Мореходная Астрономия, как учебная дисциплина. Построение пособия. 4 page

Навигационный секстан, как и любой другой измерительный прибор, имеет некоторые погрешности измерения. Эти погрешности обуславливаются различными причинами, среди которых: неточности изготовления деталей прибора; износ различных деталей; изменение взаимного расположения деталей секстана из-за механических воздействий; индивидуальные особенности наблюдателя и т.п.

Погрешности, возникающие из-за неточности изготовления деталей, формируют инструментальную ошибку секстана s. Эта ошибка определяется на специальном приборе в лабораторных условиях и заносится в виде таблицы в технический формуляр (аттестат) секстана. В связи с износом деталей секстана в процессе эксплуатации настоятельно рекомендуется раз в три года обновлять таблицу инструментальных поправок.

· Выверки секстана.

Для исключения ряда других видов погрешностей возникающих, прежде всего из-за изменения взаимного расположения деталей секстана в результате механических воздействий, периодически производятся выверки секстана в судовых условиях.

1. Проверка параллельности оптической оси дневной или универсальной трубы плоскости лимба.

Секстан устанавливается на горизонтальную поверхность. Алидада ставится на средину лимба, отфокусированная труба - на свое штатное место, а диоптры (металлические угольники, входящие в комплект секстана) - на края лимба так, чтобы вертикальная плоскость, проходящая через них, была параллельна оси трубы. Высота диоптров рассчитана так, что при такой установке плоскость, проходящая через их скошенные срезы параллельно плоскости лимба, проходит через ось правильно установленной трубы, т.е. делит поле зрения трубы пополам. Прицеливаются диоптрами на какой-то удаленный предмет. Предмет должен располагается в средине поля зрения этой трубы по вертикали, в этом случае ось трубы параллельна плоскости лимба. Если же предмет смещен вверх или вниз, то ось трубы не параллельна плоскости лимба и ее следует выправить, действуя винтами, крепящими трубу в оправе с вилкой.

2. Проверка перпендикулярности большого зеркала плоскости лимба.

Если зеркало не перпендикулярно плоскости лимба, то отраженный луч также выйдет из плоскости, параллельной плоскости лимба. Поэтому при совмещении светила с горизонтом судоводитель вынужден будет наклонить секстан из плоскости вертикала, и измерит не высоту, а какой-то произвольный угол.

Секстан устанавливается на горизонтальную плоскость большим зеркалом к себе. Алидада устанавливается на отсчет лимба около 40°, диоптры - на края лимба так, чтобы их плоскости располагались по касательным к внутренней дуге лимба. Судоводитель должен видеть часть первого диоптра, установленного у 0⁰ помимо большого зеркала, а часть другого диоптра - отраженным в большом зеркале. При перпендикулярном зеркале верхние срезы диоптров будут представлять собой непрерывную линию. Если же зеркало не перпендикулярно к плоскости лимба, то срезы диоптров составят ступеньку. Вращая регулировочный винт большого зеркала специальным торцевым ключом, входящим в комплект секстана, добиваются положения, при котором срезы диоптров будут представлять собой одну линию.

3. Проверка перпендикулярности малого зеркала плоскости лимба.

Неперпендикулярность малого зеркала вызывает те же последствия, что и неперпендикулярность большого зеркала.

Секстан вооружается отфокусированной трубой и берется за ручку правой рукой, как при обычных наблюдениях. Алидада устанавливается на ноль, и труба наводится на какой-то удаленный предмет (лучше светило). Вращая барабан, проводят дважды отраженное изображение предмета через прямовидимое изображение 2. При перпендикулярном положении зеркала дважды отраженное изображение точно перекроет прямовидимое, если же зеркало не перпендикулярно к плоскости лимба, то дважды отраженное изображение предмета пройдет мимо прямовидимого. Для исправления положения зеркала барабаном выводят дважды отраженное изображение предмета на одну горизонталь с прямовидимыми и нижним регулировочным винтом малого зеркала с помощью торцового ключа совмещают оба изображения.

4. Проверка параллельности зеркал (определение поправки индекса).

При установке алидады на ноль по лимбу и барабану плоскости обоих зеркал должны быть параллельны, что в принципе можно сделать. Но более удобно и занимает меньше времени не установка каждый раз малого зеркала строго параллельно большому, а определение угла расхождения их плоскостей.

• Поправку индекса можно определить одним из четырех приемов:

1. по звезде;

2. по видимому горизонту;

3. по предмету;

4. по Солнцу.

При определении поправки индекса по Солнцу последовательно совмещаются верхний и нижний края прямовидимого изображения Солнца с нижним и верхним краями дважды отраженного, так как совместить точно диски Солнца не представляется возможным. Кроме того, такая методика позволяет осуществить контроль правильности определения поправки индекса. Итак, совместив, положим, верхний край прямовидимого изображения Солнца 3 с нижним краем дважды отраженного I, получают oi₁. Совместив нижний край прямовидимого изображения с верхним краем дважды отраженного 2, получают oi₂.

Поправка индекса рассчитывается по формуле:

Для облегчения расчёта i в каждом отсчёте для минут находятся дополнение до 30 или избыток сверх 30, избытку приписывается «–», дополнению «+». Полусумма этих величин даст величину i со знаком.

Преимущество определения поправки индекса по Солнцу, в том, что очень легко, можно произвести контроль правильности наблюдений. Совершенно очевидно, что:

Сравнивая учетверённый полудиаметр Солнца, полученный по формуле, с учетверённым полудиаметром R _, выбранным на дату наблюдений из МАЕ, контролируют правильность определения поправки индекса i, которая считается достоверной, если 4 R ¢_ – 4 R _ не превышает 0,4¢.

Пример 5. Определение поправки индекса по Солнцу.

15/5 oi₁ =359° 32.4¢ oi₂ =360° 35.8¢. Определить i с контролем.

Решение:

или другим способом:

Контроль:

4 R ¢_= 360°35,8¢ - 359°32,4¢ = 63,4¢; из МАЕ 4 R _=63,6¢; наблюдения нормальные.

Для удобства исправления высот по формуле поправка индекса должна иметь небольшое значение, поэтому, если поправка индекса превышает 5¢, ее принято уменьшать.

Алидаду вновь устанавливают на ноль по лимбу и барабану и совмещают дважды отраженное изображение объекта наблюдений с прямовидимым верхним регулировочным винтом малого зеркала (секстан подразумевается в вертикальном положении). При этом, безусловно, будет нарушена перпендикулярность малого зеркала плоскости лимба. Поэтому после уменьшения погрешности индекса необходимо вновь произвести установку малого зеркала перпендикулярно к плоскости лимба (проверка 3) и определить остаточную поправку, индекса одним из описанных приемов.

5. Определение мертвого хода тангенциального винта.

Вследствие неточности изготовления зубчатой пары, а также благодаря ее износу в процессе эксплуатации между зубьями обода лимба и тангенциального винта образуется зазор. В результате этого до начала перемещения алидады по лимбу барабан поворачивается, выбирая этот зазор. Угол поворота барабана (отсчет по его шкале), необходимый для выборки зазора между зубьями червячного зацепления, называется мертвым ходом тангенциального винта (отсчет меняется, а алидада и большое зеркало неподвижны).

Для определения мертвого хода измеряют дважды какой-то постоянный угол. Причем, сначала совмещение предметов производят вращением барабане в одном направлении, а при втором измерении - в противоположном. Разность отсчетов дает мертвый ход тангенциального винта, если он не превышает 0,3, им пренебрегают. Если же он больше, то необходимо при измерении высот и определении поправки индекса производить вращение барабана только в одном направлений. В противном случае в высоту войдет ошибка, равная удвоенному мертвому ходу тангенциального винта.

6. Проверка призматичности светофильтров.

Светофильтры должны изготавливаться в виде плоскопараллельных пластинок. Однако в силу ограниченных технических возможностей, как правило, они имеют клиновидную форму, что приводит к некоторому смещению изображения наблюдаемого через них светила. Аналогичный эффект вызывает и отклонение установки светофильтра от перпендикулярности к световому лучу. Каждая из этих причин в отдельности не вызовет ошибки более 0,1, а совместное их влияние может привести к гораздо большим ошибкам при расчете высот светила.

