找到一个不会受到海上船只变化条件影响的共鸣器。平衡轮与弹簧结合，解决了大部分与船只运动相关的问题。不幸的是，大多数摆轮弹簧材料的弹性会随温度改变。为了补偿不断变化的弹簧强度，大多数天文表天平使用双金属条将小配重向振荡中心前后移动，从而调整摆轮周期以配合弹簧的变化力。平衡弹簧问题是用一种在常温下的弹性不变镍钢合金，名为“埃林瓦尔”（elinvaar）的恒弹性钢解决的。发明者是查尔斯·爱德华·纪尧姆，他因其冶金工作于1920年获得诺贝尔物理学奖。

擒纵机构有两个用途。首先，它允许列车以分段前进并记录天平的摆动。同时，它提供微量能量以抵销摩擦造成的微小损失，从而维持摆动平衡的动量。擒纵机构是会发动的部分。由于摆动摆轮的自然共振是计时器的核心，计时器擒纵机构的设计力尽量减少对摆轮的干扰。有许多恒定力擒纵机构和分离式擒纵机构设计，但最常见的是弹簧棘轮和枢轴式棘轮。在这两种装置中，都有一个小型卡位锁住逃逸轮，使摆轮能完全不受干扰地摆动，除了振荡中心短暂的时刻，因为那时最不容易受到外界影响。在摆动中心，摆轮上的滚轮暂时移开卡位，使逃逸轮的一齿通过。擒纵轮齿会将能量传递到摆轮杆上的第二个滚轮上。由于擒纵轮只向一个方向转动，摆轮只能接受一个方向的冲力。在振荡回来时，卡位尖端的弹簧通过，使杆上的解锁滚轮能通过而不使卡位移位。任何机械计时器中最薄弱的环节是擒纵器的润滑。当油因时间或温度而变稠，或因湿度或蒸发而消散时，速率会改变，有时会剧烈变化，而因为擒纵机构中摩擦增加，摆轮运动量会大幅减少。卡位擒纵器因为不需要润滑，相比其它擒纵器，它有明显的优势。从擒纵轮到冲力滚轮的冲动，几乎是死点，意味着滑动动作很少需要润滑。因为金属在黄铜和钢材上的滑动摩擦较小，计时器的擒纵轮与通过弹簧通常为黄金材质。

计时器常包含其他创新，以提升效率与精度。如红宝石和蓝宝石等硬石常被用做宝石轴承，以减少枢轴和擒纵机构的摩擦与磨损。钻石常用作下摆轮杆轴的顶石，以防止重摆轮在小轴心端旋转多年造成的磨损。直到20世纪第三季机械计时器生产结束前，制造商仍持续尝试滚珠轴承和镀铬枢轴等装置。

这些时钟通常会受到保护，并固定存放在船舱下方的传统盒子中，该箱悬挂于云台（一组以轴承连接的环）中。此设计使计时器保持水平“拨号向上”位置，以抵消船体倾斜（摇晃）运动对摆轮造成的计时误差。

航海计时器始终配备一个维持电源，在上弦时持续运作，并有一个动力储备指示器，显示计时器在不上弦的情况下能持续运转多久。

这些技术配备通常能让机械航海计时器每天精确度达0.5秒以内。

## 计时器评级

严格来说，“评级”计时器是指在仪器投入服务前，观察并记录每日平均增减率，并记录在随仪器附送的评级证书上。这个每日速率在现场用来修正仪器显示的时间，以获得准确的时间读数。即使是做工最好的计时器，温度补偿等最细致，也会有两种误差：（1）随机，（2）一致性。仪器的设计与制造品质使随机错误保持在极低。原则上，一致的误差应可透过调整消除，但实务上无法精确到完全消除此误差，因此采用评分技术。仪器服役期间，速率也会因油脂增稠而改变，因此在长途探航中，仪器的速率会定期与天文观测确定的精确时间进行检查。

## 今日的航海计时器使用

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自1990年代起，小艇和轮船都可以使用多种卫星导航系统（GNSS）用于全球所有的湖泊、海域与大洋导航。海事GNSS装置包含水上有用的功能、例如“落水人员”(MOB)功能，能即时标记落水地点，简化救援工作。GNSS可透过NMEA 0183界面连接船舶的自动舵机与航图绘图器，并透过启用自动识别系统（AIS）来提升航运交通安全。

即使有这些便利的21世纪科技工具，现代务实的导航员通常会结合电力驱动的时间来源来使用天文导航。小型手持电脑、笔记型电脑、导航计算机甚至科学计算机，让现代导航员能在数分钟内“约减”六分仪瞄准器，透过自动化所有计算和/或资料查询步骤。使用多种独立定位方法，而不仅依赖故障电子系统，有助于导航员侦测错误。专业航海者仍需精通传统的驾驶与天文导航，这需要使用精确调整且评级的自主或定期外部时间信号校正的计时器。这些能力仍是某些国际海员认证的必要条件，例如导航值班主管及甲板官的船长与大副，及储补长途私人巡航游艇的离岸游艇长。

现代航海计时器可基于定期由卫星时间信号或无线电时间信号校正的石英钟（参见无线电时钟）。当没有讯号接收到时，这些石英钟并不总是最精确的石英钟，且其讯号可能会遗失或被阻挡。然而，即使是手表中也有自主石英机芯，每年准确度可达5秒或20秒。

至少有一台为高级导航设计的石英计时器使用多颗石英晶体，并由电脑以平均值校正，再加上GPS时间信号校正。

## 外部链接

- 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

## 基本资料

- 分类：时钟
- 产业：交通
- 应用：计时
- 是否要供电：无
- 发明日期：1761
- 发明者：约翰·哈里森