Определение координат по солнцу прибор

Устройство для определения широты и долготы по Солнцу — «круйзерфикс»

Если вы, приобретя известный опыт судоводителя-любителя или яхтсмена, преодолели первые барьеры сложности практической навигации и не собираетесь останавливаться на достигнутом, следующей ступенью будет заманчивая, но труднодоступная область мореходной астрономии. Действительно, упрощенных учебных пособий по мореходной астрономии для любителей водных видов спорта у нас нет, астрономические таблицы и приборы в магазинах не продаются. Учебный курс по этому предмету не входит даже в программу подготовки яхтенных капитанов, которые выводят свои суда в открытое море. Как же быть?

Предлагая вашему вниманию краткое описание оригинального прибора, позволяющего приобщиться к мореходной астрономии, отметим, что и его, к сожалению, приобрести в наших магазинах нельзя. С этим английским изобретением впервые познакомил своих читателей в марте 1974 г. журнал «Yachting Monthly», выходящий в Лондоне.

Получив непосредственно от изобретателя «круйзерфикс» — так Джеральд Данн назвал свой прибор, редакция обратилась к капитану-наставнику Балтийского морского пароходства кандидату технических наук Н. Я. Брызгинус просьбой детально ознакомиться с его устройством. Положительный отзыв профессионального судоводителя и стал основой для подготовки материала к публикации. А тем временем мы и сами смогли убедиться в наглядности и простоте использования «круйзерфикса» на практике.

Сам принцип использования «круйзерфикса» исключает необходимость углубления в теорию. Внимательно прочитав статью, читатель в этом убедится.

«Круйзерфикс» — небольшое, дешевое (все детали вырезаны из листового пластика) и несложное устройство, предназначенное для определения широты и долготы места по Солнцу. Для его использования достаточно знать сложение и вычитание, производить простую интерполяцию и считывать время. Прибор основан на столь же древних принципах, как само понятие времени, как солнечные часы. Это — своего рода усовершенствованный полинезийский кокосовый орех с отверстием, с помощью которого древние мореплаватели ориентировались по Солнцу.

«Круйзерфикс» вначале служил лишь наглядным пособием при чтении лекций по элементарной практической астрономии. С его помощью слушатели получали общие представления о предмете, прежде чем переходить к изучению тонкостей дела. Только случай привел к тому, что прибор нашел практическое применение. Случилось так, что пятнадцатилетний юноша по имени Патрик, не имевший никакой специальной подготовки, взяв в руки «круйзерфикс», оказавшийся на яхте, на которой он шел с отцом из Англии в Норвегию, с удивительной точностью определил свое место. В дальнейшем, натренировавшись, он смог рассчитывать долготу с точностью до 1,75 мили от действительной.

Столь высокий уровень точности можно получить далеко не во всех случаях. Возможности столь простого прибора в принципе ограничены, реальную величину ошибки стоило бы оценить цифрой 15 миль в любой момент наблюдения Солнца. Однако, если выполнить серию из четырех-пяти обсерваций и взять среднее значение, величина ошибки может снизиться примерно в три раза, т. е. до 5 миль (радиус «окружности сомнений»). Думается, что капитана малого судна, обладающего незначительной осадкой и хорошими маневренными качествами, такая точность устроит вполне и позволит уверенно вести непрерывное счисление при плавании в открытом море.

Конечно же, на точность определений при помощи «круйзерфикса» влияет и состояние моря — с усилением волнения она существенно снижается. Но, впрочем, эта оговорка относится и к секстану, и к другим приборам. Работа с «круйзер-фиксом» в качку требует хороших навыков: для определения долготы прибор необходимо постоянно удерживать как можно точнее относительно горизонта и в вертикальной плоскости.

Прибор одобрен экспертами Национального морского музея Великобритании (и выставлен в коллекции достойных внимания навигационных средств разных времен), Королевского института навигации, Королевского Географического общества, ряда университетов и колледжей. Несколько научных экспедиций уже пользовались им. Тысячи яхтсменов разных стран включили его в арсенал имеющихся на борту навигационных средств. Так что не будет преувеличением считать, что «круйзерфикс» соответствует своему назначению при условии, что его возможности учитываются и он используется со здравым смыслом.

Прибор состоит из трех вращающихся на общей оси с винтовым зажимом частей: прямоугольной пластины (базиса), полукруглой пластины (протрактора) и крестовины (алидады).

На базисе нанесены график для перевода истинного солнечного времени в местное и шкала склонений Солнца в зависимости от времени года. На оборотной стороне приведена краткая инструкция по использованию прибора.

На протракторе имеются шкала для перевода единиц времени в градусы долготы и шкала широт, нанесенная по краю полуокружности.

На рабочих поверхностях алидады нанесен часовой циферблат истинного времени — солнечные часы (от 03 до 21 часа).

Для определения координат кроме «круйзерфикса» необходимо иметь компас и достаточно точные часы, показывающие гринвичское время.

Определение широты

Широта места наблюдателя определяется сравнительно легко и с большой точностью. Для этого нужно взять меридиональную высоту солнца точно в полдень, когда солнце занимает наивысшее положение над горизонтом и располагается в плоскости меридиана. В этот момент наблюдатель в северном полушарии видит его точно на юге, в южном — на севере.

Диск протрактора поворачивают, устанавливая нулем шкалы широт против соответствующей даты наблюдения на шкале склонений, имеющейся на базисе. Этим учитывается наклон земной оси к горизонту, изменяющийся в зависимости от времени года.

Прибор устанавливается в плоскости меридиана, т. е. ребро его направляется точно на солнце, и удерживается рукой так, чтобы верхняя кромка базиса была горизонтальна.

Затем алидада вращается таким образом, чтобы луч света, проходящий сквозь отверстие — прорезь в поперечине крестовины, лег точно на среднюю черту стойки крестовины; при этом нижний конец черты окажется против цифры на шкале широт, указывающей широту места наблюдателя. Обычная точность определения широты «круйзерфиксом» ±15′.

Определение долготы

Определение долготы несколько сложнее и требует простейших вычислений. Известно, что долгота выражается в градусах и минутах дуги экватора к востоку или западу от нулевого (Гринвичского) меридиана либо в часах и минутах того промежутка времени, который отделяет момент полудня на Гринвичском меридиане от соответствующего момента на меридиане наблюдателя. Эти две системы записи долготы взаимосвязаны, так как земля вращается со скоростью 15° в час.

Определение долготы места сводится к определению местного времени на меридиане наблюдателя и сравнению его с временем — в данный момент — по Гринвичу.

Алидада предварительно устанавливается нижним концом против цифры определенной ранее широты на соответствующей шкале протрактора, Затем протрактор вместе с алидадой поворачиваются относительно базиса так, чтобы ноль шкалы широт встал против даты наблюдения (как и при определении широты).

Прибор держится вертикально и так, чтобы верхняя кромка базиса была горизонтально По компасу ориентируют прибор, чтобы он лежал в плоскости истинного меридиана — с учетом магнитного склонения и девиации компаса при этом верхний конец крестовины оказывается направленным точно на юг в северном полушарии или на север, если наблюдения делаются южнее экватора. На какой-то одной из шкал крестовины появится солнечная тень от верхнего конца ее стойки с четкой границей поперек шкалы против какой-либо отметки времени. Это и будет истинное солнечное время данного места. Оно зависит от времени года и отличается от среднего солнечного времени, принимаемого в расчетах координат постоянным и показываемого механическими часами, в ту или иную сторону, но не более ±15 минут. Эту поправку и определяют по графику на базисе.

Вписав снятое с солнечных часов значение истинного времени в расчетную табличку, отпечатанную в правом нижнем углу базиса, и добавив к нему поправку на дату наблюдений, можно подучить среднее местное время LMT. Сравнив LMT с замеченным по часам и вписанным в ту же табличку средним гринвичским временем GMT в момент наблюдения и вычтя меньшее из большего, наблюдатель получает долготу места в единицах времени. Остается перевести их в градусы и минуты по шкале на протракторе.

Долготу рекомендуется определять в период времени от 10 до 14 часов, т. е. ближе к полудню; тогда точность прибора оказывается выше.

«Круйзерфикс» можно улучшить, однако и в своем сегодняшнем виде этот нехитрый прибор «нокаутирует культ астронавигации».

Источник

Устройство секстанта и правила использования

В древности не было даже представления о спутниках, постоянно находящихся над Землей, передающих сигналы нахождения объектов, Но людям необходимы были механизмы для определения ориентиров движения. Многочисленные руководства, учебники, пособия по навигации описывают их технические характеристики, как использовать секстант и другие средства измерения.

История создания

Первое упоминание о примитивных прообразах такого угломерного средства измерения встречается в старинных манускриптах, рассказывающих о путешествиях, открытии новых стран, звезд, мореплавании.

Из-за своего устройства инструмент получил название «sextans» (перевод с латинского означает шестой).

Сначала был изобретен компас для определения направления движения. При помощи часов высчитывали долготу, астролябии — широту, но они не давали точных результатов.

Ученые многих стран занимались усовершенствованием угломерных изделий. Но история сохранила только два имени тех, кто изобрел секстант одновременно, используя научный потенциал того времени. Это Джон Хэдли из Англии, Томас Годфрис из США.

Независимо друг от друга в 30-е годы XVIII столетия они разработали структуру октанта, сократив шкалу измерения до одной восьмой окружности, а капитан Камбел в 1757 году усовершенствовал изделие, уменьшив лимб до шестой части круга.

Это изделие стали называть морским секстаном, ставшим прародителем современных угломерных инструментов для навигации.

Принцип его действия, как предшествующего октанта, основан на принципе двойного отражения, изобретенным в 1699 году Исааком Ньютоном.

Отражательная оптическая система, состоящая из двух зеркальных поверхностей или призм, позволяет быстро, с точностью выполнять угловые измерения.

Разные модели отличаются:

• строением рамы,
• алидадой с осью,
• отсчетным устройством.

Сначала использовали только верньер – пластинку, где деления были короче, чем на главной шкале лимба. Современные производители оснащают изделия микрометрическими винтами, отсчетными барабанами, зубчатыми рейками.

Эти модели позволяют осуществлять угловой отсчет угла быстрее, но требуют специальной методики наблюдений, более тщательного ухода.

Сегодня для кораблей морского флота выпускают модели приборов с искусственным горизонтом ИМС, ИМС, изделия СНО, СНО-2М, СНО- М, перископические, новейшую конструкцию с осветителем секстанта СНО-Т тропикоустойчивого варианта.

Некоторые морские суда оснащаются немецкими моделями VEB и «Плат».

Отличительная черта секстанта в том, что с его помощью высота небесных объектов измеряется по отношению к горизонту, а не по отношению к конструкции средства измерения. Это дает более точные координаты, чем предшествующие угломеры.

Астрономический инструмент

Потребность ориентирования у человечества росла вместе с освоением животноводства, земледелия, мореплавания. Для этого люди изучали движение звезд, Солнца и Луны, создавали механизмы систематизации светил и планет.

С возникновением эклиптики, разбитой на 12 частей, появились названия формируемых созвездий и создавались центры, подобные обсерватории Улугбека в Самарканде, которые оснащались астрономическими инструментами:

От квадранта и октанта прибор секстант отличается тем, что у него 6 долей окружности, а не 4 и 8 соответственно. В остальном принцип измерения этими угломерами одинаков.

По конструкции древнейшие средства измерения представляли собой дугу, разделенную на одноградусные деления для определения положения планет.

Восточный математик и астроном Аль-Худжанди в IX – X веке создал один из крупнейших инструментов.

Он представлял собой фреску, расположенную на 60-градусном отрезке дуги длиной 43 метра внутри здания. Каждое одноградусное деление было ювелирно точно разделено на 360 частей. Над дугой располагался потолок в виде купола с отверстием посередине, через которое лучи солнца попадали на древний угломер.

Устройство

Конструктивно прибор состоит из

• рамы,
• лимба,
• алидады,
• зрительной трубки,
• большого и малого зеркала,
• светофильтров,
• лупы,
• рычагов зажима алидады,
• отсчетного элемента,
• винтов для поправок измерений.

Детали, циферблат секстанта смонтированы на раме. Лимб образован двумя радиусами, дугой. Зеркало меньшего размера с прозрачной половиной и светофильтры крепко смонтированы на радиусе слева.