Совместная ошибка от клиновидности светофильтров и неточности их установки называется призматичностыо.

Проверка призматичности светофильтров производится по различным методикам для слабых и плотных светофильтров.

При проверке слабых светофильтров сравниваются отсчеты какого-то постоянного угла, измеренного без светофильтров, и затем с последовательным применением каждого слабого светофильтра.

Плотные светофильтры, возможно, проверить только по Солнцу. Для этого на окуляр трубы навинчивают один из светофильтров, имеющихся в комплекте секстана, и производят совмещение, положим, верхнего края прямовидимого изображения Солнца с нижним краем дважды отраженного. Очевидно, на полученный отсчет /ОС/ не будет влиять призматичность светофильтра, так как лучи от обоих изображений отклоняются на один и тот же угол. Следовательно, этот отсчет можно считать безошибочным. Свинтив окулярный светофильтр, набрасывают по одному плотному светофильтру перед каждым зеркалом, производят совмещение тех же краев изображений Солнца и снимают показания:

где ОС.- отсчет с окулярным светофильтром, призматичность светофильтра перед большим зеркалом; y - призматичность светофильтра перед малым зеркалом.

Разворачивают стойку светофильтров перед малым зеркалом на 180 и, не меняя светофильтр перед большим зеркалом, в третий раз производят то же самое совмещение и снимают третье показание:

Складывая почленно выражения /2.51/ и /2.52/, получаем призматичность светофильтра перед большим зеркалом:

Призматичность последнего плотного светофильтра (второго светофильтра перед большим зеркалом) определяется аналогично. Четвертое совмещение краев изображений Солнца дает:

Откуда призматичность второго светофильтра перед большим зеркалом:

При всех совмещениях краев изображений Солнца следует вращать барабан только в одном направлении с целью исключения влияния мертвого хода тангенциального винта, даже если он меньше 0,3.

· Измерение высот светил навигационным секстаном

Измерение высоты светила может производиться над видимым горизонтом прямо и через весь зенит, над береговой чертой или ватерлинией другого судна, над любыми деталями судовой надстройки или корпуса и огнями судов.

Измерение высоты светила навигационным секстаном производится в два этапа.

1. Сведение дважды отраженного светила к горизонту или к предмету, его заменяющему. После окончания этапа в поле зрения трубы должны быть видны одновременно оба объекта.

2. Точное совмещение изображений.

Первый этап может быть выполнен разведением изображений светила или горизонта (в этом случае секстан переворачивается) от нуля или установкой алидады на отсчет приближенной высоты светила, определенной с помощью звездного глобуса.

Второй этап заключается в отыскании точки пересечения вертикала с горизонтом путем покачивания секстана вокруг отвесной линии, оси трубы или луча, падающего на большое зеркало. При этом светило описывает в поле зрения параболу в первых двух приемах, а в третьем - наклоняется и меняет место относительно светила горизонт. Точка касания светила или его края и будет точкой пересечения вертикала с горизонтом. Момент касания будет моментом измерения высоты, который и фиксируется с помощью измерителей времени.

При этом виде измерения рекомендуется измерять серию из 3-5 высот каждого светила, замечая момент каждого измерения. Для дальнейшей обработки используется отсчет (ОС), полученный как среднее арифметическое из оставшихся после контроля на промахи измерений в серии.

Если горизонт под Солнцем нечеткий, а в противоазимуте четкий, а также в случае ожидания крупной ошибки в наклонении видимого горизонта и при отсутствии на судне наклономера, рекомендуется измерять его высоту через зенит. В этом случае фактически измеряется дуга вертикала 180° - h¢ _ т.е.Солнце должно быть на высоте не менее 35 - 60° в зависимости от длины шкалы лимба. Это самый сложный вид астрономических измерений. Поэтому, только получив прочные практические навыки измерения через зенит высот Солнца, можно практиковать этот вид измерения применительно к ярким звездам и планетам в начале гражданских сумерек, как только они станут видны в трубу секстана.

Измерение высот светил над береговой чертой, кромкой льда и ватерлинией судна, пересекающего вертикал светила, ничем практически не отличаются от измерений высот над видимым горизонтом. Следует только иметь в виду, что в случае измерения высот светил над ватерлинией другого судна (такие ситуации весьма часты при ведении промысла в группе), когда видимый горизонт нечеток, наблюдения следует производить как можно быстрее, и в этом случае не всегда удается получить серию высот. При производстве таких измерений обязательно определяется расстояние до берега, кромки льда или судна с помощью радиолокатора или по вертикальному углу.

· Поправки высот светил

Поправка за наклонение видимого горизонта.

Высота светила определяется, как угол между истинным горизонтом и направлением на светило. В условиях наблюдателя истинный горизонт это плоскость касательная земной поверхности в точке наблюдателя. Иными словами, что бы получить этот угол из непосредственных наблюдений глаз наблюдателя должен находиться на уровне воды, что не совсем удобно для самого наблюдателя, особенно в высоких широтах.

Вследствие сказанного, в момент проведения измерений наблюдатель со своим глазом, как правило, находится на некотором возвышении над уровнем воды, чаще всего на штурманском мостике. При этом он уже наблюдает не истинный, а видимый горизонт, представляющий собой линию, по которой поверхность моря проецируется на небосвод. Эта линия представляет собой сферическую окружность с центром в наблюдателе. То есть если глаз наблюдателя находится на некотором возвышении е над уровнем моря, то измеренный угол будет на некоторую величину больше.

Помимо этого лучи распространяющиеся вдоль земной поверхности из-за неодинаковой плотности атмосферы в приземном слое несколько преломляются, это явление получило название земной рефракции. То есть луч от видимого горизонта до глаза наблюдателя идёт не по прямой, а несколько изгибается. Вообще-то земная рефракция зависит от большого числа различных факторов и слабо поддаётся точному математическому обоснованию. Искривление луча может колебаться в довольно значительных пределах, при различных атмосферных явлениях. Для теоретических расчётов берутся некоторые средние значения коэффициента земной рефракции.

Вертикальный угол между плоскостью истинного горизонта и касательной к лучу направленного на видимый горизонт называется наклонением видимого горизонта или сокращённо наклонением горизонта.

Если высота светила измеряется над каким-нибудь предметом, не совпадающим с истинным горизонтом, то берётся наклонение зрительного луча:

С – расстояние до предмета в морских милях;

H – высота предмета над уровнем моря в м.

В случае если высота светила измеряется над береговой чертой H = 0

Наклонение горизонта с учётом земной рефракции рассчитывается по формуле:

е – высота глаза наблюдателя.

по этой формуле рассчитана таблица 11а МТ-75.

Для приведения измеренной высоты к истинному горизонту, наклонение зрительного луча и наклонение видимого горизонта всегда вычитается из измеренной высоты.

Хотим ещё раз напомнить, что значение земной рефракции, учитываемое в формулах, не всегда совпадает с действительным. Особенно большие отклонения наблюдаются при больших градиентах температуры воздуха, при большой разности температур воды и воздуха. Такие условия могут создаваться в местах встречи тёплых и холодных течений, после прохождения шквалов, холодных фронтов. В этих случаях возможны отклонения от действительного наклонения истинного горизонта до 10¢-15¢. Признаки большого отклонения – явление сверхрефракции: размытый горизонт, «дрожание» горизонта, приподнятые или даже перевёрнутые изображения, миражи и т.д. В отдельных случаях истинная поправка может иметь знак «+». Следует так же учитывать, что в закрытых морях и у береговой черты отклонения так же могут достигать больших значений (до 20¢ в Красном море).

Для исключения возможной ошибки, рекомендуется измерять наклонение видимого горизонта при помощи специального прибора – наклономера.

Поправка за астрономическую рефракцию.

Наличие атмосферы со слоями различной плотности вызывает изменение направления лучей света, идущих от светила. Угол при глазе наблюдателя между действительным и кажущимся направлением на светило называется астрономической рефракцией. При исправлении высоты светила этот угол всегда вычитается.

