Các kỹ thuật tính toán vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn học
Trong bối cảnh những tiến bộ của GPS và các thiết bị định vị kỹ thuật số, kỹ thuật tính toán vị trí của tàu bằng thiên văn học (định vị thiên văn hoặc định vị bằng các vì sao) vẫn giữ vai trò quan trọng. Không chỉ là thú vui lãng mạn của các thủy thủ thời xưa, kỹ năng này còn đóng vai trò dự phòng thiết yếu khi hệ thống điện tử bị gián đoạn, tín hiệu bị mất hoặc thiết bị hỏng hóc. Bằng cách sử dụng các thiên thể—Mặt trời, Mặt trăng, các hành tinh và các vì sao—người điều hướng có thể tự xác định vị trí của tàu trên biển. Bài viết này thảo luận về các nguyên tắc cơ bản, các công cụ được sử dụng và các bước thực hành để tính toán vị trí của tàu bằng thiên văn học.
1. Nguyên tắc cơ bản của định vị thiên văn
Định vị thiên văn dựa trên việc đo góc nâng (độ cao) của một thiên thể so với đường chân trời tại một thời điểm nhất định. Nếu ta biết:
1) Thời gian quan sát rất chính xác,
2) vị trí của các thiên thể vào thời điểm đó (dựa trên dữ liệu thiên văn), và
3) góc nâng đo được của một thiên thể,
Sau đó, chúng ta có thể vẽ một đường định vị (LOP) trên bản đồ. Bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều đường LOP từ các quan sát của các thiên thể khác nhau, chúng ta thu được một điểm giao nhau, điểm này trở thành vị trí ước tính (fix) của con tàu.
Về mặt khái niệm, khi một ngôi sao ở một độ cao nhất định so với đường chân trời, con tàu nằm trên một vòng tròn lớn trên bề mặt Trái đất được gọi là vòng tròn độ cao bằng nhau. Vì vòng tròn này rất lớn trên hải đồ, một phần nhỏ của nó có thể được coi là một đường thẳng: đó chính là đường LOP (Lead of Opinion - đường thẳng đứng trên mặt đất).
2. Trang thiết bị cần thiết
Để thực hiện các phép tính thiên văn về vị trí của tàu, thiết bị chính bao gồm:
– Kính lục phân: một công cụ dùng để đo góc giữa các thiên thể và đường chân trời (độ cao của các thiên thể).
– Đồng hồ bấm giờ: một loại đồng hồ chính xác trên tàu, được cài đặt theo giờ chuẩn (thường là UTC/GMT).
– Lịch thiên văn hàng hải: chứa dữ liệu hàng giờ về vị trí của các thiên thể (và hiệu chỉnh theo phút/giây).
– Bảng quy đổi hoặc phương pháp tính toán: ví dụ như Bảng quy đổi bằng mắt thường (HO 249/HO 229) hoặc các phép tính lượng giác thủ công.
– Hải đồ, bút chì, thước kẻ và máy vẽ biểu đồ: để vẽ đường ngắm và xác định vị trí.
– La bàn và thiết bị đo tốc độ (tùy chọn nhưng hữu ích): để ước tính vị trí xuất phát trước khi xác định vị trí bằng phương pháp thiên văn.
Mặc dù hiện nay đã có máy tính và ứng dụng, nguyên tắc cơ bản vẫn không thay đổi: đo bằng kính lục phân + thời gian chính xác + lịch thiên văn + hiệu chỉnh + vẽ biểu đồ.
3. Đo đạc bằng kính lục phân: Thực hiện "Quan sát"
Bước đầu tiên là quan sát. Ví dụ, đối với Mặt Trời:
1) Chọn một đối tượng: Mặt trời thường được sử dụng vì dễ nhìn thấy; các ngôi sao được sử dụng vào lúc hoàng hôn/bình minh; các hành tinh và mặt trăng cũng có thể được sử dụng.
2) Đo chiều cao của vật thể thiên thể (Hs): hướng kính lục phân cho đến khi ảnh của vật thể thiên thể “chạm” vào đường chân trời.
3) Ghi lại thời gian UTC với độ chính xác đến từng giây: vì sự dịch chuyển vị trí của các thiên thể thay đổi nhanh chóng, sai lệch 4 giây có thể tương đương với khoảng 1 hải lý theo kinh độ (xấp xỉ, vì Trái đất quay 15° mỗi giờ).
4) Lặp lại nhiều lần: thực hiện nhiều phép đo và lấy giá trị trung bình để giảm thiểu sai số.
Đối với các vì sao, việc quan sát thường được thực hiện khi đường chân trời vẫn còn nhìn rõ: lúc chạng vạng dân dụng. Đối với Mặt Trời ban ngày, một kỹ thuật phổ biến là đo độ cao để xác định đường vị trí mạnh (LOP) và cũng tìm ra vĩ độ của điểm đi qua kinh tuyến (điểm cực đại).
4. Hiệu chỉnh kính lục phân: Từ Hs sang Ho
Góc đo được bằng kính lục phân (Hs) chưa sẵn sàng để sử dụng. Nó phải được hiệu chỉnh thành độ cao quan sát được (Ho) bằng cách sử dụng một số phép hiệu chỉnh tiêu chuẩn:
– Sai số chỉ số (IE): sai số bằng không trong kính lục phân. Được bù trừ bằng cách hiệu chỉnh chỉ số.
– Độ nghiêng (hiệu chỉnh đường chân trời): vì người quan sát ở trên mực nước biển, đường chân trời dường như “hạ thấp”. Độ nghiêng phụ thuộc vào độ cao của mắt so với mặt nước.
– Khúc xạ (khúc xạ khí quyển): khí quyển bẻ cong ánh sáng khiến các vật thể trông cao hơn.
– Hiệu chỉnh Mặt Trời/Mặt Trăng: đối với Mặt Trời và Mặt Trăng, có thêm các hiệu chỉnh như bán kính (đo cạnh trên/dưới) và thị sai (đặc biệt là Mặt Trăng).
Sau khi áp dụng tất cả các hiệu chỉnh, ta thu được giá trị Ho. Giá trị Ho này được sử dụng trong quá trình giảm để thu được LOP.
5. Xác định dữ liệu về các vật thể thiên thể từ niên giám.
Từ cuốn Niên giám Hàng hải, người điều hướng đã lấy:
– GHA (Góc giờ Greenwich): góc giờ của một thiên thể so với kinh tuyến Greenwich, liên quan đến kinh độ.
– Độ lệch (Declination): “vĩ độ thiên thể” của vật thể, hướng bắc (+) hoặc hướng nam (-).
Vì lịch thiên văn thường cung cấp giá trị theo giờ, nên phép nội suy được thực hiện cho phút và giây của thời gian quan sát. Độ chính xác của phép nội suy rất quan trọng, đặc biệt là đối với Mặt Trăng chuyển động nhanh.
6. Phương pháp đánh chặn (Marcq St. Hilaire)
Phương pháp phổ biến nhất để tính toán LOP hiện đại là phương pháp giao điểm. Về cơ bản, chúng ta so sánh độ cao "vị trí giả định" từ vị trí giả định (AP) với độ cao thực tế quan sát được (Ho).
Các bước nhanh chóng là:
1) Xác định vị trí ước tính (DR/EP): từ phương pháp tính toán dựa trên hướng đi và quãng đường đã đi hoặc vị trí cuối cùng ước tính.
2) Chọn Vị trí Giả định (AP): làm tròn để đơn giản hóa việc tính toán (ví dụ: làm tròn vĩ độ và làm tròn LHA).
3) Tính toán góc giờ địa phương (LHA):
LHA = GHA ± kinh độ (đã điều chỉnh dấu: kinh độ đông thường được trừ đi, kinh độ tây được cộng thêm — tùy thuộc vào quy ước bảng được sử dụng).
4) Tính độ cao trung bình (Hc) và góc phương vị (Zn) của AP bằng cách sử dụng bảng HO hoặc công thức lượng giác cầu.
5) So sánh Ho với Hc:
Hệ số chặn = Ho − Hc (tính bằng phút cung; 1′ ≈ 1 hải lý).
– Nếu Ho > Hc: “hướng về” (tàu ở gần thiên thể hơn AP)
– Nếu Ho < Hc: “xa” 6) Vẽ LOP: từ AP, vẽ một đường phương vị hướng về Zn, sau đó đo điểm giao nhau hướng về/xa, đặt một điểm. Từ điểm đó, vẽ một đường vuông góc với phương vị—đó là LOP. Với một lần quan sát, ta thu được một đường vị trí. Cần ít nhất hai đường vị trí từ hai thiên thể (hoặc hai thời điểm khác nhau) để xác định vị trí chính xác. 7. Xác định vị trí chính xác: Kết hợp hai hoặc ba LOP Có một số cách để xác định vị trí chính xác: - Hai thiên thể khác nhau ở thời điểm gần nhau (ví dụ: hai ngôi sao lúc hoàng hôn). - Mặt trời hai lần với một khoảng thời gian (xác định vị trí liên tục): LOP đầu tiên được “di chuyển” theo chuyển động của tàu cho đến thời điểm của LOP thứ hai. - Ba thiên thể: cung cấp một vị trí chính xác hơn và cho phép phát hiện lỗi (các LOP tạo thành một tam giác nhỏ). Vào lúc hoàng hôn, các nhà hàng hải thường lấy 3-5 ngôi sao vì: 1) các ngôi sao tạo ra các góc phương vị khác nhau (các đường ngắm giao nhau ở các góc tốt), 2) thời gian quan sát ngắn, 3) đường chân trời vẫn quang đãng. Kết quả tốt nhất thường đạt được khi hai đường ngắm giao nhau gần 90°, vì độ không chắc chắn của phép đo dẫn đến vùng sai số nhỏ hơn. 8. Tính toán vĩ độ từ điểm cao nhất của Mặt Trời (Quan sát lúc giữa trưa) Bên cạnh phương pháp giao điểm, một kỹ thuật cổ điển rất hữu ích là quan sát lúc giữa trưa để xác định vĩ độ. Khi Mặt Trời đạt đến điểm cao nhất trong ngày (đi qua kinh tuyến), hướng của Mặt Trời chính xác là bắc/nam và việc tính toán vĩ độ trở nên đơn giản hơn:
