Tekniker för att beräkna fartygs position med hjälp av astronomi
Mitt i framstegen inom GPS och digitala navigationsenheter är tekniken att beräkna ett fartygs position med hjälp av astronomi (astronomisk navigation eller astronomisk navigation) fortfarande relevant. Mer än bara ett romantiskt tidsfördriv för sjömän förr i tiden, fungerar denna färdighet som en viktig backup när elektroniska system störs, signaler förloras eller utrustning slutar fungera. Genom att använda himlakroppar – solen, månen, planeterna och stjärnorna – kan en navigatör självständigt bestämma ett fartygs position på öppet hav. Den här artikeln diskuterar de grundläggande principerna, verktygen som används och praktiska steg för att beräkna ett fartygs position med hjälp av astronomi.
1. Grundläggande principer för astronomisk navigering
Astronomisk navigering baseras på att mäta elevationsvinkeln (höjden) för en himlakropp i förhållande till horisonten vid en given tidpunkt. Om vi vet:
1) mycket noggrann observationstid,
2) himlakropparnas position vid den tidpunkten (från astronomiska data), och
3) den uppmätta elevationsvinkeln för en himlakropp,
Sedan kan vi rita en positionslinje (LOP) på kartan. Genom att kombinera två eller flera LOP:er från observationer av olika himlakroppar får vi en skärningspunkt som blir fartygets uppskattade position (fix).
Konceptuellt sett, när en stjärna befinner sig på en viss höjd över horisonten, befinner sig skeppet på en stor cirkel på jordytan som kallas cirkeln med samma höjd. Eftersom cirkeln är så stor på ett sjökort kan en liten del av den betraktas som en rak linje: det är längsta höjden (LOP).
2. Nödvändig utrustning
För att utföra astronomiska beräkningar av fartygs positioner inkluderar den viktigaste utrustningen:
– Sextant: ett verktyg för att mäta vinkeln mellan himlakroppar och horisonten (himlakropparnas höjd).
– Kronometer: en noggrann fartygsklocka, inställd på standardtid (vanligtvis UTC/GMT).
– Nautisk almanacka: innehåller timdata om himlakropparnas positioner (och minut-/sekundkorrigeringar).
– Reduktionstabeller eller beräkningsmetoder: till exempel siktreduktionstabeller (HO 249/HO 229) eller manuella trigonometriska beräkningar.
– Sjökort, penna, linjal och plotter: för att rita LOP och få fixpunkter.
– Kompass och hastighetslogg (valfritt men praktiskt): för att uppskatta startpositionen före den astronomiska fixeringen.
Även om det nu finns miniräknare och appar, förblir grundprincipen densamma: sextantmätning + exakt tid + almanacka + reduktion + plott.
3. Mätning med sextant: Att ta "sikte"
Det första steget är att göra en observation (syn). Till exempel för solen:
1) Välj ett objekt: Solen används ofta eftersom den är lätt synlig; stjärnor används i skymning/gryning; planeter och månen kan också användas.
2) Mät höjden på himmelsobjektet (Hs): rikta sextanten tills bilden av himmelsobjektet "vidrör" horisontlinjen.
3) Registrera UTC-tiden med sekunders precision: eftersom himlakropparnas positionsförskjutning förändras snabbt kan en tid som avviker med 4 sekunder innebära ungefär 1 sjömil i longitud (ungefär, eftersom jorden roterar 15° per timme).
4) Upprepa flera gånger: gör flera mätningar och ta medelvärdet för att minska felen.
För stjärnor görs observationer vanligtvis när horisonten fortfarande är tydligt synlig: skymning. För solen på dagtid är en vanlig teknik att mäta höjden för att få fram den starka positionslinjen (LOP) och även hitta latituden för meridianpassagen (kulminationen).
4. Sextantkorrigering: Från Hs till Ho
Vinkeln som avläses av sextanten (Hs) är inte klar att användas. Den måste korrigeras till den observerade höjden (Ho) med hjälp av flera standardkorrigeringar:
– Indexfel (IE): noll fel i sextanten. Kompenseras genom indexkorrigering.
– Lutning (horisontkorrigering): eftersom observatören befinner sig över havets nivå verkar horisonten "sjunka". Lutningen beror på ögats höjd från ytan.
– Refraktion (atmosfärsbrytning): atmosfären böjer ljus så att föremål ser högre ut.
– Sol/måne-korrigering: för solen och månen finns det ytterligare korrigeringar såsom semidiameter (mätning av övre/nedre kanten) och parallax (särskilt månen).
Efter att alla korrigeringar har tillämpats erhålls Ho. Detta Ho-värde används i reduktionsprocessen för att erhålla LOP.
5. Fastställ data om himlakroppar från almanackan
Från den nautiska almanackan tog navigatören:
– GHA (Greenwich Hour Angle): timvinkeln för en himlakropp i förhållande till Greenwichmeridianen, relaterad till longitud.
– Deklination (Dec): objektets ”himmelska latitud”, norr (+) eller söder (-).
Eftersom almanackor vanligtvis anger timvärden utförs interpolering för minuter och sekunder av observationstiden. Interpoleringens noggrannhet är viktig, särskilt för den snabbt rörliga månen.
6. Intercept-metod (Marcq St. Hilaire)
Den vanligaste metoden för att beräkna modern LOP är intercept-metoden. I huvudsak jämför vi den "antagna positionens" höjd från den antagna positionen (AP) med den faktiska observerade höjden (Ho).
De snabba stegen är:
1) Bestäm den uppskattade positionen (DR/EP): från beräkning (kurs och tillryggalagd sträcka) eller uppskattad senaste position.
2) Välj Antagen position (AP): avrundat för att göra beräkningar enklare (t.ex. avrunda latitud och avrunda LHA).
3) Beräkna LHA (lokal timmevinkel):
LHA = GHA ± longitud (tecken justerade: östlig longitud subtraheras vanligtvis, västlig longitud läggs till – beroende på vilken tabellkonvention som används).
4) Beräkna den aritmetiska höjden (Hc) och azimuten (Zn) för AP med hjälp av HO-tabellen eller formeln för sfärisk trigonometri.
5) Jämför Ho med Hc:
Intercept = Ho − Hc (i bågminuter; 1′ ≈ 1 sjömil).
– Om Ho > Hc: ”mot” (skeppet är närmare himlakroppen än AP)
– Om Ho < Hc: ”bort” 6) Rita LOP: från AP, rita en azimutlinje mot Zn och mät sedan skärningspunkten mot/bort, placera en punkt. Från den punkten rita en vinkelrät linje mot azimuten – det vill säga LOP. Med en observation erhåller vi en positionslinje. Minst två positionslinjer från två himlakroppar (eller två olika tidpunkter) behövs för en fixering. 7. Erhålla en fixering: Kombinera två eller tre LOP:er Det finns flera sätt att bygga en fixering: - Två olika himlakroppar vid nära tidpunkter (t.ex. två stjärnor i skymningen). - Solen två gånger med intervall (löpande fixering): den första LOP:en ”flyttas” enligt skeppets rörelse fram till tidpunkten för den andra LOP:en. - Tre himlakroppar: ger en starkare fixering och möjliggör feldetektering (LOP:erna bildar en liten triangel). I skymningen tar navigatörer ofta 3–5 stjärnor eftersom: 1) stjärnorna producerar varierande azimuter (längdpunkterna skär varandra i bra vinklar), 2) observationstiden är kort, 3) horisonten fortfarande är tydlig. De bästa resultaten får vanligtvis när de två längdpunkterna skär varandra nära 90°, eftersom mätosäkerheten resulterar i ett mindre felområde. 8. Beräkning av latitud från solens kulmination (middagssikte) Förutom avlyssningsmetoden är en mycket användbar klassisk teknik middagssiktet för latitud. När solen når sin dagliga högsta punkt (meridianpassage) är solens riktning exakt nord/syd och latitudberäkningen blir enklare:
