利用天文学计算船舶位置的技术
尽管全球定位系统（GPS）和数字导航设备取得了长足进步，但利用天文知识（天文导航或天体导航）计算船舶位置的技术仍然具有重要意义。这项技能不仅仅是过去水手们的浪漫消遣，在电子系统中断、信号丢失或设备故障时，它更是一项至关重要的备用方案。通过利用太阳、月亮、行星和恒星等天体，导航员可以独立确定船舶在公海上的位置。本文将探讨利用天文知识计算船舶位置的基本原理、所用工具和实际步骤。
1. 天文导航的基本原理
天文导航是基于测量天体在特定时刻相对于地平线的仰角（高度角）。如果我们知道：
1）观测时间非常准确，
2）当时天体的位置（根据天文数据），以及
3）测量天体的仰角，
然后我们可以在地图上画出一条位置线（LOP）。通过结合对不同天体的观测得到的两条或多条位置线，我们可以得到一个交点，该交点即为船舶的估计位置（定位）。
从概念上讲，当一颗恒星位于地平线以上某个高度时，船舶就位于地球表面上一个称为等高圆的大圆上。由于这个圆在海图上非常大，因此可以将其中的一小部分视为一条直线：这就是视距线（LOP）。
2.所需设备
为了进行船舶位置的天文计算，主要设备包括：
– 六分仪：一种测量天体与地平线之间角度（天体高度）的工具。
– 精密计时器：一种精确的船钟，设定为标准时间（通常为 UTC/GMT）。
– 航海年历：包含天体位置的每小时数据（以及分钟/秒修正）。
– 缩减表或计算方法：例如视线缩减表（HO 249/HO 229）或手动三角计算。
– 海图、铅笔、尺子和绘图仪：用于绘制航向线和获取定位点。
– 指南针和航速记录仪（可选但有帮助）：用于在天文定位之前估算起始位置。
虽然现在有了计算器和应用程序，但基本原理仍然相同：六分仪测量 + 精确时间 + 历书 + 数据简化 + 绘图。
3. 使用六分仪测量：进行“目测”
第一步是进行观测（观察）。例如，观测太阳：
1）选择一个物体：太阳经常被使用，因为它很容易被看到；星星在黄昏/黎明时被使用；行星和月亮也可以被使用。
2) 测量天体的高度 (Hs)：将六分仪指向天体的图像，直到天体的图像“触及”地平线。
3) 以秒为单位记录 UTC 时间：因为天体位置的变化很快，时间偏差 4 秒可能意味着经度上大约 1 海里（大致如此，因为地球每小时自转 15°）。
4）重复多次：进行多次测量并取平均值，以减少误差。
对于恒星观测，通常在地平线仍然清晰可见时进行：即民用曙暮光时期。对于白天的太阳，一种常用的方法是测量其高度以获得强位置线（LOP），并找到子午线经过点（中天）的纬度。
4. 六分仪校正：从 Hs 到 Ho
六分仪读取的角度 (Hs) 不能直接使用。必须使用以下几个标准修正方法将其修正为观测到的高度角 (Ho)：
– 指数误差（IE）：六分仪零误差。通过指数校正进行补偿。
– 倾角（地平线校正）：由于观察者位于海平面以上，地平线看起来会“下沉”。倾角取决于眼睛距离海平面的高度。
– 折射（大气折射）：大气层弯曲光线，使物体看起来更高。
– 太阳/月亮校正：对于太阳和月亮，还有额外的校正，例如半直径（测量顶部/底部边缘）和视差（尤其是月亮）。
经过所有修正后，即可得到 Ho 值。该 Ho 值将用于计算 LOP 的缩减过程。
5. 从天文年鉴中确定天体数据
航海家从《航海年鉴》中取下了：
– GHA（格林尼治时角）：天体相对于格林尼治子午线的时角，与经度有关。
– 赤纬（Dec）：天体的“天纬度”，北（+）或南（-）。
由于历书通常提供小时数值，因此需要对观测时间的分钟和秒进行插值。插值的准确性至关重要，尤其对于快速移动的月球而言。
6. 截距法（Marcq St. Hilaire）
现代计算飞行高度差最常用的方法是截距法。本质上，我们将假定位置（AP）的假定高度与实际观测高度（Ho）进行比较。
简要步骤如下：
1) 确定估计位置 (DR/EP)：根据航位推算（航向和行驶距离）或估计的最后位置。
2) 选择假定位置 (AP)：四舍五入以方便计算（例如，对纬度进行四舍五入，对 LHA 进行四舍五入）。
3）计算地方时角（LHA）：
LHA = GHA ± 经度（符号已调整：通常减去东经度，加上西经度——取决于所使用的表格约定）。
4) 使用 HO 表或球面三角公式计算 AP 的算术高度 (Hc) 和方位角 (Zn)。
5) 比较 Ho 与 Hc：
截距 = Ho − Hc（以弧分表示；1′ ≈ 1 海里）。
– 如果 Ho > Hc：“朝向”（飞船比 AP 更靠近天体）
– 若 Ho < Hc：“远离” 6) 绘制位置线：从 AP 点出发，向 Zn 方向绘制一条方位角线，然后测量其与 Zn 方向的交点，并标记该点。从该点绘制一条垂直于方位角线的直线——即为位置线。一次观测即可获得一条位置线。定位至少需要来自两个天体（或两个不同时间）的两条位置线。7. 定位：组合两条或三条位置线 有几种方法可以构建定位：- 两个不同天体在相近时间观测（例如，黄昏时的两颗恒星）。- 间隔两次观测太阳（移动定位）：根据船舶的运动“移动”第一个位置线，直到观测第二个位置线的时间。- 三个天体：提供更精确的定位，并允许误差检测（位置线构成一个小三角形）。在黄昏时分，导航员通常会选取 3-5 颗星，因为：1）这些星体产生的方位角各不相同（视距线交点角度良好）；2）观测时间较短；3）地平线仍然清晰可见。通常情况下，当两条视距线交点接近 90° 时，测量结果最佳，因为此时测量误差范围较小。8. 利用太阳中天计算纬度（正午观测） 除了截距法之外，一种非常实用的经典方法是利用正午观测法计算纬度。当太阳到达每日最高点（子午线）时，太阳的方向正好是南北方向，此时纬度计算就变得简单得多：
