5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4 Xu hướng phát triển hàng hải thiên văn trong tương lai
Hàng hải thiên văn là 1 môn khoa học cổ điển trong ngành hàng hải, trước đây để có được vị trí tàu xác định, các nhà hàng hải phải mất rất nhiều thời gian để giải 1 số lượng không nhỏ các bài toán khác nhau như: tính toán
22
thời điểm quan sát thiên thể, lựa chọn thiên thể để quan sát, xác định tọa độ thiên thể trên thiên cầu tại thời điểm quan sát, hiệu chỉnh độ cao thực tế của thiên thể, tra bảng xác định độ cao và phương vị thiên thể tại vị trí dự đoán….
Trong kỷ nguyên thứ 21 của loài người, hàng hải thiên văn không những được sử dụng để dẫn đường cho tàu thuyền vượt qua các Đại dương mà còn được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong việc dẫn đường cho các loại robot thăm dò, lấy tư liệu trên các hành tinh khác như: mặt trăng, sao kim, sao hỏa, sao thổ…..vv. Trong nội dung đề tài, tác giả xin giới thiệu một số thành tựu mới của hàng hải thiên văn trong thời gian gần đây, từ đó đưa ra những nhận định, dự đoán về xu hướng phát triển trong tương lai của phương pháp hàng hải này.
Khi được ứng dụng để dẫn đường trên các hành tinh khác, người ta xây dựng thiên cầu như đối với trái đất [7], tuy nhiên, các thiết bị như: quả cầu sao, đĩa tìm sao, sextant, thời kế, lịch thiên văn không được sử dụng như đối với phương pháp thiên văn xác định vị trí trên trái đất, thay vào đó những thiết bị tự động sẽ được sử dụng như: thiết bị nhận dạng sao, thiết bị đo độ nghiêng, chúi của bộ phận cảm ứng trong robot (hình 1.7) [11].
23
Thiết bị nhận dạng sao (hình 1.8) chụp ảnh thực tế các ngôi sao tại khu vực mà thiết bị này quan sát, những hình ảnh này sẽ được so sánh với hình ảnh thực tế của các chòm sao đã được lưu giữ trong bộ nhớ CPU của thiết bị nhận dạng sao, kết hợp với thiết bị đo tốc độ góc nghiêng ngang, nghiêng dọc của bộ phận cảm ứng. Dữ liệu thu nhận từ 2 thiết bị nhận dạng sao và máy đo độ nghiêng có thể tính toán vị trí trên hành tinh theo mô hình thuật toán chuyển động của Euler (1.40):
'' ' x y x v y v zv sensed z n n = n = R (-θ).R (- ).R (ψ).n n cos( ) 2 tan( ) z y x v a n n a n (1.40)
Hiện nay, khi thiết bị máy thu tín hiệu GPS trên tàu gặp sự cố hay bị hạn chế sử dụng do nhiều nguyên khác nhau thì hệ thống hàng hải quán tính được xem là một phương pháp hữu ích để khác phục những nhược điểm ấy, tuy nhiên, hệ thống hàng hải quán tính cũng có nhiều nhược điểm như: sai số
24
thiết bị đo quán tính, sai số thiết bị xác định hướng, sai số do nhiễu ồn…….vv Sai số tổng hợp tỷ lệ thuận với quãng đường thực hiện. Do đó việc hiệu chỉnh các yếu tố gây sai số cho hệ thống là cần thiết để loại trừ sai số tổng hợp. Trong tương lai, sự kết hợp 2 phương pháp hàng hải thiên văn và hàng hải quán tính sẽ tiếp tục được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong dẫn đường cho các tàu vượt Đại dương, đây được xem như sự thay thế hoàn hảo khi máy thu tín hiệu GPS bị hư hỏng hoặc không thu được sóng tại một số khu vực trên thế giới.
1.5 Kết luận chương 1
Trong chương này, luận văn đã trình bày chi tiết các phương pháp xác định vị trí tàu bằng thiên văn được sử dụng từ trước đến nay, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp. Hơn nữa, đề tài cũng chỉ ra một ứng dụng của phương pháp hàng thiên văn trong lĩnh vực khác, từ đó đưa ra những dự đoán về xu hướng phát triển trong tương lai của phương pháp.
