航海學1(2013)

1、航海學1MARINE NAVIGATION(1)張常漢課程介紹 課程性質(zhì)： 本專業(yè)學位課程 學習其它專業(yè)課程的基礎 課程內(nèi)容： 第一章 坐標、方向和距離 第二章 海圖 第三章 航標與航標表 第四章 航跡推算 第五章 陸標定位本課程核心問題要確定四個問題：位置、方向、距離、速度第一章 坐標、方向和距離(coordinate, direction and distance)第一節(jié) 地球形狀、地理坐標與大地坐標系 位置：船的位置、物標的位置如何表達第二節(jié) 航向與方位 方向：船的方向（航向）、物標的方向（方位）如何確定第三節(jié) 能見地平距離和物標能見距離 距離：海上距離如何表達第四節(jié) 航速與航程 速度：

2、船舶速度如何確定第一節(jié) 地球形狀、地理坐標與大地坐標系背景：平面上位置的確定XYOA（x，y）xy結論：平面上確定坐標原點、建立坐標系圖網(wǎng)，任意點A都有唯一的一對（x，y）與之對應。一、地球形狀（figure of the earth）實際地球大地球體近似體不規(guī)則，無法解決航海問題大地球體：由大地水準面所包圍的幾何體。水準面：指通過該點且與該點的鉛垂線垂直的平面。大地水準面：與平均海面相吻合的水準面，并延伸到陸地內(nèi)部，在延伸中始終保持此面處處與當?shù)氐你U垂線正交，所形成的一個連續(xù)不斷的、光滑的閉合曲面。大地水準面是唯一的。大地球體也是不規(guī)則的，大地水準面也不是數(shù)學表面。第一近似體地球圓球體：用于

3、簡便計算；第二近似體地球橢圓體：大地測量學、海圖學、較精確計算用。abaeabac22地球橢圓體(earth ellipsoid) 地球橢圓體是由橢圓PNQPSQ繞短軸（地軸）旋轉(zhuǎn)而成參數(shù)：表示地球橢圓體的形狀和大小 長半軸（a） 短半軸（b） 扁率（flattening of earth,c） 偏心率（eccentricity of earth,e）各國所采用的參數(shù)可能不同。 二、地理坐標(geographic coordinate) 地理坐標建立在地球橢圓體上 北極PN、南極PS 赤道 北半球、南半球 緯度圈 子午圈 子午線（經(jīng)線） 格林子午線 東半球、西半球地理坐標的起算點：赤道與格林經(jīng)

4、線交點坐標線圖網(wǎng)：經(jīng)線和緯線地理坐標 地球表面上任一點用地理坐標（地理經(jīng)度和地理緯度）來表示。地理緯度（geographic latitude） 地球橢圓子午線上某點的法線與赤道面的夾角 航海上通常用或Lat表示 度量方法：從赤道向北（向南）， 090（）表示。地理經(jīng)度（geographic longitude） 格林經(jīng)線與某點經(jīng)線在赤道上所截的短弧長， 或該短弧所對之球心角或極角 航海上用或Long表示 度量方法：從格林經(jīng)線向東（向西），0180E（W）表示。經(jīng)緯度書寫正誤 0950.0N 950.0N 9950.0S 950.0S 3250N 32.50N或3250N 32500S 325

5、0.0S 325.0N 3205.0N 120255E 1202505E 12025.5E 12025.5E 12025120W 1202700W地心坐標 地理經(jīng)度 地心緯度（geocentric latitude, e ） 該點子午線的向徑與赤道面的交角。地心緯度改正量( -e)=691.5sin2 緯差和經(jīng)差（Difference of latitude & Difference of longitude） 用于表示位置變化的方向和大小。緯差：兩點緯度之差，用D表示。 D = 21 北緯為“”，南緯為“”。 D為正，到達點在起航點之北，緯差為北，用表示。 經(jīng)差：兩點經(jīng)度之差（小于180），

6、 用D表示。 D = 21 東經(jīng)為“”，西經(jīng)為“”。 D為正值，到達點在起航點之東面，經(jīng)差為東，用E表示； 經(jīng)差最大不超過180，當計算結果的絕對值大于180時，應用360減之，并改變原來的符號。 例題例1：起航點13250.0N，112025.0E，到達點22540.0S、214050.0E，求D、D；)(03058)(05032)(0402512SDNS例：起航點15030.0S，112042.0E，到達點26848.0N、215628.0W，求D、D；)(02520)(025120)(05014012EDEE)(018119)(03050)(0486812NDSNEDWDEW050820

7、10277360)(010277)(042120)(02815612三、大地坐標系(geoid coordinate system) 確定地球橢圓體與大地球體的相互位置。明確三個問題： 確定橢圓體參數(shù) 確定橢圓體中心位置（定位） 確定坐標軸方向（定向）注意： 地理坐標只是在相應的橢圓體上存在 同一橢圓體的坐標系不同，則同一物標也有不同的經(jīng)緯度 只有同一大地坐標系下的同一地球橢圓體上的位置才有唯一的表達式三、大地坐標系(geoid coordinate system) 不同國家會采用不同的坐標系和橢圓體，導致同一物標的經(jīng)緯度不同。我國 1954年 北京坐標系 克拉索夫斯基橢圓體 原點為北京 19

8、80年 西安坐標系 IUGG 1975年橢圓體 原點西安 2008年7月1日起全面起用2000中國大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000, CGCS2000），為地心坐標系，相當于WGS84（在經(jīng)度相同時，緯度最大差值約為0.11mm） 坐標變換問題： 在高精度航海計算時，兩坐標系間的位移量大于海圖的極限精度時，要依照海圖標題欄說明進行改正。大地水準面與地球橢圓體表面之差：在高精度導航儀中要對天線高度修正（儀器是用橢圓體來計算的） 方向的確定第二節(jié) 航向與方位Course and Bearing 一、方向的確定與劃分一、方向的確定與劃分（一）方向

9、的確定測者鉛垂線測者地平平面（horizon）測者真地平平面（true horizon）測者地面真地平平面（sensible horizon） 用于確定測者周圍的方向測者子午圈平面： 南北線測者卯酉圈（東西圈）平面： 東西線方向的確定（一）方向的確定（一）方向的確定N：南北線指向北極的方向；S：南北線指向南極的方向。E/W：當測者面北，左W右E。不同地點的測者地面真地平平 面、南北線和東西線是不同的。 位于兩極的測者無法確定北、 東、南、西四個基本方向。 位于北極的測者無真北方向， 其任意方向都是真南方向； 位于南極的測者，其任意方向 都是真北方向。（二）方向的劃分1、圓周法（three-fi

10、gure method）以真北為基準，按順時針方向計算，由000360始終用三位數(shù)字表示。它是航海上最常用的劃分方向的方法。NT/000090270060180（二）方向的劃分2、半圓法（semicircular method）以北或南為基準，向東或向西分別計算，各從0180除度數(shù)外，還要標以起算點和計量方向。例如120NE每一方向皆有二種表示法。半圓法主要用在航海天文計算中，表示天體的方位。NTEW60NE或120SES（二）方向的劃分3、羅經(jīng)點法（compass point）基點（cardinal point）4個隅點（intercardinal point）4個：“基+基”三字點(int

11、ermediate point)8個：“基+隅”偏點(by point)16個：“基或隅+偏向”共32個羅經(jīng)點，每個點為11.25。僅用于表示風、流的方向。 NEENENENNEE/NNE/ENE/NN/E三種方向劃分法的換算1、半圓法換算成圓周法NE半圓：圓周度數(shù)等于半圓度數(shù)SE半圓：圓周度數(shù)等于180減半圓度數(shù)SW半圓：圓周度數(shù)等于180加半圓度數(shù)NW半圓：圓周度數(shù)等于360減半圓度數(shù)例：85NE 085 45SE 180-45=135 75SW 180+75=255 80NW 360-80=2802、羅經(jīng)點法換算成圓周法1點=11.254點=45真航向示意圖二、航向、方位和舷角二、航向、

12、方位和舷角 航向線（course line，CL） 當船平正時，船舶首尾面與測者地面真地平平面相交的直線為船首尾線，其向船首方向的射線為航向線。真航向（true course，TC） 真北線與航向線間夾角。從真北線開始順時針計量到航向線，由000360船首向（heading，Hdg）：船舶某一瞬間的船首方向。真航向示意圖方位線（bearing line，BL） 地面上，由測者A向物標M連接的大圓弧AM叫作方位圈。方位圈平面與測者地面真地平平面交線AM 叫作方位線。真方位（true bearing，TB） 真北線與方位線間夾角。從真北線起順時針計量到方位線，由000360舷角（relative

13、bearing，Q） 航向線與方位線間夾角，從航向線起順時針計量到方位線，由000360，用Q表示； 或從船首向右或向左，由0180計量到物標方位線，稱為物標的右舷角（Q右）或左舷角（Q左）航向、方位、舷角關系航向、方位、舷角關系 TB = TC +Q（Q左為-，Q右為+）正橫（abeam）：物標舷角為090或90右時，叫物標右正橫；物標舷角為270或90左時，叫物標左正橫。 正橫是物標相對船而言，正橫時，物標方位線與航向線垂直。NTCLTCTBCQNTCLTCQ右BAQ左CLTCQ三、陀螺羅經(jīng)羅經(jīng)(gyrocompass)與陀羅向位與陀羅向位陀羅北 (gyrocompass north，NG

14、)：陀羅航向 (gyrocompass course，GC)：陀羅方位 (gyrocompass bearing，GB)：0基線航向線真北陀羅北陀螺羅經(jīng)差(gyrocompass error，G)簡稱陀羅差，是陀羅北偏開真北的角度。當陀羅北偏在真北東面，G為東，用或（）表示；當陀羅北偏在真北西面，G為西，用或（一）表示。陀羅差與航向無關，但存在緯度誤差、速度誤差、沖擊誤差和搖擺誤差等誤差。正常航行誤差0.25sec內(nèi)。NTNGNGGE或+GW或-陀羅向位與真向位換算 TC=GC+G TB=GB+G“羅大西（羅大副）”：當陀羅北偏于真北之西，羅經(jīng)顯示的航向和方位較真航向真方位大。CLGCGBMG

15、NTNGBL陀羅向位與真向位關系TBTCCLGCGBMGNTNGBLTBTC四、磁羅經(jīng)羅經(jīng)(magnetic compass)向位換算向位換算 羅北(compass north，NC)：羅航向(compass course，CC)：羅方位(compass bearing，CB)：CLNT0羅北基線901、磁羅經(jīng)差(compass error，C) 簡稱羅經(jīng)差，是羅北偏離真北的角度。羅北偏在真北東面時為正；羅北偏在真北西面時為負。羅經(jīng)差是磁差(variation，Var)與自差(deviation，Dev)的代數(shù)和：C=Var + Dev NTCLCCCBMCNCNCCE或+CW或-NTNCBL

16、羅經(jīng)差和羅向位TBTC2、地磁與磁差(geomagnetic & variation) 1）地磁場地磁北極，集中的是負磁量； 地磁南極，集中的是正磁量。地球表面磁力線從南向北。地磁磁極位置是不固定的， 約650年回轉(zhuǎn)一周。磁羅經(jīng)放置在地球上某一點， 受到地磁磁場的作用，磁針 的NS線將與該點的地磁磁力線的切線相重合，其N極所指的方向即磁羅經(jīng)羅盤上零度的方向在地面真地平平面上的投影，稱為磁北（magnetic north，NM）。2）磁差的產(chǎn)生原因：地理北極與地磁北極不重合，地磁場本身又不規(guī)則，所以某一點的磁北線與真北線往往不重合。磁差：磁北線偏開真北線的角度，用Var表示。 磁北線偏在真北線東

17、面，磁差偏東，用E或（）表示； 磁北線偏在真北線西面，磁差偏西，用W或（一）表示。磁航向(Magnetic Course)：以磁北為基準的航向 磁方位(Magnetic Bearing)：以磁北為基準的物標方位NTCLMCMBMVarNMNMVarE或+VarW或-NTNMBL磁差和磁向位TBTC磁差的大小和方向因地而異：低緯度地區(qū)較小，高緯度地區(qū)變大，可達180。磁極附近，磁羅經(jīng)無法應用。磁差隨時間而變化：變化較緩，每年計算一次即可。 磁差每年的變化量稱為磁差年變量，簡稱年差。 年差的表示方法： 用磁差絕對值的增加（十）或減少（一）來說明它的變化，或 用東（E）或西（W）表明年差向東或向西變

18、化 年差本身并不表示磁差向東或向西變化 海圖上所給年差是該地區(qū)在出版海圖時幾年內(nèi)年差的平均值，當使用陳舊海圖時誤差較大。地磁異常：由磁性礦物體致使磁場異常，磁差異常區(qū)在海圖上和航路指南上都有記載。磁暴：船舶未改向，而磁羅經(jīng)所示航向突然變化很大的現(xiàn)象。它與太陽黑子數(shù)量有關。3）磁差的變化駕駛員獲取磁差的三種途徑：磁差圖、GPS 、航用海圖利用航用海圖獲取磁差的方法：（1）某些航行圖和港泊圖 向位圈（即羅經(jīng)花compass rose）：磁差（當年1月1日磁差且準確至最近5）、年差（一般準確至最近1 ）、測量年份。（2）小比例尺大洋圖 等磁差曲線：磁差、年差 海圖標題欄內(nèi)：磁差測定年份（2）大比例尺

19、港泊圖 標題欄內(nèi)：磁差資料 當船位于兩羅經(jīng)花之間、兩等磁差曲線之間時，要按距離內(nèi)插。4）磁差的獲取方法羅羅經(jīng)經(jīng)花花等磁差線等磁差線3、船磁與自差 1）自差的產(chǎn)生船鐵受地磁場磁化后在磁羅經(jīng)附近形成船磁場船磁場的影響，致使磁羅經(jīng)羅盤0方向不指向磁北方向，而指向船磁場和地磁場各磁場力的合力方向，該方向在地面真地平平面上的投影，稱為羅北（NC）。磁羅經(jīng)自差：羅北偏開磁北的角度，簡稱自差，用Dev或表示。 當羅北偏在磁北之東時為東自差，用 E或（+）表示； 當羅北偏在磁北之西時為西自差，用W或（）表示。2）自差的變化船舶的航向不同時，由于船磁場力與地磁場力的相對關系不同，使羅經(jīng)周圍的合成磁場發(fā)生了變化，

20、致使自差隨航向的改變而改變。船體修改建、羅經(jīng)移位、船舶撞擊、裝載磁性物質(zhì)和鋼鐵后也會影響自差。3、船磁與自差 3）利用磁羅經(jīng)自差表求取自差自差太大，不僅使用不方便，而且使羅經(jīng)不能正確指向，因此必須進行消除自差的工作。 如CC060,Var5W,Dev5E（TC060）改向駛 CC070,Var5W,Dev0（TC065）實際中不可能把每個航向的自差都消除掉，還要通過測定和計算求出各個羅航向的剩余自差值，制成自差表，供航行時使用。任何船舶都必須制作一個可靠的自差表或自差曲線。查自差： 以羅航向CC為引數(shù)，查找相應的自差值； 真航向磁航向查取自差計算出羅航向查取自差。 當引數(shù)不是表列值時，應查取其

21、相鄰的羅航向的自差值再進行內(nèi)插。自差的準確度計算到0.1。 例題1、CC=053利用表1-1-5自差表，求自差。2、TC=147，Var=12E，求自差。解：磁航向MC=TCVar=147-12=135 以磁航向代替羅航向為引數(shù)查自差表，得： Dev=-3.43.4 CC=MC- Dev=138.4 Dev=-3.4+0.43.4/15=-3.3=3.3WEDev7 .06 .03 .1)4553(4560)3 .1()2 .0(3 .14、磁向位關系VarMBVarDevCBCCBTBVarMCVarDevCCCCCTCNTCLMCMBMVarNCNMNTNMBLTBTCCLVarDevCC

22、CNCDevCCB羅經(jīng)基線問題羅經(jīng)的讀數(shù)：基線所示的羅盤刻度，可能為羅航向、磁航向、真航向三者之一。CLNT0羅北基線90例題若安裝磁羅經(jīng)時基線偏右2，當羅經(jīng)刻度盤讀數(shù)為032 時，羅經(jīng)差為+2 ，測得某物標舷角為65 （左），求TC、CC、TB、CB。第三節(jié) 能見地平距離和物標地理能見距離 一、航海上的距離單位最常用為海里(nautical mile, n mile，M)。海里：地球橢圓子午線上緯度分所對應的弧長。 AXYMO3222)sin1()1(eeaMA點的曲率半徑為：海里海里海里的長度是不固定的，它隨緯度的變化而變化，它還因地球橢圓體參數(shù)不同而不同。=0時最短，為1842.94m；

23、 =4414時，為1852m； =90最長，為1861.56m1)2cos43411 (1122arceeaarcMmilen以克拉索夫斯基地球橢圓體參數(shù)代入，則：)(2cos31.925.18521mmilen標準海里標準海里標準海里：為了實際應用方便，確定一固定值作為海里的標準長度。 1海里=1852米。用于測量航速與航程的計程儀用此標準長度進行測定。標準海里引起的誤差：例：某船沿赤道向正東航行，航速為25n mile/h 航行1天后船舶航行的距離為2524=600n mile 但實際應為1852600/1842.94=603n mile 顯然，計程儀“少計”了； 同樣，在4414時，計程

24、儀則“多計”了。海里在習慣上可用“ ”表示。 其它長度單位其它長度單位鏈（cable, cab） 1cab=1/10n mile=185m米（meter, m） 航海上常用作高程和水深的單位英尺（foot, ft） 1 ft=0.3048 m英寸（inch, in） 1 ft=12 in, 1in=25.4 mm碼（yard, yd） 1 yd=3 ft拓（fathom, fm） 1 fm=6 ft 二、測者能見地平距離 測者能見地平平面或視地平平面（visible horizon）：水天線BB圓圈所在的地平平面。測者能見地平距離(distance to the horizon from he

25、ight of eyes ,De)：測者到水天線的距離，用e表示。 )(09.2)(meABBAmilenDeABBAeOC2、物標地理能見距離(Do)三、物標能見距離 1、物標能見地平距離(Dh)(09.2)(mHmilenDh)()(09. 2)(mHmeDDmilenDheoDo是測者能看見物標的極限距離。eHDeDhDo四、燈標射程(light range) 燈標的最大可見距離： 光力射程：光力能見距離D1、D2、D3，取決于燈光強度 地理射程：米眼高的燈標地理能見距離D5圖注燈光射程：光力能見距離、米眼高的燈標地理能見距離中小者。強光燈： 弱光燈：1、中版燈標射程（圖注燈光射程cha

26、rted range）定義：晴天黑夜，5米眼高的測者所能看到燈光的最大距離（注整數(shù)）。5mHD2D1D3ABC四、燈標射程(light range) 2、英版海圖圖注燈標射程：光力射程（luminous range）：在某一氣象能見度條件下，燈光光力的最大能見距離。額定光力射程（nominal range）：在氣象能見度為10n mile條件下，燈光光力的最大能見距離。燈標射程僅與燈光強度、氣象能見度有關，與燈高、眼高、地面曲率、地面蒙氣差等無關。世界上大多數(shù)國家采用額定光力射程作為燈標射程。燈光最大可見距離： 圖注燈標射程地理能見距離Do時，取Do； 圖注燈標射程Do時，取圖注燈標射程。四、

27、燈標射程(light range) 3、初顯與初隱初顯、初隱距離都等于燈塔的地理能見距離（Do）。只有強光燈才可能有初顯或初隱。初顯或初隱判斷： 先計算5米眼高時該燈塔的地理能見距離DO（5） DO（5）圖注射程 有初顯、初穩(wěn) DO（5）圖注射程 無初顯、初穩(wěn) 5mHD2D1AB例題例1 ；朝連島燈塔高80米，圖注燈光射程24海里，試問該燈塔有無初顯、初隱？海里解37.23)805(09.2:5D 因為D5約等于圖注射程（相差不大于1海里），所以該燈塔有初顯、初隱。例2：某船從大連開往上海，船前方有一成山角燈塔。標注為閃4秒60米21海里，該船眼高9米，求發(fā)現(xiàn)該燈塔的最遠距離。海里海里解218

28、6.20)605(09.2:5D海里46.22)609(09.2D 因為D5近似等于圖注射程21海里，所以該燈塔屬強光燈，有初顯，初顯距離即為該燈塔的最遠距離。第四節(jié) 航速與航程 船速（ship speed）：船舶在無風流情況下的航行速度，用VE表示。對水航速：船舶相對于水的速度，用VL表示。實際/對地航速（speed over ground）：船舶在風流影響下相對海底的航行速度，用VG表示。航速的單位為節(jié)（knot, kn）, 1kn=1 n mile/h航程：是船舶航行經(jīng)過的距離，單位為海里（n mile）。航程也有對水的航程與對海底的航程之分。流程對水航程實際航程流速對水航速實際航速一、

29、用主機轉(zhuǎn)速測定船速一、用主機轉(zhuǎn)速測定船速船速校驗線又稱測速場，設有三對計時疊標，有一對導航疊標。S1S2校驗線長度：18kn以下，12海里；18kn以上，23海里；水深滿足：h1.5v2/g+d，（18節(jié)船速有8米8富余水深）；船速校驗線兩端有足夠的回旋余地，船速校驗線附近沒有航海危險；能避風和沒有水流影響，至少船速校驗線與流向平行；疊標有足夠的靈敏度（d/D1/3）。一、用主機轉(zhuǎn)速測定船速一、用主機轉(zhuǎn)速測定船速無水流時，航行一次，便可求得主機船速VE： tsVE3600)(2121vvVE)2(41321vvvVE)33(814321vvvvVE恒流影響下，往返測定兩次，求船速VE： 等加速水流影響下，短時間內(nèi)往返測定三次，求船速VE： 變加速水流影響下，短時間內(nèi)往返測定四次，求船速VE： 某輪船速表只反映測定時情況，在裝載狀況改變時，船速也變了。全速半速慢速船速（kn）轉(zhuǎn)速（rpm）船速（kn）轉(zhuǎn)速（rpm） 船速（kn）轉(zhuǎn)速（rpm）17115138795916108128085215102117374514951065637二、用計程儀測定航程二、用計程儀測定航程 相對計程儀（relative log）：記錄船舶相對于水的航程。 無法顯示水流的影響，只能顯示船舶受風影響后的航速和航程。絕對計程儀（absolute log