Техники за изчисляване на позицията на кораба с помощта на астрономия
На фона на напредъка в GPS и цифровите навигационни устройства, техниката за изчисляване на позицията на кораба с помощта на астрономия (астрономическа навигация или небесна навигация) остава актуална. Това умение е повече от романтично занимание за моряците от миналото, а служи като жизненоважна резерва, когато електронните системи са нарушени, сигналите са загубени или оборудването се повреди. Използвайки небесните тела - Слънцето, Луната, планетите и звездите - навигаторът може самостоятелно да определи позицията на кораба в открито море. Тази статия разглежда основните принципи, използваните инструменти и практическите стъпки за изчисляване на позицията на кораба с помощта на астрономия.
1. Основни принципи на астрономическата навигация
Астрономическата навигация се основава на измерване на ъгъла на издигане (надморската височина) на небесно тяло спрямо хоризонта в даден момент. Ако знаем:
1) много точно време за наблюдение,
2) положението на небесните тела по това време (от астрономически данни) и
3) измереният ъгъл на издигане на небесно тяло,
След това можем да начертаем линия на местоположение (LOP) на картата. Чрез комбиниране на две или повече LOP от наблюдения на различни небесни тела, получаваме точка на пресичане, която става приблизителната позиция (фиксирана позиция) на кораба.
Концептуално, когато една звезда е на определена височина над хоризонта, корабът се намира върху голям кръг на земната повърхност, наречен кръг с еднаква височина. Тъй като кръгът е толкова голям на морската карта , малка част от него може да се счита за права линия: това е LOP (ниво на височината над хоризонта).
2. Необходимо оборудване
За извършване на астрономически изчисления на позициите на корабите, основното оборудване включва:
– Секстант: инструмент за измерване на ъгъла между небесните тела и хоризонта (височина на небесните тела).
– Хронометър: точен корабен часовник, настроен на стандартно време (обикновено UTC/GMT).
– Морски алманах: съдържа почасови данни за позициите на небесните тела (и корекции от минути/секунди).
– Таблици за редукция или методи за изчисление: например таблици за редукция на видимостта (HO 249/HO 229) или ръчни тригонометрични изчисления.
– Морски карти, молив, линийка и плотер: за рисуване на LOP и получаване на точки.
– Компас и дневник на скоростта (по избор, но полезни): за оценка на началната позиция преди астрономическата фиксация.
Въпреки че вече има калкулатори и приложения, основният принцип остава същият: измерване на секстант + точно време + алманах + редукция + графика.
3. Измерване със секстант: „Визуализиране“
Първата стъпка е да се направи наблюдение (визия). Например, за Слънцето:
1) Изберете обект: Слънцето често се използва, защото е лесно видимо; звездите се използват привечер/зазоряване; планетите и луната също могат да се използват.
2) Измерете височината на небесния обект (Hs): насочете секстанта, докато изображението на небесния обект „докосне“ линията на хоризонта.
3) Запишете UTC времето с точност до секунди: тъй като изместването в позициите на небесните тела се променя бързо, време, което е отклонено с 4 секунди, може да означава около 1 морска миля по дължина (приблизително, защото Земята се върти с 15° на час).
4) Повторете няколко пъти: направете няколко измервания и вземете средната стойност, за да намалите грешките.
За звездите наблюденията обикновено се правят, когато хоризонтът е все още ясно видим: граждански полумрак. За дневното слънце често срещана техника е измерването на надморската височина, за да се получи линията на силното положение (LOP), а също и да се намери географската ширина на преминаването на меридиана (кулминацията).
4. Корекция на секстанта: от Hs до Ho
Ъгълът, отчетен от секстанта (Hs), не е готов за употреба. Той трябва да бъде коригиран спрямо наблюдаваната височина (Ho), като се използват няколко стандартни корекции:
– Индексна грешка (IE): нулева грешка в секстанта. Компенсира се чрез корекция на индекса.
– Наклон (корекция на хоризонта): тъй като наблюдателят е над морското равнище, хоризонтът изглежда „спускащ се“. Наклонът зависи от височината на окото спрямо повърхността.
– Пречупване (атмосферно пречупване): атмосферата пречупва светлината, така че обектите да изглеждат по-високи.
– Корекция Слънце/Луна: за Слънцето и Луната има допълнителни корекции, като например полудиаметър (измерване на горния/долния ръб) и паралакс (особено Луната).
След прилагане на всички корекции се получава Ho. Тази стойност на Ho се използва в процеса на редукция за получаване на LOP.
5. Определете данни за небесните обекти от Алманаха
От Морския алманах навигаторът е взел:
– GHA (Гринуички часов ъгъл): часовият ъгъл на небесно тяло спрямо Гринуичкия меридиан, свързан с географската дължина.
– Деклинация (Dec): „небесната ширина“ на обекта, север (+) или юг (-).
Тъй като алманасите обикновено дават почасови стойности, интерполацията се извършва за минутите и секундите от времето на наблюдение. Точността на интерполацията е важна, особено за бързо движещата се Луна.
6. Метод на прихващане (Marcq St. Hilaire)
Най-разпространеният метод за изчисляване на съвременната LOP е методът на пресечните точки. По същество ние сравняваме „приетата позиция“ на височината от приетата позиция (AP) с действително наблюдаваната височина (Ho).
Бързите стъпки са:
1) Определете очакваната позиция (DR/EP): по сметките на съдбата (курс и изминато разстояние) или очакваната последна позиция.
2) Изберете „Assumed Position (AP)“ (Предполагаема позиция): закръглена, за да улесните изчисленията (напр. закръглете географската ширина и закръглете LHA).
3) Изчислете LHA (местен часови ъгъл):
LHA = GHA ± географска дължина (знаците са коригирани: източната дължина обикновено се изважда, западната дължина се добавя — в зависимост от използваната таблична конвенция).
4) Изчислете аритметичната височина (Hc) и азимута (Zn) на AP, използвайки таблицата HO или формулата за сферична тригонометрия.
5) Сравнете Ho с Hc:
Пресечна точка = Ho − Hc (в дъгови минути; 1′ ≈ 1 морска миля).
– Ако Ho > Hc: „към“ (корабът е по-близо до небесното тяло, отколкото AP)
– Ако Ho < Hc: „далеч“
6) Начертайте LOP: От AP начертайте азимутална линия към Zn, след което измерете пресечната точка към/далеч, поставете точка. От тази точка начертайте перпендикулярна линия на азимута – това е LOP.
С едно наблюдение получаваме една линия на местоположението. За определяне на местоположението са необходими минимум две линии на местоположението от две небесни тела (или от два различни момента на време).
7. Получаване на решение: Комбиниране на две или три LOP
Има няколко начина за изграждане на поправка:
– Два различни небесни обекта в близки по време моменти (например две звезди привечер).
– Слънце два пъти с интервал от време (текуща фиксирана точка): първата LOP се „премества“ според движението на кораба до втората LOP точка.
– Три небесни тела: осигуряват по-силно фиксиране и позволяват откриване на грешки (LOP образува малък триъгълник).
При здрач, навигаторите често вземат 3–5 звезди, защото:
1) звездата произвежда различни азимути (LOP реже под добър ъгъл),
2) кратко време за наблюдение,
3) хоризонтът е все още ясен.
Най-добрите резултати обикновено са, когато двете линии на прехода (LOP) се пресичат близо до 90°, тъй като неопределеността на измерването води до по-малка площ на грешката.
8. Изчисляване на географската ширина от кулминацията на слънцето (обедно виждане)
Освен метода на пресичане, много полезна класическа техника е обедното виждане за географска ширина. Когато Слънцето достигне най-високата си точка през деня (преминаване по меридиана), посоката му е директно север/юг и изчисляването на географската ширина става по-лесно:
Като цяло:
– Географска ширина ≈ 90° − Ho + Dec , като знакът зависи от това дали Слънцето и наблюдателят са в едно и също полукълбо (N/S).
Навигаторът все още трябва да приложи корекцията Hs → Ho, да вземе Dec от алманаха при локалната кулминация и да отбележи дали Слънцето е северно или южно от зенита на наблюдателя. Обедното наблюдение осигурява добра географска ширина, но географската дължина все още изисква други техники (напр. сутрешно/вечерно наблюдение или метод на времето).
9. Източници на грешки и как да ги намалим
Астрономическата навигация изисква прецизност, но е и толерантна, ако се прави правилно. Често срещани грешки включват:
– Неточност във времето: некоригирано отклонение на хронометъра.
– Неясен хоризонт: високи вълни, мъгла или отблясъци.
– Грешката в индекса е грешна: секстантът не е калибриран.
– Грешка при разпознаване на звезди.
– Грешка при начертаване: грешка при начертаване на пресечната точка и линията на ограничението на кривата.
Смекчаване:
– проверете индекса на грешката преди наблюдение,
– направете няколко мерника и ги осреднете,
– използвайте лесно разпознаваеми звезди,
– да правят изчисления и графики спретнато,
– сравнете с DR/EP, за да направите резултатите разумни.
10. Защо все още е необходимо да се учи?
Въпреки че GPS е много точен, астрономическата навигация предоставя три основни предимства:
1) Аварийно захранване: когато има проблем с електричеството, антената или сигнала.
2) Независима проверка: гарантиране, че електронната позиция не е подвеждаща.
3) По-пълно разбиране на навигацията: подобряване на дисциплината, наблюдателността и аналитичните умения на навигатора.
Моряк, който може да изчисли местоположението си астрономически, има по-голяма увереност, когато е далеч от сушата и комуникационните услуги.
Затваряне
Техниката за изчисляване на позицията на кораб с помощта на астрономия комбинира наблюдение, измерване на времето, данни от алманахи и изчисления на сферична геометрия, за да се получат линии на позиция и фиксирани координати. От измервания на секстанти, коригиране на Hs към Ho, вземане на GHA и деклинация от алманахи, до прихващане и нанасяне на LOPs - всичко това създава самостоятелна навигационна система, която е издържала проверката на времето в продължение на стотици години. В съвременната епоха тези умения остават ценни като надеждна резерва и морско научно наследство, достойно за запазване.
Ако желаете, мога да добавя прост пример за изчисление (с числа) за едно наблюдение на Слънцето или пример за неподвижна звезда по време на здрач, за да направя процеса по-практичен.
