Использование секстанта. Штурманская улыбка Способы обсервации с помощью секстана

Секстант , основной инструмент в традиционной океанской навигации, измеряет угол Солнца (звезд, планет или Луны) над горизонтом.

С помощью двух зеркал, используя принцип расщепления изображения, секстант опускает Солнце в одном зеркале до горизонта, который виден в другом зеркале, и указывает величину угла на транспортире.

Большое зеркало, подвижная часть секстанта, прикреплено к алидаде. Солнце проходит через фильтры, благодаря которым оно выглядит как диск, и отражается от этого зеркала в малое зеркало, вертикально разделенное пополам, его наружная половина состоит из прозрачного стекла.

Солнце опускается в зеркальную половину, с помощью микрометрического винта изображение настраивается так, чтобы оно «сидело» на горизонте, что видно через стекло.

Принцип работы секстанта не изменился с тех пор, как его изобрел Исаак Ньютон в XVIII веке, он по-прежнему служит главным прибором для всех астронави-гаторов.

Угол Солнца над горизонтом (высота) определяется наблюдением Солнца и горизонта в телескоп. Когда они выровнены на одной линии, на транспортире снимается значение высоты

Корректировка секстанта
Зеркала являются важной и чувствительной частью секстанта, их настройка может нарушиться из-за малейшего толчка, жары или влажности. При повреждении или смещении зеркал относительно правильного положения в показаниях появляются ошибки.
Поэтому важно проверять правильную настройку зеркал каждый день перед первым измерением. Ниже рассмотрены основные ошибки и методы их устранения.

Индексная ошибка

Она наблюдается, когда два зеркала расположены не параллельно. Это обнаруживается при установке секстанта на абсолютный ноль и рассматривании горизонта в зрительную трубу.

Искажений быть не должно, отражение горизонта и его реальный вид должны представлять собой прямую линию. Если это так, значит, индексной ошибки нет, если же они не совпадают, то ошибка есть.

Оба горизонта выравниваются по одной линии вращением микрометрического винта, значение индексной ошибки снимается по шкале транспортира и затем применяется ко всем последующим показаниям секстанта.

Эта ошибка редко удаляется с помощью настройки зеркал; если она небольшая, она просто записывается и делается поправка ко всем снимаемым показаниям. Ее также можно определить ночью, используя звезду вместо горизонта.

Боковая ошибка

Такая ошибка встречается, когда малое зеркало не перпендикулярно к самому секстанту.

Она обнаруживается при установке прибора на абсолютный ноль и рассматривании горизонта. Затем секстант наклоняют в одну сторону под углом примерно 45°.
Если горизонт и его отражение смещаются друг относительно друга, значит, присутствует боковая ошибка, и ее нужно удалить с помощью небольшого винта за малым зеркалом. Винт при этом устанавливается в самое дальнее от корпуса инструмента положение.

Индексная ошибка: когда секстант установлен на ноль, истинный и отраженный горизонты должны образовывать непрерывную прямую линию. Если это правило не соблюдается (как видно на фотографии), значит, присутствует индексная ошибка.

Боковая ошибка: если линия горизонта ломается при наклоне секстанта в сторону (как видно на фотографии), значит, присутствует боковая ошибка.

Эту ошибку трудно исправить. Она возникает из-за того, что большое зеркало установлено не перпендикулярно к корпусу инструмента. Чтобы проверить это, нужно поворачивать секстант до тех пор, пока транспортир не отразится в большом зеркале при взгляде сверху вниз под косым углом.

Если отражение транспортира в зеркале совпадает с ним самим, видным за зеркалом, то перпендикулярности нет. Если дуги смещены друг относительно друга, ошибку следует устранить, поворачивая маленький винт позади большого зеркала.

Пользование секстантом

После проверки секстанта на погрешности его можно использовать для определения угла Солнца (или другого небесного тела) над горизонтом.

Рассматривать горизонт в зрительную трубу и опускать солнце с помощью подгонки дуги транспортира может быть неудобно. Вместо этого широко применяется другой метод. Нужно установить секстант на ноль, поставить на место светофильтры и направить инструмент прямо на Солнце. Будут видны два Солнца - реальное и его отражение. Теперь следует постепенно опускать секстант, одновременно настраивая алидаду, чтобы удержать отражение Солнца в зеркале; так можно опускать Солнце, пока в прозрачном стекле малого зеркала не появится горизонт. Теперь остается осуществить тонкую настройку, чтобы подготовить прибор к проведению измерений.

Правильно измерить угол солнца над горизонтом можно только в том случае, если вы держите секстант строго вертикально. Если инструмент отклонен от вертикального положения, его показания будут неправильными.

Чтобы убедиться в том, что секстант расположен вертикально, его раскачивают из стороны в сторону, что вызывает поднятие и опускание изображения Солнца при его прохождении через горизонт (аналогично пузырьку воздуха на поверхности спирта). Секстант расположен вертикально, когда Солнце находится в нижней точке своей кривой, и тогда можно снимать показания. Раскачивать секстант нужно, если вы хотите получить правильные значения высоты.

Большинство показаний секстанта снимается по Солнцу, процедура измерений по Луне, планетам или звездам будет идентичной, только светофильтры не понадобятся

Выбор времени

Время играет важную роль в астрономической навигации.

Местоположение лодки изначально определяется относительно положения Солнца (или другого тела) во время снятия показаний. Положение всех небесных тел в каждый час, минуту и секунду можно найти в «Морском астрономическом ежегоднике», поэтому точное определение времени проведения измерений является важным, если предстоит рассчитать местоположение судна.

Во времена, когда радио еще не было, а корабли находились в море в течение многих месяцев без какой бы то ни было связи с землей, на борту пользовались чрезвычайно точными хронометрами; в наши дни точное время можно узнать по радио непосредственно перед проведением измерений; хорошие наручные часы также могут помочь при выборе времени для снятия показаний.

Сигналы точного времени можно получать разными способами. Радиостанции регулярно сообщают время, любые суда в море могут следить за этими передачами. Два официальных издания, «Адмиралтейский перечень радиосигналов» (Великобритания) и «Пособие по радионавигации» (США), содержат подробную информацию о радиостанциях мира и их частотах. В навигации используется универсальное время (УВ), раньше оно называлось средним временем по Гринвичу.

Как определить координаты места, в котором вам довелось очутиться? Сейчас любой школьник легко ответит - надо воспользоваться приемником GPS. Удивительно, как быстро человек привыкает к удобствам, даваемым новыми технологиями. Однако совсем недавно не было спутников, постоянно висящих над планетой и передающих сигналы привязки. И тем не менее морякам удавалось достаточно точно определить свое местонахождение. Умению этому, не зависеть от хрупкой электроники и садящихся в неподходящий момент батареек, и сейчас обучают в школах судовых капитанов. И чудесный инструмент, независимый от американских спутников, носит название секстант.

Название СЕКСТАНТ произошло от латинского слова "sextans" - шестой, благодоря его устройству. Лимб секстанта составляет ровно одну шестую часть круга. Служит этот прибор для измерения угловой высоты небесного светила относительно горизонта. Если линия горизонта не видна, то его положение определяется пузырьковым уровнем. Изобрел секстант Исаак Ньютон. В морской навигации он называется "секстан".

a - зрительная труба;
b - рама;
c - регулировочная рукоятка алидады;
d - барабан микрометрического винта с верньером;
e - лимб;
f и g - светофильтры;
h - лучи от линии горизонта;
j - стеклянная пластина;
k - лучи от небесного светила;
l - главное зеркало;
m - алидада.

К верхней точке секстанта прикреплены один конец стрелки-указателя и подвижное зеркало. Другой конец стрелки свободно двигается по на шкале. К секстанту также пристроены телескоп и зеркальное стекло перед ним. Штурман смотрит на горизонт через телескоп и зеркало, двигая зеркало, пока отражение наблюдаемого светила не попадет на него, как бы коснувшись горизонта. Свободный конец стрелки укажет на шкале высоту наблюдаемого светила.

Для определения местоположения с помощью секстанта используются замеры высоты двух или более ярких звезд. Последовательность действий при определении координат следующая:

После определения по шкале секстанта высоты светила над горизонтом вносятся небольшие поправки на параллакс - отклоняющее действие земной атмосферы на проходящий сквозь нее свет. Измерения не дают навигатору точных координат места его расположения. При визировании светила он принимает собственную оценку этих координат. Вычислив положение визированного им небесного светила, навигатор с учетом склонения и часового угла последнего, пользуясь специальными таблицами, может вычислить высоту рассматриваемого небесного светила в предположении, что он находится в принятой им точке. Разность вычисленной высоты и измеренной при визировании секстантом укажет ему величину и направление смещения истинного местоположения от принятой точки. Каждая угловая минута этой разности соответствует одной морской миле (1,85 км).

Недостатком такого способа определения координат является необходимость обладания кроме секстанта, еще и справочником, который постоянно устаревает и требует обновления. Плюсом - независимость от источника энергии, что актуально особенно в морской практике, где любые батареи недолговечны.

Одним из первых угломерных инструментов, который был, по-видимому, известен еще древним астрономам, являлся градшток. Мореплаватели стали им пользоваться где-то в XV веке. Во всяком случае градшток уже имелся на каравеллах Колумба и Васко да Гама.

Древний градшток состоял из двух взаимно перпендикулярных реек-штока длиной 90 см и поперечной крестовины, плотно прилегающей к штоку и скользящей по нему под прямым углом. Длина крестовины была несколько больше 65 см для того, чтобы расстояние между отверстиями на ее концах составляло точно 65 см.

Устройство градштока

На конце штока была укреплена мушка. Наблюдателю, смотря на глазную мушку, надо было одновременно видеть оба предмета (горизонт и светило), взаимное расстояние между которыми определялось через отверстия в крестовине. Для нанесения делений на столе чертили углы и на них накладывали градшток. Градусные деления наносили на верхнюю грань штока. Для измерения разных и в том числе меньших углов служили дополнительные, более короткие крестовины. Деления для меньших углов размечали на боковых гранях штока.

Для измерения высоты какого-либо светила (звезды, Солнца) приставляли один конец длинного штока к глазу, а поперечную крестовину двигали так, чтобы она одним концом точно коснулась горизонта, а другим – светила. Результаты измерений таким примитивным приспособлением, как градшток, получались весьма приблизительными. К тому же глаз не мог видеть одновременно два предмета (точку горизонта и планету), находящиеся друг от друга на таком значительном расстоянии. Несмотря на ненадежность, градшток просуществовал более ста лет.

В начале XVI века широкое распространение получил другой угломерный инструмент, тоже примитивный, хотя и более приспособленный для измерения высот, чем градшток – астролябия. Астролябия представляла собой диск из меди или жести около 6 мм толщиной и 15-17 см в диаметре. Диск имел выступ с отверстием для подвешивания. Астролябию старались делать потяжелее (5-6 кг) для устойчивости при ветре и качке судна. Для удобства пользования на ободе астролябии выбивали склонение солнца для разных времен года. Поверхность диска была хорошо отполирована. Отвесом от точки подвеса отмечали вертикальную линию, относительно которой наносили горизонталь и центр круга. Верхний левый квадрат делили на градусы. На оси диска крепилась алидада (подвижный радиус) из того же металла, шириной около 4 см, длиной, равной диаметру диска, и толщиной, равной толщине диска. По всей длине алидады проходила визирная линия. По концам визирной линии были укреплены пластинки с небольшими отверстиями точно над визирной линией. Подвесив астролябию, алидаду наводили на звезду или Солнце и по градуированной дуге диска отсчитывали полученный угол. Позже на астролябии была градуирована и противоположная дуга диска. Астролябия, как и градшток, применялись в первых кругосветных путешествиях.

Измерение высот с помощью астролябии

В измерении высот с помощью астролябии обычно принимали участие три наблюдателя: один держал астролябию за кольцо, надев его на большой палец, другой измерял высоту, а третий производил отсчет. Каждый из трех наблюдателей вносил свою ошибку в конечный результат измерений. Ошибки измерений, качка и ветер -все это сказывалось на точности наблюдений.

Более поздними угломерными инструментами были квадрант и октан. Затем появился секстан, который, претерпев много усовершенствований, исправно служит морякам и сегодня.

Первоначально секстан имел дугу, равную приблизительно 7б окружности, по-латински это произносится как sextans – шестая часть, откуда секстан и получил свое название. У современных секстанов дуга имеет несколько большие размеры.

Применение секстанта

Секстан служит для измерения высоты светила, т. е. вертикального угла между плоскостью горизонта и направлением на светило. Кроме вертикальных углов, секстаном можно измерять горизонтальные углы между направлениями на земные ориентиры (предметы) при определении места судна навигационными способами. При измерении секстаном вертикальных и горизонтальных углов один из предметов наблюдается прямовидимо, изображение же другого предмета наблюдатель видит после отражения от двух зеркал. Чтобы измерить угол, эти два изображения необходимо совместить.

Принципиальная схема секстана. Рассмотрим принципиальную схему секстана. Нам требуется измерить угол h между предметами С и D. В точке О расположен глаз наблюдателя. На пути луча СО установим неподвижное зеркало А, плоскость которого перпендикулярна плоскости рисунка, а зеркальная сторона обращена к глазу наблюдателя. Если сделать половину поверхности этого зеркала прозрачной, луч от предмета С свободно попадет в глаз наблюдателя (на рисунке его путь обозначен стрелкой). Наблюдатель увидит по направлению ОС через прозрачную половину зеркала А изображение С, которое называют прямовидимым.

В точке В расположим другое подвижное зеркало, которое может вращаться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рисунка. Установим это зеркало в такое положение, чтобы луч света от предмета D, отразившись от подвижного, называемого большим, зеркала В, попал иа неподвижное малое зеркало А, а от него в глаз наблюдателя, в точку О. Изображение предмета D получится дважды отраженным. Следовательно, изображения предметов С и D совместятся по направлению О АС. Обозначим ш угол между зеркалами. Так как углы падения и отражения световых лучей равны: Z.1 = Z.2 и Z.3 = Z4, то равны и их дополнения до 90°.

Можно сделать вывод, что при совмещении прямо-видимого предмета С и дважды отраженного изображения предмета D измеряемый угол h равен двойному углу между зеркалами со. Таким образом, измерение угла h может быть заменено измерением угла со.

На рисунке представлен общий вид секстана, который состоит из металлической или пластмассовой рамы 7 в форме сектора. На раме расположен лимб 9 с градусными делениями, а по торцу дуги нарезана зубчатая рейка. На левом радиусе рамы укреплено неподвижное малое зеркало 3 и светофильтры J и 2, На правом радиусе рамы имеется угольник с кольцом, служащий для крепления на ней астрономической трубы 6 и подъемного механизма 5. На подвижном радиусе – алидаде 8 – крепится большое зеркало 4 и на противоположном ее конце установлен винт с отсчетным барабаном 11, наружная поверхность которого имеет 60 минутных делений. Число градусов показывает индекс, нанесенный около выреза на алидаде. Минуты и десятые доли минуты отсчитываются на барабане. При вращении барабана алидада передвигается, что дает возможность точно совместить прямовидимое и отраженное изображения предметов. Точность измерения углов секстаном 0,1. На обратной стороне рамы имеются ручка и две ножки 10.

Секстан хранят в закрытом деревянном ящике с крышкой; его устанавливают ножками в специальные гнезда и крепят стопором, проходящим через отверстия в рукоятке. Секстан следует оберегать от толчков, ударов, от влияния сырости и резких изменений температуры. Брать секстан разрешается только за раму и ручку. Нельзя трогать пальцами оптические детали – зеркала, линзы, светофильтры. При попадании на стеклянные части дождя, брызг или при отпотевании, их осторожно протираю-Г чистой фланелевой тряпочкой, которая должна находиться в каждом комплекте секстана.

Приемы измерения углов и высот секстаном. Измерение углов в навигации обычно проводится между земными предметами при определении места судна по двум углам или по пеленгу и углу. Для измерения горизонтального угла секстан берут в левую руку и располагают лимбом в плоскости измеряемого угла. Трубу секстана наводят на более слабо видимый предмет. Затем, освободив стопор, перемещают алидаду, пока в поле зрения не появится изображение другого предмета, и вращением отсчетного барабана точно совмещают пря-мовидимый (первый) и дважды отраженный (второй) предметы. Для измерения вертикального угла направляют секстан на основание предмета, располагая лимб вертикально, и, двигая алидаду, подводят к основанию дважды отраженное изображение верхней части предмета. Обычно в таких случаях наблюдаемыми объектами служат маяки, знаки, отдельные высокие сооружения, горы.

При измерении углов между земными предметами можно не пользоваться зрительной трубой, тогда на прямовидимый предмет наводят малое зеркало.

Поправку индекса при наблюдениях близких земных предметов надо определять также по близкому прямовидимому предмету.

Перед измерением высот секстан следует подготовить к наблюдениям: провести его выверку, определить поправку индекса, установить трубу по своему глазу и подобрать, если необходимо, светофильтры. Измеряя высоту, нужно в поле зрения трубы секстана совместить светило (или края его диска) с линией видимого горизонта. Совмещение производят в вертикале светила.

Измерение может быть выполнено двумя методами:

1. Установить индекс алидады на 0° и навести трубу на светило. Передвигая алидаду от себя, одновременно опустить секстан к горизонту так, чтобы дважды отраженное изображение светила оставалось все время в поле зрения трубы. Как только появится прямовидимое изображение горизонта, приступить к точному визированию высоты.
2. Индекс алидады установить на примерный отсчет высоты светила, который можно получить по звездному глобусу, и навести трубу на линию видимого горизонта в вертикале светила. Увидев в поле зрения трубы дважды отраженное изображение светила и прямо-видимое – линии горизонта, произвести точное визирование высоты. Точное визирование выполняется покачиванием секстана так, чтобы светило описывало дугу выпуклостью к линии горизонта. В тот момент, когда эта дуга коснется линии горизонта, замечают отсчет по хронометру.

При этом под горизонтом, как правило, понимается морской горизонт, а под точкой измерения - судно. Например, измерив высоту Солнца в астрономический полдень, можно, зная дату измерения, вычислить широту места расположения прибора. Строго говоря, секстант позволяет точно измерять угол между двумя направлениями. Зная высоту маяка (с карты), можно узнать дистанцию до него, измерив угол между направлением на основание маяка и направлением на верхнюю часть и произведя несложный расчёт. Также можно измерять горизонтальный угол (то есть в плоскости горизонта) между направлениями на разные объекты.

На современном морском судне до сих пор можно найти секстант или даже два, правда используются они нечасто, в основном для поддержания практических навыков у судоводителей.

Преимущества

Главная особенность секстанта, которая позволила ему вытеснить астролябию , состоит в том, что при его использовании высота светила измеряется относительно горизонта, а не относительно самого инструмента. Это даёт бо́льшую точность. При наблюдении через секстант горизонт и светило совмещаются в одном поле зрения, и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на качающемся корабле. Это происходит потому, что секстант показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект - сквозь два противоположных зеркала.

Устройство

Части секстанта смонтированы на раме, образованной двумя радиусами и дугой, которая называется лимбом . С помощью секстанта можно измерять углы до 140° влево от нулевого индекса и до 5° вправо, эти отметки находятся на лимбе. На левом радиусе неподвижно установлены малое зеркало и светофильтры . Половина поверхности малого зеркала прозрачна. В вершине рамы на подвижном радиусе, называемом алидадой , укреплено большое зеркало. На другом конце алидады укреплён отсчётный барабан, разделённый на 60-минутные деления. Труба вставляется в специальную стойку на раме секстанта.

Использование

Изображение в секстанте совмещает два вида. Первый - вид неба через зеркала. Второй - вид горизонта. Секстант используют, регулируя рычаг и установочный винт до тех пор, пока нижний край изображения светила не коснётся горизонта. Точный момент времени, в который проводится измерение, засекает помощник с часами. Затем угол возвышения считывается со шкалы, верньера и установочного винта и записывается вместе со временем.

После этого нужно преобразовать данные с помощью некоторых математических процедур. Самый простой метод - нарисовать равновозвышенный круг используемого астрономического объекта на глобусе. Пересечение этого круга с линией навигационного счисления или другим указателем даёт точное местоположение.

Секстант - чувствительный инструмент. Если его уронить, то дуга может погнуться. После падения он может потерять точность.

Регулировка

Ввиду чувствительности инструмента сбить его настройку очень легко. Поэтому необходима частая подстройка.

Есть четыре основных ошибки, устраняемые подстройкой.

Ошибка большого зеркала Большое зеркало не перпендикулярно плоскости лимба. Для проверки нужно установить алидаду приблизительно на 60°, и держа секстант горизонтально на вытянутой руке лимбом от себя, заглянуть в большое зеркало. Отражённое изображение лимба должно составлять продолжение его прямо, без излома. Если это не так, нужно настроить большое зеркало, чтобы отражение дуги лимба в зеркале продолжало её гладко и непрерывно. Ошибка малого зеркала Малое зеркало не перпендикулярно плоскости лимба. Для проверки нужно посмотреть через секстант на звезду. Затем вращать установочный винт вперед и назад, так чтобы провести отражённое изображение поверх неотражённого. Если отражённое изображение проходит точно поверх неотражённого, ошибки нет. Если отражённое изображение смещено в сторону - малое зеркало не перпендикулярно плоскости лимба. Впрочем, эта ошибка не слишком существенна для работы. Ошибка параллельности Ось телескопа (монокуляра) не параллельна плоскости лимба. Для проверки нужно совместить в секстанте изображения двух звезд расположенных под углом 90° или более и плавно перемещать секстант так, чтобы совмещенное изображение звезд переходило из одной стороны области видимости в другую. Если звезды разделяются, то ось телескопа (монокуляра) не параллельна плоскости лимба и секстант нуждается в подстройке. Ошибка индекса При нулевом положении алидады большое и малое зеркала должны быть параллельны друг другу. Для проверки следует установить алидаду на ноль и посмотреть на горизонт. Если линии прямо видимого и отраженного горизонтов совпадают - ошибки нет. Если один выше другого, нужно отрегулировать положение большого зеркала.

Астрономический инструмент

Секстант Яна Гевелия.

Последний авиационный секстант АК-59 образца 1988 года, применяемый штурманом в последних советских антарктических экспедициях в конце 1980-х годов на самолётах ИЛ-14

Название СЕКСТАНТ произошло от латинского слова "sextans" – шестой, благодоря его устройству. Лимб секстанта составляет ровно одну шестую часть круга. Служит этот прибор для измерения угловой высоты небесного светила относительно горизонта. Если линия горизонта не видна, то его положение определяется пузырьковым уровнем. Изобрел секстант Исаак Ньютон. В морской навигации он называется "секстан".

a – зрительная труба;
b – рама;
c – регулировочная рукоятка алидады;
d – барабан микрометрического винта с верньером;
e – лимб;
f и g – светофильтры;
h – лучи от линии горизонта;
j – стеклянная пластина;
k – лучи от небесного светила;
l – главное зеркало;
m – алидада.

После определения по шкале секстанта высоты светила над горизонтом вносятся небольшие поправки на параллакс – отклоняющее действие земной атмосферы на проходящий сквозь нее свет. Измерения не дают навигатору точных координат места его расположения. При визировании светила он принимает собственную оценку этих координат. Вычислив положение визированного им небесного светила, навигатор с учетом склонения и часового угла последнего, пользуясь специальными таблицами, может вычислить высоту рассматриваемого небесного светила в предположении, что он находится в принятой им точке. Разность вычисленной высоты и измеренной при визировании секстантом укажет ему величину и направление смещения истинного местоположения от принятой точки. Каждая угловая минута этой разности соответствует одной морской миле (1,85 км).