航海学教材

航海学航海学是一门研究船舶如何安全、经济地从一个港口（地点）航行到另一港口（地点）的实用性学科。航海学主要研究下列课题：1．拟定一条安全、经济的航线和制定一个切实可行的航行计划。2．航迹推算，包括航迹绘算和航迹计算两种方法。航迹推算是指根据船上最基本的航海仪器（罗经和计程仪）所指示的航向和航程，结合海区内的风流要素和船舶操纵要素，不借助外界物标或航标，从某一已知船位起，推算出具有一定精度的航迹和某一时刻的船位的方法。它是驾驶员在任何情况下，求取任何时刻的船位的最基本的方法，也是陆标定位、天文定位和电子定位的基础。3．测定船位（简称定位），包括陆标定位、天文定位和电子定位三种。陆标定位是指观测海图上标有准确位置的，并可供目视或雷达观测的山头、岛屿、岬角、灯塔等显著的固定物标与本船的某一（某些）相对位置关系，如方位、距离和方位差等，从而在海图上确定本船船位的方法和过程。陆标定位一般可分为方位定位、距离定位、方位距离定位和移线定位等。天文定位是指在海上利用航海六分仪观测天体（太阳、月亮和部分星体）高度来确定船舶位置的一种定位方法。电子定位是指利用船舶所装备的无线电定位系统的接收机来测定本船位置的一种定位方法。目前，普遍使用的有GPS定位系统和罗兰C定位系统。船舶航行中，要求航海人员尽一切可能随时确定本船的船位所在。这样，才可能结合海图，了解船舶周围的航行条件，及时采取适当、有效的航行方法和必要的航行措施，确保船舶安全、经济地航行。航迹推算和定位是船舶在海上确定船位的两类主要方法。4．航行方法，研究在各种航海条件下的航行方法，如沿岸航行、狭水道航行和特殊条件下的航行等。为了研究上述课题，航海学还必须包括航海学基础知识和航路资料等基本内容。其中，航海学基础知识主要包括坐标、方向和距离，以及海图两大部分内容；航路资料主要包括：潮汐与潮流、航标与《航标表》和航海图书资料等内容。第一章坐标、方向和距离第一节地球形状和地理坐标一、地球形状航海上船舶和物标的坐标、方向和距离等，都是建立在一定形状的地球表面的，要研究坐标、方向和距离等航海基本问题，必须首先对地球的形状和大小作一定的了解。航海上，不同场合，根据不同的精度要求，往往将大地球体看作不同的近似体：1.第一近似体――地球圆球体航海上为了计算上的简便，在精度要求不高的情况下，通常将大地球体当作地球圆球体。2.第二近似体――地球椭圆体在大地测量学、海图学和需要较为准确的航海计算中，常将大地球体当作两极略扁的地球椭圆体。地球椭圆体即旋转椭圆体，它是由椭圆PNQPSQ′绕其短轴PNPS旋转而成的几何体（图1-1）。表示地球椭圆体的参数有：长半轴a、短半轴b、扁率c和偏心率e。二、地理坐标1.地球上的基本点、线、圈地理坐标是建立在地球椭圆体表面上的。要建立地理坐标，首先应在地球椭圆体表面上确定坐标的起算点和坐标线图网。如图所示：椭圆短轴即地球的自转轴――地轴（PNPS）；地轴与地表面的两个交点是地极，在北半球的称为北极（PN），在南半球的称为南极（PS）；通过地球球心且与地轴垂直的平面称为赤道平面，赤道平面与地表面相交的截痕称为赤道（QQ′）,它将地球分为南、北两个半球；任何一个与赤道面平行的平面称为纬度圈平面，它与地表面相交的截痕是个小圆，称为纬度圈（AA′）；通过地轴的任何一个平面是子午圈平面，它与地表面相交的截痕是个椭圆，称为子午圈（PNQPSQ′）；由北半球到南半球的半个子午圈，叫作子午线，又称经线（PNQPS，PNQ′PS）；通过英国伦敦格林尼治天文台子午仪的子午线，叫作格林子午线或格林经线（PNGPS）。2.地理坐标地球表面任何一点的位置，可以用地理坐标，即地理经度和地理纬度来表示。地理经度简称经度，地面上某点的地理经度为格林经线与该点子午线在赤道上所夹的劣弧长，用或Long表示。某点地理经度的度量方法为：自格林子午线起算，向东或向西度量到该点子午线，由0°到180°计量。向东度量的称为东经，用E标示；向西度量的称为西经，用W标示。例如北京的经度为116°22.8E。地理纬度简称纬度，地球椭圆子午线上某点的法线与赤道面的夹角称为该点的地理纬度，用或Lat表示。某点地理纬度的度量方法为：自赤道起算，向北或向南度量到该点所在纬度圈，由0°到90°计量。向北度量的称为北纬，用N标示；向南度量的为南纬，用S标示。例如北京的纬度为39°54.4N。纬度圈上各点的纬度相等，经线上各点的经度也都相等，经线与纬度圈所构成的图网为坐标线图网。第二节航向与方位一、方向的确定、划分与换算1.航海上方向的划分航海上常用的划分方向的方法有下列三种：（1）圆周法以正北为方向基准000°，按顺时针方向计量到正东为090°，正南为180°，正西为270°，再计量到正北方向为360°或000°。圆周法始终用三位数表示，是航海上最常用的表示方向的方法。（2）半圆法以正北或正南为方向基准，分别向东或向西计量到正南或正东，计量范围0°到180°。用半圆法表示某方向时，除度数外，还应标明起算点和计量方向。如：30°NE，150°SE，30°SW，150°NW。（3）罗经点法如图所示：罗经点法以北、东、南、西四个基本方向为基点；将平分相邻基点之间的地面真地平平面方向称为隅点，即东北(NE)、东南(SE)、西南(SW)和西北(NW)四个方向；将平分相邻基点与隅点之间的地面真地平平面方向称为三字点，其名称有基点名称之后加上隅点名称组成，即北北东(NNE)、东北东(ENE)、东南东(ESE)、南南东(SSE)等八个方向；再将平分相邻基点或隅点与三字点之间的十六个地面真地平平面方向称为偏点，偏点的名称由基点名称或隅点名称之后加上偏向的方向来组成，例如：北偏东(N/E)、东北偏北(NE/N)、东偏北(E/N)等。这样，四个基点、四个隅点、八个三字点和16个偏点，共计32个方向点，叫做32个罗经点。2.三种方向划分之间的换算根据航海实际的需要，三种方向之间的换算，通常是指将半圆法和罗经点法所表示的方向换算为相应的圆周法方向，其换算方法如下：（1）半圆法换算成圆周法的法则是：在北东（NE）半圆：圆周度数=半圆度数在南东（SE）半圆：圆周度数=180°-半圆度数在南西（SW）半圆：圆周度数=180°+半圆度数在北西（NW）半圆：圆周度数=360°+半圆度数（2）罗经点法换算成圆周法的法则是：由于相邻两罗经点之间的角度为11°.25，因此，某个罗经点方向所对应的圆周方向，可根据该罗经点在罗经点法中的点数称以11°.25的法则确定。在掌握了所有罗经点的意义、命名方法以及四个基点与四个隅点所对应的圆周法方向的基础上，还可依据下列原则来换算：八个三字点的圆周方向等于相应的基点方向与隅点方向的平均值；16个偏点的圆周方向等于相应基点或隅点方向加上±11°.25。其中，±应根据该偏点偏向相应基点或隅点的方向而定：顺时针方向取＋，逆时针方向取－。二、航向、方位和舷角航海上经常涉及到的方向有两种：船舶航行的方向（航向）和物标的方向（方位）。船舶首尾线向船首方向的延伸线，称作航向线，代号CL。船舶航行过程中，在测者地面真地平平面上，自真北线顺时针方向计量到航向线的角度，称为船舶的真航向，计量范围000°至360°，代号：TC。船舶和物标的连线称为物标的方位线，代号BL。自正北方向线顺时针方向计量到物标方位线的角度，称为船舶的真方位，计量范围000°至360°，代号：TB。从航向线到物标方位线之间的夹角，称为物标的舷角或相对方位。舷角以航向线为基准，按顺时针方向计量到物标方位线，计量范围000°到360°，始终用三位数表示，代号Q；或以船首向为基准，分别向左或向右计量到物标方位线，计量范围0°到180°，向左计量为左舷角Q左，向右计量为右舷角Q右。当舷角Q=090°或Q右=90°时，叫做物标的右正横；当Q=270°或Q左=90°时，叫做物标的左正横。航向、方位和舷角之间的关系如下：QTCTB＋＝或－为＋为左右QQQTCTB如计算所得的真方位值大于360°或小于0°，则应分别减去或加上360°。第三节向位的测定与换算一、陀螺罗经/电罗经测定向位航海上测定向位（航向和方位）的仪器是罗经。目前，海船上配备的罗经有陀螺罗经(俗称电罗经）和磁罗经两大类。陀螺罗经是根据高速旋转的陀螺仪，在受到适当的阻尼力作用后，能迫使其旋转轴保持在其子午圈平面内的原理而制成的。陀螺罗经是一种不受地磁场和电磁场影响的、具有较大指北力的电动机械仪器，它能带动若干个分罗经，分别安装在驾驶台、驾驶台两翼、海图室和船长房间等，还能为雷达、自动舵和航向记录仪等提供指北信息。陀螺罗经刻度盘0°所指示的方向称为陀螺罗经北，简称陀罗北，用NG表示。陀罗北线和船舶航向线之间的夹角，称为陀罗航向，代号GC。陀罗北线和物标方位线之间的夹角，叫做陀罗方位，代号GB。陀罗航向和陀罗方位均以陀罗北线为基准，按顺时针方向计量至航向线或物标方位线，计量范围000°到360°。陀罗北偏开真北角度称为陀螺罗经差（简称陀罗差），用G表示。陀罗北偏在真北的东面，陀罗向位小于真向位，G为偏东或偏低，用E或(＋)表示；陀罗北偏在真北的西面，陀罗向位大于真向位，G为偏西或偏高，用W或（－）表示。真向位、陀罗向位和陀罗差之间的关系如下：TC=GC＋GTB=GB＋G－偏西为＋偏东为GG二、磁罗经测定向位1.磁罗经基本原理磁罗经是我国古代四大发明之一――指南针演变发展而来的。它是根据在水平面内自由旋转的磁针，受到地磁磁力的作用后，能稳定指示地磁磁北方向的特性而制成的。如图所示，地球周围存在一个天然磁场――地磁，它好像是由地球内部的一个大磁铁所形成的磁场。磁力线方向垂直于地面的点，叫做地磁磁极，靠近地理北极的是磁北极；靠近地理南极的是磁南极。2.磁罗经基本概念将磁罗经放置在地球上某一点，当它仅受到地磁磁场的作用时，其N极所指的方向（即磁罗经刻度盘0°的方向）即为磁北NM。因为地磁北极与地理北极并不在同一地点，地磁磁场本身又很不规则，所以地面上某点的磁北线与真北线往往不重合。磁北（NM）偏离真北（NT）的角度称为磁差，代号Var.。如磁北偏在真北的东面，称磁差偏东，用E或＋表示；磁差偏在真北西面，则称磁差偏西，用W或－表示。如图所示：磁北线与航向线之间的夹角称为磁航向，代号MC；磁北线与方位线之间的夹角称为磁方位，代号MB。磁航向与磁方位均以磁北为基准，分别按顺时针方向计量到航向线或物标方位线，计量范围000°至360°。显然，磁向位、磁差和真向位之间的关系如下：TC＝MC＋Var.TB＝MB＋Var.安装在钢铁制成的船上的磁罗经，除了受到地磁的作用外，还将受到船上钢铁在地磁磁场中磁化后形成的磁场――船磁场的影响，以及磁罗经附近电气设备形成的电磁场的影响。这样，致使磁罗经的指北端不再指示磁北方向，而指向上述各磁场的合力方向上。此时磁罗经刻度盘0°所指示的北，称为罗北，代号NC。罗北偏离磁北的角度称为自差，用缩写Dev或符号δ表示。如罗北偏在磁北之东，称为东自差，用E或＋标示；若罗北偏在磁北之西，则为西自差，用W或－标示。船上磁罗经的磁针在地磁和船磁的合力影响下，其罗经刻度盘0°所指示的罗北NC偏离真北NT的角度称为磁罗经差，简称罗经差，用C表示。当罗北偏在真北东面时，罗经差偏东，用E或＋标示；罗北偏在真北西面，罗经差偏西，用W或－标示。显然，罗经差C是磁差Var和自差Dev的代数和，即：C=Var+Dev以罗北为基准的航向和方位统称为罗向位。如图所示：罗北线和航向线之间的夹角叫做罗航向，代号CC；罗北线和物标方位线之间的夹角叫做罗方位，代号CB。罗航向和罗方位均以罗北NC为基准，各自按顺时针方向计量到航向线或物标的方位线，计量范围：000°～360°。3.磁差的求取由于地磁磁轴并不与地轴重合，而且地磁磁轴也不通过地球球心，因此各地磁差的大小和方向各不相同。另外，由于地磁磁极沿椭圆轨道不断地绕地极缓慢移动，同一地点的磁差将因此随时间逐渐变化，每年大约变化0°～0°.2。因此