第一个全球定位系统是这只航海天文表

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欢迎来到你应该知道的手表，这是一个突出重要或鲜为人知的手表的专栏，它们有着有趣的背景故事和意想不到的影响。本周:哈里森H4海洋天文钟“海洋观察”。

1492年，哥伦布在蔚蓝的海洋上航行，但他不知道要去哪里，更重要的是，他要去多远。他只是瞄准西边，让孩子们踩油门。他本想去印度，结果却到了西印度群岛;小安的列斯群岛就是这样得名的。哥伦布不知道西印度有多远，也不知道到达那里需要多长时间。他只是相信他们不会从世界的边缘掉下去——你知道，那里有龙。

18世纪公海航行的问题

经度的问题——你在地球上的位置，从东西方向来说——是当时，或者说，是18世纪最棘手的难题。从大不列颠向西南航行，到达富饶的新大陆的标准方法实际上是向南航行到正确的纬度，人们可以通过观察北极星很容易地确定这个纬度，然后向西航行，直到乌鸦窝里的人喊道:“陆地嗬!”效率不高。

因此，1714年，英国政府悬赏2万英镑(相当于今天的750万美元)，希望能一劳永逸地解决经度问题。比赛将由新成立的经度委员会监督。

各种各样的方法都出现了:月球表，基于行星观测的复杂方程等等。每个人都知道，真正的解决办法是知道你在公海上的确切时间，也知道你在家里的确切时间。然后，只需简单计算一下，就能算出你所处的位置是向东或向西多远。你可以在你所在的地方看到正午的太阳，如果你有一个足够好的时钟，你可以比较这两个时间，用一些简单的数学计算，确定你的位置。

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但这是一个很大的假设。没人想到能造出这样的钟。最好的钟在稳如磐石的客厅里也能达到必要的精度，但在波涛汹涌的海面上，这种钟是无法做到的。怀表是不可能的，因为它们每天最多只能保持正负一分钟的时间。要想凭借计时解决方案赢得大奖，这款手表需要每天精确到正负2.8秒。

制表木匠约翰·哈里森和他的发明钟

来自约克郡的自学木匠约翰·哈里森18世纪20年代，哈里森开始用木头制作精美、精确的时钟。他非常相信他的时钟，以至于把他的帽子扔进经度奖环。

如今，我们知道哈里森的五个海上计时器(哈里森时代一个独特的重要术语)简单地称为H1, H2, H3, H4和H5(注意:这些名字直到60年前才被普遍使用，当时哈里森的传记作者和时钟修复者鲁伯特·古尔德创造了它们)。

H1, H2和H3是相当大的时钟，高度从59厘米到66厘米(大约23-¼英寸到26英寸)不等。重要的是，哈里森的钟表不需要油来润滑。相反，他设计了用于接触面的滚子轴承。

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哈里森在1730年至1735年间建造了H1。它本质上是他的木制时钟的便携式版本，尽管它更大，并进行了几项革命性的改进以提高精度。1736年，H1在葡萄牙里斯本的试运行证明了它的前景;虽然还不足以获奖，但这对哈里森和经度委员会来说都是一种鼓舞。

哈里森在1737年到1739年间建造了H2。H2对钟表学的贡献是计时器，这是一种将零件制造过程的可变性从计时方程中剔除的装置。然而，H2有其他的问题，哈里森没有追着尾巴试图解决它们，而是放弃了H2，开始建造第三个计时器。

H3对哈里森来说是一次重大考验。有超过700个零件，温度补偿子系统，一个监视器和一个等时器(一种确保时钟的平衡轮在相同的时间内向各个方向摆动的装置)，时钟过于复杂和特殊，无法正常工作。哈里森花了19年才放弃用H3来解经度。

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尤里卡时刻

这就是故事有趣的地方。1753年，哈里森向伦敦的一位钟表匠订购了一块怀表。这款手表将以哈里森自己的设计理念为基础。当他收到手表时，他意识到，经过一定的改进，它可以成为解决经度问题的计时答案。他的一个简单的突破性发现是，小型的高频振荡器(摆轮)在运动过程中比大型时钟稳定得多。

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直径只有13厘米的H4就是这种认识的结果。哈里森所做的改进包括一个比普通怀表上的平衡轮大得多的平衡轮。它以更高的频率振荡，每秒5次，即每小时18000次。这款手表是哈里森在H3中设计的温度补偿系统的改进版，它还包含一个小型化的显示器。

唯一的问题，如果可以称之为问题的话，就是H4需要加油。然而，哈里森采用了一种相对较新的减少摩擦的做法，在几个地方安装了宝石轴承，以尽量减少摩擦。

H4于1759年完工。经度委员会把它送去西印度群岛进行了两次正式试验。计时员在两次航行中都表现得完美无缺，但经度板并不满意。直到1765年，董事会才授予哈里森一半的奖金——当时他已经70多岁了——这是有条件的，哈里森必须完全披露建筑细节。

在哈里森披露后，董事会委托拉克姆·肯德尔制作了一份手表的副本。这只手表，今天被称为K1，在多次前往南太平洋的航行中被詹姆斯·库克船长测试过。它的表现也很完美，后来又订购了两架。其中一艘船在船长威廉·布莱(William Bligh)的带领下乘坐“赏金号”(Bounty)航行，最终抵达皮特凯恩岛(Pitcairn Island)，直到1840年归还给英国政府。另一艘船在库克船长第三次航行到南太平洋时也与他一起航行。

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哈里森的辩护和遗产

与此同时，哈里森越来越渴望“赚到”经度奖的剩余奖金。他着手开发H5，这是对H4设计的改进和简化。有了这个计时器，他寻求国王乔治三世的支持。国王本身就是一位自然哲学家，他亲自测试了H5，并承诺支持哈里森。最终，国王说服了议会，经度委员会投降了，并把经度奖的剩余部分加上费用分给了哈里森。总价为23,065英镑，相当于今天的860万美元。对于毕生的工作来说还不错。

当然，航海天文钟还有更多的故事。它们是对进入20世纪的航运至关重要的精密仪器。但一位自学成才的约克郡木匠先到了那里。不可否认，哈里森的设计——尤其是被称为H4的大型手表——是所有现代精密手表的真正先驱。