На вершине рамы смонтирован двигающийся радиус, называемый алидадой. На его одном конце закреплено зеркало большого размера, а другом – отсчетное устройство, разделенное на 60-минутные частички. Визирная трубка прикреплена к специальной стойке.

Принцип получения координат, используя устройство секстанта, остался таким же, как в прошлые века. Конструкция на поверхности одного зеркала спускает Солнце до линии горизонта, которая видна на поверхности другого зеркала, и указывает угловое отклонение на отсчетной детали.

Производители комплектуют современные модели отсчетно-стопорными устройствами, состоящими из микрометрического винта, отсчетного барабана, зубчатой рейки. Так как эти конструкции требуют специального метода наблюдений, современные изготовители предлагают модели с автоматическим съемом, дистанционной передачей данных для записи, дальнейшей компьютерной обработки.

Подробно о том, как работает такой секстант, описывает инструкция, прилагаемая к прибору.

Технические характеристики

Все виды секстантов очень похожи. Они различаются только отдельными деталями. Значение угла показывается в градусах индексом алидады, а минуты — отсчетным барабаном. Штрихи лимба и барабана покрыты светящимся красителем.

Каждый прибор для навигации снабжается формуляром с техническими характеристиками, результатами определения инструментальных поправок в лаборатории предприятия. Приводится также мертвый ход морского секстанта, указывается срок действия поправок, после которого необходимо провести переаттестацию инструмента.

При использовании на водных объектах рекомендуется контроль параллельности трубы и лимба один раз в квартал, перпендикулярности зеркал — еженедельно.

Следует учитывать, что 60-градусный сектор, давший название инструменту, реально отражает углы в диапазоне от 0 до 120 градусов, а из-за использования зеркал «шкала» «сужается» точно вдвое.

Правильное использование – гарантия точности

Секстант как угломерный инструмент считается самым точным из «классических» приборов. С одной стороны, им определяется вертикальный угол между горизонтом и небесным объектом, выбранным для расчета координат нахождения морского судна.

С другой стороны — для определения горизонтального угла при наземных измерениях.

Для получения правильных значений высоты, необходимо четкое наложение изображений в поворотном зеркале.

Модели угломеров типа тропикоустойчивого секстанта сно т оснащаются жидкостным уровнем или гироскопом, благодаря чему можно применять прибор без наблюдения естественной линии горизонта.

Его можно использовать на кораблях неограниченного региона плавания. Как правильно настроить и использовать секстант производители описывают в паспорте изделия.

Регулировка

Точно измерить угол светила можно только при правильной установке угломерного прибора. Чтобы убедиться в том, что секстант расположен вертикально, конструкцию перемещают из стороны в сторону. Это вызывает колебания изображения. Прибор установлен правильно, когда светило находится внизу кривой.

Из-за высокой чувствительности конструкции легко сбивается его настройка, поэтому необходима частая корректировка.

С ее помощью можно устранить ошибки:

• большого и малого зеркала,
• параллельности,
• индекса.

Преимущества:

• визирование объектов осуществляется одновременно,
• простота, быстрота определения географических координат,
• точное позиционирование на уровне горизонта и контроль наклона.

Как сделать секстант самостоятельно

Для того, чтобы сделать простейший секстант своими руками, нужно склеить небольшую трубку — окуляр. Лучше из картона. Из него же сделать объектив – трубку побольше диаметром. Вставленный в него окуляр при движении не должен качаться.

Из фанерного листа изготовить сектор и алидаду. К нижней дуге сектора приклеить Шкалу из бумаги приклеить к нижней дуге сектора, отметив на конце черту. Нанести разметку, разделив на 120 частей 60-градусный угол.

Соединить алидаду с сектором, закрепить болтиком в середине. С другой стороны, сделать рукоятку.

По центру вращения закрепить маленькое зеркало отражающей поверхностью к наблюдателю.

Зеркало размером больше и с очищенной от амальгамы верхней половиной закрепить у переднего выступа сектора. Его поверхность должна быть параллельна поверхности маленького зеркала, когда алидадная черта совпадает с нулевой отметкой.

Для измерений необходимы знания астрономии, геометрии, тригонометрии.

Источник