Секстант: Полное руководство по использованию для навигации

Секстант – это навигационный инструмент, используемый для измерения угла между небесным телом (обычно Солнцем, Луной или звездой) и горизонтом. Это измерение, известное как высота (altitude), используется для определения географической широты и долготы, что особенно важно для морской навигации, когда недоступны современные электронные системы, такие как GPS. В этой статье мы подробно рассмотрим, как пользоваться секстантом, начиная с его устройства и заканчивая практическими шагами для получения точных измерений.

История секстанта

Секстант является усовершенствованием более ранних навигационных инструментов, таких как квадрант и астролябия. Первые прототипы секстантов появились в начале 18 века. Изобретение приписывают одновременно Джону Хэдли в Англии и Томасу Годфри в Америке, независимо друг от друга. Секстант быстро стал незаменимым инструментом для моряков, позволяя им более точно определять свое местоположение в море. Несмотря на развитие современных технологий, секстант остается важным резервным инструментом для профессиональных моряков и любителей морской навигации, а также имеет значение для понимания истории навигации.

Устройство секстанта

Прежде чем перейти к использованию секстанта, важно понимать его основные компоненты:

• Рама (Frame): Основная конструкция секстанта, обычно изготавливаемая из металла. Обеспечивает жесткость и стабильность инструмента.
• Лимб (Limb): Дугообразная шкала, градуированная в градусах (обычно от -5° до 125° или более). На лимбе отсчитывается угол высоты небесного тела.
• Алидада (Index Arm): Подвижная рука, закрепленная в центре лимба. На конце алидады находится верньер, который позволяет считывать доли градуса.
• Индексное зеркало (Index Mirror): Зеркало, закрепленное на алидаде и вращающееся вместе с ней. Отражает изображение небесного тела.
• Горизонтное зеркало (Horizon Mirror): Неподвижное зеркало, разделенное на две части: одна часть прозрачная, другая – отражающая. Через прозрачную часть наблюдают горизонт, а в отражающей части видят отражение небесного тела.
• Телескоп (Telescope): Небольшой телескоп, используемый для более точного наведения на небесное тело и горизонт.
• Светофильтры (Shades): Набор фильтров различной плотности, используемых для уменьшения яркости Солнца или Луны, чтобы защитить глаза наблюдателя.
• Верньер (Vernier): Шкала, позволяющая считывать доли градуса на лимбе. Обычно верньер позволяет считывать с точностью до 0.1 или 0.2 угловой минуты.
• Микрометрический винт (Micrometer Drum): Используется для точной подстройки алидады и, соответственно, угла измерения.

Подготовка к использованию секстанта

Перед тем как использовать секстант для навигации, необходимо выполнить несколько подготовительных шагов:

1. Проверка и регулировка зеркал: Убедитесь, что индексное и горизонтное зеркала чистые и правильно отрегулированы. Проверьте наличие параллельности зеркал, глядя на горизонт. Изображение горизонта в зеркале и прямой вид должны совпадать. Если необходимо, выполните регулировку с помощью винтов, расположенных на задней стороне зеркал. Существует два основных типа ошибок, связанных с зеркалами:
• Перпендикулярность индексного зеркала: Алидада должна быть установлена на нулевую отметку. Посмотрите в секстант на горизонт. Если прямой вид горизонта и отраженный вид не образуют прямую линию, необходимо отрегулировать винт, расположенный на задней стороне индексного зеркала.
• Параллельность зеркал: Установите алидаду на небольшой угол (около 20 градусов). Посмотрите на горизонт. Если прямой и отраженный виды горизонта не совпадают, необходимо отрегулировать винт, расположенный на задней стороне горизонтного зеркала.
2. Выбор места наблюдения: Выберите место с открытым горизонтом, чтобы ничто не загораживало вид на небесное тело и горизонт. Идеальное место – палуба корабля, возвышающаяся над уровнем моря.
3. Определение времени: Точное время необходимо для расчета географической долготы. Используйте хронометр или другой источник точного времени, откалиброванный по всемирному координированному времени (UTC). Запишите время наблюдения с точностью до секунды.
4. Подготовка альманаха: Морской альманах содержит данные о положении небесных тел на каждый день года. Необходимо иметь под рукой актуальный альманах и знать, как им пользоваться. Альманах предоставляет информацию о Greenwich Hour Angle (GHA) и склонении (Declination) для каждого небесного тела.
5. Определение высоты глаза: Высота глаза (height of eye) – это расстояние от уровня глаз наблюдателя до уровня моря. Эта величина необходима для внесения поправок в измеренную высоту небесного тела.

Шаги по использованию секстанта для измерения высоты Солнца

Рассмотрим пошаговый процесс измерения высоты Солнца:

1. Установите светофильтры: Используйте светофильтры для защиты глаз от яркого солнечного света. Начните с самых темных фильтров и постепенно уменьшайте их плотность, пока не станет комфортно наблюдать Солнце. Обычно один или два фильтра устанавливаются на индексное зеркало, а один – на горизонтное.
2. Наведите секстант на горизонт: Держа секстант вертикально, смотрите через телескоп на горизонт. Убедитесь, что горизонт четко виден через прозрачную часть горизонтного зеркала.
3. Медленно двигайте алидаду: Медленно перемещайте алидаду, пока отражение Солнца в горизонтном зеркале не появится в поле зрения телескопа.
4. Совместите Солнце с горизонтом: Аккуратно вращайте микрометрический винт, чтобы опустить отражение Солнца до касания с горизонтом. Стремитесь к тому, чтобы нижний край (нижний лимб) Солнца касался горизонта. Это наиболее распространенный метод измерения, так как проще визуально определить касание нижнего края.
5. Зафиксируйте показания: Когда нижний край Солнца касается горизонта, зафиксируйте положение алидады и снимите показания с лимба и верньера. Запишите показания с точностью, которую позволяет ваш секстант (обычно до 0.1 угловой минуты).
6. Повторите измерения: Для повышения точности рекомендуется выполнить несколько измерений подряд (например, 3-5) и вычислить среднее значение.

Коррекция измерений

Снятые показания с секстанта необходимо скорректировать, чтобы получить истинную высоту (true altitude) небесного тела. Существует несколько типов поправок, которые необходимо внести:

• Индексная поправка (Index Error): Эта поправка учитывает погрешность, возникающую из-за неточной настройки зеркал. Индексную поправку можно определить, совместив горизонт в прямом виде и отраженном виде при нулевом положении алидады. Если горизонты не совпадают, отсчитайте разницу на лимбе. Эта разница и есть индексная поправка. Ее необходимо прибавить или вычесть из измеренной высоты, в зависимости от знака.
• Поправка на высоту глаза (Dip): Эта поправка учитывает, что наблюдатель находится на некоторой высоте над уровнем моря. Чем выше высота глаза, тем больше поправка. Значения поправки можно найти в специальных таблицах, которые зависят от высоты глаза. Поправка всегда вычитается из измеренной высоты.
• Поправка на рефракцию (Refraction): Атмосфера Земли преломляет свет небесных тел, из-за чего они кажутся выше, чем есть на самом деле. Поправка на рефракцию зависит от измеренной высоты небесного тела. Чем ниже высота, тем больше рефракция. Значения поправки можно найти в альманахе или специальных таблицах. Поправка всегда вычитается из измеренной высоты.
• Поправка на полудиаметр (Semi-diameter): При измерении высоты Солнца мы обычно измеряем высоту нижнего края (нижнего лимба). Поправка на полудиаметр учитывает, что мы хотим знать высоту центра Солнца. Значение поправки можно найти в альманахе. Она всегда прибавляется к измеренной высоте.
• Поправка на параллакс (Parallax): Эта поправка учитывает, что наблюдатель находится не в центре Земли, а на ее поверхности. Поправка на параллакс наиболее значима для Луны и планет, и обычно пренебрежимо мала для Солнца.

После внесения всех необходимых поправок вы получите истинную высоту (Ho) небесного тела.

Расчет географической широты

Зная истинную высоту Солнца в момент местного полдня (когда Солнце находится в наивысшей точке над горизонтом), можно вычислить географическую широту. Формула для расчета широты:

Широта = Склонение + (90° – Ho), если наблюдатель находится в том же полушарии, что и склонение.

Широта = Склонение – (90° – Ho), если наблюдатель находится в противоположном полушарии от склонения.

Где:

• Ho – истинная высота Солнца в местный полдень.
• Склонение – угол между экватором и небесным телом (берется из альманаха на дату и время наблюдения).

Расчет географической долготы

Для расчета географической долготы необходимо знать истинную высоту небесного тела (обычно Солнца) в момент времени, зафиксированный по всемирному координированному времени (UTC). Процесс расчета долготы более сложный, чем расчет широты, и требует использования сферической тригонометрии и таблиц сокращенных вычислений (sight reduction tables). Кратко опишем основные этапы:

1. Определите Greenwich Hour Angle (GHA): GHA – это угловое расстояние между точкой Овна (Aries) и меридианом Гринвича, измеренное по направлению к западу. Значение GHA берется из альманаха для момента времени UTC наблюдения.
2. Определите Local Hour Angle (LHA): LHA – это угловое расстояние между точкой Овна и меридианом наблюдателя. LHA вычисляется по формуле: LHA = GHA + Долгота (если долгота западная) или LHA = GHA – Долгота (если долгота восточная). Однако, поскольку долгота нам неизвестна, мы должны использовать итеративный процесс.
3. Предположите долготу (Assumed Longitude): Выберите приблизительное значение долготы. Чем точнее предположение, тем быстрее сойдется решение.
4. Рассчитайте LHA на основе предположенной долготы.
5. Используйте таблицы сокращенных вычислений (Sight Reduction Tables): Эти таблицы позволяют вычислить разницу между вычисленной высотой (Hc) и измеренной высотой (Ho). Для этого необходимо знать LHA, склонение и предположенную широту (Assumed Latitude). Предположенная широта выбирается близкой к вашей оценке текущей широты.
6. Определите азимут (Zn): Азимут – это направление на небесное тело относительно севера. Азимут также можно найти в таблицах сокращенных вычислений.
7. Вычислите разницу высот (Altitude Intercept): Разница высот (a) = Ho – Hc.
8. Нанесите линию положения (Line of Position – LOP): На карте проложите линию, перпендикулярную направлению азимута, на расстоянии, соответствующем разнице высот (a). Если Ho > Hc, то линия положения смещается в направлении небесного тела. Если Ho < Hc, то линия положения смещается в противоположном направлении.
9. Повторите измерения и расчеты для другого небесного тела: Используйте другое небесное тело (например, другую звезду) и повторите процесс измерения и расчета линии положения. Пересечение двух линий положения дает приблизительное местоположение наблюдателя.
10. Уточните предположенную долготу: Если разница между предположенной долготой и долготой, полученной из пересечения линий положения, значительна, повторите расчеты, используя более точное значение долготы.

Советы по использованию секстанта

• Практикуйтесь: Использование секстанта требует практики. Чем больше вы практикуетесь, тем точнее будут ваши измерения.
• Используйте качественный секстант: Качество секстанта влияет на точность измерений. Инвестируйте в качественный инструмент.
• Будьте внимательны к деталям: Внимательно выполняйте все этапы измерения и расчета. Малейшая ошибка может привести к значительным погрешностям в определении местоположения.
• Используйте надежные источники информации: Используйте актуальный альманах и надежные таблицы сокращенных вычислений.
• Учитывайте погодные условия: Погодные условия, такие как туман и облачность, могут затруднить наблюдение небесных тел.
• Не отчаивайтесь: Первые попытки могут быть неудачными. Не отчаивайтесь и продолжайте практиковаться.

Современные альтернативы секстанту

В современном мире существует множество альтернатив секстанту, таких как GPS, ГЛОНАСС и другие спутниковые навигационные системы. Эти системы обеспечивают высокую точность и удобство использования. Однако, секстант остается важным резервным инструментом, который может быть использован в случае отказа электронных систем, а также для обучения основам навигации. Кроме того, использование секстанта позволяет ощутить связь с историей мореплавания и получить глубокое удовлетворение от самостоятельного определения своего местоположения в море.

Заключение

Секстант – это сложный, но увлекательный инструмент, позволяющий определять местоположение с помощью небесных тел. Хотя современные технологии предлагают более простые и точные методы навигации, секстант по-прежнему остается ценным резервным инструментом и способом понять основы астронавигации. Освоение секстанта требует терпения и практики, но наградой станет возможность самостоятельно ориентироваться в море, как это делали моряки на протяжении веков.