北冰洋航行应用天文导航的问题及对策

芮震峰，应荣熔

(海军大连舰艇学院 航海系，辽宁 大连 116018)

0 引 言

北冰洋极具经济价值和战略意义，北冰洋航行无疑是我国海军未来的重要发展方向之一，在当前相关研究较少的情况下，研究北冰洋航行的有关问题具有充分的必要性。相比于中低纬度海域，北冰洋航行导航更为困难，许多在其他海域行之有效的方法应用于北冰洋航行都将产生特殊的困难。在北冰洋航行可用的导航方法中，天文导航具有特别重要的作用，有时甚至是唯一可以依赖的方法。不过，北冰洋特殊的航行环境给天文导航的实际应用带来了特殊困难。鉴于此，本文主要针对北冰洋航行环境的特殊性，探讨天文导航在应用中遇到的现实问题并给出相应对策。

1 北冰洋航行天文定位导航面临的特殊环境

北冰洋航行环境具有众多有别于中低纬度海域的特殊性，就天文导航而言，与之相关的特殊航行环境可大体归纳为气象、海洋、地理、天象及光照等5个方面[1-5]。

1.1 气象环境

北冰洋航行的气象环境因季节而异，在可航的夏季，空气干燥，气象环境对航行较为有利，但低温、暖流等因素常引发雾、低云、冻烟、雪等现象，导致能见度受限。这类不利情况在冰区边缘及靠近大陆的海域比较突出，在季节交替时则更为严重。此外，日光在冰雪表面和云幕间多次反射扩散所导致的海天对比度消失，也使得水天线难以辨识。

1.2 海洋环境

在可航的夏季，海冰融化，冰情对北冰洋航行不构成太大的障碍，但在大部分海域，大量未完全融化的海冰覆盖于海面，既影响航行，又常导致水天线难以观测。这一情况，加上众多尚未完全掌握的潮流和洋流，也使得航迹推算格外困难，从而大幅度降低移线定位的准确性。

1.3 地理环境

在北冰洋海域，因经线向北极快速收敛，过度弯曲，投影变形急剧增大，致使常用的墨卡托海图不再完全适用，需改用以等角横圆柱投影等投影方式制成的特殊海图，也使得在定位中不能再简单地将方位线视作恒向线，而必须作为大圆弧来处理。这些特殊性都给天文定位的图上作业带来了一定影响。此外，经线向北极的快速收敛也导致时区在北冰洋向北极快速收敛，在距离北极点1 n mile处，时区间隔仅为0.25 n mile。因此，区时在北冰洋航行中将失去其原有意义。

1.4 天象环境

北冰洋航行属于高纬度航行的特性，使得与天文导航密切相关的天象环境与中低纬度海域完全不同。在北极点附近，几乎仅北天半球可见，所有天体环绕天北极作近似水平的周日视运动，因此可供观测的恒星及其高度相对固定。其中天文定位导航常用的北极星位于天顶点附近，高度近90°，方位难以判定，基本失去定位导航价值。

除恒星外，太阳、月亮和航用行星在北冰洋海域的视运动现象也完全不同于中低纬度海域。以北极点处为例，上述天体的基本视运动现象如下：

1)太阳每年出没1次，日出后呈螺旋状缓慢上升直至达到最大高度23°27′，之后高度逐渐减小直至日没，出没之间时隔6个月。

2)月亮每月出没1次，视运动现象与太阳类似，最大高度虽略有不同，但保持在23°27′(加减几度的范围内)。朔望前后月亮与太阳的方位一致或相差180°，无法进行日月定位。通常，每月日月同时可见且具备定位所需良好方位夹角的时间不过数天。

3)航用行星每个公转周期出没1次，其视运动现象与太阳、月亮类似，所能达到的最大高度同样保持在23°27′(加减几度的范围内)。

北极点附近海域，日、月和航用行星的视运动现象类同于北极点，仅出没时间间隔和最大高度随纬度不同略有差异。由此不难看出，观测日、月和航用行星定位，大多数情况下存在着天体高度过低的不利情况，与天文定位通常所要求的天体高度不小于10°的原则相悖。

