天文定位方法及運(yùn)用探討

張 俊 完劍俠

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京 211170）

天文定位作為一種航海上最基本、最可靠的定位方法，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠，觀測(cè)目標(biāo)不受人為控制，隱蔽性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工作中有著重要的意義。即使是在衛(wèi)星定位技術(shù)高度普及的今天，其所特有的優(yōu)點(diǎn)仍然是其他定位手段無法比擬的。常用的天文定位方法主要是利用晨昏測(cè)星定位和太陽移線定位。除此之外，在一些特殊天文條件下，還有一些特殊的定位形式，如太陽特大高度定位、白晝同時(shí)測(cè)天定位等，也是航海上常見的天文定位方式。但由于時(shí)機(jī)難以把握、觀測(cè)比較復(fù)雜以及衛(wèi)星定位手段的快速發(fā)展，船舶駕駛?cè)藛T往往忽視了這些最為古老的定位方法的運(yùn)用［1］。筆者通過對(duì)太陽特大高定位和白晝同時(shí)測(cè)天定位基本原理的介紹，具體闡述定位程序與技巧，希望對(duì)航海人員在實(shí)際工作中的操作有所幫助。

1 太陽特大高度定位

低緯度海區(qū)，觀測(cè)太陽高度≥88°時(shí)，稱為太陽特大高度。這種情況下，由于從日出到中天前和中天后到日沒這2 段時(shí)間內(nèi)，太陽的位置角X 接近90°，方位變化非常緩慢，要觀測(cè)2條方位差≥30°的位置線，往往需要等待4～5h。另外，特大高度時(shí)，船位圓曲率半徑很大，不能用高度差法作船位線來代替船位圓上的一段圓弧。因此，一般的太陽移線定位已不再適用。與此相反，中天附近太陽的位置角X 接近0°或180°，天體的方位變化率公式為

式中：cos X≈1；LHA 以min為單位，可將公式改寫為

以Dec＝23°27′，h＝88°代入公式，每分鐘的方位變化也可達(dá)6.°6，數(shù)分鐘內(nèi)就能滿足2條位置線之差≥30°，且由于頂距很小（0′～120′），實(shí)際定位時(shí)可不考慮投影變形，直接在墨卡托海圖上以太陽的地理位置為圓心，畫若干時(shí)刻的移線天文船位圓來定位。在不考慮粗差的情況下，以觀測(cè)3條天文船位圓來進(jìn)行移線定位為例，具體程序如下：

（1）預(yù)求中天區(qū)時(shí)，分別在中天前、中天時(shí)、中天后各觀測(cè)一次太陽高度，并記下觀測(cè)時(shí)間t1，t2，t3。由于太陽中天前后高度很高且變化不大，為了提高觀測(cè)速度，可先將六分儀讀數(shù)調(diào)整為太陽中天高度之后，對(duì)準(zhǔn)水天線尋找太陽。為滿足定位精度要求，2 次觀測(cè)的方位差應(yīng)≥30°，其時(shí)間間隔可按經(jīng)驗(yàn)公式t＝3 Z［4］（t的單位為min，Z 的單位為（°））估算。

（2）根據(jù)第二次觀測(cè)的世界時(shí)，從《航海天文歷》中查取太陽的格林時(shí)角GHA 和赤緯Dec，求出太陽的地理位置。由于太陽赤緯每min 的變化量很小，可認(rèn)為t1和t3太陽的地理緯度與t2相等；而t1、t3與t2的經(jīng)差可用時(shí)角的變化量來代替，即觀測(cè)時(shí)間間隔用度、分去表示，求出t1和t3太陽的地理經(jīng)度。

（3）由觀測(cè)高度，計(jì)算出3次觀測(cè)太陽的真頂距Z1，Z2，Z3。

圖1 太陽特大高度定位圖

（6）分析3條天文船位圓弧形成的誤差三角形（此時(shí)可近似將圓弧看成直線），在無粗差的情況下，可按短邊大角的原則，求取最或然船位。

由于方位變化非常顯著，此法可有效地縮短定位時(shí)間，減少移線定位中航跡推算的誤差，且作圖時(shí)是以太陽的地理位置為圓心來畫天文船位圓的，不需計(jì)算高度差及推算船位，既簡(jiǎn)化了公式計(jì)算又提高了定位精度。如果以公式計(jì)算法直接求取特大高度船位，則可擺脫海圖圖幅尺寸和分規(guī)大小的束縛，進(jìn)一步擴(kuò)大特大高定位的適用范圍。

2 白晝同時(shí)測(cè)天定位

2.1 同時(shí)觀測(cè)金星和太陽定位

金星是除太陽和月亮外最亮的天體，亮度最大時(shí)的星級(jí)為－4.4等。航行時(shí)若能同時(shí)觀測(cè)到金星和太陽，且方位差和高度合適，便可同時(shí)觀測(cè)定位。當(dāng)金星圍繞太陽公轉(zhuǎn)軌道在地球軌道之內(nèi)運(yùn)行時(shí)，測(cè)者從地球觀測(cè)金星和太陽的角距不超過47°。這時(shí)能夠同時(shí)觀測(cè)到金星和太陽的時(shí)間是從金星東大距到下合前最亮日或者下合后最亮日到西大距這2段時(shí)間，每段時(shí)間一般都能持續(xù)1個(gè)月左右。

