Astronawigacja

Astronawigacja zajmuje się oznaczaniem pozycji statku bądź samolotu w oparciu o pomiary położenia niektórych ciał niebieskich. Współcześnie została wyparta przez nawigację satelitarną, jednakże wciąż funkcjonuje jako metoda zapasowa. W tym ęartykule przybliżymy historię oraz nadal stosowane metody astronawigacja.

Jak powstała astronawigacja?

Astronawigacja to głównie wyznaczanie własnej pozycji, a to z kolei nic innego jak wyznaczenie dwóch współrzędnych geograficznych, czyli szerokości oraz długości. Tę pierwsza można wyznaczyć już na podstawie pojedynczego pomiaru wysokości górowania dowolnego ciała niebieskiego, którego deklinacja jest znana. Prawidłowe określenie tej współrzędnej nie było więc trudne już w starożytności. Przy pomocy kwadrantu możliwe było też ustalenie przybliżonej szerokości geograficznej po zmierzeniu kąa między horyzontem a Gwiazdą Polarną. Długość geograficzna jest natomiast współrzędną o większym poziomie skomplikowania. Jest to różnica czasu lokalnego i południka odniesienia. Do jej wyznaczenia niezbędna jest znajomość czasu dla południka zerowego. W dawnych czasach nie istniały wystarczająco dokładne zegary i aż do połowy XVIII wieku problem ten pozostał nierozwiązany. Wcześniejsze próby wyznaczenia zmiany długości geograficznej były wykonywane na podstawie prędkości ruchu oszacowanej za pomocą logu. Metoda ta nie była zbyt skuteczna i obarczona znacznym błędem.

Galileusz odkrył w 1610 roku księżyce Jowisza, co zapoczątkowało próby ich wykorzystania w formie zegara. Stworzono dla nich efemerydy, czyli w tym przypadku dane dotyczące ich ruchu w czasie. Ich porównanie z pozycjami obserwowanymi dawało możliwość wyznaczenia czasu południka zerowego. Dokładność takiego szacunku była jednak znikoma ze względu na niedoskonałość techniki obserwacyjnej i niewystarczającą precyzję efemeryd. Kolejna metoda opracowana w 1763 roku przeze astronoma Nevila Maskelyne’a była użytkowana sporadycznie aż do lat pięćdziesiątych XIX wieku. Opierała się na wyznaczaniu czasu na podstawie obserwacji odległości kątowej Księżyca oraz wybranych gwiazd. Było to możliwe, gdyż Księżyc na skutek swojego ruchu orbitalnego przemieszcza się względnie szybko na tle gwiazd, a jego chwilowe położenia można opisać z wystarczająco krótkim krokiem dla kolejnych momentów czasu.

Astronawigacja w epoce współczesnej

Ułatwienia w obliczaniu pozycji przyniosła metoda zaproponowana w 1837 roku przez kapitana Thomasas Sumnera. Odnotował on, że Słońce może być w danej chwili widoczne na odległości zenitalnej ze wszystkich punktów na kuli ziemskiej, które leżą na kole małym o środku w punkcie podsłonecznym i promieniu równym z. Ta sama zasada może zostać przypisana do dowolnego ciała niebieskiego. Dokonując dwukrotnego pomiaru odległości zenitalnej Słońca, w dostatecznie dużym odstępie czasu i obliczając położenie punktu podsłonecznego, dla każdego momentu obserwacji, jest możliwe narysowanie dwóch kół pozycyjnych i graficzne wyznaczanie własnej lokalizacji, jako jednego z dwóch punktów przecięcia tych kół. Zazwyczaj znajdują się ona w na tyle dużej odległości od siebie, że ich wybór nie stanowi problemu.

Metoda Sumnera została udoskonalona przez St. Hilaire’a i jest stosowana po dziś dzień w astronawigacji. Uproszczenie, jakiego dokonał St. Hilaire, opierało się na rysowaniu niewielkiego fragmentu koła pozycyjnego w bezpośrednim sąsiedztwie obserwatora, zamiast całości, jak w przypadku metody bazowej. Fragment ten można było przybliżyć odcinkiem linii prostej, nazwanej pozycyjną.