Với những lập luận logic trên, có thể thấy rằng việc nghiên cứu phát triển những phương pháp mới để xác định vị trí tàu bằng thiên văn là sự vận động tất yếu phù hợp với quy luật khách quan nhằm đáp ứng những yêu cầu cao hơn trong tương lai.
25
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH SỬ DỤNG ĐỂ XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN VỊ TRÍ TÀU
2.1 Các yếu tố cần thiết để giải bài toán xác định vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn, cơ sở dữ liệu cho chương trình tính toán
Để tính toán vị trí tàu bằng phương pháp thiên văn, phải giải các bài toán: hiệu chỉnh độ cao thực tế của thiên thể, xác định tọa độ thiên thể tại thời điểm quan sát, hiệu chỉnh độ cao từ thời điểm trước về thời điểm sau.
2.1.1 Hiệu chỉnh về độ cao thật của thiên thể, hệ thức tính toán, hiệu chỉnh độ
cao thiên thể thời điểm trước về thời điểm sau
2.1.1.1 Sự cần thiết phải hiệu chỉnh độ cao thiên thể
Độ cao thiên thể là số đo góc hợp bởi mặt phẳng chân trời thật và đường thẳng nối tâm thiên cầu với tâm thiên thể [1] cũng có thể tính là số đo cung vòng thẳng đứng giới hạn từ mặt phẳng chân trời thật đến vị trí thiên thể. Thực tế, khi đo độ cao thiên thể bản thân Sextant bao giờ cũng có sai số dụng cụ và sai số vạch chuẩn tác động, vậy để nhận được số đo độ cao chính xác cần phải tính đến lượng hiệu chỉnh (i + s) của hai sai số này.
Người quan sát đứng trên địa cầu với chiều cao (e) so với mặt biển để đo, độ cao thiên thể theo lý thuyết là góc ở tâm thiên cầu. Do vậy phải hiệu chỉnh thêm lượng độ cao (Dip) do người quan sát đứng trên mặt địa cầu, độ nghiêng chân trời luôn làm tăng giá trị độ cao vì vậy số hiệu chỉnh độ nghiêng chân trời luôn âm.
Mặt khác, mật độ khí áp giảm dần theo độ cao nên môi trường chiết suất qua từng lớp không khí cũng thay đổi, vậy tia tới từ thiên thể đến mắt người quan sát cũng bị khúc xạ trở thành 1 đường cong liên tục, do đó người quan sát nhìn thấy thiên thể theo phương tiếp tuyến với đường cong đó tại vị
26
trí mắt người quan sát, thiên thể từ vị trí C bị nâng tới vị trí C’ một góc gọi là khúc xạ thiên văn. Trong điều kiện tiêu chuẩn, khí áp P = 760mmHg, nhiệt độ tO = +10˚C khúc xạ thiên văn được gọi là khúc xạ thiên văn trung bình O.
Theo lý thuyết, độ cao thiên thể là góc tính từ tâm thiên cầu hợp bởi đường thẳng nối tâm thiên thể với tâm thiên cầu và mặt phẳng chân trời thật, trong các bảng toán người ta lấy tâm thiên cầu trùng với tâm trái đất. Nhưng thực tế người quan sát lại đứng trên bề mặt trái đất để đo độ cao thiên thể do vậy cần phải hiệu chỉnh với góc thị sai nhìn thấy hàng ngày PA (góc từ thiên thể nhìn thấy bán kính trái đất).
Một số thiên thể có bán kính nhìn thấy lớn khi làm chập ảnh của chúng với đường chân trời rất khó làm tiếp xúc tâm với đường chân trời, người ta thường phải đo qua mép do vậy cần phải hiệu chỉnh một đại lượng bán kính góc (SA) của thiên thể đối với độ cao.