實(shí)際運(yùn)用時(shí)，先查閱船上的《航海天文歷》，在其“天象紀(jì)要”和“四星紀(jì)要”里確定能夠同時(shí)觀測(cè)到金星和太陽的月份。在能夠同時(shí)觀測(cè)金星和太陽的日子里，利用索星卡確定觀測(cè)時(shí)機(jī)。由于金星一天當(dāng)中的赤緯、赤經(jīng)變化量很小，可直接在《航海天文歷》中查出金星中天的赤緯和赤經(jīng)，并將金星繪畫到索星卡星圖底板上，而太陽在星圖底板上的位置就是黃道上的日期。轉(zhuǎn)動(dòng)透明網(wǎng)片，使金星和太陽的高度在15°～75°之間、方位差≥30°，此時(shí)和星圖底板日期相對(duì)應(yīng)的透明網(wǎng)片時(shí)間就是測(cè)天的地方平時(shí)LMT，換算成區(qū)時(shí)ZT，即是同時(shí)測(cè)天的時(shí)機(jī)。

在預(yù)定測(cè)天時(shí)間之前，利用雙筒望遠(yuǎn)鏡按索星卡上金星的概略高度和方位確認(rèn)金星的位置（其呈現(xiàn)銀白色的閃光點(diǎn)），之后利用六分儀觀測(cè)高度。也可以先把六分儀的讀數(shù)放在金星的概略高度上，然后以其概略方位利用六分儀在水天線附近仔細(xì)尋找，若發(fā)現(xiàn)一白色閃光點(diǎn)一般即為金星的影像。觀測(cè)時(shí)如果水天線過亮可以適當(dāng)選取定鏡的濾光片，使星體投影在較暗的背影上，在發(fā)現(xiàn)星體后移去濾光片。之后在觀測(cè)太陽高度時(shí)，通常可以通過高度差法或計(jì)算法求解船位。

2.2 同時(shí)觀測(cè)月亮和太陽定位

月球和地球共同組成了月地系，它們共同圍繞著月地重量中心運(yùn)轉(zhuǎn)。在每個(gè)月的上弦月或下弦月的前后，太陽與月亮的角距相差90°左右，這時(shí)白晝能同時(shí)觀測(cè)到月亮和太陽，是同時(shí)觀測(cè)月亮和太陽定位的最佳時(shí)機(jī)。

在實(shí)際生活中，一般在初七、八前后的下午和廿二、廿三前后的上午，能同時(shí)觀測(cè)到太陽和月亮，只要方位差和天體的高度同時(shí)滿足定位的要求，便可進(jìn)行測(cè)天定位。其定位方法與同時(shí)觀測(cè)金星和太陽定位的方法相似，同樣事先利用索星卡來確定觀測(cè)時(shí)機(jī)。但由于月亮與金星運(yùn)動(dòng)特性的不同，其位置隨著時(shí)間的變化有較大的差異，這時(shí)應(yīng)先觀測(cè)太陽后再觀測(cè)月亮以減少異時(shí)誤差。另外月亮的盤面較大，將觀測(cè)高度修正到真高度時(shí)，除要修正眼高差、蒙氣差以外，還應(yīng)對(duì)視差和半徑差進(jìn)行修正，以提高定位的精度。

3 白晝同時(shí)觀測(cè)金星和太陽定位實(shí)例

某輪2012年4月30日，船時(shí)1124時(shí)船舶推算船位為φc32°42.′7N，λc123°08.′3E，觀測(cè)金星和太陽下沿時(shí)的高度，得到觀測(cè)數(shù)據(jù)如下：

此時(shí)，觀測(cè)者的眼高e＝15.4m；六分儀指標(biāo)差和器差i＋s＝＋1.′8；天文鐘鐘差CE＝8s（慢）。想要求出觀測(cè)船位，必須知道準(zhǔn)確的測(cè)天世界時(shí)，測(cè)天世界時(shí)可以根據(jù)天文鐘時(shí)間、秒表讀數(shù)和天文鐘鐘差通過計(jì)算求得，而觀測(cè)時(shí)期則通過觀測(cè)時(shí)的船時(shí)和推算船位獲知。然后根據(jù)具體的測(cè)天世界時(shí)利用《航海天文歷》去查金星和太陽的格林時(shí)角和赤緯，再利用觀測(cè)時(shí)推算船位的經(jīng)度求取金星和太陽的地方時(shí)角時(shí)。在求取的過程中，為了方便計(jì)算及作圖，根據(jù)計(jì)算點(diǎn)選擇的任意性，將計(jì)算點(diǎn)的經(jīng)、緯度進(jìn)行了合理的調(diào)整。通過下列公式：

求得金星和太陽的計(jì)算高度和計(jì)算方位。具體結(jié)果如下：

圖2 觀測(cè)金星和太陽定位高度差法作圖示意圖

4 結(jié)語

以上幾種特殊條件下的天文定位方式除天文定位存在的不足外，在實(shí)際運(yùn)用中由于自身的客觀條件都存在著一些困難。如特大高度定位只能發(fā)生在低緯度海區(qū)，且測(cè)者緯度和太陽赤緯的差值應(yīng)小于2°。但它們的優(yōu)點(diǎn)在于定位精度比單純的太陽移線定位精度高，且是白天觀測(cè)，水天線清晰可見，觀測(cè)天體高度比觀星定位簡(jiǎn)單［5］。然而，在高度發(fā)達(dá)的衛(wèi)星定位的今天，利用先進(jìn)定位手段的同時(shí)了解和運(yùn)用這些最為可靠的天文定位方式，對(duì)于提高駕駛員的專業(yè)技能水平和保障船舶安全航行都有著極其重要的作用。

［1］邱 奇，朱舟群.航海測(cè)天定位的問題與對(duì)策［J］.水運(yùn)科學(xué)研究，2010（3）：19－22.

［2］郭 禹.航海學(xué)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2011.

［3］潘琪祥.航海學(xué)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，1999.

［4］潘琪祥.關(guān)于太陽特大高度船位線問題的討論［J］.上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào)，1997（3）：55－60.

［5］賀國峰.淺談天文定位［J］.航海，2011（5）：52－53.