Астрономическую рефракцию с достаточной для навигационных расчётов точностью можно вычислить по формуле:

B – атмосферное давление;

t – температура приземного слоя;

h_в – видимая высота светила

Из формулы видно, что величина рефракции зависит от состояния атмосферы на момент наблюдений, поэтому для удобства использования введено понятие средней астрономической рефракции r₀ получаемой при температуре t=10° и давлении B=760 мм.рт.ст.:

При температуре и давлении отличающихся от принятых выше значений, вводятся поправки за температуру и давление Dr_t и Dr_B. После исправления средней рефракции указанными поправками получается величина более близкая к действительному значению рефракции – истинная рефракция:

Отметим, что при высотах светил более 30° поправки Dr_t и Dr_B практически не влияют на результат.

Для удобства получения поправок их значения сведены в соответствующие таблицы это, как правило: таблица средней астрономической рефракции и таблицы поправок за температуру и давление.

Поправка за параллакс светила.

При наблюдении светила, расстояние до которого соизмеримо с размерами Земли, направления на это светило из разных точек земной поверхности будет разными. Это явление описывается понятием суточного параллакса.

Суточным параллаксом светила называется угол, под которым из центра светила виден радиус Земли, проведенный в место наблюдения.

В МАЕ даны координаты светил приведенные к центру Земли. Высоты же светил измеряются с поверхности Земли и подвергаются действию суточного параллакса. В мореходной астрономии к таким светилам относятся: Солнце, Луна, ближние планеты (Марс, Венера).

Наибольшее значение суточный параллакс имеет для наблюдателя расположенного на экваторе, в момент захода светила. Эта величина получила название экваториального горизонтального параллакса p₀:

R – радиус Земли;

D – расстояние до Земли.

В общем случае суточный параллакс рассчитывается по формуле:

h¢ – видимая высота светила.

По этой формуле рассчитываются таблицы поправок за параллакс.

Полудиаметр светил.

При измерении высот Солнца и Луны с горизонтом совмещают не центр светила, а его край, верхний или нижний. Очевидно, что измеренную высоту необходимо привести к центру. Для этих целей в МАЕ и других таблицах приводятся полудиаметры Солнца на различные даты. Полудиаметр Луны в различных таблицах, как правило, входит в общую поправку Луны.

Исправление высот светил измеренных над видимым горизонтом.

Исправлением высоты, называется переход от полученного по секстану отсчёта, к истинной «обсервованной» высоте.

Общий вид формулы запишется следующим образом:

ОС – отсчёт секстана;

i+s – сума поправки индекса и инструментальной поправки секстана;

d – поправка за наклонение зрительного луча, в общем случае;

r₀ –средняя поправка за рефракцию (Dh_r);

r_t –поправка за температуру (Dh_t);

r_B – поправка за атмосферное давление (Dh_B);

p – поправка за параллакс (Dh_p);

R – полудиаметр светила.

Таблицы для исправления высот светил приводятся:

во «Вспомогательных таблицах» ТВА-57;

в приложении 2 МАЕ;

на переднем развороте обложки ВАС-58;

в астрономических таблицах МТ-75(63);

Таблицы из первых трёх источников практически одинаковы (некоторые различия деталей компоновки и названий в расчёт не берутся), за исключением таблиц для исправления высоты Луны, поэтому рассматривать исправление высот светил будем на примере ТВА-57 и МТ-75.

1. Исправление высот звёзд.

Пример 6. Исправление высот звёзд.

Дано: ОС=23°34,5¢ i+s = +2.3¢ e=14.3м t=25°C B=750мм.рт.ст. Звезда. Найти: Ист.h

2. Исправление высот планет.

Поправка за параллакс выбирается следующим образом:

В ежедневных таблицах МАЕ на заданную дату внизу колонки выбираем значение горизонтального экваториального параллакса p₀. По выбранному значению p₀ и дате из таблицы - ТВА-57 выбираем поправку.

Пример 7. Исправление высот планет.

Дано: 3.5.93 ОС=21°18,4¢ i+s = -3,6¢ e=11,2м t=5°C B=770мм.рт.ст. Марс

Найти: Ист.h

3. Исправление высот Солнца.

Пример 8.

Дано: 1.10.93 ОС=35°41,2¢ i+s = -1,6¢ e=9,8м t=29°C B=775. 

Найти: Ист.h

4. Приведение высот светил к одному зениту.