天文定位方法及运用探讨

张 俊 完剑侠

（江苏海事职业技术学院 南京 211170）

天文定位作为一种航海上最基本、最可靠的定位方法，具有设备简单、可靠，观测目标不受人为控制，隐蔽性强的优点，在实际工作中有着重要的意义。即使是在卫星定位技术高度普及的今天，其所特有的优点仍然是其他定位手段无法比拟的。常用的天文定位方法主要是利用晨昏测星定位和太阳移线定位。除此之外，在一些特殊天文条件下，还有一些特殊的定位形式，如太阳特大高度定位、白昼同时测天定位等，也是航海上常见的天文定位方式。但由于时机难以把握、观测比较复杂以及卫星定位手段的快速发展，船舶驾驶人员往往忽视了这些最为古老的定位方法的运用［1］。笔者通过对太阳特大高定位和白昼同时测天定位基本原理的介绍，具体阐述定位程序与技巧，希望对航海人员在实际工作中的操作有所帮助。

1 太阳特大高度定位

低纬度海区，观测太阳高度≥88°时，称为太阳特大高度。这种情况下，由于从日出到中天前和中天后到日没这2 段时间内，太阳的位置角X 接近90°，方位变化非常缓慢，要观测2条方位差≥30°的位置线，往往需要等待4～5h。另外，特大高度时，船位圆曲率半径很大，不能用高度差法作船位线来代替船位圆上的一段圆弧。因此，一般的太阳移线定位已不再适用。与此相反，中天附近太阳的位置角X 接近0°或180°，天体的方位变化率公式为

式中：cos X≈1；LHA 以min为单位，可将公式改写为

以Dec＝23°27′，h＝88°代入公式，每分钟的方位变化也可达6.°6，数分钟内就能满足2条位置线之差≥30°，且由于顶距很小（0′～120′），实际定位时可不考虑投影变形，直接在墨卡托海图上以太阳的地理位置为圆心，画若干时刻的移线天文船位圆来定位。在不考虑粗差的情况下，以观测3条天文船位圆来进行移线定位为例，具体程序如下：

（1）预求中天区时，分别在中天前、中天时、中天后各观测一次太阳高度，并记下观测时间t1，t2，t3。由于太阳中天前后高度很高且变化不大，为了提高观测速度，可先将六分仪读数调整为太阳中天高度之后，对准水天线寻找太阳。为满足定位精度要求，2 次观测的方位差应≥30°，其时间间隔可按经验公式t＝3 Z［4］（t的单位为min，Z 的单位为（°））估算。

（2）根据第二次观测的世界时，从《航海天文历》中查取太阳的格林时角GHA 和赤纬Dec，求出太阳的地理位置。由于太阳赤纬每min 的变化量很小，可认为t1和t3太阳的地理纬度与t2相等；而t1、t3与t2的经差可用时角的变化量来代替，即观测时间间隔用度、分去表示，求出t1和t3太阳的地理经度。

（3）由观测高度，计算出3次观测太阳的真顶距Z1，Z2，Z3。

图1 太阳特大高度定位图

（6）分析3条天文船位圆弧形成的误差三角形（此时可近似将圆弧看成直线），在无粗差的情况下，可按短边大角的原则，求取最或然船位。

由于方位变化非常显著，此法可有效地缩短定位时间，减少移线定位中航迹推算的误差，且作图时是以太阳的地理位置为圆心来画天文船位圆的，不需计算高度差及推算船位，既简化了公式计算又提高了定位精度。如果以公式计算法直接求取特大高度船位，则可摆脱海图图幅尺寸和分规大小的束缚，进一步扩大特大高定位的适用范围。

2 白昼同时测天定位

2.1 同时观测金星和太阳定位

金星是除太阳和月亮外最亮的天体，亮度最大时的星级为－4.4等。航行时若能同时观测到金星和太阳，且方位差和高度合适，便可同时观测定位。当金星围绕太阳公转轨道在地球轨道之内运行时，测者从地球观测金星和太阳的角距不超过47°。这时能够同时观测到金星和太阳的时间是从金星东大距到下合前最亮日或者下合后最亮日到西大距这2段时间，每段时间一般都能持续1个月左右。

