Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí tàu bằng quan trắc đồng thời độ cao và phương vị mặt trời

Nội dung text: Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí tàu bằng quan trắc đồng thời độ cao và phương vị mặt trời

1. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ TÀU BẰNG QUAN TRẮC ĐỒNG THỜI ĐỘ CAO VÀ PHƯƠNG VỊ MẶT TRỜI STUDY ON THE METHOD OF DETERMINING SHIP’S POSITION BY SIMULTANEOUS OBSSERVATION TO SUN’S ALTITUDE AND AZIMUTH NGUYỄN THÁI DƯƠNG Khoa Hàng hải, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email: nguyenthaiduong@vimaru.edu.vn Tóm tắt proposed method can overcome the disadvantages of sun non-simultaneous observation method and Xác định vị trí tàu bằng phương vị và khoảng cách determine the ship’s position in a short time in đồng thời tới một mục tiêu địa văn là phương pháp daytime as well as not much depends on the error đơn giản, có độ chính xác cao và thường được áp of predicted position. dụng khi dẫn tàu ven bờ. Trong thiên văn, việc đo Keywords: Dead reckoning, sub-stellar, zenith, phương vị tới thiên thể tương đối phức tạp và kém nautical twilight, simultaneous oservation. chính xác. Chỉ có phương vị mặt trời là có thể đo đạc đơn giản và có độ chính xác cao. Hiện nay, 1. Đặt vấn đề phương pháp thiên văn xác định vị trí tàu vào ban Quan trắc thiên thể xác định định vị trí tàu là một ngày chủ yếu là quan trắc không đồng thời độ cao phương pháp truyền thống, có ưu điểm là tin cậy, độc mặt trời. Phương pháp không đồng thời này có độ lập và chi phí thấp. Từ khi hệ thống định vị vệ tinh chính xác kém, cần phải tính toán quan trắc vào toàn cầu ra đời, với nhiều ưu thế vượt trội về độ chính thời điểm mặt trời qua kinh tuyến người quan sát xác và tính liên tục nên đã trở thành phương pháp xác và khoảng thời gian giữa hai lần đo phương vị định vị trí tàu chính khi hàng hải xa bờ. Tuy nhiên vị lớn. Bài báo nghiên cứu đề xuất phương pháp xác trí thiên văn vẫn là phương pháp dự phòng trong các định vị trí tàu bằng quan trắc đồng thời độ cao và trường hợp sự cố bất thường. Hội nghị của Tổ chức phương vị mặt trời. Đây là phương pháp thiên văn Hàng hải quốc tế năm 2010 tại Manila, Philipine đã xác định vị trí tàu mới, khắc phục được các hạn ban hành sửa đổi Công ước Quốc tế về các tiêu chuẩn chế của phương pháp quan trắc không đồng thời huấn luyện, cấp chứng chỉ và trực ca thuyền viên mặt trời, có thể xác định nhanh chóng vào ban (STCW 78/2010). Trong đó, điều 19 phần B-II/1, ngày và ít phụ thuộc vào sai số của vị trí dự đoán. chương II của Công ước đã bổ sung yêu cầu về huấn luyện khả năng hàng hải thiên văn đối với thuyền Từ khóa: Vị trí dự đoán, cực chiếu sáng, thiên trưởng và sĩ quan vận hành [1]. Với chức năng là đỉnh, bình minh và hoàng hôn hàng hải, quan trắc đồng thời. phương pháp dự phòng nên yêu cầu về độ chính xác của vị trí thiên văn không quá cao, chú trọng hơn yêu Abstract cầu về việc xác định nhanh chóng và dễ thực hiện. Determining ship’s position by simultaneous Phương xác định vị trí tàu bằng quan trắc không đồng distance and azimuth observation to a terrestrial thời mặt trời đang áp dụng thực tế hiện nay đơn giản, object is a simple method with high accuracy and có thể thực hiện ban ngày nhưng thời gian xác định vị applied in coastal navigation. In celestial trí lâu và sai số qui về cùng thời điểm lớn. Nhằm khắc navigation, azimuth observation to a body is quite phục hạn chế nêu trên, bài báo đề xuất phương pháp complicated but not very precise. Only the azimuth to a sun can be simply measured with xác định vị trí tàu bằng quan trắc đồng thời độ cao và higher accuracy. Nowadays, the celestial method phương vị mặt trời. Đây là phương pháp mới, đáp ứng for ship’s position determination in daytime is yêu cầu của phương pháp dự phòng và phù hợp với non-simultaneous observation of sun’s altitudes. tiêu chuẩn dẫn đường an toàn trong điều kiện hàng hải The result of this method is poorly accurate and it hiện đại ngày nay. can only be done when the sun across the 2. Xác định vị trí tàu bằng quan trắc mặt trời observer’s meridian and the time interval between không đồng thời azimuth measurements is also big. This paper suggests a new celestial method of simultaneous 2.1. Cơ sở lý thuyết observation of sun’s altitude and azimuth. The Điều kiện để đo độ cao là phải quan sát được đồng SỐ 66 (04-2021) 5
2. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY thời thiên thể và đường chân trời nhìn thấy. Vì vậy, vẽ đường I’-I’ từ vị trí thứ hai MC2 với các yếu tố ( h1 cần tiến hành xác định vị trí tàu bằng phương pháp = hS1 - hC1 và AC1). Kết quả nhận được vị trí tàu vào thiên văn vào lúc bình minh và hoàng hôn hàng hải. thời điểm thứ hai sẽ là giao của đường II-II và đường Ban ngày, trên tàu chỉ quan sát được mặt trời nên vị trí tịnh tiến I’-I’ ( 0 = − ∩ ′ − ′). thường áp dụng phương pháp không đồng thời. Mặt khác, do chuyển động hàng ngày nên mặt trời liên tục thay đổi vị trí so với kinh tuyến và thiên đỉnh người quan sát. Vì vậy, để giảm sai số hình học cần tính toán thời điểm quan trắc để khoảng thời gian giữa hai lần đo phương vị mặt trời biến thiên 훥  ≥ 300. Giả sử, đo độ cao mặt trời lần thứ nhất được h1, vòng đẳng cao có tâm là cực chiếu sáng S1, bán kính 0 là đỉnh cự z1 = 90 – h1, đường vị trí nhận được là I-I (Hình 1). Phương vị và độ cao mặt trời thay đổi, cực chiếu sáng di chuyển theo cung S1S2 tới điểm S2. Tiến hành đo độ cao mặt trời lần thứ hai được h2, đường vị trí tương ứng nhận được là II-II. Giả sử tàu không di chuyển (neo hoặc buộc cầu) thì vị trí của nó sẽ là giao Hình 2. Trường hợp tàu chuyển động điểm M0 của hai đường vị trí 0 = − ∩ − Hình 3. Quy độ cao về cùng thiên đỉnh 2.2. Xác định vị trí tàu bằng quan trắc không Hình 1. Trường hợp tàu đứng yên đồng thời mặt trời Khi hành trình, khoảng thời gian giữa hai lần quan Chọn thời điểm quan trắc: trắc tàu sẽ di chuyển trên bề mặt trái đất một khoảng Biến thiên phương vị của thiên thể trong chuyển cách M M = S (Hình 2). Từ vị trí M , đo được độ C1 C2 C1 động nhìn thấy hàng ngày được tính toán theo công cao h , đường vị trí I-I được dựng trên cơ sở thiên đỉnh 1 thức sau [2]: của MC1 và vị trí mặt trời S1 (với các yếu tố của tam At(cosAcos tanh sin ) (1) giác vị trí dự đoán C1, C1, 1, t1). Tương tự, từ vị trí Phương vị thay đổi lớn nhất khi đạt giá trị A = 00 MC2, đo được độ cao h2, đường vị trí II-II được dựng hoặc 1800, chính là khi thiên thể qua kinh tuyến người trên cơ sở thiên đỉnh của MC2 và vị trí mặt trời S2 (với quan sát. Vì vậy, thời điểm thích hợp nhất để quan trắc các yếu tố của tam giác vị trí dự đoán ,  ,  , t ). C2 C2 2 2 xác định vị trí tàu là trước hoặc sau khi mặt trời qua Để xác định vị trí tàu, cần quy các đường I-I và II- kinh tuyến thượng từ 2ℎ00 ÷ 2ℎ30 ở vĩ độ trung II về cùng một thời điểm. Việc quy về cùng một thời bình và từ 40 ÷ 1ℎ30 ở vĩ độ thấp. điểm có thể thực hiện bằng phương pháp đồ thị. Giữa Quan trắc lần thứ nhất từ vị trí dự đoán hai lần đo độ cao, tàu chuyển động được một khoảng MC1( C1,C1), đo độ cao mặt trời, ghi giờ thời kế, chỉ cách S theo hướng S S , tương ứng đường vị trí I-I sẽ 1 2 số tốc độ kế, hướng đi, áp suất, nhiệt độ và độ cao mắt dịch chuyển tới vị trí I’-I’. Hình 3 cho thấy, ta có thể người quan sát. 6 SỐ 66 (4-2021)
3. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Hiệu chỉnh độ cao đo [3]: vị trí dự đoán có xác suất chứa vị trí thật của tàu lớn hơn 95% theo tiêu chuẩn về độ chính xác định vị [5]: hOCisdhh (2) STBT11 B 11 Miền tìm kiếm xác định như sau: Từ giờ thế giới TG , tra lịch thiên văn xác định Vĩ độ giới hạn: 휑min ÷ 휑max (giới hạn phía Nam ⊙ ⊙ được xích vĩ 훿1 và góc giờ thế giới 푡 1 của mặt 휑0 = 휑min và giới hạn phía Bắc 휑 = 휑max) trời. Tính toán góc giờ địa phương của mặt trời theo Kinh độ giới hạn: 휆min ÷ 휆max (giới hạn phía Tây công thức: 휆0 = 휆min và giới hạn phía Đông 휆 = 휆max) E Với: ttLGW11  (3) 휑min = 휑 − |훥휑 | , 휑max = 휑 + |훥휑 | , 훥휑 ⊙ ⊙ Với các đối số (휑 1, 훿1 , 푡퐿1) , tra bảng toán sai số của vĩ độ dự đoán 휑 , chuyên môn hoặc tính trực tiếp theo công thức chung, 휆min = 휆 − |훥휆 |, 휆max = 휆 + |훥휆 |, 훥휆 sai xác định được độ cao và phương vị của mặt số của kinh độ dự đoán 휆 , trời (ℎ ,  ). Sai số dự đoán (훥휑 , 훥휆 ) được xác định dựa Tương tự, tiến hành quan trắc lần thứ hai từ vị trí trên sai số bình phương trung bình (R) của vị trí tàu (|훥휑 | = 푅, |훥휆 | = 푅, trong đó (k) là hệ số tăng tỷ dự đoán 2(휑 2, 휆 2) khi phương vị thay đổi được từ 300 ÷ 450, tùy điều kiện thực tế [4]. lệ xích dọc theo kinh tuyến hay độ tăng vĩ độ tiến trên hải đồ mercator) [6]. Giá trị bán kính (R) được tính Thao tác trên hải đồ với các yếu tố vẽ đường vị trí toán và lựa chọn sao cho xác suất vị trí thật của tàu thiên văn như sau (Hình 4): nằm trong miền tìm kiếm lớn hơn 95%. Đường I-I: vị trí dự đoán (휑 , 휆 , phương 1 1 1 Trong thực tế dẫn tàu, bán kính sai số bình phương vị tính và hiệu độ cao 훥ℎ = ℎ − ℎ , 1 1 푆1 1 trung bình (R) được tính toán theo hai trường hợp cơ Đường II-II: vị trí dự đoán 2(휑 2, 휆 2), phương bản sau: vị tính và hiệu độ cao 훥ℎ = ℎ − ℎ 2 2 푆2 2 Trường hợp 1: Không xác định được vị trí tàu, sai số bình phương trung bình của vị trí dự đoán tính theo công thức [7]: 22 RSS ()()TKLTKTK (4) Với: 푆 퐾: Quãng đường tàu chạy, 휀퐿: Sai số trong số hiệu chỉnh la bàn, 휀 퐾: Sai số trong