Методы расчета местоположения корабля с использованием астрономии
В условиях развития GPS и цифровых навигационных устройств метод расчета положения судна с помощью астрономии (астрономическая навигация или небесная навигация) остается актуальным. Для моряков прошлого это не просто романтическое развлечение, а жизненно важный резервный метод в случае сбоев в работе электронных систем, потери сигналов или отказа оборудования. Используя небесные тела — Солнце, Луну, планеты и звезды — навигатор может самостоятельно определить положение судна в открытом море. В этой статье рассматриваются основные принципы, используемые инструменты и практические шаги для расчета положения судна с помощью астрономии.
1. Основные принципы астрономической навигации
Астрономическая навигация основана на измерении угла возвышения (высоты) небесного тела относительно горизонта в данный момент времени. Если нам известно:
1) очень точное время наблюдения,
2) положение небесных тел в тот момент (на основе астрономических данных) и
3) измеренный угол возвышения небесного тела,
Затем мы можем нарисовать на карте линию положения (ЛП). Объединив две или более ЛП, полученные в результате наблюдений за различными небесными телами, мы получаем точку пересечения, которая становится предполагаемым положением (фиксированным положением) судна.
В концептуальном плане, когда звезда находится на определенной высоте над горизонтом, корабль располагается на большой окружности на поверхности Земли, называемой кругом равных высот. Поскольку на морской карте эта окружность очень велика, небольшую ее часть можно считать прямой линией: это и есть круг равных высот.
2. Необходимое оборудование
Для выполнения астрономических расчетов положения кораблей основное оборудование включает в себя:
– Секстант: инструмент для измерения угла между небесными телами и горизонтом (высотой небесных тел).
– Хронометр: точные корабельные часы, установленные на стандартное время (обычно UTC/GMT).
– Морской альманах: содержит почасовые данные о положении небесных тел (и поправки в минутах/секундах).
– Таблицы пересчета или методы расчета: например, таблицы пересчета прицельных приспособлений (HO 249/HO 229) или ручные тригонометрические расчеты.
– Морские карты, карандаш, линейка и плоттер: для построения линии курса и определения местоположения.
– Компас и журнал скорости (необязательно, но полезно): для оценки исходного положения до определения местоположения по астрономическим данным.
Хотя сейчас существуют калькуляторы и приложения, основной принцип остается тем же: измерение с помощью секстанта + точное время + альманах + обработка данных + построение графика.
3. Измерение с помощью секстанта: определение местоположения по визированию.
Первый шаг — это наблюдение (визуализация). Например, для Солнца:
1) Выберите объект: часто используется солнце, потому что оно легко видно; звезды используются на закате/рассвете; также можно использовать планеты и луну.
2) Измерьте высоту небесного объекта (Hs): наведите секстант до тех пор, пока изображение небесного объекта не «касается» линии горизонта.
3) Записывайте время UTC с точностью до секунд: поскольку смещение положений небесных тел происходит быстро, отклонение на 4 секунды может означать примерно 1 морскую милю по долготе (приблизительно, так как Земля вращается на 15° в час).
4) Повторите несколько раз: проведите несколько измерений и возьмите среднее значение, чтобы уменьшить погрешность.
Наблюдения за звёздами обычно проводят, когда горизонт ещё хорошо виден: в сумерках. Для наблюдения за Солнцем днём распространённый метод заключается в измерении высоты для определения линии сильного положения (LOP), а также широты прохождения меридиана (кульминации).
4. Поправка секстанта: от Hs к Ho
Показанный секстантом угол (Hs) не готов к использованию. Его необходимо скорректировать до наблюдаемой высоты (Ho) с помощью нескольких стандартных поправок:
– Индексная ошибка (ИЭ): нулевая ошибка в секстанте. Компенсируется индексной коррекцией.
– Наклон (коррекция горизонта): поскольку наблюдатель находится выше уровня моря, горизонт кажется «опускающимся». Наклон зависит от высоты взгляда над поверхностью.
– Преломление света (атмосферная рефракция): атмосфера искривляет свет, из-за чего объекты кажутся расположенными выше.
– Коррекция на Солнце/Луну: для Солнца и Луны предусмотрены дополнительные поправки, такие как полудиаметр (измерение верхнего/нижнего края) и параллакс (особенно для Луны).
После внесения всех поправок получается значение Ho. Это значение Ho используется в процессе редукции для получения LOP.
5. Определите данные о небесных объектах из Альманаха.
Из Морского альманаха штурман взял следующие данные:
– GHA (Гринвичский часовой угол): часовой угол небесного тела относительно Гринвичского меридиана, связанный с долготой.
– Склонение (Dec): «небесная широта» объекта, северная (+) или южная (-).
Поскольку в альманахах обычно приводятся почасовые значения, интерполяция выполняется для минут и секунд времени наблюдения. Точность интерполяции важна, особенно для быстро движущейся Луны.
6. Метод перехвата (Марк Сент-Илер)
Наиболее распространенным методом расчета современных уровней линейной ориентации является метод пересечения. По сути, мы сравниваем высоту «предполагаемого положения» из предполагаемого положения (AP) с фактической наблюдаемой высотой (Ho).
Вот краткие шаги:
1) Определите расчетное местоположение (DR/EP): по счислению пути (курс и пройденное расстояние) или по расчетному последнему местоположению.
2) Выберите предполагаемое положение (ПП): округление используется для упрощения вычислений (например, округление широты и LHA).
3) Рассчитайте местный часовой угол (LHA):
LHA = GHA ± долгота (знаки скорректированы: восточная долгота обычно вычитается, западная долгота добавляется — в зависимости от используемой табличной системы координат).
4) Вычислите арифметическую высоту (Hc) и азимут (Zn) точки AP, используя таблицу HO или формулу сферической тригонометрии.
5) Сравните Ho с Hc:
Пересечение с осью Y = Ho − Hc (в угловых минутах; 1′ ≈ 1 морская миля).
– Если Ho > Hc: «в направлении» (корабль находится ближе к небесному телу, чем AP)
– Если Ho < Hc: «в сторону» 6) Построение линии положения: от AP проведите азимутальную линию к Zn, затем измерьте точку пересечения с осью, поставьте точку. Из этой точки проведите перпендикулярную линию к азимуту — это и есть линия положения. С помощью одного наблюдения мы получаем одну линию положения. Для определения местоположения необходимо как минимум две линии положения от двух небесных тел (или в два разных момента времени). 7. Получение местоположения: объединение двух или трех линий положения Существует несколько способов определения местоположения: - Два разных небесных тела в близкие моменты времени (например, две звезды в сумерках). - Солнце дважды с интервалом (скользящее определение местоположения): первая линия положения «перемещается» в соответствии с движением судна до момента второй линии положения. - Три небесных тела: обеспечивает более точное определение местоположения и позволяет обнаруживать ошибки (линии положения образуют небольшой треугольник). В сумерках мореплаватели часто используют 3–5 звезд, потому что: 1) звезды дают разные азимуты (точки обзора пересекаются под хорошими углами), 2) время наблюдения короткое, 3) горизонт все еще чистый. Наилучшие результаты обычно получаются, когда две точки обзора пересекаются под углом, близким к 90°, поскольку неопределенность измерения приводит к меньшей погрешности. 8. Расчет широты по кульминации Солнца (полуденное наблюдение) Помимо метода пересечения, очень полезным классическим методом является полуденное наблюдение для определения широты. Когда Солнце достигает своей суточной наивысшей точки (прохождение меридиана), направление Солнца точно север/юг, и расчет широты становится проще:
