铁门关市茉莉茶 / 精品 / 航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文...

分享

   

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

2019-03-31  铁门关市...

一、

六分仪是一种光学仪器,可以测量远方两个目标之间的夹角——最常用的是测量天体与海(地)平线或天体与天体之间的夹角。测出夹角,再查得当天太阳直射点的纬度,就能确定观测者所在的纬度。这对航海有重大意义。自18世纪面世以来,六分仪一直是重要的定位和导航工具。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

六分仪简化之后,就是这样。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

包括两大部分。第一部分,包括架体、分度弧、望远镜、半透明半反射的地平镜,都是固定住的。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

这个角是60度,但分度弧的刻度是0度到120度。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

另一部分,是指标臂,以及固定在指标臂上的指标镜。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

地平镜与指标臂归零时的指标镜平行。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

为了更简化,这里设定指标臂归零时,地平镜、指标镜、0刻度线,三者平行。

二、

观测者通过望远镜和地平镜,注视着远方的海平线。上中天的太阳,其光线射向了指标镜。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

转动指标臂,让阳光反射到地平镜上。观测者的视野里,开始出现太阳的影像。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

当太阳影像与海平线相切时,指标臂的指针对准的刻度,就是太阳此时的高度角(太阳高度角就是太阳光的入射方向和地平面之间的夹角)。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

这是极度简化的操作方法。实际使用时,要有校准和调整的步骤,还要确保六分仪垂直于地面(以望远镜的光轴为轴心,让整个六分仪左右摇摆,使得视野中的太阳影像对海平线作钟摆运动时,不会下沉到海平线以下)。并且,使用六分仪测天体高度,不是只测一次就得出结论,而是要连续多次测量。

另外,更多时候,是先对准太阳,让阳光从地平镜和望远镜中通过,再慢慢地将海平线拉入视野。

当然了,一开始不必了解这么细,先知道大概的原理就行。

有一点需要说明,人类的眼睛不是钛合金狗眼,承受不住正午阳光的直射,所以六分仪装上了可以活动的滤光片。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

三、

现在我们来看六分仪测量天体高度角的原理。以下就是证明的过程(其实就是一道初中的几何证明题,非常简单):

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

指标臂角度归零的时候,地平镜、指标镜和0刻度线,这三者是平行的。所以∠2,其实也等于指标镜与0刻度线的夹角。

有些六分仪的地平镜,用的不是半反半透的镜片,而是由一半镜子一半玻璃拼接而成的。用起来都差不多。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

四、

观测者用六分仪测到了正午太阳高度角,再从天文历上查到当天的赤纬角(地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角,其实也就是太阳直射点的纬度)。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

有了正午太阳高度角和赤纬角(太阳直射点的纬度)这两项数据,观测者就知道自己所在的纬度了。

太阳高度角=90°-|观测者纬度±太阳直射点的纬度|

(同减异加——观测者和太阳直射点都在赤道的同一边,就用“-”号;如果在赤道的两边,就用“+”号)

正午太阳高度角、太阳直射点的纬度、观测者的纬度,这3个量,只要知道其中任意两个,就可以求出第三个。

如果测量的是北极星,那就更方便了。北极星的高度角,就可以直接看做是当地的纬度,连天文历都不用查。

五、

现在,纬度已经求出来了。经度该如何求呢?

举个例子,假设你的钟表,显示的是你出发地的时间。在出发地,太阳上中天的时间是中午12点。而现在,才11点太阳就上中天了。这说明,你现在的位置在出发地的东边,经度相差15度。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

现在已经算出了观测者所处的经度。如果还想更精确一点,就得校正平太阳日和真太阳日的差值所带来的误差。

真太阳日,是太阳连续两次经过上中天的时间间隔,也就是一天真正的长度。真太阳日,是长短不等的。也就是说,太阳上中天的时间,不一定是正午12点钟。比如今天早几秒,明天晚几秒。

平太阳日,是真太阳日的全年平均值。平太阳上中天的时刻都是正午12点整。

为了精确地求得自身所在的经度,观测者需要先用平太阳,算出自身所处位置与基准位置(比如出发地)之间的经度差。再通过查阅天文历,来校正平太阳和真太阳的差值所产生的误差。

六、

在没有无线电定位等方法的时候,航海过程中要确定自己的位置,需要六分仪、航海钟、天文历这三样东西。

但是走时精确的航海钟,是在发明六分仪之后很久才出现的。在此之前,航海家们的常用导航工具,是六分仪和星表。

陆地上的天文台长期观测,积累了丰富的天文数据,其中包括任意时刻月亮在星空上的位置,将其记录在星表里。在海上的水手们,用八分仪或六分仪测定月亮在天球上的位置,再对照星表,得出当地时间。其实就是把星空当做是表盘,把月亮看做是指针,以此来确定当地时间,得出当前地点与基准地点(比如出发地)的时间差,进而算出当地的经度。这就是“天钟法”当中的“月距法”。

“月距法”的精确度还不错,但比不上后来的“时钟法”。在使用便捷性方面,“月距法”更是远远不及“时钟法”。

走时精确的时钟普及以后,“月距法”就没什么人用了。

七、

回到六分仪上。直到今天,六分仪仍是被广泛认可的备用定位仪器。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

现在的六分仪,分度弧的刻度多是从-5度到130度或140度,测量范围都明显大于120度,实际上算是“五分仪”。但因为习惯,还叫六分仪。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

而更早之前,人们用过八分仪。顾名思义,八分仪的分度弧是45度,是一周360度的八分之一,测量范围是90度。六分仪出现后,八分仪就被淘汰了。

航海六分仪的原理和使用,一看就懂(图文详细版)

前面说了,六分仪和八分仪的功用,是测量天体的高度角或者天体与天体之间的夹角。这东西是18世纪才发明的。在此之前,人们用什么来实现类似功能呢?那就五花八门了,普遍使用的有星盘、直角仪等,效果都不太好。所以要再配合罗盘指向,以及通过计算海船和水流的速度,在航海图上推算实时位置、标记航迹的方法来定位和导航。多种方法相互对比验证,不断修正,减小误差。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多

    ×
    ×

    ¥.00

    微信或支付宝扫码支付:

    开通即同意《个图VIP服务协议》

    全部>>