số hiệu chỉnh tốc độ kế. Giả sử tàu chạy được quãng đường theo tốc độ kế là 100 hải lý, sai số trong số hiệu chỉnh tốc độ kế là 0,6%, sai số trong số hiệu chỉnh la bàn 005 . Tính toán bán kính sai số bình phương trung bình (R): 22 0.50.6 Hình 4. Thao tác xác định vị trí tàu không đồng thời Rnm 1001001.06o 3. Xác định vị trí tàu bằng các quan trắc đồng 57 3 100 thời độ cao và phương vị mặt trời Để tính toán sai số dự đoán, bán kính sai số được Vị trí tàu xác định bằng quan trắc không đồng thời xác định là 3R = 3,18 hải lý (99,7%). mặt trời có nhiều hạn chế như: cần tiến hành vào thời Trường hợp 2: Xác định được vị trí tàu bằng mục điểm mặt trời qua kinh tuyến người quan sát, chịu ảnh tiêu địa văn. Xét trường hợp xác định vị trí tàu bằng hưởng của sai số vị trí dự đoán và đặc biệt là sai số hai đường vị trí địa văn đồng thời, đánh giá độ chính tịnh tiến đường vị trí. Nhằm khắc phục các hạn chế xác của vị trí xác định bằng hình tròn xác suất, bán trên, bài báo giới thiệu phương pháp xác định vị trí tàu kính tính theo công thức [8]: bằng quan trắc đồng thời độ cao và phương vị mặt trời, R ()() n22 n (5) bao gồm các bước sau: 12 Bước 1: Xác định miền tìm kiếm Với: Mục đích của bước 1 là xác định khu vực lân cận R: Bán kính sai số bình phương trung bình, S Ố 66 (4-2021) 7
4. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 훥푛1: Khoảng dịch chuyển bình phương trung bình của đường vị trí thứ nhất, 훥푛2: Khoảng dịch chuyển bình phương trung bình của đường vị trí thứ hai. Giả sử xác định vị trí tàu bằng hai khoảng cách đồng thời tới hai mục tiêu. Bán kính sai số bình phương trung bình của vị trí xác định theo công thức: 1 Rnn ()() 22 sinθ 12 22 (6) 1 uu 12 sin ggDD12 Với: 휃 : góc kẹp giữa hai đường vị trí, trong trường hợp Hình 5. Tập hợp điểm trong miền tìm kiếm o này θ = 60 , Tính toán khoảng cách từ điểm bất kỳ ∈ { } 𝑔 1 ≈ 𝑔 2 = 𝑔 : góc kẹp giữa hai đường vị trí, tới F, do khoảng cách FS rất lớn nên coi gần đúng: o trong trường hợp này θ = 60 , ⏜ 퐹 ≈ 퐹 và 퐹 ⊥ 푆 (8) 휀 1 ≈ 휀 2 ≈ 휀 : sai số bình phương trung bình của việc đo khoảng cách bằng radar. Sĩ quan hàng hải có thể tự xác định trên tàu hoặc sử dụng giá trị thống kê trung bình trong tài liệu chuyên ngành, trường hợp này lấy 휀 = 0,05nm [9], Với các số liệu trên, tính toán bán kính sai số (R): 12222 R ()()()DDD12 sinθsinθ (7) 2 (0.05)0.082 nm Hình 6. Xác định vị trí xác suất nhất sin60o Xét tam giác vuông 퐹, ta có: Để tính toán sai số dự đoán, bán kính sai số được 2 2 2 xác định là 3R = 0,25 hải lý (99.7%). ( 퐹) = ( ) + ( 퐹) (9) Bước 2: Thiết lập tập hợp vị trí tàu giả định trong Trong đó: miền tìm kiếm MFxy : Sai số của vị trí giả định Mxy, Xây dựng mạng kinh vĩ tạo thành tập hợp điểm ⏜ 퐹 ≈ 퐹 = 퐹푆 ∗ 훼 = ℎ푆 ∗ 훼 A = { (휑 , 휆 )}, với: 훼 = − 퐾 = {1,2, . . . , } 푣à = {1,2, . . . , }. 