Do điều kiện khí hậu , thời tiết luôn thay đổi so với điều kiện tiêu chuẩn khi lập bảng, vì vậy cần phải hiệu chỉnh thêm một lượng sai số độ cao theo lượng thay đổi áp suất hB, theo nhiệt độ ht. Với những nguyên nhân trên khi đo độ cao thiên thể bằng Sextant phải hiệu chỉnh độ cao đo được để tìm ra độ cao thật hS. hệ thức độ cao sau khi hiệu chỉnh là :
hS = OC + i + s – Dip - R + PA SA (2.1) 2.1.1.2 Hệ thức tính toán các số hiệu chỉnh độ cao thiên thể [10]
Số hiệu chỉnh sai số dụng cụ (Index erorr):
Được nhà sản xuất tính toán và cho sẵn trong hồ sơ của sextant. Sỹ quan hàng hải phải hiệu chỉnh những sai số này, công thức tính:
I = i + s (2.2)
27
0
Dip = 0 .0293. e (e tính theo m) = 0 .97.0 e (e tính theo ft) (2.3)
Số hiệu chỉnh do hiện tượng khúc xạ thiên văn (Refraction)
Tại nhiệt độ 100C và khí áp tiêu chuẩn 1010mb, giá trị khúc xạ thiên văn được xác định theo hệ thức :
R0 = 00.0167/ tan(H + 7.32/(H + 4.32))
H = OC + I – Dip (2.4)
Nếu nhiệt độ và khí áp xác định, khúc xạ thiên văn được tính toán như sau:
f = 0.28.P/(H + 273)
R = R0.f (2.5)
Nếu nhiệt độ và khí áp không xác định thì : R = R0
Số hiệu chỉnh thị sai thiên thể (Parallax):
PA = HP.cosH (2.6) Đối với mặt trời :
HP = 00.0024 Đối với định tinh :
HP = 0 Đối với mặt trăng :
HP = UTC/60
Số hiệu chỉnh do thiên thể có bán kính lớn (Semi Diameter) :
Khi quan sát độ cao của mặt trời, mặt trăng sỹ quan hàng hải phải tính đến sai số này :
Đối với mặt trời : SA = SD/60 (2.7)
28
2.1.1.3 Hiệu chỉnh độ cao thiên thể thời điểm trước về thời điểm sau
Như đã đề cập ở chương 1, các phương pháp xác định vị trí tàu bằng thiên văn hiện nay đều có độ tin cậy thấp, vị trí xác định kém chính xác. Nguyên nhân là do các phương pháp trên đều mắc 2 loại sai số: sai số do thay thế vòng đẳng cao bằng đường cao vị trí và sai số không đồng thời. Để nâng cao độ chính xác vị trí tính toán bằng bất kỳ phương pháp nào, cần thiết phải quy độ cao thiên thể về cùng một thời điểm, một thiên đỉnh.
Hiệu chỉnh độ cao thiên thể về cùng một thời điểm
Do trái đất chuyển động theo chiều từ tây sang đông, người quan sát sẽ thấy thiên cầu chuyển động theo chiều ngược. Trong chuyển động nhìn thấy hàng ngày, thiên thể luôn thay đổi tọa độ trên thiên cầu, do đó độ cao thiên thể tại những thời điểm khác nhau sẽ khác nhau. Để nâng cao độ chính xác của vị trí xác định, ảnh hưởng của chuyển động quay trái đất đến sự thay đổi độ cao thiên thể phải được tính đến và hiệu chỉnh theo hệ thức (2.8), [1]:
Δh = cosφ.sinA.ΔT (2.8) Hiệu chỉnh độ cao thiên thể về cùng một thiên đỉnh
Khi tàu chuyển động, thiên đỉnh người quan sát luôn thay đổi dẫn đến độ cao thiên thể tại 2 thời điểm sẽ thay đổi, vị trí tính toán dựa vào số liệu hiện tại sẽ thiếu chính xác. Vì vậy cần thiết phải hiệu chỉnh độ cao của thiên thể quan sát trước về thời điểm quan sát thiên thể thứ 2, đặc biệt đối với trường hợp xác định vị trí tàu bằng quan sát mặt trời không đồng thời thì số hiệu chỉnh này là điều bắt buộc [1]:
∆h = S.cos(A – HT) (2.9)
khi tốc độ tàu và khoảng thời gian quan sát thiên thể quá lớn có thể tính đến độ cong của trái đất :
29
2.1.2 Hệ thức tính toán tọa độ thiên thể trên thiên cầu
Tọa độ của thiên thể tại thời điểm bất kỳ được lập thành bảng trong lịch thiên văn hàng hải. Khi giải các bài toán, sỹ quan hàng hải phải tra lịch thiên văn với đối số là giờ thế giới, từ thông số này sẽ tính chính xác tọa độ thiên thể tại thời điểm quan sát. Ngoài cách sử dụng Lịch thiên văn, có thể xác định toạ độ của thiên thể dựa vào những hệ thức toán học (2.17), (2.18).
