Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
|
В. И. ДМИТРИЕВ, В. Л. ГРИГОРЯН, В. А. КАТЕНИН Рекомендовано УМО по образованию в области эксплуатации водного транспорта в качестве учебника для студентов (курсантов), обучающихся по специальности 240200 «Судовождение» в вузах водного транспорта МОСКВА ИКЦ «АКАДЕМКНИГА» 2004 УДК 656.61.052: 527.5/7 (075.8) ББК 39.471-5 Д53 Рецензент: д-р.техн. наук, профессор В.А. Логиновский Дмитриев В. И., Григорян В Л., Катенин В. А. Навигация и лоция. Учебник для вузов/Под ред. В. И. Дмитриева. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 471 с: ил. ISBN 5-94628-052X В учебнике с современных позиций изложены основные разделы ведущей дисциплины судовождения — «Навигации и лоции»: карто- графия, основы морской и речной лоции, счисление пути судна, спо- собы определения места судна и оценка его точности, электронная картография, методы навигации в особых условиях плавания, штур- манская подготовка к рейсу, перспективы развития средств и мето- дов навигации. Особое внимание обращено на использование на судах глобаль- ной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и электронных картографических навигационных информационных систем (ЭКНИС). Учебник предназначен для студентов и курсантов высших учеб- ных заведений водного транспорта, а также может быть использован на факультетах повышения квалификации судоводительского соста- ва судов морского, речного и рыбопромыслового флотов. ISBN 5-94628-052X © В.И. Дмитриев, В.Л. Григорян, В.А. Катенин, 2004 © ИКЦ«Академкнига», 2004 Светлой памяти Константина Александровича Емеца посвящается эта книга Введение Дисциплина «Навигация и лоция» является основным разде- лом прикладной науки судовождения, решающей, в конечном итоге, задачу выбора безопасного и выгодного пути судна и обеспечения плавания по выбранному маршруту с учетом влияния внешней сре- ды. Навигация и лоция изучает: методы определения направле- ний в море; теорию картографических проекций; навигационные карты, пособия и руководства для плавания, их корректуру; методы определения места судна по наземным ориентирам и с помощью ра- диотехнических систем; применение судовых и береговых радиоло- кационных станций; условия безопасного плавания по морям, океа- нам и внутренним водным путям, в стесненных условиях, во льдах; навигационные опасности и способы их ограждения; средства нави- гационного оборудования морей и внутренних водных путей; нави- гационные инструменты и приборы; организацию штурманской службы на судах, основные принципы несения ходовой вахты. В последнее десятилетие произошло качественное изменение в методах и средствах судовождения. В сложных условиях плавания судоводитель физически не в состоянии обрабатывать всю исходную информацию, получаемую как от технических средств навигации, так и в результате визуального наблюдения. Оценка ситуации и при- нятие решений зачастую происходят на основе интуиции с использо- ванием личного опыта. Создание глобальных навигационных спут- никовых систем (ГНСС) и электронных картографических навигаци- онных систем, интегрированных навигационных мостиков, примене- ние компьютерной техники позволило повысить безопасность плава- ния, снизить влияние "человеческого фактора" на общее число ава- рий судов. 4 Введение Однако традиционные методы навигации, известные с древ- них времен, не потеряли своей актуальности и в настоящее время. Безаварийное плавание предполагает проведение контрольных на- блюдений и вычислений альтернативными методами. Тем более, что в случае отказа технических средств навигации традиционные прие- мы определения места судна остаются единственным средством, по- зволяющим обеспечить безопасное плавание в самых сложных усло- виях. Не следует забывать, что судоводитель несет полную ответствен- ность за аварию вне зависимости от того, произошла она из-за его упущения, незначительной ошибки или неверно принятого решения. Поэтому использование новейших технических средств совместно с традиционными методами навигации будет способствовать совер- шенствованию искусства судовождения. Раздел 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАВИГАЦИИ Глава1 ОРИЕНТИРОВАНИЕ НАБЛЮДАТЕЛЯ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ 1.1 Форма Земли и ее модели Штурманский метод решения задач судовождения требует знания закономерностей движения судна по поверхности Земли. Это возможно лишь при знании формы нашей планеты и ее основных размеров. Многовековые попытки решить эту научную проблему привели к представлению физической формы Земли в виде геоида — сглаженного тела, размеры которого наиболее близки к размерам нашей планеты. Геоид — тело, ограниченное невозмущенной поверхностью уровня Мирового океана, мысленно продолженной под материками и островами таким образом, что она в каждой своей точке перпендику- лярна отвесной линии (рис. 1.1). Геоид получен экспериментально и его поверхность не может быть описана конечным математическим уравнением. Поэтому на поверхности геоида невозможно решать математические задачи су- довождения. Возникает необходимость аппроксимации геоида Дру- гим телом — моделью Земли, имеющей простое математическое описание. При решении навигационных задач судовождения нашли применение две основные модели Земли: эллипсоид вращения (сфе- роид) и сфера (шар). Геоид очень близок по форме к эллипсоиду вращения, образованно- му вращением эллипса вокруг малой оси. Эллипсоид вращения − ма- тематически правильная фигура. Именно поэтому для решения задач геодезии, судовождения и картографии с высокой точностью за мо- 6 Раздел 1. Основные понятия навигации Рис. 1.1. Геоид и эллипсоид дель Земли принимают эллипсоид вращения и называют его земным эллипсоидом (рис. 1.2). Размеры и форму эллипсоида определяют его элементы: большая полуось а,малая полуось b,сжатие − α = a b a , эксцентриси- тет 2 2 − = a b e a Для наилучшего представления о геоиде в целом используют земной эллипсоид и определяют его так, чтобы: • объем эллипсоида был равен объему геоида; • плоскость экватора и малая ось эллипсоида совпадали со- ответственно с плоскостью экватора и осью вращения Земли; • сумма квадратов отклонений геоида от общего земного эллипсоида по всей их поверхности была наименьшей. В 1964 г. на XII конгрессе Международного астрономическо- го союза был принят общий земной эллипсоид, который хорошо со- гласуется со всей поверхностью геоида. Его размеры: а = 6378160 м; α = 1 : 298,5. В наши дни для решения геодезических и навигацион- ных задач широко используются общие земные эллипсоиды (World Глава 1. Ориентирование наблюдателя на земной поверхности 7 Geodetic System), разработанные в разные годы: WGS-72, WGS-84, элементы которых даны в табл. 1.1. Рис. 1.2. Эллипсоид вращения (земной эллипсоид) Для наилучшего же представления формы геоида в опреде- ленной области земной поверхности (территории отдельной страны) подбирают наиболее подходящий земной эллипсоид и определяют его так, чтобы: • плоскость экватора и малая ось эллипсоида были параллель- ны соответственно плоскости экватора и оси вращения Зем- ли; • сумма квадратов отклонений геоида от этого эллипсоида в пределах заданной области была наименьшей. Земной эллипсоид с определенными размерами, соответст- вующим образом ориентированный в теле Земли и принятый за мо- дель Земли в государстве, называется референц-эллипсоидом. Поло- жение референц-эллипсоида в теле Земли определяется исходными геодезическими датами: • координатами точки, в которой выполнена взаимная привязка геоида и эллипсоида; • направлением между двумя объектами на поверхности Земли; • высотой геоида над референц-эллипсоидом. В нашей стране с 1946 г. в качестве модели Земли принят эл- липсоид, элементы которого были определены под руководством профессора Ф. Н. Красовского. При этом использовались результаты измерений, выполненных на территории СССР, стран Западной Ев- ропы и США. Этот эллипсоид получил название референц-эллип- 8 Раздел 1. Основные понятия навигации соида Красовского. Его элементы: большая полуось а = 6378245 м, малая полуось b = 6356863 м, сжатие а = 1 : 298,3, эксцентриситет е = 0,0818. Таблица 1.1. Элементы основных земных эллипсоидов Наименование (автор) Год Большая полуось, м Сжатие Бессель 1841 6377397 1:299,15 Кларк 1866 6378206 1:295,0 Жданов 1893 6377717 1:299,0 Хейфорд 1910 6378388 1:297,0 Красовский 1942 6378245 1:298,3 WGS-72 1972 6378135 1:298,26 Международный (евро- пейская система) 1979 6378388 1:297 WGS-84 1984 6378137 1:298,257 Положение (ориентировка) эллипсоида Красовского опреде- ляется: • координатами центра круглого зала Пулковской обсервато- рии (широта 59°46'18,55", долгота 30°19'42,09"); • направлением из этой точки на пункт Бугры (азимут 121°10'38,79"); • нулевой разностью высот геоида и референц-эллипсоида Красовского в Пулкове. В различных государствах рассчитаны и используются в ка- честве моделей Земли референц-эллипсоиды различных размеров (табл. 1.1). При решении многих задач навигации, не требующих повы- шенной точности, Землю принимают за шар определенного радиуса R. При этом для определения размеров земного шара могут быть по- ставлены различные условия, например: • объем земного шара равен объему земного эллипсоида, при этом 2 = R ab .Подставив значения полуосей эллипсоида Красовского, получим значение радиуса земного шара R = 6371109,7 м; • поверхность шара равна поверхности эллипсоида, при этом Глава 1. Ориентирование наблюдателя на земной поверхности 9 2 2 1 3 = + e R b • радиус земного шара равен среднему радиусу кривизны огра- ниченного участка территории эллипсоида, расположенного в широте ϕ, при этом 2 2 2 1 1 sin − = − ϕ a e R e ; • длина одной минуты дуги большого круга шара равна одной морской миле; при этом R = 6366707 м. 1.2 Основные точки, линии и плоскости на поверхности Земли Для ориентирования на поверхности Земли служат опреде- ленные точки, линии и плоскости. Ось Земли — воображаемая прямая P N — P S , вокруг которой вращается Земля (рис. 1.3). Географические полюсы — точки пересечения оси Земли с ее поверхностью. Полюс P N , со стороны которого вращение Земли ус- матривается против часовой стрелки, называется северным (нордо- вым). Полюс P S — южным (зюйдовым) полюсом. Большой круг — линии, образованные сечением поверхности земного эллипсоида плоскостями, проходящими через центр Земли. Рис. 1.3. Основные точки, ли- нии и плоскости на поверхно- сти Земли 10 Раздел 1. Основные понятия навигации Малый круг — линии, образованные сечением поверхности земного эллипсоида плоскостями, не проходящими через центр Зем- ли. Параллели — линии, образованные сечением поверхности земного эллипсоида плоскостями, перпендикулярными оси Земли. Экватор — наибольшая из параллелей, плоскость которой проходит через центр Земли. Меридианы — линии, образованные сечением поверхности земного эллипсоида плоскостями, проходящими через ось Земли. Меридианы и параллели на земной поверхности образуют сетку географических координат. 1.3 Основные линии и плоскости наблюдателя Для ориентирования в любой точке поверхности Земли ис- пользуются следующие линии и плоскости, связанные с местом на- блюдателя. Вертикальная (отвесная) линия — прямая Zn,совпадающая с направлением силы тяжести в месте наблюдателя (рис. 1.4). Зенит наблюдателя — точка Z пересечения вертикальной линии с воображаемой небесной сферой над головой наблюдателя. Надир наблюдателя — точка п пересечения вертикальной линии с воображаемой небесной сферой под наблюдателем. Горизонтальная плоскость — любая плоскость, перпендику- лярная отвесной линии. Рис. 1.4. Основные линии и плоскости наблюдателя Глава 1. Ориентирование наблюдателя на земной поверхности 11 Плоскость истинного горизонта наблюдателя — горизон- тальная плоскость ′ HH , проходящая через глаз наблюдателя. Вертикальная плоскость — любая плоскость, проходящая через отвесную линию. Плоскость истинного меридиана наблюдателя — вертикаль- ная плоскость MM ′ ,проходящая через полюсы Земли и место на- блюдателя. Меридиан наблюдателя — большой круг Р N AР S , образован- ный сечением поверхности Земли плоскостью истинного меридиана наблюдателя. Линия истинного меридиана наблюдателя (полуденная ли- ния) — линия NS пересечения плоскости истинного меридиана на- блюдателя с плоскостью истинного горизонта наблюдателя. Северная часть линии истинного меридиана наблюдателя — луч AN. Определяет направление от наблюдателя на северный полюс P N (направление на север). Южная часть линии истинного меридиана наблюдателя — луч AS. Определяет направление на южный полюс P S (направление на юг). Плоскость первого вертикала наблюдателя — вертикальная плоскость OO ,перпендикулярная плоскости истинного меридиана. ′ Линия первого вертикала — линия EW пересечения плоско- сти первого вертикала с плоскостью истинного горизонта. Восточная часть линии первого вертикала — луч АЕ. Опре- деляет направление от наблюдателя на восток. Западная часть линии первого вертикала — луч AW. Опреде- ляет направление на запад. Главные направления — четыре взаимно перпендикулярных направления в плоскости истинного горизонта: N (норд), S (зюйд), E (ост), W (вест). Относительно этих направлений и осуществляется ориентирование на поверхности Земли. 1.4 Географические координаты. Разность широт, разность долгот В зависимости от избранной модели Земли и решаемых задач для определения положения точек на земной поверхности использу- ют различные системы координат: географические, сферические, ас- 12 Раздел 1. Основные понятия навигации трономические, полярные, прямоугольные. Для определения поло- жения точек на поверхности эллипсоида (сфероида) в судовождении используется система географических (сфероидических) координат. Рис. 1.5. Географические коорди- наты В географической системе координат координатными осями являются экватор (рис. 1.5) и один из меридианов, называемый нуле- вым (начальным). За нулевой меридиан при измерении географических долгот принят меридиан Гринвича. Начало координат — в точке пересече- ния экватора с Гринвичским меридианом. Координатными линиями являются параллели и меридианы, а координатами — географиче- ская широта и географическая долгота. Географической широтой точки А называется угол между плоскостью экватора и нормалью к поверхности земного эллипсоида в этой точке. Географическая широта обозначается греческой буквой ϕ и измеряется дугой меридиана от экватора до параллели данной точки. Любая точка, которая находится на этой параллели, имеет та- кую же географическую широту, что и точка А. Плоскость экватора делит Землю на два полушария: Северное полушарие, в котором на- ходится Северный полюс P N , и Южное полушарие, в котором нахо- дится Южный полюс P S . Точки, расположенные в Северном полуша- рии, имеют северную широту ϕ N , в Южном полушарии — южную широту ϕ S . Географическая широта отсчитывается от экватора к се- веру или югу от 0 ° до 90°. При решении задач судовождения север- ная широта считается положительной, южная широта — отрицатель- ной. Точки, расположенные на экваторе, имеют ϕ = 0°, на полюсах ϕ = 90°. Глава 1. Ориентирование наблюдателя на земной поверхности 13 Географической долготой точки А называется двугранный угол между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью ме- ридиана данной точки. Географическая долгота обозначается грече- ской буквой λи измеряется меньшей дугой экватора от Гринвичско- го меридиана до меридиана данной точки. Любая точка, которая на- ходится на этом меридиане, имеет такую же географическую долго- ту, что и точка А. Гринвичский меридиан делит Землю на два полу- шария: Восточное и Западное. Точки, расположенные в Восточном полушарии, имеют восточную долготу λ Е . Точки, расположенные в Западном полушарии, имеют западную долготу λ W . Рис. 1.6. Разность широт и раз- ность долгот Географическая долгота отсчитывается от Гринвичского ме- ридиана к востоку или западу от 0° до 180°. При решении задач вос- точная долгота считается положительной, западная долгота — отри- цательной. На Гринвичском меридиане λ = 0°, на меридиане, проти- воположном Гринвичскому λ= 180°. Географические координаты выражаются в угловых величи- нах: градусах, минутах и десятых долях минуты. Пример записи ко- ординат: ϕ = 59°46,3′ N, λ = 30° 19,7′ Е. При движении судна географические координаты его места изменяются. Если судно перешло из пункта отхода А с координатами ϕ 1 λ 1 в пункт прихода В скоординатами ϕ 2 λ 2 , то изменение его коор- динат оценивается (рис. 1.6) разностью широт РШ ( ∆ϕ)и разно- стью долгот РД ( ∆λ): 2 1 ∆ϕ = ϕ − ϕ (1.1) 14 Раздел 1. Основные понятия навигации 2 1 ∆λ = λ − λ (1.2) Разность широт измеряется дугой меридиана, заключенной между параллелями пунктов отхода и прихода. При движении судна в общем направлении к северу разности широт дается наименование северная или нордовая ( PШ N ) и ее считают положительной. При движении судна к югу разности широт дается наименование южная или зюйдовая ( PШ S ) и ее считают отрицательной. Если корабль пе- ремещается по экватору или параллели, то широта его места не из- меняется: PШ = 0. Разность широт изменяется в пределах от 0 до ±180°. Разность долгот измеряется меньшей из дуг экватора, заклю- ченных между меридианами пунктов отхода и прихода. При движе- нии судна в общем направлении к востоку разности долгот дается наименование восточная или остовая ( РД Е ) и ее считают положи- тельной. При движении судна к западу, разности долгот дается на- именование западная или вестовая ( РД W ), и ее считают отрицатель- ной. При движении судна по меридиану долгота его не изменяется: РД = 0. Разность долгот изменяется в пределах от 0° до 180°. Если при решении задачи по формуле (1.2) разность долгот получится больше 180°, то необходимо полученную величину вы- честь из 360°, а результату дать обратное наименование. Зная координаты одного из пунктов, а также РШ и РД,мож- но рассчитать координаты другого пункта по формулам: РШ 1 2 ϕ = ϕ − ; РШ 2 1 ϕ = ϕ + ; (1.3) РД 1 2 λ = λ − ; РД 2 1 λ = λ + (1.4) Эти же соотношения могут быть использованы для определе- ния РШ и РД двух любых точек земной поверхности. При расчетах следует иметь в виду, что формулы (1.1) — (1.4) алгебраические и требуют учета знаков координат, РШ и РД. 1.5 |