北冰洋航行應用天文導航的問題及對策

芮震峰，應榮熔

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

0 引 言

北冰洋極具經濟價值和戰略意義，北冰洋航行無疑是我國海軍未來的重要發展方向之一，在當前相關研究較少的情況下，研究北冰洋航行的有關問題具有充分的必要性。相比于中低緯度海域，北冰洋航行導航更為困難，許多在其他海域行之有效的方法應用于北冰洋航行都將產生特殊的困難。在北冰洋航行可用的導航方法中，天文導航具有特別重要的作用，有時甚至是唯一可以依賴的方法。不過，北冰洋特殊的航行環境給天文導航的實際應用帶來了特殊困難。鑒于此，本文主要針對北冰洋航行環境的特殊性，探討天文導航在應用中遇到的現實問題并給出相應對策。

1 北冰洋航行天文定位導航面臨的特殊環境

北冰洋航行環境具有眾多有別于中低緯度海域的特殊性，就天文導航而言，與之相關的特殊航行環境可大體歸納為氣象、海洋、地理、天象及光照等5個方面[1-5]。

1.1 氣象環境

北冰洋航行的氣象環境因季節而異，在可航的夏季，空氣干燥，氣象環境對航行較為有利，但低溫、暖流等因素常引發霧、低云、凍煙、雪等現象，導致能見度受限。這類不利情況在冰區邊緣及靠近大陸的海域比較突出，在季節交替時則更為嚴重。此外，日光在冰雪表面和云幕間多次反射擴散所導致的海天對比度消失，也使得水天線難以辨識。

1.2 海洋環境

在可航的夏季，海冰融化，冰情對北冰洋航行不構成太大的障礙，但在大部分海域，大量未完全融化的海冰覆蓋于海面，既影響航行，又常導致水天線難以觀測。這一情況，加上眾多尚未完全掌握的潮流和洋流，也使得航跡推算格外困難，從而大幅度降低移線定位的準確性。

1.3 地理環境

在北冰洋海域，因經線向北極快速收斂，過度彎曲，投影變形急劇增大，致使常用的墨卡托海圖不再完全適用，需改用以等角橫圓柱投影等投影方式制成的特殊海圖，也使得在定位中不能再簡單地將方位線視作恒向線，而必須作為大圓弧來處理。這些特殊性都給天文定位的圖上作業帶來了一定影響。此外，經線向北極的快速收斂也導致時區在北冰洋向北極快速收斂，在距離北極點1 n mile處，時區間隔僅為0.25 n mile。因此，區時在北冰洋航行中將失去其原有意義。

1.4 天象環境

北冰洋航行屬于高緯度航行的特性，使得與天文導航密切相關的天象環境與中低緯度海域完全不同。在北極點附近，幾乎僅北天半球可見，所有天體環繞天北極作近似水平的周日視運動，因此可供觀測的恒星及其高度相對固定。其中天文定位導航常用的北極星位于天頂點附近，高度近90°，方位難以判定，基本失去定位導航價值。

除恒星外，太陽、月亮和航用行星在北冰洋海域的視運動現象也完全不同于中低緯度海域。以北極點處為例，上述天體的基本視運動現象如下：

1)太陽每年出沒1次，日出后呈螺旋狀緩慢上升直至達到最大高度23°27′，之后高度逐漸減小直至日沒，出沒之間時隔6個月。

2)月亮每月出沒1次，視運動現象與太陽類似，最大高度雖略有不同，但保持在23°27′(加減幾度的范圍內)。朔望前后月亮與太陽的方位一致或相差180°，無法進行日月定位。通常，每月日月同時可見且具備定位所需良好方位夾角的時間不過數天。

3)航用行星每個公轉周期出沒1次，其視運動現象與太陽、月亮類似，所能達到的最大高度同樣保持在23°27′(加減幾度的范圍內)。

北極點附近海域，日、月和航用行星的視運動現象類同于北極點，僅出沒時間間隔和最大高度隨緯度不同略有差異。由此不難看出，觀測日、月和航用行星定位，大多數情況下存在著天體高度過低的不利情況，與天文定位通常所要求的天體高度不小于10°的原則相悖。

1.5 光照環境

光照環境主要取決于太陽的視位置，是天文定位導航能否應用的決定因素之一。北冰洋海域大體以1年為周期的太陽出沒現象，導致光照環境也以1年為周期變化，基本情況如下：

1)在約4～6個月(因實際緯度而異)的極晝期間，光照條件良好，水天線可見，行星和恒星為日光遮蔽不可見，因此除偶爾可見月亮或金星外，絕大部分時間僅太陽一個天體可供定位。

2)在日出前和日沒后晨光昏影期間，水天線、月亮、航用行星和恒星可能同時可見，光照條件滿足測星定位需求，是天文定位導航的最佳時機。值得注意的是，因北冰洋屬高緯度海域，晨光昏影時間相比于中低緯度海域明顯延長，隨緯度不同可達數天甚至數周。這一方面延長了測星定位的有利時機，應當在制定航行計劃時有效利用，另一方面也使得民用晨光昏影時間被延長至數天乃至數周，此時光照條件尚好(存在北極光時更為突出)，除非使用特殊的儀器設備，行星和恒星被日光遮蔽難以觀測，出現無任何天體可供定位的惡劣情況，這是北冰洋航行需要特別關注的時間段。

3)在約4～6個月的極夜期間，缺乏必要的光照條件，除個別時候有滿月和極光提供光照外，水天線不可見，若無人工水平基準或射天天文觀測等新的觀測設備，無法進行天文定位。

2 北冰洋航行天文觀測存在的問題及對策

由上述分析可知，環境的特殊性所導致的天文觀測方面存在的問題主要包括以下3個方面：

1)因氣象、海洋和光照環境，如霧、極夜等，導致的自然水天線模糊不清或無法觀測的問題。

2)因光照環境，如太陽非常接近水天線等，導致的天體亮度不夠難以觀測的問題。

3)因地理環境，如時區向北極點收斂使得區時失去意義等，導致的觀測時間計量的問題。

解決上述問題是確保在北冰洋航行中有效使用天文定位導航方法的關鍵之一，參考現有文獻[1-10]，分述解決對策。

2.1 自然水天線模糊不清或無法觀測的解決對策

目前，除某些特定條件下可采用特殊的觀測方法外，解決北冰洋海域自然水天線模糊不清或無法觀測問題的主要對策是采用人工水平基準，常用的設備包括航空用氣泡六分儀和帶有人工水平基準裝置的航海六分儀(可統稱為人工水平基準六分儀)。如果不具備這2種專門的觀測儀器，一個可行的方法是臨時制作人工水平基準。

2.1.1 特定條件下的特殊觀測方法

1)當水天線模糊不清，所測天體高度又大時(通常指大于60°)，最佳的觀測方法是同時觀測天體到天體方位圈兩端水天線的高度。這一觀測方法可消除六分儀指標差、六分儀器差、眼高差和半徑差對觀測高度的影響，所以常能獲得更為準確的天體高度。

如圖1所示，設O為測者位置，Z為測者天頂，HH′為測者真地平圈，h和h′為天體方位圈兩端的水天線，則Hh和H′h′等于測者眼高差d；設S為天體視位置中心，則hS為天體觀測高度，h′S為天體至另一側水天線的觀測高度，ZS為天體視頂距。

圖1 北冰洋航行大高度天體觀測Fig.1 Observation of Great Altitude Body

由圖1可知，消除了指標差、器差和眼高差的恒星視高度為h=90°-(h′S-hS)/2，對視高度h進行折光差修正，即可得恒星真高度ho。

需說明的是，上述方法雖有利于在水天線模糊不清時提高天體高度觀測精度，但操作困難，需要一定量的觀測訓練。此外所得天體真高度應當取為2次觀測中間時間的天體真高度。

2)當近岸航行且天體位于海岸上空，或海面為冰塊覆蓋，水天線無法觀測時，可將岸線或冰塊水線視作水天線觀測天體高度，但在求天體真高度時，需用岸線俯角(根據測者與岸線或冰塊水線的距離、眼高查《航海表》II-1a“岸線俯角表”可得)代替眼高差。

2.1.2 人工水平基準六分儀觀測要點

極區航行自然水天線模糊不清或無法觀測時，使用人工水平基準六分儀觀測天體高度是一個很好的選擇，有時甚至比使用航海六分儀效果更好，但這類六分儀的操作使用難度較大，除勤加練習達到熟練使用外，以下2點應當注意：

1)觀測時不能僅觀測單一高度，必須連續進行多次觀測并取其平均值作為1次觀測值。在熟練操作的前提下，一般應進行約2 min的持續觀測。

2)當艦船靜止或無搖蕩時，熟練的操作者使用人工水平基準六分儀觀測，其2 min觀測平均值的精度通常能達到2′，但即使僅存在輕微的搖蕩，觀測誤差也將大幅度增加，可能達到10′～16′。在海面中浪的情況下，觀測誤差將高達30′以上，若海面巨浪，則難以獲得任何有效的觀測數據。因此，當艦船搖蕩較大時，若條件允許最好將觀測移至鄰近艦船的冰面上進行，若條件不允許，則應采取相應的減小儀器搖蕩的措施，如用彈簧懸掛六分儀等。

2.1.3 臨時人工水平基準的制作與使用

北冰洋航行缺少人工水平基準六分儀時，臨時制作人工水平基準也是一個值得應用的方法。在艦船上，一面水平擺放的平面鏡、一盆黑色的液體(如潤滑油)等都能被用作臨時人工水平基準。通常，當使用一盆黑色液體作為人工水平基準時，可將其置于分羅經盆上保持水平并盡量避免風吹。使用臨時人工水平基準時，用六分儀將天體反射影像拉至與人工水平基準中的天體影像重合(觀測太陽、月亮下邊緣時，應使反射影響的下邊緣與人工水平基準中天體影像的上邊緣相切，上邊緣反之)。獲得觀測數據后，先進行六分儀指標差和器差修正，并取修正后觀測值的1/2作為天體觀測高度，然后進行除眼高差外的其余修正計算天體真高度。

2.2 天體亮度不夠難以觀測的解決對策

在北冰洋晨光昏影的數天甚至數周內，將面臨太陽接近水天線、北極光過亮等原因而導致的其余天體亮度不夠難以觀測的困境。在現有設備條件下，解決這一問題的對策，是為六分儀配備更大視場、更高放大倍率的望遠鏡，同時提前熟悉這一時段內北冰洋海域可供定位的恒星和行星。通常，使用配備大視場、高放大倍率望遠鏡的六分儀，首先可測方位夾角近90°的五車二(御夫座α)、天津四(天鵝座α)和織女一(天琴座α)；其次可測明亮的行星，因此觀測前應使用星球儀等設備提前掌握這些天體的位置信息。

2.3 觀測時間計量的解決對策

在北冰洋海域，區時快速變化失去意義，因此不能用作觀測時間計量，而應直接使用世界時進行觀測時間計量。此外，航行中其他的時間計量用世界時也更為合適。值得說明的是，北冰洋航行屬高緯度航行的特點，使得對中低緯度天文定位至關重要的觀測時間計量的重要性相對降低。在中低緯度，時間計量誤差4″將導致定位所得經度誤差約1 n mile，但同樣4″的時間計量誤差，在緯度60°處導致經度誤差0.5 n mile，在緯度88°處則僅導致經度誤差0.035 n mile。

3 北冰洋航行天文定位存在的問題及對策

北冰洋航行所用的天文定位方法，不論是太陽移線定位、日月定位還是測星定位，都以高度差法為基礎。由對北冰洋航行環境的分析及高度差法原理可知，除已討論的觀測問題，特殊航行環境也將給高度差法的應用帶來特殊困難，主要可概括為以下3個方面：

1)因氣象、海洋和天象環境，如低溫致使大氣折射異常、天體高度低于10°等，所導致的觀測高度修正方面的問題；

2)因地理環境，如使用特殊投影方式制作的海圖、方位線必須繪成大圓弧等，所導致的高度差法作圖方面的問題。

3)因海洋環境，如海冰影響航跡推算等，所導致的高度差法和移線定位缺乏精度問題。

解決上述問題，同樣是確保在北冰洋航行中有效使用天文定位方法的關鍵之一，參考現有文獻[1-10]，分述解決對策。

3.1 天體觀測高度修正存在問題的解決對策

北冰洋航行修正天體觀測高度存在的問題，主要體現在折光差修正上，低溫、低天體高度(如夏季僅太陽可測時，可能有數月太陽高度小于10°)等特點，使得用現有航海圖書資料進行折光差修正存在較大誤差，不能獲得令人滿意的結果。資料顯示，在北冰洋海域曾經測得高達數度的折光差，并導致太陽在春季提前數日可見，在秋季降沒后仍持續數日可見，這值得北冰洋航行時格外重視。

折光差修正問題目前而言難以有效解決，最理想的方法是基于大量實測資料，為北冰洋不同海域單獨制定特殊的“折光差表”。在現有條件下，可行的對策如下：

1)嚴格按折光差修正過程進行修正，即逐一用《航海表》所載的表Ⅱ-2a“平均蒙氣差表”、表Ⅱ-2b“平均蒙氣差溫度改正表”和表Ⅱ-2c“平均蒙氣差氣壓改正表”進行折光差修正。

2)條件允許時，實測折光差并將其作為該海域、該時期折光差修正的重要參考。

3.2 高度差法作圖存在問題的解決對策

北冰洋航行時，雖然高度差法作圖過程與中低緯度基本一致，但天體方位線必須繪成大圓弧、近北極點航行、使用非墨卡托投影海圖等特點，無疑影響了常規作圖方法的使用和有效性。解決作圖中存在問題的對策，一是對常規作圖方法進行必要的修正；二是針對特殊投影性質的海圖或特殊航行區域采用特殊的作圖方法；三是繞開作圖問題，借助計算機軟件直接求解艦位。

3.2.1 常規作圖方法的修正

北冰洋航行時，要在常用墨卡托海圖或天文定位紙上實現高度差法作圖，天體方位線不能再被當做恒向線而繪成直線是其核心困難，也是常規作圖方法必須修正的地方。

如圖2所示，設天體方位為Ac，高度差為ho-hc，推算艦位為EP，將方位線按恒向線處理繪成直線EPK，得到艦位線I′-I′，將方位線按大圓弧處理繪成曲線EPKo，得到艦位線I-I。顯然，艦位線I′-I′是錯誤的艦位線，按大圓弧處理所得的艦位線I-I才是正確的艦位線。EPK與EPKo之間的夾角ψ，稱為大圓改正量，其計算公式為2ψ=(ho-hc)tanφsinAc。

基于大圓改正量ψ，在墨卡托海圖或天文定位紙上，修正的高度差法作圖過程如下：將天體方位Ac修正2ψ，從點EP繪修正后的方位線EPD，在該方位線上量取EPD=ho-hc，過D作方位線EPD的垂直線，得到艦位線I-I。

圖2 天體方位線的大圓改正Fig.2 Correction of azimuth line

3.2.2 特殊的作圖方法

1)橫圓柱墨卡托投影海圖的作圖方法

北冰洋海域常用橫圓柱墨卡托投影特殊海圖，這類圖的一個特點是將圖上的直線視為大圓弧時，產生的誤差很小，這為解決高度差法作圖中天體方位線是大圓弧的難題提供了便利。

在近北極點的橫圓柱墨卡托投影海圖上，經線近似為直線向外輻射，緯圈近似為以北極點為圓心的同心圓。在該類圖上進行高度差法作圖定位，天體方位線和艦位線都可被繪成直線，其中推算艦位根據實際的經緯線網確定，天體方位線既可直接根據過推算艦位的經線按天體方位值繪出，也可以轉化為格網方位，以格網北為基準按格網方位值繪出。

2)以北極點為推算艦位的特殊作圖法

在北冰洋海域，當航行緯度高于80°時，有時可采用以北極點為推算艦位的特殊作圖方法實現高度差法作圖。應用這種方法有一定的便利性，但通常更適用于緯度88°以上區域，不過，當艦船恰位于天體投影點的經線上或其附近時，即便高度差很大，也能保證很高的精度。

以北極點為推算艦位作圖，天體計算高度等于天體的赤緯，天體計算方位等于天體的格林時角，作圖時，當高度差為正，由北極點沿根據天體格林時角確定的經線向外度量高度差，當高度差為負，反之。這一特殊作圖方法可在艦操圖上實現，此時將艦操圖作為方位等距投影海圖使用，通常取0°方向為格林經線。

3.2.3 計算機軟件求解艦位

由球面三角學可得地球表面天文艦位圓方程如下：

(1)

式中：h為天體高度；φ為測者緯度；δ為天體赤緯；tG為天體的格林半圓時角；λ為測者經度。

直接根據艦位圓方程求解艦位，雖然已有學者提出一些求解方法，但仍有待檢驗其可靠性，若按照高度差法原理，通過已知的天體計算方位和高度差求解則簡單易行。

設觀測2個天體，其計算方位和高度差分別為AC1， Δh1和AC2， Δh2。由高度差法原理可導出求解艦位的方程如下[7]：

據所得Δφ和Dep，可據下式求解艦位：φ=φC+Δφ，λ=λC+Depsecφ，其中φC和λC為推算艦位的緯度和經度。

根據上述方程在計算機上編制相關計算軟件，即可實現艦位的計算機解算。有一點需要說明的是，用于計算用的方位AC1和AC2，是經過2ψ的大圓改正后的方位值。

3.3 高度差法和移線定位缺乏精度問題的解決對策

因極晝現象的存在，北冰洋航行天文定位大部分時間僅能依賴基于高度差法的太陽移線定位，其定位精度取決于航跡推算的準確性。北冰洋特殊的航行環境使得航跡推算相當困難，必然導致高度差法和移線定位缺乏精度。這一問題的解決，一是應用一切條件，盡可能提高航跡推算的準確性；二是研究、應用新的不需要推算艦位的定位方法。

上述兩方面的對策，改進航跡推算的準確性不屬于本文的探討范圍，除后文介紹太陽單一艦位線的作用時概略涉及，不再詳細論述。研究不需要推算艦位的定位方法，即不再使用高度差法，學術界有一些思路，如用迭代法等直接解算天文艦位線方程、基于星圖識別的多星矢量定位技術等[8-9]。但這些方法尚未推廣應用，針對極區航行的可行性如何仍有待論證，本文不再展開討論。

值得重視的是，單一太陽艦位線雖然無法實現天文定位，在北冰洋航行中仍具有特殊的價值，也有利于提高航跡推算的準確性，因實際航行情況而異，其主要作用可概括為以下3個方面：

1)作為導航線。當艦位線恰好指向目的地時，將航向保持與艦位線一致即可順利抵達目的地；當沿岸(或冰區)航行且航向與海岸線(冰緣線)平行時，測定太陽在左右正橫時的艦位線，可由此判定實際航跡線的左右偏移量及距海岸(冰緣)的距離；當測定太陽在艦首尾方向時的艦位線時，可檢查估計航程計算誤差，并由此測定艦船實際航速。

2)與陸標艦位線等其他艦位線合用測定艦位。

3)求取近似艦位。在獲得單一太陽艦位線后，由推算艦位作艦位線的垂直線，取其垂足作為近似艦位，這一艦位通常比推算艦位更加接近真實艦位。

4 北冰洋航行天文定向存在的問題及對策

天文定向的主要內容是利用天體測定羅經差，常用方法包括觀測太陽方位和北極星方位測定羅經差[10]。在北冰洋海域，磁羅經和陀螺羅經的應用都面臨著很大的困難，連續、準確地測定羅經差成為一項非常重要的工作。北冰洋航行中利用天體測定羅經差存在的問題，除北極星的可用性極小外，一是如何利用天體實現連續的羅經差測定；二是在太陽位于水天線之下，光照環境良好，所有天體均不可見的時間段內如何實現天測羅經差。

上述問題的解決有賴于為航海引入新的設備。目前，含有內置時鐘裝置的日光羅盤、晨昏羅盤等設備，可實現羅經差的連續測定，大體解決上述問題。其中，晨昏羅盤利用偏振光，能在太陽位于水天線之下及太陽模糊不清時實現太陽方位的測定，是當前在所有天體都不可見這一時間段內測定羅經差的唯一方法。

5 結 語

本文基于對北冰洋航行環境的分析，討論北冰洋航行天文定位導航面臨的問題，并給出了相應的解決對策，希望能為我國開展北冰洋航行提供有益的借鑒。需要說明的是，由于缺乏北冰洋航行的經歷和必要的參考數據，本文部分觀點仍有待用實踐加以檢驗和完善。

[1] GUO Hong-gui,WANG Shi-lin.Celestial navigation in polar regions[J].Journal of Dalian Maritime University,1989,15(3):43-48.

[2] TANG Zheng-ping,WANG Tiao,GAN Zhong-lin.Research on ship sailing and fixing in the arctic sea area[J].Marine Technology,2012(1):7-10.

[3] GUO De-yin,QU Shao-bin,JIANG Lu.Practical navigation methods in region of high latitudes[J].Marine Technology,1999(4):16-19.

[4] ?YSTEIN J.The IMO guidelines for ships operating in arctic ice-covered waters[R].The Fridtjof Nansen Institute,2007.

[5] ?YSTEIN J.Arctic shipping guidelines: towards a legal regime for navigation safety and environmental protection[R].The Fridtjof Nansen Institute,2008.

[6] GIJSBERT D J.Technical developments for safe navigation in arctic waters[R].Arctic Shipping Summit,2009.

[7] JI Bi-da.Deduction of altitude-intercept method using several celestial bodies and its using condition[J].Ship Optic,2002,38(1):10-16.

[8] HE Ju.Survey of overseas celestial navigation technology development[J].Ship Science and Technology,2005,27(5):91-96.

[9] WANG A.Modern celestial navigation and the key techn-iques[J].ACTA Electronica Sinica,2007,35(12):2347-2353.

[10] LI Guo-ding.Methods of determination of compass error in the polar regions[J].Marine Technology,2010(2):22-24.