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上海海事职业技术学院航海学笔记第五章 天文定位与导航天文航海(celestia1 navigation)主要研究船舶在海上如何利用天体导航定位和测定罗经差，同时阐述了与船舶安全、经济运行密切相关的时间系统。第一节 概 论19世纪中叶，由法国航海家圣希勒尔(StHilaire)提出的高度差法又称截距法为天文航海奠定了理论基础，并在航海实践中得到了广泛的应用。但是，天文航海受自然条件限制，不能全天候导航、必须人工观测、计算繁琐等缺点的影响限制了它进一步的发展，特别是卫星导航的出现，使它从居于主要的导航地位退到次要的导航地位。由于它具有设备简单、可靠，观测的目标是自然天体而不受人控制，并且不发射任何声、光和电波而具有隐蔽性等优点，使其在现代航海中仍是航海人员所应掌握的主要导航方法之一，同时它也是衡量航海人员基本素质的标准。一、天文定位基本概念船舶在海上航行，无论采用什么方法测定船位，都可以归结为求两条或两条以上船位线交点的问题。在某一时刻，利用航海六分仪(专用测角仪器)观测某一天体的高度(天体与水天线之间的垂直夹角)，经过一系列的计算，可以求得一条天文船位线。如果同时观测了两个天体，则可得到两条天文船位线，该两条船位线的交点就是天文观测船位。根据所测天体高度和观测时的准确时间求天文船位线和船位的问题是天文航海要解决的主要问题之。在天文航海中，通常采用地球的第一近似体地球圆球体来研究天文导航的问题，由此而产生的误差一般可忽略不计。图411表示地球，A为测者，天体B的中心与地心O的连线交地面于点PG (geographical position)，称为天体地理位置。测者用六分仪观测天体B的高度，经几项高度改正之后可求得天体地心真高度，又称天体真高度h t 。测者A至天体地理位置PG的球面距离APG可用其所对的球心角90h t 表示，称其为真顶距Z 。这样，以PG为圆心，球面距离即真顶距Z90h t 为半径，在球面上可作一小圆 ( 图411中，过A 、A的小圆 )，测者A一定在该圆上，我们称这个圆为天文船位圆或等高度圈，即：每观测一天体均对应一个天文船位圆；反之，在该圆上的测者，在同一时刻，观测同一天体B的高度均相等，所以天文船位圆又称等高度圈。圆心可以根据观测天体高度的时间从航海天文历中查取，而半径可根据天体的观测高度经汁算得到。如果测者同时观测两天体的高度，则可得到两个天文船位圆，两个天文船位圆会有两个交点，靠近推算船位c的一点，即观测船位，如图4l2所示。二、天文航海主要内容天文航海主要包括两部分内容：第一部分是观测天体定位，即观测天体的高度同时记下观测时间来确定船舶在海上的位置，这里主要介绍天文定位的方法、设备和误差，其中还严格定义了为保证船舶安全、经济运行所必须掌握的时间系统；第二部分是观测天体求罗经差，即观测天体的罗方位同时记下观测时间来确定罗经差，这部分主要介绍观测天体求罗经差的方法。1观测天体定位观测天体定位就是观测天体高度测定船位。如前所述，利用天文方法定位，首先要求得天文船位圆，即圆心和半径。圆心PG可以认为是天体在地面上的投影点(视地球为均匀的圆球体)，因此要求得PG ，首先要知道天体在天空中的位置，为确定天体在天空中的位置，则需建立天球和天球坐标系。由于地球的自转和公转以及天体的自行，使得天体在天空中的位置随时间在不断地变化，因此，要得到天体准确位置,则需了解天体视运动和时间系统。根据观测天体高度时的准确时间，可以从航海天文历中查算出天体准确位置，这样也就得到了天文船位圆的圆心PG 。本章从第二节至第四节就是按上述过程介绍求天文船位圆的圆心问题。利用航海六分仪可以直接测得天体与水天线之间的垂直夹角而求得天体的观测高度，经 几项高度改正后可以得到天体真高度h t ， 即得到天文船位圆的半径(90h t)。这就是本章第五节要解决的问题。一般情况下，天文船位圆相当 大，即 半 径 很长 ( 如h t = 30，则 半 径 为 60=3 600n mile)。在航海实际工作中，不必，往往也不可能把天文船位圆全部在海图上画出来，而只要画出靠近推算船位附近一小段天文船位圆的圆弧即可。由于该圆弧曲率很小，则可用其切线来代替，这条切线就是我们要求的天文船位线(如图412中的II和，两者的交点即天文观测船位)。将画天文船位圆转化成画天文船位线的方法称为高度差法。如何利用高度差法求天文船位线以及怎样求得天文观测船位，这就是第六节、第七节要解决的问题。2观测天体求罗经差观测天体求罗经差是目前船舶在大洋中航行测定罗经差的主要方法。这部分内容将在第八节里介绍。上海海事职业技术学院航海学备课笔记第二节 天球坐标系天球坐标是确定天体在天空中位置的坐标系统。天体位置确定之后，测者与天体之间才能借助数学方法，即通过球面三角公式相互联系起来，从而可以解决诸多天文航海上的实际问题。一、天球坐标系确定天体在天球上位置的球面坐标系称天球坐标系。由于天球上采用的原点和基准大圆不同，可采用多种不同的天球坐标系，在天文航海上常用的是赤道坐标系和地平坐标系。1天球每当我们仰首望天，总感觉天空好像是一个倒扣过来的半球形，太阳、月亮、行星和恒星，无论离我们远或近，都好像镶嵌在这个球面上，而地球恰好位于这个半球的球心。因此，为了研究问题方便，我们定义以地心为球心、以无限长为半径所作的球面叫天球(celestial sphere)。所有天体(无论远近)都分布在天球面上，它们在球面上的位置称为天体位置，即延长地心与天体中心的连线交于天球球面上的一点。2天球上的基本点、线、圈要在天球上建立天球坐标系，必须要确定一些基本点、线和圈。由于可以把天球看做是由地球圆球体表面无限扩展而形成的，因此，天球上的点、线、圈都可以看做是地球上的点、线、圈在天球上的投影，两者有着一一对应关系，只是名称不同而已。它们之间的对应关系见表421：表421地球地轴北极南极赤道纬度圈经度圈格林经线测者经度天球天极天北极天南极天赤道赤纬圈时圈格林午圈测者午圈(1)天轴和天极地球自转轴Pn PS向两端无限延伸得到天轴 (celestial axis)。天轴和天球相交于两点，对应于地北极的一点PN称天北极，对应于地南极的一点PS称天南极，统称天极(celestial poles)，见图 421。(2)天赤道地球赤道平面无限向四周扩展与天球球面相截 所得的大圆，称天赤道(celestial equator)。如图 421中垂直于天轴的大圆 QQ。天赤道上任意一点距两天极的球面距离都为90。天赤道将天球分为北天半球和南天半球。(3)天体时圈过两天极和天体中心的半个大圆PNBPS称天体时圈(hour circle)，见图422。(4)天体赤纬圈过天体中心B且平行于天赤道的小圆DBD称为天体赤纬圈(parallel of declination)，又称周日平行圈，它与地球上纬度圈dbd相对应，见图422。(5)天顶和天底视地球为均匀圆球体，地面上的某一点A与地心O的连线即是该点的铅垂线，如图423 所示。测者天顶Z ：无限延长测者铅垂线，向上 (背离地心的方向)与天球的交点Z，称测者天 顶(zenith)；而向下延长与天球的交点Z称测者天底(nadir)。格林天顶ZG ：无限延长格林尼治天文台的铅垂线，向上与天球的交点Zc称格林天顶；而 向下延长与天球的交点ZG称格林天底。 (6)子午圈 测者子午圈(observers meridian) 过测者天顶、天底和两天极的大圆PNZPsZ称测者子午圈，如图423所示。测者午圈：两天极之间包含测者天顶的半个大圆PNZPS，它与测者所在经线相对应。测者子圈：两天极之间包含测者天底的半个大圆 PNZPs。测者子午圈将天球分为东天半球和西天半球。格林子午圈过格林天顶、天底和两天极的大圆称格林 子 午 圈 ( Greenwich meridian ) PNZGPSZG，如图 423所示。格林午圈：两天极之间包含格林天顶的半个大圆PNZGPS，它与格林经线(零度经线)相对应的。格林子圈：两天极之间包含格林天底的半个大圆PNZGPS ，它与180经线相对应。(7)测者真地平圈通过地心且垂直于测者铅垂线的平面与天球截得的大圆NESW称测者真地平圈(celestial horizon)或地心真地平圈，真地平圈上任意一点距天顶或天底的球面距离均为90。真地平圈将天球分为上天半球和下天半球，见图423。(8)方位基点(cardinal points)又称四方点。测者子午圈与真地平圈交于两点，靠近天北极的一点称北点N，与其相对的 点称南点S。天赤道和真地平圈交于两点，测者面向北，右侧为东点E，左侧为西点W。四方点N、E、S、W将真地平分成NE、NW、SE、SW四个象限，每个象限为90，见图423。(9)仰极与俯极真地平以上的天极称仰极，即与测者纬度同名的天极(elevated pole)；真地平以下的天极称俯极(depressed pole)。(10)垂直圈过 天 顶Z 、天体中心B和天底Z的半个大圆称天体垂直圈 (vertical circle) ZBZ。过东、西点 的垂直圈称卯酉圈EZWZ，又称东西圈，其大圆平面与测者子午圈平面垂直，见图424。(11)天体高度平行圈过天体中心且平行于测者真地平圈的小圆(12)春分点和秋分点地球绕太阳公转的轨道平面与天球相交的大圆称黄道。黄道和天赤道相交两点分别称春分点(vernal equinox)和秋分点(autumnal equinox)。春分点是天球坐标系的一个原点，它位于天赤道上。(13)春分点时圈(hour cicle of vernal equinox)过两天极和春分点的半个大圆PNPs，如图424。3第一赤道坐标系在第一赤道坐标系中，采用天赤道QQ为基准圆，如图425，以格林(或测者)午圈和天赤道的交点QG ( 或Q)为原点，几何极为天北极，坐标是赤纬(或极距)和时角。基准大圆：天赤道和格林(或测者)午圈辅助圆：天体赤纬圈和天体时圈(1)天体赤纬 (declination，Dec)从天赤道起，沿天体时圈量至天体中心的弧距称赤纬，由090计算，向天北极度量为北N，向天南极度量为南S 。该坐标的另种表示方法称极距p ：从仰极起沿天体时圈量至天体中心的弧距，由0180计算。p90 Dec (赤纬与纬度异名取加。同名取减)，如图425，弧MB和PNB分别为天体B的赤纬和极距。(2)天体地方时角(local hour angle ， LHA)测者午圈和天体时圈在天赤道上所夹的弧距称天体地方时角LHA，也可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)量至天体时圈的球面角。天体地方时角LHA量法分为：圆周法：由测者午圈开始沿天赤道向西量至天体时圈，由0360计算，无需命名，如图42 5，天体B的地方时角LHA=QQM。半圆周法：由测者午圈开始沿天赤道向东或向西量至天体时圈，由 0180计算。半圆周法必须命名，即标注E或W，如图425，天体B的半圆时角LHAEQQGM。凡是未命名的地方时角均应视为西向时角。(3)天体格林时角(Greenwich hour angle，GHA)格林午圈和天体时圈在天赤道上所夹的弧距称格林时角GHA，也可定义为在仰极处从格林午圈向西度量至天体时圈的球面角。量法为从格林午圈起沿天赤道向西量至天体时圈。由0360计算，如图425，天体B的格林时角GHAQGQQM。天体地方时角起算基准为测者午圈，而格林时角起算基准为格林午圈，两者相差一个经度。天体圆周地方时角与格林时角算法关系为：地方时角LHA=格林时角GHA + 例421：已知GHA 29830 0，测者经度126200E，求LHA。 解： GHA 298 300 lE 126 200 LHA 424 500 64 500例422：已知GHA 15208，测者经度81350W，求LHA。 解： GHA 15 208 (不够减，加360) lW 81 350 LHA 293 458 (仍为西时角) 66 142 E (半圆周法为E时角)例423：已知测者经度120250E，LHA 60l00，求GHA。 解： LHA 60 一 100 (不够减，加360) lE 120 250 GHA 299 450(4)天体地理位置PG如图425，天体在天球上的位置B和地心O的连线，与地球表面的交点b (PG ) 称为天体地理位置(geographical position)。天体地理位置的纬度和经度，可以用天体的赤纬和格林时角来确定： 纬度= 天体赤纬Dec 经度 例424：已知测者经度l15252E，LHA 299143，Decl4360S，求天体地理位置。解：天体地理位置纬度j=Dec=14360S LHA 299 143 lE 15 252 GHA 283 一 491天体地理位置经度l=360一283 491=76109E在第一赤道坐标系中，赤纬与测者无关，地方时角与测者有关。由于地球自转，天体时角是时时刻刻地变化着，因此利用第一赤道坐标系确定的天体坐标，只能定出对于某一观测者，在某一时刻的天体位置，也就是瞬时位置，为使天体坐标与地球自转无关，引进了第二赤道坐标系。4第二赤道坐标系第二赤道坐标系是以天赤道为基准圆，以春分点为原点、几何极为天北极的天球坐标系。坐标是赤纬和赤经。基准大圆：天赤道和春分点时圈辅助圆：天体赤纬圈和天体时圈(1)赤纬(declination ，Dec)定义同第一赤道坐标系。(2)天体赤经(right ascension ，RA)从春分点起，沿天赤道向东量至天体时圈的弧距，由0360计算。如图426中，天体B的赤经RA=M。(3)天体共轭赤经(sideral hour angle ，SHA)从春分点起，沿天赤道向西量到天体时圈的弧距，由0360计算。如图426中，天体B的共 轭 赤 经SHAQQM。对 于 同一天体显然有：RA+SHA360。因为春分点在天球上的位置基本不变(变化非常缓慢)，可以看做相当于天赤道上的一颗恒星，它与各恒星间相互位置基本固定，所以各恒星的赤纬和赤经(或共轭赤经)也基本保持不变，用第二赤道坐标系的坐标表示天体的位置与地球的自转无关。(4)春分点格林时角(Greenwich hour angle of aries，GHA)从格林午圈起，沿天赤道向西度量至春分点时圈的弧距QG，由0360计算。以图426中的天体B为例，天体B的格林时角： GHAGHA+SHA (422)因为 LHAGHA所以 LHA=GHA+SHA+即，天体地方时角LHA春分点格林时角GHA+共轭赤经SHA测者经度 春分点地方时角LHA+共轭亦经SHA (423)5地于坐标系取真地平圈为基准圈，北点N (或南点S )为原点，几何极为天顶的天球坐标系称为地平坐 标系。基准大圆：真地平圈和测者子午圈辅助圆：天体高度平行圈和天体垂直圈(1)天体高度(altitude ，h)如图427所示，天体高度h ：从真地平圈起沿天体垂直圈量至天体中心，由090计算，从真地平向上高度为正(+)，向下为负(一)。该坐标的另一种表示方法称天体顶距z ：从天顶起沿天体垂直圈量至天体中心的弧距，由 0180计算。显然，对于在地平上同一天体有：h+z=90在图427中，天体B的高度hKB，顶距zZB90一 h 。从图427中还可以看出，NPN为仰极高度，QZ等于测者纬度j，则有： 即，仰极高度等于测者纬度。(2)天体方位(azimuth ，A)测者子午圈和天体垂直圈在真地平上所夹一段弧距SK (如图428)，称天体方位，也等于该弧距所对的球面角SZK 。天体方位有两种算法：圆周法无论北纬或南纬测者，均从北点N起算，按 顺 时 针方向沿真地平量至天体垂直圈，由0 360计算。半圆周法北纬测者，从北点N起算，沿真地平向东或向西量至天体垂直圈0180计算。南纬测者，从南点S起算，沿真地平向东或向西量至天体垂直圈0180计算。由上可见，半圆方位后面应附有两个名称，第一名称与测者纬度同名，第二名称表示方位度量的方向即与半圆地方时角同名，例如：A=60NW圆周和半圆方位的换算对于北纬测者：半圆方位ANE = 圆周方位A360一半圆方位ANW圆周方位A对于南纬测者：180一 半圆方位ASE 圆周方位A180+ 半圆方位ASW圆周方位A利用地平坐标系确定天体位置比较直观， 由于地球自转，任一天体的高度和方位是时刻 在改变的，而对不同地点的测者，同一天体的地平坐标也是不一样的。图429中，天体B分别用第一赤道坐标系和地平坐标系的坐标来表示。二、坐标变换个天体在天球上的位置可以用任何一种天球坐标系的一对坐标表示，而不同坐标系里的几对坐标之间通过天文三角形可以相互变换。1天文三角形如图4210，由测者午圈、天体时圈和天体垂直圈构成的球面三角形ZBPs称天文三角形( astronomical triangle)。天文三角形的三个顶点是：天顶、仰极和天体。 天文三角形的三条边和三个角称为天文三角形的六要素，任意一要素的取值范围在 0 180。已知天文三角形的三要素，便可解算出其余的要素。2解算天文三角形(1)求天体高度h和方位A的计算公式在天文航海中，通常已知测者纬度j、天体赤纬Dec和天体地方时角LHA，即已知天文三角形的两边(90j)、(90Dec)及其夹角LHA，由球面三角形边的余弦公式和四联公式，可得到求天体高度和方位的公式如下： sinhc = sinj sin Dec + cosj cos Dec cos LHA (424) cotAc = cosj tan Dec csc LHAsinj cot LHA (425)或 使用上述公式时应注意：纬度j恒为正值(无论北纬还是南纬)；赤纬Dec与纬度j同名，赤纬取正值，异名取负值；时角LHA为半圆时角，取正值；方位A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。因为天体高度和方位是用上述公式计算出来的，所以又称其为计算高度h c和计算方位Ac。(2)利用三角函数计算器求天体计算高度h c和计算方位A c根据式(424)和式(425)或式(426)利用三角函数计算器可以很方便地求出天体的计算高度和计算方位。目前函数计算器的种类很多，使用注意事项参见使用说明书。例425：已知测者纬度j13186 N，天体赤纬Dec11293 S，天体地方时角LHA 26130，求天体计算高度h c，和计算方位A c 。解：h c = arc sinsin4318.6 sin(1129.3) cos4318.6 cos (1129.3) cos2613.0=3012.3=149.9NW=210.1(3)利用导航仪器求“两点间大圆航向和航程”功能求天体的计算高度和计算方位现代导航仪器中，如GPS卫导仪、罗兰C导航仪等均有求两点间大圆航向和大圆航程的 计算功能，利用此功能即可求得天体的计算高度和计算方位，方法如下：转向点l输入测天时的推算船位(jc ，l c)，转向点2输入天体的地理位置 使导航仪显示转向点1到转向点2的大圆航向即是天体的计算方位A c ，两点间的大圆 航程除以60即是天体的计算顶距z c 。(单位是“”)，天体的计算高度h c90z c 。例426：已知推算船位jc 25000S，l c 132580W，天体赤纬Dec0724.4N，天体格林时角GHA146580，求天体计算方位Ac和计算高度h c解：a卫导仪的转向点1为推算船位，转向点2为天体地理位置： j07244N ， l146580Wb卫导仪显示大圆航程GR26651 卫导仪显示大圆航向GB3399为天体计算方位Ac。在实际工作中，如果观测时刻与计算时刻的间隔不是很长，根据高度差法选择计算点的有限任意性(见本章第六节)，利用卫导仪中显示当前船位到转向点的大圆航向和航程的功能，使卫导仪显示当前船位到天体地理位置的大圆航向和航程，即可得到上述需要的数据。但这时应先记下当前船位的经纬度，以备作图之用。三、天球图绘制天球图也可以进行天球坐标的换算。但是，本书介绍天球作图的目的是：通过绘制天球图加深对天球坐标的理解，同时为后续的天文导航原理的理解打下基础，因为许多天文导航的原理和方法都是通过天球图来介绍的。天文航海中通常采用三种天球图，它们是：测者子午面天球图、天赤道面平面图和测者真地平面平面图。下面通过例题介绍这三种天球图的绘制方法。例427：已知测者纬度j40N，天体赤纬Dec50N，天体地方时角LHA80W，分别绘出测者子午面天球图、天赤道面平面图和测者真地平面平面图，并标出天体的高度和方位以及天文三角形。解：1绘制测者子午面天球图(1)见图4211(a)，以适当半径画圆为测者子午圈，过圆心作垂直两线 ( 熟练后该两线不必绘出 )，上标Z为天顶，下标Z为天底，并绘出真地平圈。(2)见图421l (b) ，因为LHA为W时角，则天球近点为W，远点为E，则图的左边为N ，右边为S。测者纬度为N ，则仰极为天北极，由于测者纬度等于仰极的高度，靠近N点标出仰极PN ，其高度为弧NPN =40，因此，可标出Ps和天赤道QQ弧。在天赤道上以Q为起点向西量弧QaLHA80W，过点PN 、a、Ps画天体时圈。在天体时圈上从a点起向PN 量取弧aB=Dec=50N。确定天体B的位置。(3)见图4211(c) ，过天顶Z、天体B、天底Z作天体垂直圈，从真地平圈起沿天体垂直圈量至天体B的弧长为天体高度h ，天体半圆方位为ANW，图中阴影部分为天文三角形。2绘制天赤道面平面图(1)见图4212 (a)，以适当半径画圆为天赤道，圆心为仰极PN ，逆时针旋转的方向为E。所有过两极的大圆在该图上均为直线，过PN向下画一直线PN Q为测者午圈，向上画一虚线 PNQ为测者子圈，在测者午圈上的线段QZ=j40标出天顶Z 。(2)见图4212 (b)，在天赤道上，以Q为起点向西量取弧QaLHA80W得a点，过a 点作直线aPN得天体时圈，在该圈上从a点起向PN量取天体赤纬DecaB50N得天体位置B 。(3)见图4212 (c)，过天顶Z、天体B作一圆弧即天体垂直圈，图中阴影部分为天文三角形。3绘制测者真地平面平面图(1)见图4213 (a)，以适当半径画圆为测者真地平圈，圆心为测者天顶，过天顶的大圆在该图上均为直线。过圆心作垂直线，按上N下S左W右E标出四方点，直线NZS为测者子午 圈，直线WZE为卯酉圈 (东西圈)。(2)见图4213 (b)，因为测者的纬度等于仰极的高度，所以从N点起沿测者子午圈量取j 40N得PN ，即仰极。由Z点起沿测者子午圈向南量取j40N得Q点，过点W、Q、E作一 圆弧，即天赤道。由Q点起沿天赤道向西量取LHA80W得a点，过a点和仰极PN作一圆弧，即天体时圈，由a点起沿天体时圈量取Dec=50N得天体位置B。(2)见图4213 (c)，过天顶Z、天体B作直线即天体垂直圈，图中阴影部分为天文三角形。四、航用天体1天体天体(celestial body)是宇宙间各种星体的通称，而能用于海上天文定位的天体，只不过是 日、月、金星、火星、木星和土星及159颗恒星，它们统称为航用天体，都属于自然天体。在无月亮的晴夜里，眼力好的人可以看到3 000多颗恒星，全天肉眼可见星数约6 000多 颗。星图、星球仪、索星卡所标的星，都是恒星。2航用恒星的识别测星定位时必须知道所测星体的名称，才能从航海天文历中求取其视位置，来解算天文观测船位。因此，认识航用恒星是利用星体定位和求罗经差的先决条件。(1)星座和星名为了认星方便，人们很早就把星空分为若干区域，又把其中主要亮星联想成各类神话故事，称为星座。1922年国际天文学大会规定将全天分为88个星座，并采用1875年的春分点和天赤道为基准的赤经线和赤纬线作为星座界线。每个星座内的恒星，基本上是根据星的明暗按照希腊字母的顺序命名的(个别有例外)；即从a开始，依次为b ，g ，d ，较亮的恒星另有专名，如天琴座中最亮的星的星名为天琴座a星，其专名叫织女一。我国航海天文历中列有恒星的中文名称和英文名称。(2)星等星等是表示天体明暗的等级单位。肉眼所能看到的星为6等星，亮度是它的2512倍的星为5等星，亮度是5等星的2512倍的星为4等星，并依此类推。l等星的亮度为6等星的100倍。亮度是l等星的2512倍的为0等星，是0等星的2512倍为1等星，所以星等的负值越大天体越亮，星等的正值越大天体越暗。航海人员对星等的划分并不是很严格的，习惯上将星等值小于15的恒星，称为1等星，而星等从1625的星，称为2等星。恒星和行星的星等都可以在航海天文历中查得。(3)航用恒星识别识别恒星基本可以分成两种方法：一是目视认星；二是利用索星卡等专用工具来认星(该内容见本章第七节)。这里主要介绍目视认星的基本方法。所谓目视认星就是根据亮星分布的几何形状来识别主要的航用恒星。天上繁星多得不可胜数，其实可供航海观测用的绝大部分为1等星和少量2等星，见表422 (该表中的恒星在航海上统称为1等星)。四季星空见图教材。北极星(小熊座a星)在天文航海上直起着极其重要的作用，观测北极星的高度，可以方便地求出测者的纬度，还可以观测它的方位求罗经差(参见本章第八节)。寻找北极星的方法很多，经常利用大熊座、仙后座和飞马座来寻找北极星，见教材中的四季星空图。大熊座(北斗七星或勺子星)a和b星之间的距离向北延长约5倍，可发现北极星。仙后座(W星座)如教材中星图图示箭头方向直指北极星，飞马座a和b星的连线向北延伸也可找到北极星。星名与专名星等星名与专名星等大犬座a 天狼 Sirius16 半人马座b 马腹一 Hadar 09船底座a 老人 Canopus09 天鹰座a 河甜二 Altair 09 半人马座a 南门二 Rigil Kent01 金牛座a 毕宿五 Aldebaran 11牧夫座a 大角 Arcturus02南十字座a 十字架二 Acrux 11天琴座a 织女一 Vega01 天蝎座a 心宿二 Antares 12 猎户座a 参宿四 Betelgeuse 0112室女座a 角宿一 Spica 12猎户座b 参宿七 Rigel03 双子座b 北河三 PollUX 12御夫座a 五车二 Capella02 南鱼座a 北落师门 Fomalhaut 13小犬座a 南河三 Procyon05 天鹅座a 天津四 Deneb 13波江座a 水委一 Achernar06 狮子座a 轩辕十四 Regulus 13表422 星名表（1996）春季晚上，从大熊座a和b星向南延伸，可找到狮子座a星(轩辕十四)和b星(五帝一)。沿大熊座斗柄弯曲方向延长，可见牧夫座a星(大角)，继续延伸可见室女座a星(角宿一)，大角、角宿一和五帝一形成一个等边三角形。由船帆形的乌鸦座向南，可见十字形亮星叫南十字座。夏季晚上，在银河中有一巨大的“十”字形星座，北端一颗亮星叫天鹅座a星(天津四)。由此可看到银河东面的天鹰座a星(河鼓二,即牛郎星)，及西面的天琴座a星(织女一)。牛郎、织女和天津四组成一个直角三角形，直角在织女处。顺着天鹅飞去的方向，在南部天空，横躺着的S形星座，即天蝎座，中间略带红色的亮星是天蝎座a星(心宿二)俗称“大火”。秋季晚上，巨大的正方形是飞马座。飞马座的a和b星向北指北极星，向南35倍距离可见一亮星南鱼座a星(北落师门)。沿仙女座a星和飞马座g星向南可见鲸鱼座b星(土司空)，继续延伸为波江座a星(水委一)。冬季晚上，灿烂的猎户座出现在天空中，四边形的左上方是猎户座a(参宿四)，右下方是猎户座b星(参宿七)，沿猎户腰带三颗小星，向上指金牛座a星(毕宿五)，它的旁边有一星群叫昴星团，俗称七姐妹星。向下指向全天最亮的恒星大犬座a星(天狼)，继续向南可达全天第二亮星船底座a星(老人)。从天狼星向上画弧线相继可见小犬座a星(南河三)、双子座b星（北河三)、双子座a星(北河二)、御夫座b星(五车三)和御夫座a星(五车二)。最后应指出，因测者的纬度、时间不同，所见星空也是不一样的。上述的四季星空是指测者在固定地点晚上22点前后所见的星空。在赤道上能见到全天星体，纬度越高，所见星体越少。上述介绍的恒星中，靠近天南极附近的亮星，在我国是看不到的。另外，如果在星座中出现一颗不属于该星座的明显亮星，那肯定就是行星了。上海海事职业技术学院航海学备课笔记第三节 天体视运动由于地球的自转和绕太阳的公转以及天体的自行，使得天体随时间在不停地运动着。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(celestial body apparent motion)。在海上观测天体定位，必须知道被测天体的准确位置。由于天体的视运动，使其坐标值不断地变化，因此要想得到观测时刻天体的准确位置，必须了解和研究天体的运动规律，即天体视运动。一、天体周日视运动天体每日东升西没，以一昼夜为周期的运动现象称之为天体的周日视运动(celestial body diurnal apparent motion)。它实质上是由于站在地球上的人们感觉不到地球的自转，而看到天体相对运动的现象。1天体周日视运动的成因及其运动规律地球每日绕地轴自西向东自转一周，引起天球带着所有天体每日相对于地球自东向西运动一周的现象称为天体周日视运动。分析天体周日视运动的现象时，人们假定地球不转(即与测者有关的天球上的点、线、圈不动)，而是天球带着所有天体(包括春分点、夏至点、秋分点和冬至点)按地球自转的反方向(自东向西)绕地球作周日视运动，其周期与地球自转的周期相同。因为恒星的赤纬基本不变，所以恒星在天球上的周日视运动轨迹是平行于天赤道的小圆，即赤纬平行圈，又称周日平行圈；而太阳、月亮和行星的赤纬在不断地变化，但是在天中变化不大，所以在一天中它们的周日视运动轨迹基本上也可以认为是其各自的赤纬平行圈，严格来说，应该是一条连续的球面螺旋线。2天体周日视运动的现象 天体周日视运动使天体产生出没、中天、高度和方位变化等诸现象，它们均取决于测者的纬度j和天体的赤纬Dec，即当j与Dec一定时天体周日视运动的现象也就确定了。(1)天体的出没(rise and set of celestial body)在周日视运动中，当天体中心通过测者地心真地平(celestial horizon)时称天体的真出没。当天体中心位于东方真地平时称为真出 (true rise)，位于西方真地平时称真没(true set)。有出没的天体其周日平行圈必然与真地平圈相交，如图431中的天体B等。因此，当测者的纬度一定时，有出没天体的赤纬Dec应满足： Dec 90一 j (431)如果天体没有出没现象，其赤纬Dec应满足： Dec90 j (432)当Dec与j同名时，天体不没，如天体D；当Dec与j异名，天体不出，如天体J。当Dec=90 j 时，当Dec与j同名，恰好不没，如天体G；当Dec与j异名，恰好不出。(2)天体的中天 (meridian passage)在周日视运动中，当天体中心经过测者子午圈时，称天体中天。天体中心经过测者午圈时称天体上中天(upper meridian passage)。此时，天体地方时角 LHA=0，当天体的赤纬Dec与测者纬度异名或Dec j，且同名时，其A0、X=180(图431中的天体K、G、D)。如果测者纬度和天体赤纬Dec不变，这时天体的高度最高，称天体的中天高度H ，计算公式如下： H=（90一j) Dec （433)式中：Dec与 j 同名取“+”，Dec与 j 异名取“”； 当 (90j )Dec90时，H=180(90j)Dec 。 或 H90jDec (434)上式中：Dec与j同名取“+”，Dec与j异名取“-”。天体中心通过测者子圈时称下中天(lower meridian passage)，此时天体的地方时角LHA=180。在后续的章节和航海实际工作中，没有特别说明提到天体中天时，均系上中天。(3)测者纬度一定，天体在上天半球运行现象现以北纬测者(0 j 45N)为例，分析当纬度j为一定值时，赤纬Dec不同的天体在上天半球运行的现象，见表4。表4 天体在上天半球的运行现象 天体赤纬 图4-3-l,4-3-2 中的天体现 象Dec 90j K、C、B、 A、F 天体有出没;当Dec与j同名时,在地平上的时间大于地平下的时间Dec与j异名，在地平上的时间小于地平下的时间Dec90j D、G、J天体没有出没；当Dec与j同名时不没。当Dec与j异名时不出Dec900j，恰好不出或不没DecO A 天体过东、西点。其周日平行圈为天赤道。在地平上下的时间相等Decj,且同名 K、G、D天体有距角，当天体距角时其位置角90(4)不同纬度上天体周日视运动现象测者位于赤道上(j0)有出没的天体其赤纬Dec 90-j，当j0，Dec 90时，所有天体均有出没，测者能见全天所有天体，此时天极P、Ps分别与N、S点重合，东西圈与天赤道重合，所有天体的周日平行圈均垂直于真地平，且被平分为两半，故天体在地平上、下的运行时间相等，见图433。在周日视运动中，北赤纬天体经过NE、NW两个象限，南赤纬天体经过SE、SW两个象限，此时天体的半圆方位A，其第一名称与赤纬同名，第二名称与半圆地方时角同名（或天体位于东天半球为E、西天半球为W)。天体上中天时，其顶距ZDec，故中天高度H90Dec。当Dec0时，天体过天顶，其中天高度H 90。测者位于两极(j=90N或S)如图434所示，这时天极P、Ps，分别与Z、Z，重合，定不出四个方位基点。由于赤纬平行圈与真地平圈平行，因此所有天体均无出没现象，Dec与j同名的天体不没，Dec与j异名的天体不出。这时测者能见半个天球上的天体，而且所有天体的高度均等于其赤纬。每年3月21日到9月23日，太阳赤纬Dec为“N”(0Dec2327N)，北极该半年为白昼，称极昼，南极则为黑夜，称极夜，下个半年正相反。所谓极昼、极夜现象实际上是指测者能见太阳不没或不出的现象。太阳不出没的条件是其赤纬Dec90j，故当测者纬度j90Dec，与Dec同名时，会发生极昼现象，与Dec异名时会发生极夜现象。例如，6月22日，太阳赤纬Dec2327N，在纬度j902327N6633N的地区 ( 即北极圈以内的地区 ) 会发生极昼现象，而在j6633S的地区 (南极圈内 )会发生极夜的现象。测者位于任意纬度(0 j 90)综上所述，测者纬度越高，不出没的天体越多 (能见天体越少)。对于有出没的天体，其在地平上的时间随着测者纬度和天体赤纬的不同而变化。当天体赤纬等于0时，各地所见该天体在地平上、下的时间均相等。当测者纬度与天体赤纬同名时，纬度越高，天体在地平上的时间越长；当测者纬度与天体赤纬异名时，纬度越高，天体在地平上的时间越短，此时，天体主要周日视运动现象如前所述。详见表431。3天体周日视运动引起天体坐标的变化这里只讨论在周日视运动中，测者纬度一定。天体赤纬一定时，由天体时角LHA的变化所引起其地平坐标即天体高度h和方位A变化的规律。(1)天体时角LHA的变化对其高度h变化的影响由求高度的基本公式可知： sin h=sinjsin Dec+cosjcos Dec cos LHA微分上式，经整理得高度变化率公式： (435)分析上述公式得出以下结论：a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；b当天体过东西圈时，其高度变化最快，且与测者纬度j有关。(2) 天体时角LHA的变化对其方位A变化的影响由求方位的基本公式可知：cotA=tan Dec cosjcscLHAsin jcot LHA微分上式，经整理得以下两个方位变化率公式： (436) (437)分新上述公式得出以下结论:a当天体中天时，其方位变化最快，且与Dec和h有关，当Dec一定，高度越高(即纬度j越低)，方位变化越快；b当天体介于出没与东西圈之间时，其方位变化缓慢。二、太阳周年视运动昼夜交替的现象表明了太阳的周日视运动，而一年四季的循环则表明了太阳赤纬、赤经的周期变化。若于某地夜间某一固定时刻观察星空，就会发现四季星空在逐渐地变化，但在每年同一季节星空是相同的。四季星空的循环改变说明太阳在星座间的移动，即太阳赤经的周期变化。如果注意观察太阳，就会发现其中天高度以及出没方位均以一年为周期在循环变化(产生了一年四季)，即太阳赤纬的周期变化。太阳这种以一年为周期的运动称为太阳的周年视运动(solar annual apparent motion)。1太阳周年视运动的成因地球除自转外，每年