Определение долготы по хронометру: исторический и практический аспекты.

Введение

Определение долготы по хронометру – это метод в навигации, позволяющий определять долготу с использованием морского хронометра, разработанного Джоном Харрисоном в первой половине восемнадцатого века. Это астрономический метод вычисления долготы, при которой линия положения, построенная по результатам визирования секстантом любого небесного тела, пересекает предполагаемую широту наблюдателя. Для вычисления линии положения необходимо знать время визирования, чтобы определить небесную позицию, то есть часовой угол Гринвича (небесную долготу, отсчитываемую в западном направлении от Гринвича) и склонение (небесную широту, отсчитываемую к северу или югу от небесного экватора) наблюдаемого небесного тела. По одному визированию можно получить только одну линию положения, которую можно определить в любое время в светлое время суток, когда видны как морской горизонт, так и солнце. Для определения местоположения требуется видимость не только одного небесного тела, но и морского горизонта. Обычно это возможно только на рассвете и в сумерках. Угол между морским горизонтом и небесным телом измеряется секстантом, при этом фиксируется время. Показание секстанта называется «высотой секстанта». Оно корректируется с помощью таблиц до «истинной высоты». Истинное склонение и часовой угол небесного тела определяются из астрономических таблиц для момента измерения и вместе с «истинной высотой» подставляются в формулу с предполагаемой широтой. Эта формула вычисляет «истинный часовой угол», который сравнивается с предполагаемой долготой, что позволяет внести поправку в предполагаемую долготу. Эта поправка применяется к предполагаемому местоположению, чтобы построить линию положения вдоль предполагаемой широты на исправленной долготе под углом 90° к азимуту (пеленгу) на небесное тело. Положение наблюдателя находится где-то вдоль линии положения, не обязательно на найденной долготе при предполагаемой широте. Если два или более визирования или измерения выполнены в течение нескольких минут друг от друга, можно получить «определение местоположения» (fix) и определить положение наблюдателя как точку пересечения линий положения. Азимут (пеленг) небесного тела также определяется с помощью астрономических таблиц, для чего также необходимо знать время. Отсюда следует, что навигатору необходимо знать время с высокой точностью, чтобы точно определить положение наблюдаемого небесного тела. Положение Солнца указывается в градусах и минутах к северу или югу от небесного экватора и к востоку или западу от Гринвича, который англичанами был установлен в качестве нулевого меридиана. Острая необходимость в точном хронометре была удовлетворена в середине XVIII века, когда англичанин Джон Харрисон создал серию хронометров, кульминацией которой стала знаменитая модель H4, отвечавшая требованиям к стандартному судовому хронометру. Многие страны, такие как Франция, предлагали свои собственные долготы в качестве стандарта, хотя большинство навигаторов в мире в конечном итоге приняли долготы, установленные британцами. Нулевой меридиан, принятый британцами, стал известен как главный меридиан и теперь принят большинством стран в качестве отправной точки для всех измерений долготы. Главный меридиан, определяющий нулевую долготу, проходит вдоль меридиана, проходящего через Королевскую обсерваторию в Гринвиче, Англия. Долгота измеряется в градусах к востоку и западу от главного меридиана. Для определения «долготы по хронометру» навигатору требуется хронометр, установленный на местное время на нулевом меридиане. Местное время на нулевом меридиане исторически называлось Гринвичским средним временем (GMT), но теперь, в связи с международной чувствительностью, было переименовано в Координированное универсальное время (UTC) и в разговорной речи известно как «время Zulu».

Longitude by chronometer is a method, in navigation, of determining longitude using a marine chronometer, which was developed by John Harrison during the first half of the eighteenth century. It is an astronomical method of calculating the longitude at which a position line, drawn from a sight by sextant of any celestial body, crosses the observer's assumed latitude. In order to calculate the position line, the time of the sight must be known so that the celestial position i. e. the Greenwich Hour Angle (Celestial Longitude measured in a westerly direction from Greenwich) and Declination (Celestial Latitude measured north or south of the equational or celestial equator), of the observed celestial body is known. All that can be derived from a single sight is a single position line, which can be achieved at any time during daylight when both the sea horizon and the sun are visible. To achieve a fix, more than one celestial body and the sea horizon must be visible. This is usually only possible at dawn and dusk. The angle between the sea horizon and the celestial body is measured with a sextant and the time noted. The Sextant reading is known as the 'Sextant Altitude'. This is corrected by use of tables to a 'True Altitude'. The actual declination and hour angle of the celestial body are found from astronomical tables for the time of the measurement and together with the 'True Altitude' are put into a formula with the assumed latitude. This formula calculates the 'True Hour Angle' which is compared to the assumed longitude providing a correction to the assumed longitude. This correction is applied to the assumed position so that a position line can be drawn through the assumed latitude at the corrected longitude at 90° to the azimuth (bearing) on the celestial body. The observer's position is somewhere along the position line, not necessarily at the found longitude at the assumed latitude. If two or more sights or measurements are taken within a few minutes of each other a 'fix' can be obtained and the observer's position determined as the point where the position lines cross. The azimuth (bearing) of the celestial body is also determined by use of astronomical tables and for which the time must also be known. From this, it can be seen that a navigator will need to know the time very accurately so that the position of the observed celestial body is known just as accurately. The position of the sun is given in degrees and minutes north or south of the equational or celestial equator and east or west of Greenwich, established by the English as the Prime Meridian. The desperate need for an accurate chronometer was finally met in the mid 18th century when an Englishman, John Harrison, produced a series of chronometers that culminated in his celebrated model H 4 that satisfied the requirements for a shipboard standard time keeper. Many nations, such as France, have proposed their own reference longitudes as a standard, although the world’s navigators have generally come to accept the reference longitudes tabulated by the British. The reference longitude adopted by the British became known as the Prime Meridian and is now accepted by most nations as the starting point for all longitude measurements. The Prime Meridian of zero degrees longitude runs along the meridian passing through the Royal Observatory at Greenwich, England. Longitude is measured east and west from the Prime Meridian. To determine "longitude by chronometer," a navigator requires a chronometer set to the local time at the Prime Meridian. Local time at the Prime Meridian has historically been called Greenwich Mean Time (GMT), but now, due to international sensitivities, has been renamed as Coordinated Universal Time (UTC), and is known colloquially as "zulu time".

По полудню на долготу

По полудню прицелы позволяют определить широту наблюдателя. Без применения методов усреднения невозможно определить долготу с точностью лучше, чем с помощью полуденного прицела. Полуденный вид называется меридианной высотой. Хотя определить широту наблюдателя в полдень, не зная точного времени, очень легко, точно измерить долготу в полдень невозможно. В полдень изменение высоты солнца происходит очень медленно, поэтому точное время, когда солнце достигает наивысшей точки, невозможно определить непосредственным наблюдением, а значит, невозможно получить точную долготу в момент кульминации. Однако, время кульминации для определения долготы с достаточной точностью можно установить, усреднив время наблюдений, сделанных во время восхода и спуска солнца до и после момента кульминации. Для этого необходимо зафиксировать показания секстанта за 15-30 минут до местного полудня (кульминации) и записать время, затем оставить секстант установленным под тем же углом и впоследствии зафиксировать момент времени, когда солнце проходит через прицельную трубку во время спуска с наивысшей точки, между получасом и часом спустя. Усреднение этих двух моментов времени позволит получить достаточно точную долготу для навигации (в пределах ).

Исправления в процессе

К сожалению, Земля не движется по идеально круговой орбите вокруг Солнца. Из-за эллиптической формы орбиты Земли вокруг Солнца скорость видимого движения Солнца вокруг Земли меняется в течение года, из-за чего оно кажется то ускоряющимся, то замедляющимся. Следовательно, полдень на Гринвичском меридиане редко, если вообще когда-либо, наступает ровно в 12:00 UTC, а обычно на несколько минут и секунд раньше или позже этого времени каждый день. Эта небольшая суточная вариация рассчитана и приведена в Морском альманахе под названием "Уравнение времени" для каждого дня года. Для повышения точности расчетов эту вариацию необходимо прибавлять или вычитать из UTC местного астрономического полудня. Использование поправки "Уравнение времени" вместе со средними значениями полуденных наблюдений при восходе/заходе может обеспечить точность в пределах или меньше. Без усреднения по времени, трудности в определении точного момента местного полудня из-за сплющенности траектории Солнца на небе снижают точность расчетов. Другие методы небесной навигации, предполагающие более широкое использование как Морского альманаха, так и таблиц вычисления высоты, также используются навигаторами в разное время суток для определения долготы с точностью до .