航海学第三节航迹计算.ppt

第三节航迹计算 航迹计算是根据计算起点经纬度 航向和航程 利用数学计算公式 求到达点推算船位经纬度的方法 由于计算机技术的普及与发展 航迹计算得到了广泛的应用 一 应用时机 航迹计算法主要适用于下列几个方面 1 使用小比例尺海图时 航迹绘算作图误差较大 辅以航迹计算 可提高航迹推算的精度 2 在渔区或雾中等频繁变向 变速的情况下航行 海图作业困难 采用航迹计算法 可方便地求取推算船位 3 航用海图不敷应用 起航点与到达点不在同一海图时 可用航迹计算法来帮助海图作业 4 随着船舶驾驶自动化的发展 在设计综合导航仪时 需采用航迹计算的数学模型进行航迹推算 航迹计算法 并不能完全替代海图作业 只能作为海图作业的补充 其计算结果需标绘到海图上 方可指导船舶航行 二 计算公式 设起始点地理坐标为 1 1 如果能求得起始点和到达点之间的纬差 D 和经差 D 就可由下式求取到达点的地理坐标 2 2 因此 航迹计算的核心问题 是如何根据已知的航向 航程 去计算纬差和经差 如图所示 A为起航点 1 1 B为到达点 2 2 AB为恒向线 其航程为S AB与各经线的交角均为真航向TC 将恒向线航程等分为n等分 每等分的长度为ds 过各等分点作经线和纬圈 得到n个球面三角形 可将其近似看做平面三角形 设d 为dS的南北分量 dW为dS的东西分量 由图中可看出 由此可得到 式中 D 纬差 S 恒向线航程 TC 恒向线航向 Dep 东西距 东西距 departure 恒向线航程的东西分量 用Dep表示 单位为海里 注意东西距与经差的区别 东西距是纬圈上被两条经线所夹劣弧长度 以海里为单位 其值随纬度增加而逐渐减小 经差则是赤道上被两经线所夹劣弧长度 其大小与纬度增减无关 两点间纬差等于航程乘以航向的余弦 但是 航程乘以航向的正弦等于东西距 并不是所要求的经差 因此 航迹计算法的一个主要问题是如何由东西距去求出经差 下面介绍三种求经差的方法 中分纬度算法 墨卡托算法及约定纬度算法 1 中分纬度算法 mid Latitudesailing 中分纬度 n 航迹计算公式 D ScosCD Depsec n SsinCsec n当航行纬度不高 且航程不很长时 可用平均纬度 m代替中分纬度 n 即 D ScosCD Depsec n SsinCsec m适用范围 同半球 纬度不高 航程不长 注意 中分纬度算法仅适用于在赤道的一侧航行 若是跨赤道航行 应采用墨卡托算法 END 2 墨卡托算法 Mercatorsailing 墨卡托算法是精确的航迹计算法 它是利用墨卡托海图投影具有等角及恒向线为直线的特点而得出的经差计算法 在墨卡托海图上 可得 A C B DMP D S 式中 DMP 起航点A与到达点B之间的纬度渐长率差 DMP的求法如下 利用纬度渐长率公式去求DMP可以得到精确的结果 但如果是采用查表法求DMP时 必须注意在高纬海区MP的值应进行非线性内插 否则将会产生较大的误差 航向为090 或270 的航迹计算 虽然不能使用墨卡托算法 但是经差的计算比较简单 3 约定纬度算法 约定纬度算法是一种修正的中分纬度算法 是一种旨在消除地球扁率影响的简化计算法 定义符合下式的纬度 S为约定纬度 由上式可以得到 两边乘以tgC 并考虑到D ScosC Dep SsinC得 显然 用上述的约定纬度算法求经差与墨卡托算法一致 但是 直接用上面公式计算比墨卡托算法更复杂 这显然不是引进约定纬度算法的目的 为计算方便 引入一个约定纬度改正量 S 通过模拟计算 可以求出约定纬度改正量 并列于下表 利用上表 以平均纬度 m与纬差D 用内插法查取约定纬度改正量 S 然后用下式就可以求出经差 利用上式求取经差的精度取决于求取约定纬度改正量 S的精度 因此在查取约定纬度改正量 S时 应正确地内插 特别是在航程长和高纬度上更应注意 同中分纬度算法一样 约定纬度算法也仅适用于在赤道的一侧航行 综合上述的分析 可以得出以下结论 1 墨卡托算法是精确的航迹计算法 除在等纬圈上航行外 其他任何场合都可以使用 2 在赤道一侧的低纬海区和在中纬海区且航程不太长时 可以使用中分纬度算法简化计算 3 在赤道一侧的且不能使用中分纬度算法的场合 可以使用约定纬度算法简化计算 需要指出的是 以上计算公式虽然是为航迹推算而推导得出的 但是 这些公式也适用于已知两点的经纬度反求恒向线航向与航程的计算 三 航迹计算精度 与航迹绘算法一样 利用航迹计算来进行航迹推算时 罗经改正量的误差 风流压差的误差等也影响航迹推算的精度 航迹计算法虽然可以消除部分绘图误差 但同时也增加了计算误差 现分别讨论如下 1 通过模拟计算可知 在低纬海区或中纬海区且航程小于600nmile时 经差的误差小于航程的0 7 2 约定纬度算法中 因约定纬度改正量 S的误差 s引起的经差的误差 D 为 可见经差误差将随航程的增加和纬度的升高而增大 而求取约定纬度的误差又主要取决于求取约定纬度改正量的误差 因此 在计算中 应注意查取 S的准确性 特别是在航程长和高纬度时 更应注意进行正确的内插 3 在高纬海区应用墨卡托算法求经差时 若纬度渐长率是查表求取的话 会因内插不正确 产生较大的误差 航向接近东或西时 因tgTC变化急剧 计算中应注意处理 否则会产生较大误差 四 航迹计算举例 1 单航向计算法 1 若已知起航点 1 1 船舶行驶的真航向TC和恒向线航程S 则可按下式求出到达点的船位 2 2 或 2 若已知起航点位置 1 1 和到达点的位置 2 2 则可按下式求出船舶应驶的真航向TC和恒向线航程S 例1 某船起航点 147 45 ON 1148 48 0W 航向210 航速15kn 求航行24h后到达点的船位 解 航程S 15 24 360 0 例2 某船从 140 N 1140 E 航行到 242 N 2160 E 求应驶的真航向TC和航程S 解 因为 所以 2 多航向计算法 船舶采用两个或两个以上的航向航行时 叫做多航向航行 对于这种航行 如果不需要计算中间各点的船位 只需要求取多次转向航行后的最终船位和初始船位与最终船位之间的航向和航程关系 可以使用以下方法进行航迹计算 1 分别计算每个航向上的纬差D 和东西距Dep 2 计算出所有航向的总纬差 D 和总东西距 Dep 3 由推算起始点纬度 1加上总纬差 D 得多航向航行到达点的纬度 K K 1 D 4 由总东西距和起始点与到达点的平均纬度 计算出总经差 D D Dep sec m 5 由推算起始点经度 l加上总经差得多航向航行到达点的经度 K K l D 根据总经差和总纬差可以计算出起始点与到达点间的航向和航程 称之为 直航向 和 直航程 需要指出的是这种计算方法采用的平均纬度是总的平均纬度 与每段分别求取经纬度最后相加的方法相比必然不同 会存在一定误差 所以这种方法只适合于在中低纬地区小范围的多次变向航行的航迹计算 在进行有水流影响的航迹计算时 由于水流影响的平均纬度和航行的平均纬度一致 用这种方法将水流影响作为一个航向进行计算是适合的 而且也是首选的方法 但是 如果航行中船舶改向或流向发生变化 船舶改向点和流向改变点应作为航迹计算的到达点求出船位后再进行下一步的推算 在计算中 如果有风压差的存在 参加计算的航向应取风中航迹向 思考练习 1 东西距是 A 等纬圈上东西方向的距离B 恒向线航程的东西分量C 航程中向东向西部分D 经差在东西方向的距离2 中分纬度是 A 平均纬度B 东西距与经差的比值C 起航点与到达点子午线之间等纬圈等于东西距的纬度D 起航点与到达点纬度的平均值3 中分纬度改正量 n m 在把地球作为圆球体时 则 A 等于0B 大于0C 小于0D 不一定4 墨卡托航法产生较大误差是在 A 低纬度B 中纬度C 高纬度D 与所在纬度无关5 某轮跨越赤道航行 在航迹计算时求经差应常用 A 查纬差与东西距表B 中分纬度航法C 墨卡托航法D B和C 思考练习 6 某轮由A点20 S 100 E出发 分别按航向正北 正东 正南和正西各航行600nmile后 将到达A点的 A 同一位置B 东面C 西面D 南面或北面7 航迹计算