Tehnici de calculare a poziției navei folosind astronomia
În contextul progreselor înregistrate în domeniul GPS-ului și al dispozitivelor de navigație digitală, tehnica de calculare a poziției unei nave folosind astronomia (navigația astronomică sau navigația cerească) rămâne relevantă. Mai mult decât o simplă distracție romantică pentru marinarii din trecut, această abilitate servește drept o rezervă vitală atunci când sistemele electronice sunt perturbate, semnalele se pierd sau echipamentele se defectează. Prin utilizarea corpurilor cerești - Soarele, Luna, planetele și stelele - un navigator poate determina independent poziția unei nave în largul mării. Acest articol discută principiile de bază, instrumentele utilizate și pașii practici pentru calcularea poziției unei nave folosind astronomia.
1. Principiile de bază ale navigației astronomice
Navigația astronomică se bazează pe măsurarea unghiului de elevație (altitudinii) unui corp ceresc față de orizont la un moment dat. Dacă știm:
1) timp de observare foarte precis,
2) poziția corpurilor cerești la momentul respectiv (din date astronomice) și
3) unghiul de elevație măsurat al unui corp ceresc,
Apoi putem trasa o linie de poziție (LOP) pe hartă. Prin combinarea a două sau mai multe LOP-uri din observațiile diferitelor corpuri cerești, obținem un punct de intersecție care devine poziția estimată (fix) a navei.
Conceptual, atunci când o stea se află la o anumită înălțime deasupra orizontului, nava se află pe un cerc mare de pe suprafața Pământului numit cerc de egală altitudine. Deoarece cercul este atât de mare pe o hartă nautică, o mică parte din el poate fi considerată o linie dreaptă: aceasta este linia de delimitare a orizontului (LOP).
2. Echipament necesar
Pentru efectuarea calculelor astronomice ale pozițiilor navelor, echipamentul principal include:
– Sextant: un instrument pentru măsurarea unghiului dintre corpurile cerești și orizont (înălțimea corpurilor cerești).
– Cronometru: un ceas precis al unei nave, setat la ora standard (de obicei UTC/GMT).
– Almanah nautic: conține date orare privind pozițiile corpurilor cerești (și corecții pentru minute/secunde).
– Tabele de reducere sau metode de calcul: de exemplu Tabele de reducere a vizibilității (HO 249/HO 229) sau calcule trigonometrice manuale.
– Hartă nautică, creion, riglă și plotter: pentru a trasa LOP și a obține corecții.
– Busolă și jurnal de viteză (opțional, dar utile): pentru a estima poziția de pornire înainte de corecția astronomică.
Deși există acum calculatoare și aplicații, principiul de bază rămâne același: măsurarea sextantului + timpul precis + almanah + reducție + reprezentare grafică.
3. Măsurarea cu sextantul: Luarea „viziunii”
Primul pas este să faci o observație (o vedere). De exemplu, pentru Soare:
1) Alegeți un obiect: Soarele este adesea folosit deoarece este ușor vizibil; stelele sunt folosite la amurg/zori; se pot folosi și planetele și luna.
2) Măsurați înălțimea obiectului ceresc (Hs): îndreptați sextantul până când imaginea obiectului ceresc „atinge” linia orizontului.
3) Înregistrați ora UTC cu precizie de secunde: deoarece deplasarea pozițiilor corpurilor cerești se schimbă rapid, o oră diferită de 4 secunde poate însemna aproximativ 1 milă marină în longitudine (aproximativ, deoarece Pământul se rotește cu 15° pe oră).
4) Repetați de mai multe ori: faceți mai multe măsurători și calculați media pentru a reduce erorile.
Pentru stele, observațiile se fac de obicei atunci când orizontul este încă clar vizibil: crepuscul civil. Pentru Soarele din timpul zilei, o tehnică obișnuită este măsurarea altitudinii pentru a obține linia de poziție puternică (LOP) și, de asemenea, pentru a găsi latitudinea trecerii meridianului (culminație).
4. Corecția sextantului: De la Hs la Ho
Unghiul citit de sextant (Hs) nu este gata de utilizare. Acesta trebuie corectat la altitudinea observată (Ho) folosind câteva corecții standard:
– Eroare de index (IE): eroare zero în sextant. Compensată prin corecția indexului.
– Înclinarea (corecția orizontului): deoarece observatorul se află deasupra nivelului mării, orizontul pare să „coboare”. Înclinarea depinde de înălțimea ochiului față de suprafață.
– Refracție (refracția atmosferică): atmosfera curbează lumina astfel încât obiectele par mai înalte.
– Corecție Soare/Lună: pentru Soare și Lună există corecții suplimentare, cum ar fi semidiametrul (măsurarea marginii superioare/inferioare) și paralaxa (în special pentru Lună).
După aplicarea tuturor corecțiilor, se obține Ho. Această valoare Ho este utilizată în procesul de reducere pentru a obține LOP.
5. Determinați datele despre obiectele cerești din Almanah
Din Almanahul Nautic, navigatorul a luat:
– GHA (Unghiul Orar Greenwich): unghiul orar al unui corp ceresc față de meridianul Greenwich, legat de longitudine.
– Declinație (Dec): „latitudinea cerească” a obiectului, nord (+) sau sud (-).
Întrucât almanahurile oferă de obicei valori orare, interpolarea se efectuează pentru minutele și secundele din timpul de observație. Precizia interpolării este importantă, în special pentru Luna, care se mișcă rapid.
6. Metoda de interceptare (Marcq St. Hilaire)
Cea mai comună metodă de calculare a LOP-ului modern este metoda interceptării. În esență, comparăm altitudinea „poziției presupuse” față de poziția presupusă (AP) cu altitudinea reală observată (Ho).
Pașii rapizi sunt:
1) Determinarea poziției estimate (DR/EP): din navigație estimată (curs și distanță parcursă) sau din ultima poziție estimată.
2) Selectați Poziția Presupusă (PA): rotunjită pentru a facilita calculele (de exemplu, rotunjiți latitudinea și rotunjiți LHA).
3) Calculați LHA (unghiul orar local):
LHA = GHA ± longitudine (semnele sunt ajustate: longitudinea estică se scade de obicei, longitudinea vestică se adaugă - în funcție de convenția tabelară utilizată).
4) Calculați înălțimea aritmetică (Hc) și azimutul (Zn) ale punctului de atracție (AP) folosind tabelul HO sau formula trigonometrică sferică.
5) Comparați Ho cu Hc:
Intersecția cu axa = Ho − Hc (în minute de arc; 1′ ≈ 1 milă marină).
– Dacă Ho > Hc: „spre” (nava este mai aproape de corpul ceresc decât AP)
– Dacă Ho < Hc: „departe” 6) Trasați punctul de reper (LOP): din punctul de vedere al punctului (AP), trasați o linie azimutală către Zn, apoi măsurați intersecția cu punctul de reper (LOP) către/departe, plasați un punct. Din acel punct, trasați o linie perpendiculară pe azimut - adică LOP-ul. Cu o singură observație, obținem o linie de poziție. Sunt necesare cel puțin două linii de poziție de la două corpuri cerești (sau două momente diferite) pentru o remediere. 7. Obținerea unei remedieri: Combinarea a două sau trei LOP-uri Există mai multe modalități de a construi o remediere: - Două corpuri cerești diferite la momente apropiate (de exemplu, două stele la amurg). - Soarele de două ori cu un interval (remediere continuă): primul LOP este „mutat” în funcție de mișcarea navei până la momentul celui de-al doilea LOP. - Trei corpuri cerești: oferă o remediere mai puternică și permite detectarea erorilor (LOP-urile formează un triunghi mic). La amurg, navigatorii iau adesea 3-5 stele deoarece: 1) stelele produc azimuturi variabile (liniile de observație se intersectează la unghiuri bune), 2) timpul de observare este scurt, 3) orizontul este încă senin. Cele mai bune rezultate sunt de obicei atunci când cele două linii de observație se intersectează aproape de 90°, deoarece incertitudinea măsurătorii are ca rezultat o zonă de eroare mai mică. 8. Calcularea latitudinii de la culminația Soarelui (viziunea la amiază) Pe lângă metoda interceptării, o tehnică clasică foarte utilă este vizarea la amiază pentru latitudine. Când Soarele atinge punctul său cel mai înalt zilnic (trecerea meridianului), direcția Soarelui este exact nord/sud, iar calculul latitudinii devine mai simplu:
