航海学教材.docx

1、航海学教材航海学航海学就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、经济的航线与制定一个切实可行的航行计划。2.航迹推算,包括航迹绘算与航迹计算两种方法。航迹推算就是指根据船上最基本的航海仪器(罗经与计程仪)所指示的航向与航程,结合海区内的风流要素与船舶操纵要素,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与某一时刻的船位的方法。它就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,也就是陆标定位、天文定位与电子定位的基础。3.测定船位(简称定位),包括陆标定位、天文定位与电子定位三种。

2、陆标定位就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、距离与方位差等,从而在海图上确定本船船位的方法与过程。陆标定位一般可分为方位定位、距离定位、方位距离定位与移线定位等。天文定位就是指在海上利用航海六分仪观测天体(太阳、月亮与部分星体)高度来确定船舶位置的一种定位方法。电子定位就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定位系统与罗兰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

3、采取适当、有效的航行方法与必要的航行措施,确保船舶安全、经济地航行。航迹推算与定位就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、狭水道航行与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与航路资料等基本内容。其中,航海学基础知识主要包括坐标、方向与距离,以及海图两大部分内容;航路资料主要包括:潮汐与潮流、航标与航标表与航海图书资料等内容。第一章 坐标、方向与距离第一节 地球形状与地理坐标一、地球形状航海上船舶与物标的坐标、方向与距离等,都就是建立在一定形状的地球表面的,要研究坐标、方向与距离等航海基本问题,必须首先对地球的

4、形状与大小作一定的了解。航海上,不同场合,根据不同的精度要求,往往将大地球体瞧作不同的近似体: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、海图学与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,它就是由椭圆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与偏心率e。二、地理坐标1. 地球上的基本点、线、圈地理坐标就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

5、点与坐标线图网。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就是地极,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就是个小圆,称为纬度圈(AA);通过地轴的任何一个平面就是子午圈平面,它与地表面相交的截痕就是个椭圆,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,PNQPS);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

6、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,即地理经度与地理纬度来表示。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1162E。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

7、的为南纬,用S标示。例如北京的纬度为395N。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,就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,还应标明起算点与计量方向。如:30NE,150SE

8、,30SW,150NW。 (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)与西北(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

9、点、八个三字点与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,通常就是指将半圆法与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就是: 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就是: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

10、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、方位与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)与物标的方向(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00

11、0至360,代号:TC。船舶与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、方位与舷角之间的关系如下: 或 如计算所得

12、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(航向与方位)的仪器就是罗经。目前,海船上配备的罗经有陀螺罗经(俗称电罗经)与磁罗经两大类。陀螺罗经就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。陀螺罗经就是一种不受地磁场与电磁场影响的、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、海图室与船长房间等,还能为雷达、自动舵与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。陀罗北线与船舶航向

13、线之间的夹角,称为陀罗航向,代号GC。陀罗北线与物标方位线之间的夹角,叫做陀罗方位,代号GB。陀罗航向与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),用表示。陀罗北偏在真北的东面,陀罗向位小于真向位,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,为偏西或偏高,用W或()表示。真向位、陀罗向位与陀罗差之间的关系如下:TC = GCTB = GB二、磁罗经测定向位1. 磁罗经基本原理 磁罗经就是我国古代四大发明之一指南针演变发展而来的。它就是根据在水平面内自由旋转的磁针,受到地磁磁

14、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,它好像就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,靠近地理北极的就是磁北极;靠近地理南极的就是磁南极。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

15、,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、磁差与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

16、写Dev或符号表示。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与船磁的合力影响下,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,罗经差就是磁差Var与自差Dev的代数与,即: = Var + Dev以罗北为基准的航向与方位统称为罗向位。如图所示:罗北线与航向线之间的夹角叫做罗航向,代号CC;罗北线与物标方位线之间的夹角叫做罗方位,代号CB。罗航向与罗方位均以罗北NC为基准,各自按顺时针方向计量到航向

17、线或物标的方位线,计量范围:000360。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与方向各不相同。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00、2。因此,磁差就是随时间与地区不同而变化。某地每年磁差的变化量,叫做磁差的年变化或年差。年差可用东(E)或西(W)表示,也可用磁差绝对值的增加(,increasing)或减少(,decreasing)表示。年差的东(E)或西(W)表示该地磁差每年向东或向西变化,如年差0、1E,表示磁差每年向东变化0、1,即该地磁北每年向东偏移0、1;年差的()

18、或()并不表示磁差的变化方向,而就是指该地磁差绝对值的增加或减少。完整的磁差资料应包含:测量当时的磁差值(大小与方向)、测量年份与年差。如:430E 1982 (9E)。磁差偏西612(1989),年差约+4;Variation 300W(1965) decreasing about 2annually;使用磁罗经时,必须适时地查取磁差资料,并按下式求取当地、当时的磁差:所求磁差 = 图示磁差 + 年差 (所求年份 测量年份)式中:图示磁差取其绝对值。年差增加取+,减少取-。若年差用E或W表示,则当年差与图示磁差同名时,年差取+;异名时取-。结果为+,所求磁差与图示磁差同名;结果为-,则 所求

19、磁差与图示磁差异名。4. 自差的求取自差的大小与符号与船舶钢铁磁化的性质与程度(船磁)有关,而船磁又与船首向与地磁磁力线方向的相对位置有关,因此磁罗经的自差也随航向的变化而变化。此外,自差还可能因船舶装载钢铁与磁性矿物、磁罗经附近铁器与电器的变动、船舶倾斜与船舶所处不同地区磁差的显著变化而有所变动。如果磁罗经自差较大必须进行自差校正工作,尽可能地消除各个方向的自差。磁罗经自差虽然可以校正,但不可能把各个方向的自差消除干净,一般还会剩下03左右的自差,叫做剩余自差。对磁罗经进行自差的校正以后,应测出剩余自差,然后制成磁罗经自差曲线或自差表,供船舶航行中向位换算用。三、向位换算向位换算就是指不同基

20、准的航向或方位之间的换算。航海上用磁罗经或陀螺罗测定的航向与方位就是罗航向、罗方位或陀罗航向、陀罗方位。海图作业时,必须先将它们换算为以真北为基准的真航向或真方位;相反,如果在海图上事先设计好了真航向与真方位,实际导航中,又需要先将它们换算为以罗北或陀罗北为基准的罗航向、罗方位或陀罗航向、陀罗方位,以便用磁罗经或陀螺罗经去执行。1. 罗经向位换算为真向位 (1)公式: TC = GC + = CC + = CC + Dev + varTB = GB + = CB + = CB + Dev + var = Var + Dev (2)向位换算步骤:从海图上查取航行海区的磁差资料,求取该海区当年的磁

21、差值Var;以罗航向为引数,从磁罗经自差表或自差曲线中查取该航向上的自差值Dev;按公式: = Var + Dev求取罗经差;直接按向位换算公式计算求解。2. 真向位换算为罗经向位 (1)公式: GC = TC - GB = TB - CC = TC - = MC Dev CB = TB - = MB - Dev MC = TC Var = CC + Dev MB = TB Var = CB + Dev = Var + Dev (2)向位换算步骤:从海图上查取航行海区的磁差资料,求取该海区当年的磁差值Var;按公式:MC = TC Var求取磁航向MC;以MC代替CC为引数,从磁罗经自差表或自

22、差曲线中查取该航向上的自差值Dev;按公式: = Var + Dev求取罗经差;直接按向位换算公式计算求解。第四节 能见地平距离与物标地理能见距离一、航海上距离的单位航海上最常用的距离的单位就是海里(n mile),它等于地球椭圆子午线上纬度一分所对应的弧长。可以推导出1海里的公式为:1 n mile = 1 852、25 9、31cos2 (m)可见,地球椭圆子午线上一分纬度弧长,即1海里的长度不就是固定不变的,它随纬度的不同而略有差异。在航海实践中将1 852 m作为1海里的固定值习惯用“”表示。除海里外,航海上还可能用到下列一些长度单位:链(cab):1cab = n mile 185

23、m。米(m):国际通用长度单位。二、能见距离1. 测者能见地平距离“De”在海上,具有一定眼高e的测者A,向周围大海眺望,所能瞧到的最远处,水天似相交成一个圆圈BB,这圆圈所在的地平平面,或者自测者至BB这一小块球面,叫做测者能见地平平面或视地平平面。而圆圈BB就就是测者能见地平或视地平,俗称水天线。自测者A至测者能见地平的距离AB,称为测者能见地平距离,用De表示。将地球瞧成圆球体,可以得到:De(n mile) = 2、09式中:De测者能见地平距离,单位:n mile; e测者眼高,单位:m。2. 物标能见地平距离“DH”假如测者眼睛位于物标顶端,此时测者的能见地平距离,叫做物标能见地平

24、距离,用Dh表示。与测者能见地平距离一样,物标能见地平距离可由下式求得:Dh(n mile) = 2、09式中:Dh物标能见地平距离,单位:n mile; H物标顶端距海平面的高度,单位:m。3. 物标地理能见距离“Do”能见度良好时,仅由于地面曲率与地面蒙气差的影响,测者理论上所能瞧到物标的最大距离,叫做物标的地理能见距离,用Do表示。由图可见,物标地理能见距离可由下面公式求得:Do(n mile) = De + Dh = 2、09 2、09式中:e测者眼高,单位m; H物标高度,单位m。 Do物标地理能见距离,单位n mile;实际上,测者所能瞧见物标的最远距离,还与当时的能见度,即大气透

25、明度与人们眼睛能发现物标的分辨率等有关。因此,白天发现物标的最远距离往往要小于物标的地理能见距离。三、灯标射程与能见距离1. 灯标射程为了引导船舶安全航行,通常在航道附近的岛屿、礁石与海岸上设置有灯标,每个灯标都标有该灯标的灯光射程,简称灯标射程。不同国家与地区,灯标射程的定义略有不同。中版海图与航标表中射程的定义为:晴天黑夜,当测者眼高为5 m时,理论上能够瞧见灯标灯光的最大距离。2. 灯塔灯光最大可见距离灯塔灯光最大可见距离,取决于该灯塔的灯光强度。当某灯塔实际的光力能见距离大于或等于该灯塔地理能见距离时Do时,灯光最大可见距离等于Do;当其光力能见距离小于Do时,灯光最大可见距离等于该灯

26、塔的光力能见距离。实际上,测者能瞧到灯塔灯光最大可见距离还与当时的气象能见度等因素有关。上述灯光最大可见距离,只能作为能见度良好时的参考数据。第五节 航速与航程一、有关概念航程就是船舶航行经过的距离,用S表示。航海上一般采用海里作为航程的单位。单位时间内的航程称为船舶的航行速度,用V表示。航速的单位为节(kn),1节等于每小时航行1海里,即:1 kn = 1 n mile/h。航海上习惯将船舶在无风流影响下的航行速度称为船速,而将船舶的对水航行速度称为航速。在有流影响的海区航行时,船舶相对于水的航程,称为对水航程;相对于海底的航程,称为实际航程或对地航程。船舶相对于海底的实际航程,应该就是船舶

27、对水航程与水流流程的矢量与。即:航速也有对水航速与实际航速或对地航速之分,它们之间的相互关系为:顺流航行,船舶实际航程(实际航速)等于对水航程(航速)与流程(流速)之与;顶流航行,船舶实际航程(实际航速)等于对水航程(航速)与流程(流速)之差。二、用主机转速估算航速与航程船舶就是由主机带动螺旋桨转动,利用螺旋桨推水的反作用力使船前进的。螺旋桨每分钟转速(RPM)与船速(VE)间有着直接的关系。不同装载状态下船速与推进器转速之间的关系,一般只能通过船舶在船速校验线实际测定来求得,并列出推进器转速与船速对照表,便于在实际工作中估算船速。三、用计程仪测定航程船用计程仪的种类很多,它就是船舶测定航程与

28、航速的主要仪器。目前,计程仪可分为相对计程仪与绝对计程仪两大类。相对计程仪所显示的就是船舶相对于水的航程与航速,它只能记录船舶受风影响后的对水航程与航速,但不能显示水流影响后的航程与航速。因此,人们称它为“计风不计流”的计程仪。绝对计程仪可以测量船舶相对于海底的,即船舶受风流影响后的实际航程与实际航速。航海上,习惯用计程仪航程误差与计程仪读数差比的百分率来表示计程仪误差。即:式中:计程仪改正率,用百分率表示; SL准确的船舶对水航程,又称为计程仪航程; L1,L2对应计程仪航程SL的前后两次计程仪读数。准确的计程仪航程计算方法如下:SL = (L2 L1)(1 + )第二章 海图第一节 海图一

29、、海图的作用海图就是地图的一种。它就是以海洋及其毗邻的陆地为描述对象,为航海的需要而专门绘制的一种地图。海图上详细地绘画有航海所需的各种资料,如:岸形、岛屿、浅滩、沉船、水深、底质、碍航物与助航设施等。海图就是航海的重要工具之一。航行前拟定计划航线、制定航行计划,航行中进行航迹推算与定位等,以及航行结束后总结航行经验与发生海事后分析事故原因、判断事故责任等,都离不开海图。正确地了解海图的投影、海图图式、海图分类与使用保管等,就是航海驾驶员的重要任务之一。二、航用海图的特点航用海图就是利用墨卡托墨卡托投影,即等角正圆柱投影原理所绘制的。具有以下特点: (1)图上经线为南北向相互平行的直线,其上有

30、量取纬度或距离用的纬度图尺;纬线为东西向相互平行的直线,其上有量取经度的经度图尺,且经线与纬线相互垂直。 (2)图上经度1(1赤道里)的长度相等,但纬度1(1海里)的长度随纬度升高而逐渐变长,存在纬度渐长现象。 (3)恒向线在图上为直线。 (4)具有等角特性,在图上所量取的物标方位角与地面对应角相等。 (5)图上同纬度纬线的局部比例相等,不同纬度的局部比例尺,随纬度的升高而增大。三、海图比例尺一般地图上所注明的比例尺,称为普通比例尺或基准比例尺。比例尺的表示方通常有两种:数字比例尺与直线比例尺。数字比例尺用一比若干的数字来表示,例如1:300 000或1/300 000,它表示图上基准点处,一

31、个单位长度等于地面上30万个相同单位的长度。直线比例尺一般用比例图尺绘画在海图标题栏内,或图边适当的地方,如图所示。四、海图分类与使用注意事项1. 海图分类 根据作用不同, 海图可以分为航用海图与参考图两大类。 航用海图用于拟定航线、进行航迹推算与定位等海图作业。航用海图按比例尺的大小,一般又可以分为: (1)总图:这种图比例尺较小,一般小于1:3 000 000。 (2)远洋航行图:其比例尺一般在1:1 000 0001:2 900 000。 (3)近海航行图:其比例尺一般在1:200 0001:990 000。 (4)沿岸航行图:其比例尺一般在1:100 0001:190 000。 (5)港湾图: