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)備簡單、可靠，觀測目標(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、白晝同時測天定位等，也是航海上常見的天文定位方式。但由于時機(jī)難以把握、觀測比較復(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］。筆者通過對太陽特大高定位和白晝同時測天定位基本原理的介紹，具體闡述定位程序與技巧，希望對航海人員在實(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)，觀測太陽高度≥88°時，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 段時間內(nèi)，太陽的位置角X 接近90°，方位變化非常緩慢，要觀測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，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?。?′～120′），實(shí)際定位時可不考慮投影變形，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，分別在中天前、中天時、中天后各觀測一次太陽高度，并記下觀測時間t1，t2，t3。由于太陽中天前后高度很高且變化不大，為了提高觀測速度，可先將六分儀讀數(shù)調(diào)整為太陽中天高度之后，對準(zhǔn)水天線尋找太陽。為滿足定位精度要求，2 次觀測的方位差應(yīng)≥30°，其時間間隔可按經(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)第二次觀測的世界時，從《航海天文歷》中查取太陽的格林時角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)差可用時角的變化量來代替，即觀測時間間隔用度、分去表示，求出t1和t3太陽的地理經(jīng)度。

（3）由觀測高度，計算出3次觀測太陽的真頂距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間，減少移線定位中航跡推算的誤差，且作圖時是以太陽的地理位置為圓心來畫天文船位圓的，不需計算高度差及推算船位，既簡化了公式計算又提高了定位精度。如果以公式計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 白晝同時測天定位

2.1 同時觀測金星和太陽定位

金星是除太陽和月亮外最亮的天體，亮度最大時的星級為－4.4等。航行時若能同時觀測到金星和太陽，且方位差和高度合適，便可同時觀測定位。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，測者從地球觀測金星和太陽的角距不超過47°。這時能夠同時觀測到金星和太陽的時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段時間，每段時間一般都能持續(xù)1個月左右。

實(shí)際運(yùn)用時，先查閱船上的《航海天文歷》，在其“天象紀(jì)要”和“四星紀(jì)要”里確定能夠同時觀測到金星和太陽的月份。在能夠同時觀測金星和太陽的日子里，利用索星卡確定觀測時機(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°，此時和星圖底板日期相對應(yīng)的透明網(wǎng)片時間就是測天的地方平時LMT，換算成區(qū)時ZT，即是同時測天的時機(jī)。

在預(yù)定測天時間之前，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。觀測時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。之后在觀測太陽高度時，通?？梢酝ㄟ^高度差法或計算法求解船位。

2.2 同時觀測月亮和太陽定位

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，這時白晝能同時觀測到月亮和太陽，是同時觀測月亮和太陽定位的最佳時機(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，能同時觀測到太陽和月亮，只要方位差和天體的高度同時滿足定位的要求，便可進(jìn)行測天定位。其定位方法與同時觀測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時機(jī)。但由于月亮與金星運(yùn)動特性的不同，其位置隨著時間的變化有較大的差異，這時應(yīng)先觀測太陽后再觀測月亮以減少異時誤差。另外月亮的盤面較大，將觀測高度修正到真高度時，除要修正眼高差、蒙氣差以外，還應(yīng)對視差和半徑差進(jìn)行修正，以提高定位的精度。

3 白晝同時觀測金星和太陽定位實(shí)例

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

此時，觀測者的眼高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）。想要求出觀測船位，必須知道準(zhǔn)確的測天世界時，測天世界時可以根據(jù)天文鐘時間、秒表讀數(shù)和天文鐘鐘差通過計算求得，而觀測時期則通過觀測時的船時和推算船位獲知。然后根據(jù)具體的測天世界時利用《航海天文歷》去查金星和太陽的格林時角和赤緯，再利用觀測時推算船位的經(jīng)度求取金星和太陽的地方時角時。在求取的過程中，為了方便計算及作圖，根據(jù)計算點(diǎn)選擇的任意性，將計算點(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算高度和計算方位。具體結(jié)果如下：

圖2 觀測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，水天線清晰可見，觀測天體高度比觀星定位簡單［5］。然而，在高度發(fā)達(dá)的衛(wèi)星定位的今天，利用先進(jìn)定位手段的同時了解和運(yùn)用這些最為可靠的天文定位方式，對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.航海測天定位的問題與對策［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，1997（3）：55－60.

［5］賀國峰.淺談天文定位［J］.航海，2011（5）：52－53.