從航海科學角度吐槽下《一出好戲》

最近驚喜得發現暑期檔電影的航海元素越來越多。

《一出好戲》全片完美貫徹了帆船圈裡天天在說的航海精神——星辰大海，勇敢堅韌，還有團隊精神。

故事說的是一群參加團建的公司員工在海上遇上了隕石撞擊引發的海嘯，結果被衝到了一個小島上，住在一個郵輪殘骸里荒野求生的故事。網上的評價也不乏對最帥影帝黃渤的各種褒獎，什麼人性啦，思考啦，黑色幽默啦，blablabla。

當然，秉承著「和諧觀影，客觀吐槽」的宗旨，三個字總結全片的話，那就是——「沒文化」。觀影全程的心中OS大概是這樣的：

「卧去，都拿出海圖了那肯定有六分儀啊！」

「要是有六分儀那就可以測緯度了啊！」

「用三角測量法畫個海岸線的地圖啊！」

「畫完地圖就趕緊找航線啊！」

「沒船也能用航位推測法劃木筏回去吧？」

「這麼大片森林都能造個帆船了吧？」

「有這麼牛叉的電工幹嘛不先修VHF？」

所以呢，趁此機會，咱就乾脆來講講那些最原始又最天才的航海科學知識。

全球定位系統

首先說說經緯度導航，顧名思義，這種導航需要的就是兩個參數，經度和緯度。當然，目前最常用的經緯度導航就是全球定位系統（GPS）。

相信很多人，甚至很多水手都是只會用，但沒有了解過GPS的原理，其實吧，GPS的原理大概只需要初中數學知識就能理解。GPS全球定位系統其實是由24顆衛星組成的，每顆衛星都帶有各自的精確坐標，這些已知數如果用空間直角坐標系來表示，大概就是這樣的：衛星1（x1，y1，z1），衛星2（x2，y2，z2），衛星3（x3，y3，z3），依此類推。而我們的位置呢，就是（x，y，z）。所以我們和衛星1之間的距離，可以用下面這個公式來表示：

與此同時，每個衛星上還有一個原子鐘，各自的時間也是已知數，分別為t1，t2，t3...而我們需要求解的時間呢，等於t。所以啊，我們和衛星1通信時的無線電波走過的距離，也是我們和衛星1之間的直線距離。這個距離等於光速c乘以衛星1上原子鐘的時間t1，和我們當地的未知時間t的差值（t-t1）。所以呢，下面的等式就出來了。

當然，這個等式裡面有x，y，z，t這4個未知數，無法求解，那怎麼辦呢？很簡單，再找三顆衛星進行通信，這樣就可以得到一組4個未知數的方程組。

經過求解這個方程組，就可以得出我們的具體位置（x，y，z），也能根據求解的時間t算出具體經度（經度問題詳見後文）。這也是為什麼，想要使用GPS定位，至少需要4顆衛星，當然，衛星越多，定位越精準。

但是，對於一些對精度要求比較高的項目來說，光靠這個方程組可能還不夠。其中有3個原因：一方面，光在不同濕度的空氣中傳播時，速度會有輕微的變化。而另外兩個原因，就和我們「牛叉哄哄」的愛因斯坦大神有關啦。

大家一定聽過這麼一種說法，如果以接近光速的速度進行星際旅行，那麼飛船上的時間會變慢。這說的就是狹義相對論，而GPS衛星雖然沒達到接近光速這麼誇張，卻也是以每小時14000千米的速度繞地球飛行。因此在地球上看GPS衛星，它們攜帶的時鐘要走得比較慢，用狹義相對論的公式可以計算出，每天慢大約7微秒。

而另一個原因，則是廣義相對論。廣義相對論的核心思想其實就是質量會引起空間彎曲，一旦空間彎曲了，連光都能走彎路。通過下面這個圖，還能發現，越靠近地球，空間彎曲越厲害，越遠離地球，空間彎曲得越小。

而GPS衛星位於距離地面大約2萬千米的太空中。受地球質量的影響，在地球表面的時空要比GPS衛星所在的時空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛星上的時鐘就要走得比較快，用廣義相對論的公式可以計算出，每天快大約45微秒。

在同時考慮了狹義相對論和廣義相對論後，GPS衛星時鐘每天還要快上大約38微秒，這似乎微不足道，但是如果我們考慮到GPS系統必須達到的時間精度是納秒級的，這個誤差就非常可觀了（38微秒等於38000納秒）。如果不校正的話，GPS系統每天將會累積大約10千米的定位誤差（38微妙乘以光速可以得出）。而校正的方式，就是使用一種叫做差分基站的黑科技。一般來說，在陸地上每隔幾十公里或者幾百公里就會有一個差分基站，這種有著精準坐標和時間的基站，會和你一起與GPS進行通信，然後通過數學計算來減少基站周圍的誤差，使定位更精確。

來源：中國船舶報

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