1.5 光照环境

光照环境主要取决于太阳的视位置，是天文定位导航能否应用的决定因素之一。北冰洋海域大体以1年为周期的太阳出没现象，导致光照环境也以1年为周期变化，基本情况如下：

1)在约4～6个月(因实际纬度而异)的极昼期间，光照条件良好，水天线可见，行星和恒星为日光遮蔽不可见，因此除偶尔可见月亮或金星外，绝大部分时间仅太阳一个天体可供定位。

2)在日出前和日没后晨光昏影期间，水天线、月亮、航用行星和恒星可能同时可见，光照条件满足测星定位需求，是天文定位导航的最佳时机。值得注意的是，因北冰洋属高纬度海域，晨光昏影时间相比于中低纬度海域明显延长，随纬度不同可达数天甚至数周。这一方面延长了测星定位的有利时机，应当在制定航行计划时有效利用，另一方面也使得民用晨光昏影时间被延长至数天乃至数周，此时光照条件尚好(存在北极光时更为突出)，除非使用特殊的仪器设备，行星和恒星被日光遮蔽难以观测，出现无任何天体可供定位的恶劣情况，这是北冰洋航行需要特别关注的时间段。

3)在约4～6个月的极夜期间，缺乏必要的光照条件，除个别时候有满月和极光提供光照外，水天线不可见，若无人工水平基准或射天天文观测等新的观测设备，无法进行天文定位。

2 北冰洋航行天文观测存在的问题及对策

由上述分析可知，环境的特殊性所导致的天文观测方面存在的问题主要包括以下3个方面：

1)因气象、海洋和光照环境，如雾、极夜等，导致的自然水天线模糊不清或无法观测的问题。

2)因光照环境，如太阳非常接近水天线等，导致的天体亮度不够难以观测的问题。

3)因地理环境，如时区向北极点收敛使得区时失去意义等，导致的观测时间计量的问题。

解决上述问题是确保在北冰洋航行中有效使用天文定位导航方法的关键之一，参考现有文献[1-10]，分述解决对策。

2.1 自然水天线模糊不清或无法观测的解决对策

目前，除某些特定条件下可采用特殊的观测方法外，解决北冰洋海域自然水天线模糊不清或无法观测问题的主要对策是采用人工水平基准，常用的设备包括航空用气泡六分仪和带有人工水平基准装置的航海六分仪(可统称为人工水平基准六分仪)。如果不具备这2种专门的观测仪器，一个可行的方法是临时制作人工水平基准。

2.1.1 特定条件下的特殊观测方法

1)当水天线模糊不清，所测天体高度又大时(通常指大于60°)，最佳的观测方法是同时观测天体到天体方位圈两端水天线的高度。这一观测方法可消除六分仪指标差、六分仪器差、眼高差和半径差对观测高度的影响，所以常能获得更为准确的天体高度。

如图1所示，设O为测者位置，Z为测者天顶，HH′为测者真地平圈，h和h′为天体方位圈两端的水天线，则Hh和H′h′等于测者眼高差d；设S为天体视位置中心，则hS为天体观测高度，h′S为天体至另一侧水天线的观测高度，ZS为天体视顶距。

图1 北冰洋航行大高度天体观测Fig.1 Observation of Great Altitude Body

由图1可知，消除了指标差、器差和眼高差的恒星视高度为h=90°-(h′S-hS)/2，对视高度h进行折光差修正，即可得恒星真高度ho。

需说明的是，上述方法虽有利于在水天线模糊不清时提高天体高度观测精度，但操作困难，需要一定量的观测训练。此外所得天体真高度应当取为2次观测中间时间的天体真高度。

2)当近岸航行且天体位于海岸上空，或海面为冰块覆盖，水天线无法观测时，可将岸线或冰块水线视作水天线观测天体高度，但在求天体真高度时，需用岸线俯角(根据测者与岸线或冰块水线的距离、眼高查《航海表》II-1a“岸线俯角表”可得)代替眼高差。

2.1.2 人工水平基准六分仪观测要点

极区航行自然水天线模糊不清或无法观测时，使用人工水平基准六分仪观测天体高度是一个很好的选择，有时甚至比使用航海六分仪效果更好，但这类六分仪的操作使用难度较大，除勤加练习达到熟练使用外，以下2点应当注意：

1)观测时不能仅观测单一高度，必须连续进行多次观测并取其平均值作为1次观测值。在熟练操作的前提下，一般应进行约2 min的持续观测。

2)当舰船静止或无摇荡时，熟练的操作者使用人工水平基准六分仪观测，其2 min观测平均值的精度通常能达到2′，但即使仅存在轻微的摇荡，观测误差也将大幅度增加，可能达到10′～16′。在海面中浪的情况下，观测误差将高达30′以上，若海面巨浪，则难以获得任何有效的观测数据。因此，当舰船摇荡较大时，若条件允许最好将观测移至邻近舰船的冰面上进行，若条件不允许，则应采取相应的减小仪器摇荡的措施，如用弹簧悬挂六分仪等。

2.1.3 临时人工水平基准的制作与使用

北冰洋航行缺少人工水平基准六分仪时，临时制作人工水平基准也是一个值得应用的方法。在舰船上，一面水平摆放的平面镜、一盆黑色的液体(如润滑油)等都能被用作临时人工水平基准。通常，当使用一盆黑色液体作为人工水平基准时，可将其置于分罗经盆上保持水平并尽量避免风吹。使用临时人工水平基准时，用六分仪将天体反射影像拉至与人工水平基准中的天体影像重合(观测太阳、月亮下边缘时，应使反射影响的下边缘与人工水平基准中天体影像的上边缘相切，上边缘反之)。获得观测数据后，先进行六分仪指标差和器差修正，并取修正后观测值的1/2作为天体观测高度，然后进行除眼高差外的其余修正计算天体真高度。

2.2 天体亮度不够难以观测的解决对策

在北冰洋晨光昏影的数天甚至数周内，将面临太阳接近水天线、北极光过亮等原因而导致的其余天体亮度不够难以观测的困境。在现有设备条件下，解决这一问题的对策，是为六分仪配备更大视场、更高放大倍率的望远镜，同时提前熟悉这一时段内北冰洋海域可供定位的恒星和行星。通常，使用配备大视场、高放大倍率望远镜的六分仪，首先可测方位夹角近90°的五车二(御夫座α)、天津四(天鹅座α)和织女一(天琴座α)；其次可测明亮的行星，因此观测前应使用星球仪等设备提前掌握这些天体的位置信息。

2.3 观测时间计量的解决对策

在北冰洋海域，区时快速变化失去意义，因此不能用作观测时间计量，而应直接使用世界时进行观测时间计量。此外，航行中其他的时间计量用世界时也更为合适。值得说明的是，北冰洋航行属高纬度航行的特点，使得对中低纬度天文定位至关重要的观测时间计量的重要性相对降低。在中低纬度，时间计量误差4″将导致定位所得经度误差约1 n mile，但同样4″的时间计量误差，在纬度60°处导致经度误差0.5 n mile，在纬度88°处则仅导致经度误差0.035 n mile。

3 北冰洋航行天文定位存在的问题及对策

北冰洋航行所用的天文定位方法，不论是太阳移线定位、日月定位还是测星定位，都以高度差法为基础。由对北冰洋航行环境的分析及高度差法原理可知，除已讨论的观测问题，特殊航行环境也将给高度差法的应用带来特殊困难，主要可概括为以下3个方面：

1)因气象、海洋和天象环境，如低温致使大气折射异常、天体高度低于10°等，所导致的观测高度修正方面的问题；

2)因地理环境，如使用特殊投影方式制作的海图、方位线必须绘成大圆弧等，所导致的高度差法作图方面的问题。

3)因海洋环境，如海冰影响航迹推算等，所导致的高度差法和移线定位缺乏精度问题。

解决上述问题，同样是确保在北冰洋航行中有效使用天文定位方法的关键之一，参考现有文献[1-10]，分述解决对策。

3.1 天体观测高度修正存在问题的解决对策

北冰洋航行修正天体观测高度存在的问题，主要体现在折光差修正上，低温、低天体高度(如夏季仅太阳可测时，可能有数月太阳高度小于10°)等特点，使得用现有航海图书资料进行折光差修正存在较大误差，不能获得令人满意的结果。资料显示，在北冰洋海域曾经测得高达数度的折光差，并导致太阳在春季提前数日可见，在秋季降没后仍持续数日可见，这值得北冰洋航行时格外重视。

折光差修正问题目前而言难以有效解决，最理想的方法是基于大量实测资料，为北冰洋不同海域单独制定特殊的“折光差表”。在现有条件下，可行的对策如下：

1)严格按折光差修正过程进行修正，即逐一用《航海表》所载的表Ⅱ-2a“平均蒙气差表”、表Ⅱ-2b“平均蒙气差温度改正表”和表Ⅱ-2c“平均蒙气差气压改正表”进行折光差修正。

2)条件允许时，实测折光差并将其作为该海域、该时期折光差修正的重要参考。

3.2 高度差法作图存在问题的解决对策

北冰洋航行时，虽然高度差法作图过程与中低纬度基本一致，但天体方位线必须绘成大圆弧、近北极点航行、使用非墨卡托投影海图等特点，无疑影响了常规作图方法的使用和有效性。解决作图中存在问题的对策，一是对常规作图方法进行必要的修正；二是针对特殊投影性质的海图或特殊航行区域采用特殊的作图方法；三是绕开作图问题，借助计算机软件直接求解舰位。

3.2.1 常规作图方法的修正

北冰洋航行时，要在常用墨卡托海图或天文定位纸上实现高度差法作图，天体方位线不能再被当做恒向线而绘成直线是其核心困难，也是常规作图方法必须修正的地方。

如图2所示，设天体方位为Ac，高度差为ho-hc，推算舰位为EP，将方位线按恒向线处理绘成直线EPK，得到舰位线I′-I′，将方位线按大圆弧处理绘成曲线EPKo，得到舰位线I-I。显然，舰位线I′-I′是错误的舰位线，按大圆弧处理所得的舰位线I-I才是正确的舰位线。EPK与EPKo之间的夹角ψ，称为大圆改正量，其计算公式为2ψ=(ho-hc)tanφsinAc。

基于大圆改正量ψ，在墨卡托海图或天文定位纸上，修正的高度差法作图过程如下：将天体方位Ac修正2ψ，从点EP绘修正后的方位线EPD，在该方位线上量取EPD=ho-hc，过D作方位线EPD的垂直线，得到舰位线I-I。

图2 天体方位线的大圆改正Fig.2 Correction of azimuth line

3.2.2 特殊的作图方法

1)横圆柱墨卡托投影海图的作图方法

北冰洋海域常用横圆柱墨卡托投影特殊海图，这类图的一个特点是将图上的直线视为大圆弧时，产生的误差很小，这为解决高度差法作图中天体方位线是大圆弧的难题提供了便利。

在近北极点的横圆柱墨卡托投影海图上，经线近似为直线向外辐射，纬圈近似为以北极点为圆心的同心圆。在该类图上进行高度差法作图定位，天体方位线和舰位线都可被绘成直线，其中推算舰位根据实际的经纬线网确定，天体方位线既可直接根据过推算舰位的经线按天体方位值绘出，也可以转化为格网方位，以格网北为基准按格网方位值绘出。

2)以北极点为推算舰位的特殊作图法

在北冰洋海域，当航行纬度高于80°时，有时可采用以北极点为推算舰位的特殊作图方法实现高度差法作图。应用这种方法有一定的便利性，但通常更适用于纬度88°以上区域，不过，当舰船恰位于天体投影点的经线上或其附近时，即便高度差很大，也能保证很高的精度。

以北极点为推算舰位作图，天体计算高度等于天体的赤纬，天体计算方位等于天体的格林时角，作图时，当高度差为正，由北极点沿根据天体格林时角确定的经线向外度量高度差，当高度差为负，反之。这一特殊作图方法可在舰操图上实现，此时将舰操图作为方位等距投影海图使用，通常取0°方向为格林经线。

3.2.3 计算机软件求解舰位

由球面三角学可得地球表面天文舰位圆方程如下：

(1)

式中：h为天体高度；φ为测者纬度；δ为天体赤纬；tG为天体的格林半圆时角；λ为测者经度。

直接根据舰位圆方程求解舰位，虽然已有学者提出一些求解方法，但仍有待检验其可靠性，若按照高度差法原理，通过已知的天体计算方位和高度差求解则简单易行。

设观测2个天体，其计算方位和高度差分别为AC1， Δh1和AC2， Δh2。由高度差法原理可导出求解舰位的方程如下[7]：

据所得Δφ和Dep，可据下式求解舰位：φ=φC+Δφ，λ=λC+Depsecφ，其中φC和λC为推算舰位的纬度和经度。

根据上述方程在计算机上编制相关计算软件，即可实现舰位的计算机解算。有一点需要说明的是，用于计算用的方位AC1和AC2，是经过2ψ的大圆改正后的方位值。

3.3 高度差法和移线定位缺乏精度问题的解决对策

因极昼现象的存在，北冰洋航行天文定位大部分时间仅能依赖基于高度差法的太阳移线定位，其定位精度取决于航迹推算的准确性。北冰洋特殊的航行环境使得航迹推算相当困难，必然导致高度差法和移线定位缺乏精度。这一问题的解决，一是应用一切条件，尽可能提高航迹推算的准确性；二是研究、应用新的不需要推算舰位的定位方法。

上述两方面的对策，改进航迹推算的准确性不属于本文的探讨范围，除后文介绍太阳单一舰位线的作用时概略涉及，不再详细论述。研究不需要推算舰位的定位方法，即不再使用高度差法，学术界有一些思路，如用迭代法等直接解算天文舰位线方程、基于星图识别的多星矢量定位技术等[8-9]。但这些方法尚未推广应用，针对极区航行的可行性如何仍有待论证，本文不再展开讨论。

值得重视的是，单一太阳舰位线虽然无法实现天文定位，在北冰洋航行中仍具有特殊的价值，也有利于提高航迹推算的准确性，因实际航行情况而异，其主要作用可概括为以下3个方面：

1)作为导航线。当舰位线恰好指向目的地时，将航向保持与舰位线一致即可顺利抵达目的地；当沿岸(或冰区)航行且航向与海岸线(冰缘线)平行时，测定太阳在左右正横时的舰位线，可由此判定实际航迹线的左右偏移量及距海岸(冰缘)的距离；当测定太阳在舰首尾方向时的舰位线时，可检查估计航程计算误差，并由此测定舰船实际航速。

2)与陆标舰位线等其他舰位线合用测定舰位。

3)求取近似舰位。在获得单一太阳舰位线后，由推算舰位作舰位线的垂直线，取其垂足作为近似舰位，这一舰位通常比推算舰位更加接近真实舰位。

4 北冰洋航行天文定向存在的问题及对策

天文定向的主要内容是利用天体测定罗经差，常用方法包括观测太阳方位和北极星方位测定罗经差[10]。在北冰洋海域，磁罗经和陀螺罗经的应用都面临着很大的困难，连续、准确地测定罗经差成为一项非常重要的工作。北冰洋航行中利用天体测定罗经差存在的问题，除北极星的可用性极小外，一是如何利用天体实现连续的罗经差测定；二是在太阳位于水天线之下，光照环境良好，所有天体均不可见的时间段内如何实现天测罗经差。

上述问题的解决有赖于为航海引入新的设备。目前，含有内置时钟装置的日光罗盘、晨昏罗盘等设备，可实现罗经差的连续测定，大体解决上述问题。其中，晨昏罗盘利用偏振光，能在太阳位于水天线之下及太阳模糊不清时实现太阳方位的测定，是当前在所有天体都不可见这一时间段内测定罗经差的唯一方法。

5 结 语

本文基于对北冰洋航行环境的分析，讨论北冰洋航行天文定位导航面临的问题，并给出了相应的解决对策，希望能为我国开展北冰洋航行提供有益的借鉴。需要说明的是，由于缺乏北冰洋航行的经历和必要的参考数据，本文部分观点仍有待用实践加以检验和完善。

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