Trong chương trình tính toán vị trí tàu, tác giả nhập vào phần Module các hệ thức tính toán trực tiếp tọa độ thiên thể tại thời điểm bất kỳ. Các hệ thức trên được trình bày trong cuốn “A Short guide to Celestial Navigation”
của tác giả Henning Umland (xuất bản năm 2006) chi tiết xem thêm [8]. Theo đó, tọa độ của mặt trời, điểm xuân phân sẽ có sai số lớn nhất trong các trường hợp là ± 0’6, sai số nhỏ hơn ± 0’3 trong 100 ngày được chọn
ngẫu nhiên. Hệ thức trên có thời gian áp dụng từ năm 1900 đến 2049.
2.1.2.1 Góc giờ thế giới của điểm xuân phân
Hệ số quỹ đạo của trái đất
T = 367.y – Int[1.75.(y+Int((m + 9)/12))] + Int(275.m/9) +
d + UT/24 – 730531.5 (2.11)
Góc giờ thế giới của điểm xuân phân
GHAγ = 0.9856474.T + 15.UT + 1.0046062 (2.12) 2.1.2.2 Góc giờ và xích vĩ của mặt trời
Hệ số dị thường trung bình của mặt trời
g = 0.9856003.T – 2.472 (2.13) Kinh độ trung bình của mặt trời
LM = 0.9856474.T – 79.53938 (2.14)
30
LT = LM + 1.915.sing +0.02.sin2g (2.15)
Góc giữa 2 mặt phẳng hoàng đạo và thiên xích đạo
ε = 23.439 – 4.T.10-7 (2.16)
Xích vĩ mặt trời
Dec = arcsin(sinLT.sinε) (2.17) Góc giờ mặt trời
GHA = GHAγ – 2.arctan[(cosε.sinLT)/(cosDec + cosLT)] (2.18)
2.1.2.3 Tọa độ xích đạo loại 2 của các ngôi sao
Theo bảng 1.1, tọa độ của 57 ngôi sao trong Hàng hải được tính toán và lấy trung bình cho năm 2010. Tuy nhiên, do hiện tượng tuế sai, chương động của trục trái đất dẫn đến tọa độ tính toán theo bảng sau chỉ đúng trong 1 khoảng thời gian nhất định từ năm 2010 đến 2030. Xem thêm trong [8].
Tọa độ tính toán của một ngôi sao bất kỳ được xác định theo hệ thức: SHA* = SHA(2010) + (năm tính - 2010).∆SHA
GHA* = GHAγ + SHA*
Dec* = Dec(2010) + (năm tính - 2010).∆Dec Bảng 1.1 Tọa độ và biến thiên theo thời gian của các ngôi sao
Name SHA ∆SHA Dec ∆Dec
Acamar 315020’4 - 0’6 S40015’9 - 0’2 Achernar 335028’9 - 0’5 S57011’1 - 0’3 Acrux 173011’5 - 1’0 S63009’6 + 0’3 Adhara 255014’4 - 0’6 S28059’4 + 0’2 Aldebaran 290052’3 - 0’9 N16031’8 + 0’1
31 Alioth 166022’0 - 0’6 N55054’1 - 0’4 Alkaid 153000’1 - 0’5 N49015’5 - 0’3 Al Na’ir 27046’9 - 0’9 S46054’5 - 0’3 Alnilam 275048’8 - 0’7 S1011’8 + 0’1 Alphard 217058’2 - 0’8 S8042’4 + 0’3 Alphecca 126012’7 - 0’6 N26040’5 - 0’1 Alpheratz 357046’3 - 0’8 N29008’8 - 0’3 Altair 62010’6 - 0’7 N8053’6 + 0’2 Ankaa 353018’3 - 0’7 S42015’0 - 0’3 Antares 112029’0 - 1’ S26027’3 - 0’1 Arcturus 145057’5 - 0’7 N19007’5 - 0’3 Atria 107032’7 - 1’6 S69002’6 - 0’1 Avior 234018’9 - 0’4 S59032’9 + 0’2 Bellatrix 278034’6 - 0’8 N6021’5 - 0’1 Betelgeuse 271003’9 - 0’8 N7024’5 - 0’1 Canopus 263057’3 - 0’4 S52042’4 + 0’1 Capella 280038’1 - 1’1 N46000’6 - 0’1 Deneb 49033’4 - 0’6 N45018’8 + 0’2 Denebola 182035’7 - 0’6 N14030’7 - 0’4 Diphda 348058’5 - 0’7 S17055’8 - 0’3 Dubhe 193053’7 - 0’8 N61041’7 - 0’3
32 Elnath 278015’7 - 0’9 N28037’0 0 Eltanin 90047’1 - 0’4 N51028’9 0 Enif 33049’7 - 0’8 N9055’2 + 0’3 Fomalhaut 15026’8 - 0’8 S29034’0 - 0’3 Gacrux 172003’1 - 0’9 S57010’4 + 0’4 Gienah 175054’4 - 0’8 S17036’2 + 0’3 Hadar 148050’8 - 1’2 S60025’4 + 0’3 Hamal 328003’8 - 0’9 N23030’7 + 0’2 Kaus Aust 83046’9 - 1’ S34022’7 - 0’1 Kochab 137018’6 + 0’2 N74006’5 - 0’2 Markab 13041’0 - 0’8 N15015’6 + 0’3 Menkar 314017’8 - 0’8 N4007’8 + 0’2 Menkent 148010’0 - 0’9 S36025’4 + 0’2 Miaplacidus 221039’9 - 0’3 S69045’9 + 0’3 Mirfak 308044’2 - 1’1 N49054’0 + 0’2 Nunki 76001’2 - 0’9 S26017’0 - 0’1 Peacock 53023’0 - 1’1 S56041’9 - 0’2 Pollux 243030’5 - 0’9 N28000’1 - 0’2 Procyon 245002’1 - 0’8 N5011’8 - 0’2 Rasalhague 96008’5 - 0’7 N12032’9 0 Regulus 207045’7 - 0’8 N11054’8 - 0’3
33 Rigel 281014’4 - 0’7 S8011’5 0 Rigil Kent 139054’5 - 1’1 S60052’6 + 0’3 Sabik 102015’1 - 0’9 S15044’3 + 0’1 Schedar 349044’0 - 1’ N56035’6 + 0’4 Shaula 96025’0 - 1’1 S37006’6 0 Sirius 258035’8 - 0’7 S16044’0 + 0’2 Spica 158033’4 - 0’8 S11013’1 + 0’3 Suhail 222054’9 - 1’5 S43028’8 + 0’3 Vega 80040’5 - 0’5 N38047’3 + 0’1 Zuben’ubi 137007’8 - 0’9 S16005’2 + 0’2
2.2 Ngôn ngữ lập trình sử dụng để xây dựng chương trình
Trong tin học, để xây dựng 1 chương trình xử lý, có thể sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như Pascal, Delphi, Dotnet, Foxtran, Matlab, Visual basic, C, C ++…vv. Việc chọn lựa ngôn ngữ lập trình phụ thuộc vào sự chuyên nghiệp của lập trình viên đối với ngôn ngữ đó cũng như là đáp ứng yêu cầu xử lý bài toán một cách hoàn thiện.
Với đề tài, tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình Visual basic do hãng Microsoft sản xuất phiên bản 6.0. Trong phần này, đề tài giới thiệu một số kiến thức cơ bản của ngôn ngữ lập trình Visual basic 6.0 nhằm tạo tiền đề cho