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关于六分仪
[添加时间] 2013-10-1 [访问量] 1650 [返回]
六分仪是用来测量远方两个目标之间夹角的光学仪器。通常用它测量某一时刻太阳或其他天体与海平线或地平线的夹角﹐以便迅速得知海船或飞机所在位置的经纬度。六分仪的原理是牛顿首先提出的。六分仪具有扇状外形﹐其组成部分包括一架小望远镜,一个半透明半反射的固定平面镜即地平镜﹐一个与指标相联的活动反射镜即指标镜。六分仪的刻度弧为圆周的1/6。使用时﹐观测者手持六分仪﹐转动指标镜﹐使在视场里同时出现的天体与海平线重合。根据指标镜的转角可以读出天体的高度角﹐其误差约为±0.2°~±1°。在航空六分仪的视场里﹐有代替地平线的水准器。这种六分仪一般还有读数平均机构。六分仪的特点是轻便﹐可以在摆动著的物体如船舶上观测。缺点是阴雨天不能使用。二十世纪四十年代以后﹐虽然出现了各种无线电定位法,但六分仪仍在广泛应用。

2发展历程

早期航海家在大海中沿航线航行时,需要不断确定航船所处的位置,即船所处的经度和纬度的交叉点。航海家为了弄清楚自己的船所处的纬度,需要有一种仪器,它能通过对地平线和中午的太阳之间的夹角的测量,或通过对地平线和某颗固定星之间的夹角的测量来确定纬度。最初,水手用星盘来测量太阳高度,但由于船的甲板是上下起伏的,这种仪器极难操作,而且不容易测算准确。后来人们用直角仪取代了星盘。航海图上的六分仪及两脚规量角器、平行尺等早期航海仪器
1730年,美国人T·戈弗雷(Thomas Godfrey)和英国人约翰·哈德利(John Hadley)分别独自发明了八分仪。两人都把设计方案提交英国皇家学会,后者于1734年又提交了一个改进方案,得到普遍采用。哈德利研制成功一种反射望远镜,接着又制作了一种在海上测量角度的仪器。观察者可通过一面镜子同时看见地平线,它们之间的角度可用边缘标有刻度的象限仪测出,测角范围可达90°,这样就把简单的象限仪(测角范围45°)所测量之高度增加了一倍,成为一种测纬度的理想仪器,该仪器另一优点是它能使星辰天体的形象与地平线成一直线,而且所测读数更为精确。由于它准确、价格便宜、使用方便,极受航海人员欢迎,直到20世纪仍然作为测量天体高度确定纬度的方法。
1732年,英国海军部把八分仪放在一只小艇中作试验,结果非常精确。可是八分仪的90°标度用作测量月球与天体的角距,事实证明是非常不够的,故约翰·伯德(John Bird)在18世纪50年代制作了一个完整的圆圈,其测量范围可达360°,测量效果好,但很笨重,在海上使用极为不便。于是反射圈与八分仪之间采取折衷方案,1757年,坎贝尔船长以八分仪为模子,把测量范围扩大到120°,这就是六分仪,它是由一个三角形的架子组成,一边是一个120°弧形板,上面有刻度和一个可移动的指针。反射望远镜将需测量的有夹角的两天体反射到一起,人们就可以方便地测到角度并计算出该船处在的纬度。六分仪较之以往的测纬度的星盘、卡尔玛和直角象限仪等的精度有较大的提高。

3原理

光线的反射角等于入射角

六分仪所基于的原理很简单:光线的反射角等于入射角。实际上,六分仪也可以测量任意两物体之间的夹角。其原理最初由牛顿(以及更早的胡克)提出;而固定式大型六分仪很早就由各大天文台建造,供天体测量之用(如第谷在汶岛建造的纪限仪、格林尼治天文台的大六分仪等)。
航海用六分仪是在扇形框架背面有手柄供握持用,框架上装有活动臂,图中活动臂最上端即是指标镜;半反射式地平镜安装在六分仪的左侧(中部,正对望远镜者),地平镜旁边还配有滤光片供测量太阳等明亮天体时使用。测量天体地平高度时,观测者手持六分仪,让望远镜镜筒保持水平,并从望远镜中观察被测天体经地平镜反射所成的像;同时要调节活动臂,使星象落在望远镜中所见的地平线上。这也是地平镜需要用半反射玻璃制造的原因。

几何光学中的反射定律

在天体的象与地平线重合时,该天体高度等于地平镜与指标镜夹角的二倍。通过几何光学中的反射定律,这一点可以很容易地被证明。而根据这一点来恰当地设计圆弧标尺上的刻度,就可以让观测者直接读出天体高度。为提高读数精度,实际的六分仪活动臂上往往还附有鼓轮和游标尺。六分仪的精度比较高,最高能达到10角秒,且轻便易用,所以它能够迅速取代之前操作复杂的星盘,成为在海洋上测量地理坐标的利器,也彻底解决了精确地确定海上航线这一困扰无数航海家的难题。1769年,库克船长就是在六分仪的帮助下成功抵达塔希提岛观测金星凌日的。

4使用方法

使用六分仪测量经纬度的前提条件是当前时间已知。先用六分仪测量出某天体(一般用太阳)上中天时的地平高度,再查阅天文年历了解当天该天体的赤道坐标,只需代入公式:
cos z = sin φ sin δ + cos φ cos δ cos t
就可以得出该地的纬度φ。式中z是天体天顶距(90度减去地平高度),δ是天体的赤纬,t是时角,可以由地方恒星时与天体赤经相减得出,恒星时也可以通过简单计算得到。如果是由太阳位置计算地理纬度,更简便的算法是:
δ = z + δ
当然,更精确的结果还需要扣除六分仪视差、蒙气差、眼高差、天体的半径差等误差后才能得出。现在某些因子已有专门的改正表可供查阅。
六分仪的结构和光学原理
ΔABC中 ω=β-ɑ
ΔABD中 h=2β-2ɑ
∴ h=2ω
至于经度的测量,可以通过比较太阳上中天时地方时(由查阅天文年历得出)与出发地的时间之差得出。
六分仪最大的缺点是受天气的影响较大,不能在阴雨天使用。而制造过程中会无可避免地引入机械误差,这也成了限制六分仪精度的一个因素。有一定经验的观测者在正常条件下白天单一观测的均方误差为±0.7′~±1.0′。增加观测次数取平均值,则其均方误差降为单一观测值的,n为次数,一般取3、5、7次。天体高度最好为15°~65°。此外,六分仪也可在沿岸航行时用于观测两个地面物标之间水平夹角,用以在海图上定位。
历史上,六分仪除了在航海方面发挥了重大作用外,还曾帮助天文学家编制高精度星表。而星表的编制也促进了航海的发展,同时还给地理坐标的测量带来了重大进步。另外还有航空用六分仪,结构与航海用六分仪基本相同,但望远镜视野中的地平线由水准线代替。现在也有电子六分仪生产。

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