实际运用时，先查阅船上的《航海天文历》，在其“天象纪要”和“四星纪要”里确定能够同时观测到金星和太阳的月份。在能够同时观测金星和太阳的日子里，利用索星卡确定观测时机。由于金星一天当中的赤纬、赤经变化量很小，可直接在《航海天文历》中查出金星中天的赤纬和赤经，并将金星绘画到索星卡星图底板上，而太阳在星图底板上的位置就是黄道上的日期。转动透明网片，使金星和太阳的高度在15°～75°之间、方位差≥30°，此时和星图底板日期相对应的透明网片时间就是测天的地方平时LMT，换算成区时ZT，即是同时测天的时机。

在预定测天时间之前，利用双筒望远镜按索星卡上金星的概略高度和方位确认金星的位置（其呈现银白色的闪光点），之后利用六分仪观测高度。也可以先把六分仪的读数放在金星的概略高度上，然后以其概略方位利用六分仪在水天线附近仔细寻找，若发现一白色闪光点一般即为金星的影像。观测时如果水天线过亮可以适当选取定镜的滤光片，使星体投影在较暗的背影上，在发现星体后移去滤光片。之后在观测太阳高度时，通常可以通过高度差法或计算法求解船位。

2.2 同时观测月亮和太阳定位

月球和地球共同组成了月地系，它们共同围绕着月地重量中心运转。在每个月的上弦月或下弦月的前后，太阳与月亮的角距相差90°左右，这时白昼能同时观测到月亮和太阳，是同时观测月亮和太阳定位的最佳时机。

在实际生活中，一般在初七、八前后的下午和廿二、廿三前后的上午，能同时观测到太阳和月亮，只要方位差和天体的高度同时满足定位的要求，便可进行测天定位。其定位方法与同时观测金星和太阳定位的方法相似，同样事先利用索星卡来确定观测时机。但由于月亮与金星运动特性的不同，其位置随着时间的变化有较大的差异，这时应先观测太阳后再观测月亮以减少异时误差。另外月亮的盘面较大，将观测高度修正到真高度时，除要修正眼高差、蒙气差以外，还应对视差和半径差进行修正，以提高定位的精度。

3 白昼同时观测金星和太阳定位实例

某轮2012年4月30日，船时1124时船舶推算船位为φc32°42.′7N，λc123°08.′3E，观测金星和太阳下沿时的高度，得到观测数据如下：

此时，观测者的眼高e＝15.4m；六分仪指标差和器差i＋s＝＋1.′8；天文钟钟差CE＝8s（慢）。想要求出观测船位，必须知道准确的测天世界时，测天世界时可以根据天文钟时间、秒表读数和天文钟钟差通过计算求得，而观测时期则通过观测时的船时和推算船位获知。然后根据具体的测天世界时利用《航海天文历》去查金星和太阳的格林时角和赤纬，再利用观测时推算船位的经度求取金星和太阳的地方时角时。在求取的过程中，为了方便计算及作图，根据计算点选择的任意性，将计算点的经、纬度进行了合理的调整。通过下列公式：

求得金星和太阳的计算高度和计算方位。具体结果如下：

图2 观测金星和太阳定位高度差法作图示意图

4 结语

以上几种特殊条件下的天文定位方式除天文定位存在的不足外，在实际运用中由于自身的客观条件都存在着一些困难。如特大高度定位只能发生在低纬度海区，且测者纬度和太阳赤纬的差值应小于2°。但它们的优点在于定位精度比单纯的太阳移线定位精度高，且是白天观测，水天线清晰可见，观测天体高度比观星定位简单［5］。然而，在高度发达的卫星定位的今天，利用先进定位手段的同时了解和运用这些最为可靠的天文定位方式，对于提高驾驶员的专业技能水平和保障船舶安全航行都有着极其重要的作用。

［1］邱 奇，朱舟群.航海测天定位的问题与对策［J］.水运科学研究，2010（3）：19－22.

［2］郭 禹.航海学［M］.大连：大连海事大学出版社，2011.

［3］潘琪祥.航海学［M］.大连：大连海事大学出版社，1999.

［4］潘琪祥.关于太阳特大高度船位线问题的讨论［J］.上海海运学院学报，1997（3）：55－60.

［5］贺国峰.浅谈天文定位［J］.航海，2011（5）：52－53.