2 2 2 퐹 = ( ) + ( 퐹) Vĩ độ giới hạn phía Nam 휑0 = 휑min và vĩ độ giới hạn phía Bắc 휑 = 휑max K là hướng từ → 푆 trên hải đồ Mercator, Kinh độ giới hạn phía Tây 휆0 = 휆min và kinh độ tính theo công thức [10]: giới hạn phía Đông 휆 = 휆max 1 H Sy Khoảng giãn cách đảm bảo: 휑 − 휑 = K tan () (10) 1+1 𝑖 HD D D 0 0 Sx 0 000001 và 휆1+1 − 휆𝑖 = 0 000001 Trên tàu tiến hành đo độ cao và phương vị mặt trời Với: đồng thời, sau khi hiệu chỉnh được (ℎ푆  ). Thao tác Vĩ độ tiến của 휑 : xác định vị trí tàu trên hải đồ mercator: Vòng đẳng cao e có tâm là cực chiếu sáng 푆(휑 , 휆 ) , bán kính là 1 e sin 2 푆 푆 D aln tg xx (11) x khoảng cách thật (hS) , giao với phương vị đo (AT) cho 4 2 1 e sin x vị trí tàu là F. Tuy nhiên, vị trí thật F chỉ là giả định vì Vĩ độ tiến của 휑 : ′ 푆 không thể vẽ được đường vị trí (ℎ푆, ℎ푆) trên hải đồ do khoảng cách ℎ푆 quá lớn. 8 SỐ 66 (4-2021)
5. TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY e 1sin e 2 Datg ln SS (12) [6] Nguyễn Thái Dương, Ảnh hưởng của độ biến dạng S 421sin e S của phép chiếu hải đồ Mercator tới công tác dẫn Trong đó: tàu an toàn, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng a: bán trục lớn của elip kinh tuyến trái đất, hải, Số 60 (11/2019). [7] Phạm Kỳ Quang, Nguyễn Thái Dương, Nguyễn e: độ lệch tâm của elip kinh tuyến trái đất. Phùng Hưng. Địa văn hàng hải 2. NXB Khoa học MESMSEhh (13) xyxySxy và kỹ thuật, 2012. Với: [8] Admiralty manual of navigation. London her 1 majesty’s stationery office, 1987. hsin[sinsinxyx  ((14) [9] В. И. Дмитриев, В.Л. Григорян, В.А. Катении. yE coscoscos(] xGyW t Навигация и Лоция. Учебник для вузов. - Москва «Моркнига», 2009 - 458 с. Vị trí tàu xác suất nhất ( M mn ) thỏa mãn điều kiện: [10] Daniel Daners. The Mercator and 22 stereographical projections and many in between. (MFMFmn ) min ( xy )  (15) 4. Kết luận The University of Sydney Australia, 2016. Bài báo đã trình bày phương pháp xác định vị trí Ngày nhận bài: 22/11/2020 tàu bằng quan trắc mặt trời không đồng thời truyền Ngày nhận bản sửa: 04/01/2021 thống. Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm theo tiêu chuẩn về độ chính xác dẫn đường và đặc điểm của Ngày duyệt đăng: 10/01/2021 phương pháp dự phòng theo yêu cầu của Công ước STCW. Nghiên cứu mới đề xuất phương pháp xác định vị trí tàu bằng quan trắc đồng thời độ cao và phương vị mặt trời. Vị trí tàu được xác định trên cơ sở phương pháp bình phương nhỏ nhất. Đây là phương pháp mới, thực hiện đơn giản nhanh chóng vào thời điểm bất kỳ vào ban ngày, hầu như không phụ thuộc vào vị trí dự đoán. Trên cơ sở toán học đã trình bày, trong các nghiên cứu tiếp theo tác giả sẽ xây dựng chương trình tính toán tự động, hoàn toàn có thể triển khai áp dụng trên tàu biển. Lời cảm ơn Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Hàng hải Việt Nam trong đề tài mã số DT20-21.03. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] International Maritime Organization. International Convention on Standards of Training, Certification and Watchkeeping for Seafarers (STCW 78/2010). [2] B. Krasavtsev, B. Khlyustin, Nautical Astronomy, Mir Publishers, Moscow, 1970. [3] Nathaniel Bowditch, LL.D, The American Practical Navigator, National Imagery and Mapping Agency, Bethesda, Maryland, 2002. [4] David Burch, Celestial Navigation, Starpath Publications, 2010. [5] IMO. Resolution A. 529 (13). Accuracy standards for navigation, 1983. S Ố 66 (4-2021) 9