1、天文航海,武汉理工大学,主要内容,天文航海主要特点 1、优点： （1）设备简单、可靠 （2）观测天体是自然天体，不受人为控制； （3） 不发射任何声、光和电波，因而具有隐蔽性等优点 2、 缺点： （1） 受自然条件限制，不能全天候导航； （2） 必须人工观测，计算烦琐；,第一章 天文航海概述,1、新的航海仪器的发明使夜间天文观测成为可能，如射电六分仪、夜视六分仪等； 2、计算机科学与天文学逐步结合；,天文航海发展趋势,一、定位实质无论采用什么定位方法，都可以归结为求两条以上船位线交点的问题。 二、天文观测实质在某一时刻，利用六分仪（专用侧角仪器）观测某一天体的高度（天体与水天线间的垂直夹角），
2、经过一系列的计算，可以求得一条船位线。如果同时观测了两个天体，则可求得两条船位线，该两条船位线的交点就是天文观测船位。根据所观测天体高度和观测准确时间求天文船位的问题是天文航海要解决的主要问题之一。 三、天文观测中，通常采用地球第一近似圆球体。,第一节 天文定位基本概念,四、天文观测原理,第二节 天文航海主要内容,一、天文航海主要内容 1、 观测天体定位，即观测天体高度，同时记录观测时间来确定船舶在海上的位置； 球面天文学和普通天文学的基本理论和知识； 研究天文导航的原理、方法、设备和误差； 时间系统； 2、 观测天体求罗经差，即观测天体的罗方位，同时记录观测时间来 罗经差； 3、 天文导航计
3、算问题的数学模型和应用程序；,二、天文航海各相关内容简介,1、 观测天体定位,2、 观测天体求罗经差 观测天体求罗经差是目前在大洋航行中测定罗经差的主要方法,3、 天文数学建模,一、天球1、 形状：夜晚仰望天空时，天空就像一个倒扣过来的半球形；2、 定义：以地球为球心，以无限长为半径所作的球面叫天球（Celestial Sphere）。,第二章 天球坐标系,第一节 天球坐标系,1、与地球有关的基本点、线、圈,二、天球上的基本点、线、圈,2、与天体有关的基本点、线、圈,3、 与测者有关的基本点、线、圈,4、 基本概念,（1） 仰极： 与测者纬度同名的天极； 真地平以上的天极； （2） 俯极： 与
4、测者纬度异名的天极； 真地平以下的天极； （3）天体时圈：过两天极和天体中心的半个大圆； （4）天体赤纬圈：过天体且平行于天赤道的小圆，因是天体运行轨迹，故又称为天体周日平行圈，与地球纬度圈对应。,（5）测者子午圈：过测者天顶、天底和两天极的大圆。 测者子圈：两天极之间包含测者天顶的半个大圆； 测者午圈：两天极之间包含测者天底的半个大圆； （6）格林子午圈：过格林天顶、天底和两天极的大圆。 格林子圈：两天极之间包含格林天顶的半个大圆； 格林午圈：两天极之间包含格林天底的半个大圆；,（7） 测者真地平圈：过E、S、W、N四方位基点的大圆。 方位基点的确定： N、S的确定：测者子午圈与真地平圈有两
5、个交点，靠近天北极的一点称为北；相对应的一点称为南； E、W的确定：天赤道与真地平圈交于两点，测者面向北点，左西右东。,（8） 垂直圈：过天顶、天底和天体中心的半个大圆；也叫方位圈；同时，由于该圈与真地平圈垂直，故又称为垂直圈。 （9） 黄道：地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆称为黄道。 （10） 春分点和秋分点：黄道与天赤道的交点称为春分点和秋分点。 （11） 春分点时圈：过两天极和春分点的半个大圆,4、天球的划分,（1） 上下半球：测者真地平圈将天球分为上下两半球。 （2） 南北半球：天赤道将天球分为南北两半球； （3） 东西半球：测者子午圈将天球分为东西两半球。,1、 第一赤道坐标
6、系（时角坐标系） 基准圆：天赤道、测者子午圈 辅助圆：天体时圈、赤纬圈,三、坐标系的建立,1.3 坐标天体赤纬（Declination, Dec） 定义：从天赤道起，沿天体时圈量到天体 中心的弧距；由090计算，向南天极度量为南，向北天极度量为北。 极距p：是天体赤纬的另一种表示方法，从仰极起沿天体时圈量至天体中心的弧距，由0180计算 两者关系：,天体地方时角（LHA：Local Hour Angle） 定义：测者午圈与天体时圈在天赤道上所夹的弧距；或定义为在仰极处从测者午圈向西（从天球外看向天北极，顺时针旋转的方向为西，反之为东）量到天体时圈的球面角。 度量：圆周法：由测者午圈开始沿天赤道
7、向西 度量到天体时圈，由0360计算，无需命名,半圆周法：由测者午圈开始沿天赤道向西或向东度量到天体 时圈，由0180计算，需命名。标注E或W。相互换算： 经验方法：采用十字架法。,天体格林时角（GHA：Greenwich Hour Angle）定义：格林午圈与天体时圈在天赤道上所夹的弧距；或定义为在仰极处从格林午圈向西（从天球外看向天北极，顺时针旋转的方向为西，反之为东）量到天体时圈的球面角 度量：圆周法：由格林午圈开始沿天赤道向西度量到天体时圈，由0360计算，无需命名。,起算点：格林时角为格林午圈；地方时角为测者午圈；两者相差一个经度。,格林时角与地方时角的转换,赤纬与测者无关；时角与测
8、者有关。 对于行星，赤纬与时角随天体的移动而发生变化。,1.4 坐标变化情况,1.5 第一赤道坐标系的不足,时角时刻在变化，该坐标系得到的只能是瞬时的天体位置。,基准圆：天赤道、测者子午圈 辅助圆：天体时圈、赤纬圈,2、第二赤道坐标系,天体赤纬（Declination, Dec）天体赤经（RA：Right Ascension）定义：在仰极处从春分点向东（从天球外看向天北极，顺时针旋转的方向为西，反之为东）量到天体时圈的球面角。由0360计算。,坐标,定义：春分点与天体时圈在天赤道上所夹的弧距；或定义为在仰极处从春分点向西（从天球外看向天北极，顺时针旋转的方向为西，反之为东）量到天体时圈的球面角
9、。由0360计算。由图11可知：RA+SHA=360,天体共轭赤经（SHA：Sidereal Hour Angle ）,定义：从格林午圈起，沿天赤道向西度量到春分点时圈的弧距。由0360计算。 由图11可知：GHA=GHA+SHA 又： 坐标变化情况 赤纬和春分点格林时角与测者无关；,春分点格林时角（GHA：Greenwich Hour Angle of Aries）, 基准圈：真地平圈、测者子午圈； 辅助圈：天体方位圈； 坐标 天体高度(altitude, h)：从真地平圈起沿天体方位圈量到天体中心的弧距，由090计算。从地平向上（天顶方向）为正（+），反之为负。 顶距（zenith dis
10、tance, Z）：从天顶起沿天体方位圈量到天体中心的弧距，由0180计算。,3、地平坐标系,从图中可以清楚的看出：,即仰极高度等于测者纬度。,定义：测者子午圈和天体方位圈在真地平上所夹的一段弧距。度量：圆周法：从N点起算，按顺时针方向沿真地平量到天体方位圈，由0360计算。半圆周法：北纬测者从N点起算，沿真地平向东或向西量到天体方位圈，由0180计算。南纬测者从S点起算，沿真地平向东或向西量到天体方位圈，由0180计算。,天体方位（Azimuth, A）,圆周法与半圆周法方位的换算：,第二节 坐标变换,一、天文三角形(Astronomical triangle)1、天文三角形的九要素三个顶点
11、：天顶、天体和仰极；三 边：,三 角：,2、注意事项：因为是三角形，故任一角度的取值范围在0180。,二、解算天文三角形,1、求天体计算高度hc和计算方位Ac的计算公式,1.1 航海实际：通常已知测者纬度，天体赤纬Dec，和天体地方时角LHA；,1.2 球面三角形的余弦公式和四联公式,1.3 使用上述公式注意事项：, 纬度恒为正（无论北纬还是南纬）； 赤纬与纬度同名为正，异名为负； 时角为半圆时角，取正值（无论西行还是东行）； 方位为半圆方位，第一名称与纬度同名，第二名称与半圆地方时角同名,例题7：已知测者纬度40N，天体赤纬Dec50N，天体地方时角LHA80W，绘图求取天体高度和方位。解：
12、,三、天球作图,1、绘制测者子午圈平面图,2、绘制天赤道平面图,3、绘制测者地平面图,第三节 航用天体,1、太阳系（Solar system）1.1 太阳(Sun)：直径139万公里、离地球1.5亿公里，太阳系的中心； 1.2 行星(Planets)：沿椭圆轨道绕太阳（或恒星）运动的天体叫行星；九大行星：按距离太阳由近及远的顺序排列依次为：水、金、地、火、木、土、天王、海王、冥王星；水星看不到，离太阳太近。天王、海王、冥王星看不到，离我们太远。 四大航用行星：金、火、木、土。,一、天体简介,卫星(Satellites)：围绕行星运行的天体； 恒星(Star)：最近的恒星（除太阳外）是半人马座的
13、比邻星,1、 星座和星名 恒星基本上是根据星的亮度等级，按希腊字母的顺序命名的，即从开始，依次为、，较亮的恒星有专名。 2 、星等 星等是表示天体明亮程度的等级单位。肉眼可见的星为6等星；亮度为它的2.512倍的星为5等星，亮度为5等 星亮度2.512倍的星为4等星，依次类推。 星等越小，星亮度越大；航海天文历记载航用恒星和行星； 航海上一般将星等小于1.5的恒星，称为一等星。,二、航用恒星识别,3、航用恒星识别春 大熊斗狮子，室女南十字；夏 天鹅携天琴，天蝎南三角；秋 仙后骑飞马，南鱼跃波江；东 御夫会猎户，大犬卧船底。 4、赤道上可见到全天星体；纬度越高，所见星体越少。,由于地球的自转和和
14、绕太阳的公转，以及天体的运行，使得天体随时间在不停的运动着，人们在地球上看到天体这种相对运动的现象称为天体视运动(apparent motion of celestial body),第三章 天体视运动,一、定义：天体每日东升西降，以一昼夜为这些后期运动的现象称为天体周日视运动(diurnal apparent motion of celestial body) 二、天体周日视运动的成因及其运动规律 2.1 成因：地球绕地轴自西向东的自转。 2.2 运行规律：方向：自东向西；轨迹：天体周日平行圈，严格讲应是两许的一条球面螺旋线。,第一节 天体周日视运动,2.3 天体周日视运动的现象 基本现象：
15、出没、中天、高度和方位的变相等现象； 天体的出没(rise and set of celestial body) 成因：天体中心通过测者地心真地平(celestial horizon)时称为天体的真出没，天体中心位于东方真地平时，称为真出(true rise)，天体中心位于西方真地平时，称为真出(true set),第一节 天体周日视运动,第一节 天体周日视运动,天体出没的条件：当 时，如果 同名，则刚好不没；如果 异名，则刚好不出；,第一节 天体周日视运动,天体的中天 定义：在周日视运动中，当天体中心通过子午圈时，称为中天。当天体中心通过测者午圈时，称为上中天(upper meridian
16、passage)。当天体中心通过测者子圈时，称为下中天(lower meridian passage)。 典型数据:LHA=0，当天体的赤纬与测者纬度异名或 且同名时，天体半圆方位角A=180，位置角X=0；当 且同名时，A=0，X=180。,第一节 天体周日视运动, 中天高度的计算上公式 ， 同名取正，异名取负。当,测者位于赤道上（=0） 测者位于两极上（=90N或S） 任意纬度：测者纬度越高，不出没的天体越多,不同纬度上天体周日视运动现象,三、天体周日视运动引起天体坐标的变化,1、天体时角的变化对其高度变化的影响（1） 当天体中天时，其高度变化最慢，在中天附近其高度变化缓慢；（2） 当天体
17、过东西圈时，其高度变化最快，且与测者纬度有关；（3）当天体距角时，其高度变化最快，且与天体赤纬有关； 2、天体时角的变化对其方位变化的影响 （1） 当天体中天时，其方位变化最快，且与赤纬和高度有关，当赤纬一定，高度越高，方位变化越快； （2）当天体距角时，其方位变化最慢； （3）当天体介于出没与东西之间圈时，其方位变化缓慢,第二节 太阳周年视运动,一、定义：太阳赤纬、赤经以意念为周期的循环变化，称为太阳周年视运动(solar annual apparent motion) 二、太阳周年视运动的成因 1、 成因：地球自转和地球绕太阳的公转；,2、 运动规律,3月21日 春分 0 0 昼夜相等 北
18、半球天文春季开始，太阳北赤纬开始逐渐增大 6月22日 夏至 90 2327N 昼长夜短 北半球天文夏季开始，太阳北赤纬开始逐渐减小 9月23日 秋分 180 0 昼夜相等 北半球天文球季开始，太阳南赤纬开始逐渐增大 12月22日 冬至 270 2327N 昼短夜长北半球天文冬季开始， 太阳南赤纬开始逐渐减小, 太阳周年视运动为不等速运动（开普勒定理）；从春分点到秋分点需要约186天，而由秋分到春分点约需179天；,3、 运动特征,第三节 行星、月亮视运动简介,一、行星视运动简介,1、行星相对太阳的视运动,顺行：行星大部分时间在天球上作自西向东的视运动 逆行：行星小部分时间在天球上作自东向西的视
19、运动 留：由顺行转为逆行或反之时，称为留；,上（下）合：当地内行星位于日地之间一点时称为 上（下）合； 大距：从地球上看地内行星偏离太阳的距角达最大时称为大距；行星位于太阳东边，称东大距；相反，称为西大距； 合、冲：延长日地连线与地外行星轨道交于两点，靠近地球的一点为冲，另一点称为合；,东方（西方）照：过地球作日地连线的垂线与地外行星的轨道交于两点，分别称为东方照、西方照；,行星动态周期,二、月亮视运动简介,地球旋转一周，月亮绕地球旋转13.2（360/27.32）；太阳向东偏移1（赤经日变化量）；则恒星先中天，随后太阳中天（4分钟后），最后月亮中天（再过49分钟）,月相变化示意图,第四章 时
20、间与天体位置,第一节 时间系统概述,一、时间特性,周期运动的稳定性（均匀性）周期运动的复现性（重复性）,第四章 时间与天体位置,时间分类,建立在地球自转基础上的世界时系统； 建立在地球公转基础上由力学定律所确定的历书时系统； 建立在原子能级跃迁基础上的原子时系统,二、世界时系统（Universal time system）,定义：建立地球自转基础上的时间系统，以地球自转周期作为时间的计量单位。 时间分类：按照参考点的不同，时间可分为： 恒星时(sidereal time)：以春分点为参考点； 视时(apparent time)：以太阳作为参考点 平时(mean time)或世界时(univer
21、sal time, UT, GMT)：以平太阳作为参考点,二、世界时系统（Universal time system）,世界时的变化特征地球自转变化的不均匀性，包括长周期变化、短周期变化、和不规则变化，以至于UT也不均匀；极移：地球自转过程中的“扭动”现象，从而使地极产生移 动，进而个点的经纬度发生变化，导致各地天文台测到的世界时之间存在微小的差别,二、世界时系统（Universal time system）,世界时UT分类： UT0：直接天文观测到的世界时。各地天文台测到的世界时之间存在微笑的差别； UT1：UT0经过极移改正后得到的世界时，这是真正反映地球自转的统一的时间；也是航海上使用的
22、时间； UT2：UT1经过季节改正后的世界时；仍然是不均匀的；,三、原子时系统(atomic time system),原理：原子内部的电子分布在不同的轨道上绕原子核旋转，当他们从一个轨道跃迁到另一个轨道（称为能级跃迁）时会放出或吸收一定频率的电磁波，该波极为稳定，利用这一特性，制造了原子钟。提出了原子时系统。(atomic time system),原子时(atomic time, AT)：以铯原子（CS）133原子基态超精细能级跃迁的电磁振荡9 192 631 770周所经理的时间间隔定义为1S的长度。原子时的起始历元为1958年1月1日0时。国际原子时(international ato
23、mic time, IAT)：由国际时间局（BIH）对100多台原子钟进行比对得到的时间；原子时的特点世界时是不均匀的，秒长近年来逐渐拉长，而原子时较均匀，两者之间的误差越来越大；,以原子时秒为时间计量单位，在时刻上与世界时UT1保持在0S.9之内。从1972年1月1日世界时00 h 开始。协调方法：跳秒，分正跳秒和负跳秒； 正跳秒：23h59m60s之后是次日的00h00m00s,实质是把原子时的时刻推迟一秒； 负跳秒：23h59m58s之后是次日的00h00m00s,实质是把原子时的时刻提前一秒；,协调世界时（coordinated universal time, UTC）,时间系统关系图
24、,第二节 恒星时,一、恒星日 定义：在周日视运动中，春分点连续两次经过某地午圈所经历的时间间隔称为一恒星日，即：1恒星日=天球旋转360所经历的时间间隔 恒星日分割： 1恒星日=24恒星小时 1恒星小时=60恒星分钟 1恒星分钟=60恒星秒 则：24h=360 1h=15 1m=15 1S=15 即：1=4m 1=4S,二、恒星时 地方恒星时(local sidereal time, LST) 定义：在周日视运动中，春分点由某地午圈起，向西运行所经历的时间间隔称为恒星时； 地方性：与测者有关；LST2=LST1+DD=2- 春分点上中天，LST=00h； 恒星时具有“东大西小”的关系；这也是时
25、间的普遍规律。,格林恒星时(Greenwich sidereal time, GST) 定义：在周日视运动中，春分点由某地午圈起，向西运行所经历的时间间隔称为恒星时；显然是地方恒星时的一个特例； 地方恒星时与格林恒星时的关系： 恒星时与春分点时角的关系： 恒星时的不足： 恒星时的时刻与昼夜关不固定；不适用于日常生活。,第三节 视时,一、视太阳 1、 定义：在周日视运动中，太阳中心连续两次经过某地子圈所经历的时间间隔称为一视太阳日。 2、 视太阳日分割： 1视太阳日=24视太阳小时 1视太阳小时=60视太阳分钟 1视太阳分钟=60视太阳秒 则：24h=360 1h=15 1m=15 1S=15
26、即：1=4m 1=4S,3、 视时(local apparent time, LAT)定义：在周日视运动中，视太阳由某地子圈起，向西运行所经历的时间间隔称为视时；地方性：与测者有关；LAT2=LAT1+DD=2-1 视太阳上中天，LAT=12h； 恒星时具有“东大西小”的关系；这也是时间的普遍规律。,4、 视时与太阳圆周地方时角的关系,5、 视时的缺陷 现象：时间计量长度逐日不一致。 原因：太阳赤经日变化量；,第四节 平时,一、平太阳定义：是一个假象的天体，它在天赤道上向东做匀速的周年视运动，其速度等于视太阳在黄道上运行的平均速度。,二、平太阳日 1、定义：在周日视运动中，平太阳中心连续两次经
27、过某地子圈所经历的时间间隔称为一平太阳日。 2、 平太阳日分割： 1平太阳日=24平太阳小时;1平太阳小时=60平太阳分钟 1平太阳分钟=60平太阳秒 则：24h=360 1h=15 1m=15 1S=15 即：1=4m 1=4S,3、平时与视时的关系 平太阳赤经日变化量： 或 即：平太阳日比恒星日长4分钟。 即：平太阳日比恒星日长4分钟。,三、平时 1、平时(mean time, MT)地方平时(local mean time, LMT)定义：在周日视运动中，平太阳由某地子圈起，向西运行所经历的时间间隔称为平时； 平时与地方时角的关系,使用平时的注意事项,平时的起点为00h的瞬间，所以指出平
28、时的同时应标注日期；平时具有地方性（东大西小）； LAT2=LAT1+DD=2-1,格林平时(Greenwich mean time, GMT)定义：在周日视运动中，平太阳由格林子圈起，向西运行所经历的时间间隔称为平时； 使用平时的注意事项 平时的起点为00h的瞬间，所以指出平时的同时应标注日期；格林平时有地方平时的关系（东大西小）；,1、 定义：,2、,时差变化曲线图：最大不超过17分,四、时差(equation of time, ET),第五节 区时,一、问题的提出：若全世界都采用同一时间，则同样都是6点，如果中国太阳日出，美国则太阳落山。使用不方便。 二、区时制(zone time sy
29、stem) 1、 时区划分 全球共分25个1 全球共分25个时区，除东、西十二区为7.5外其余各区均为15； 中央经线经度：=15n(其中n=0，1，2，12 ),2、区号(zone description, ZD)：时区的顺序号。零时区为0，以此为基准，东时区的区号依次为-1、-2、-12；西时区的区号依次为+1、+2、+12；（时间东大西小）。还可以英文字母表示：零时区为Z，以此为基准，东时区的区号依次为A、B、M；西时区的区号依次为N、L、Y；（时间东大西小）。时区忠言经线经度：时区区号的求取：,三、区时ZT1、 区时(zone time, ZT)：时区中线的地方平时作为该时区的区时。通
30、常要注明区号和日期。 海员通常做法：ZT0930（-8）； 区时的换算：,2、 船时(ships mean time, SMT)；船钟指示的时间，一般船钟指示所在时区的区时（特殊情况除外，如跨时区拨钟） 3、 区时ZT与世界时GMT的关系4、 区时ZT与地方平时LMT的关系,四、拨钟1、 船舶向东航行，应将船钟拨快1小时；船舶向西航行，应将船钟拨慢1小时； 2、 船舶由东12区进入西12区或反之，均不用拨钟，但日期相差一天； 3、 拨钟方法，由船长决定； 4、 拨钟方法（以东八区进入东九区为例）： 4.1 拨快一小时：通常由三副在21点将船钟拨快一小时，航海日志中应加以记载：2100 船钟拨快
31、1小时 SMT=GMT+0900。,4.1.2 海员通常做法（1）：1小时的时间由三个航行班均摊； 三副与二副交班船时：SMT=2400+0040=0040（-9） 二副与三副交班船时：SMY=0400+0020=0420（-9） 大副与三副交班船时：SMT=0800（-8）； 4.1.3 海员通常做法（2）： 三副：2100船钟拨快20分钟 SMT=GMT+0820； 二副：0100船钟拨快20分钟 SMT=GMT+0840；大副：0500船钟拨快20分钟 SMT=GMT+0900；,1、 日界线：又称国际日期变更线。 例题：2002年10月30日，ZT0000（-12），在同一时刻，求西十
32、二区时区的区时。 解：D=2-1=（-12h）-(+12h)=-24h,五、日界线(date line),ZT1 0000 30/10-2002D -2400 ZT2 0000 31/10-2002,2、 船舶向东航行穿过日界线（东十二区进入西十二区）日期减少一天（重复一天）；船舶向西航行穿过日界线（西十二区进入东十二区）日期增加一天（跳过一天）； 3、 住在楚科奇半岛和堪察加半岛的居民是全世界最早迎接新年的人；住在与其相对的阿拉斯加的居民要等一昼夜才能迎接新年；,第八节 影响天体位置的因素,一、岁差和章动(precession and nutation) 1 、岁差定义：由于太阳、月亮和行星对旋转的椭球体地球的引力作用，使地轴产生进动，表现为地轴在空间绕着黄北极和黄南极的连线按顺时针方向旋转，该现象称为天极的岁差和章动。日、月岁差; 行星岁差; 周年总岁差 2 、章动：真天极绕平天极做顺时针方向近似椭圆的运动现象。 3、 光行差 4、 视差,
