Kính lục phân

Kính lục phân là dụng cụ điều hướng phản xạ gấp đôi dùng để đo góc giữa hai vật thể. Công dụng chính của kính lục phân là đo góc giữa một vật thể thiên văn và đường chân trời nhằm mục đích điều hướng thiên thể. Kết quả đo được, gọi là góc nhìn, có thể dùng để xác định đường vị trí trên biểu đồ hàng hải hoặc hàng không, ví dụ như quan sát Mặt trời vào ban trưa hoặc Sao Bắc Cực vào ban đêm để ước lượng vĩ độ. Kính lục phân cũng giúp đo khoảng cách giữa Mặt trăng và các thiên thể khác để xác định thời gian trung bình Greenwich và kinh độ. Nguyên lý của kính lục phân được phát triển khoảng năm 1731 bởi John Hadley và Thomas Godfrey, mặc dù Isaac Newton cũng đã đề cập đến trong các tài liệu chưa công bố. Năm 1922, kính lục phân đã được điều chỉnh cho điều hướng hàng không của hải quân Bồ Đào Nha bởi sĩ quan Gago Coutinho.

Điều hướng nội dung

Ứng dụng của sextant (kính lục phân)

Phần này xem xét nội dung về vai trò của hoa tiêu. Những thông tin về các sextant cụ thể đều có thể áp dụng cho tất cả các loại sextant khác. Sextant của hoa tiêu chủ yếu dùng để điều hướng trên biển.

Tương tự như góc phần tư Davis, sextant đo các vật thể thiên thể so với đường chân trời thay vì thiết bị. Điều này mang lại độ chính xác cao. Ngoài ra, sextant cho phép quan sát trực tiếp các ngôi sao, điều này làm cho việc sử dụng sextant vào ban đêm dễ hơn so với backstaff. Khi quan sát mặt trời, các bộ lọc giúp nhìn trực tiếp vào mặt trời.

Vì việc đo đạc liên quan đến đường chân trời, nên con trỏ đo là một chùm ánh sáng chiếu đến đường chân trời. Do đó, độ chính xác đo được giới hạn bởi độ chính xác góc của thiết bị, không phải lỗi của alidade, vì nó nằm trong một thiết bị thiên văn cổ điển của thủy thủ.

Sextant không yêu cầu mục tiêu phải hoàn toàn ổn định vì nó đo góc tương đối. Ví dụ, khi sử dụng sextant trên tàu di chuyển, hình ảnh của chân trời và các thiên thể sẽ di chuyển trong tầm nhìn. Tuy nhiên, vị trí tương đối của các hình ảnh vẫn giữ nguyên, và nếu người dùng có thể xác định khi nào thiên thể chạm vào đường chân trời, phép đo sẽ chính xác dù tàu đang chuyển động.

Sextant không cần nguồn điện (khác với nhiều thiết bị điều hướng hiện đại) hoặc bất kỳ thiết bị điều khiển nào như vệ tinh GPS. Vì vậy, sextant được coi là công cụ điều hướng dự phòng hữu ích cho tàu.

Khung của sextant có hình dạng khoảng 1/6 của vòng tròn (60°), từ đó tên gọi sextant (Lục Phân Nghi) được đặt theo từ tiếng Latin 'sextans' nghĩa là 'một phần sáu'. Các công cụ khác như chòm sao bát nhân, quintant (hoặc pentant) và góc phần tư có kích thước lần lượt là khoảng 1/8 vòng tròn (45°), 1/5 vòng tròn (72°) và 1/4 vòng tròn (90°). Tất cả các công cụ này đều có thể được gọi là sextants.

Sử dụng sextant để đo độ cao của Mặt trời so với đường chân trời  

Khung của sextant đi kèm với 'gương chân trời', cánh tay trỏ, gương chỉ số, kính viễn vọng, bóng mặt trời, thang chia độ và thước đo trống micromet cho phép đo chính xác. Thang đo phải được chia sao cho các mức độ được đánh dấu hai lần góc mà cánh tay trỏ quay qua. Các thang đo của octant, sextant, quintant và góc phần tư được phân chia từ dưới 0 đến 90°, 120°, 140° và 180°, tương ứng. Ví dụ, sextant có thang đo từ −10° đến 142°, tương ứng với góc 76° tại trục cánh tay chỉ số.

Đọc tỷ lệ gấp đôi là cần thiết khi xem xét mối quan hệ giữa tia cố định (giữa các gương), tia đối tượng (từ vật quan sát) và hướng vuông góc bình thường với gương chỉ số. Khi cánh tay trỏ di chuyển một góc, ví dụ 20°, góc giữa tia cố định và bình thường cũng tăng thêm 20°. Tuy nhiên, góc tới bằng góc phản xạ, vì vậy góc giữa tia đối tượng và bình thường cũng phải tăng thêm 20°. Do đó, góc giữa tia cố định và tia đối tượng phải tăng thêm 40°. Đây là trường hợp hiển thị trong đồ họa cùng với.

Hiện nay có hai loại gương chân trời trên thị trường, cả hai đều cho kết quả tốt.

Sextant truyền thống có gương nửa chân trời, chia trường nhìn thành hai phần. Một bên cho phép nhìn đường chân trời, bên kia cho phép nhìn thiên thể. Ưu điểm của loại này là cả hai hình ảnh đều rõ ràng và sáng, đặc biệt vào ban đêm hoặc trong sương mù khi đường chân trời có thể khó quan sát. Tuy nhiên, cần quét vật thể thiên thể để đảm bảo rằng phần thấp nhất của thiên thể chạm vào đường chân trời.

Sextant toàn chân trời sử dụng gương chân trời nửa bạc để cung cấp cái nhìn toàn cảnh về đường chân trời. Điều này giúp dễ dàng quan sát khi phần dưới của một thiên thể chạm vào đường chân trời. Vì phần lớn các điểm quan sát là mặt trời hoặc mặt trăng và sương mù hiếm khi không gây cản trở, lợi ích của gương nửa chân trời trong điều kiện ánh sáng yếu ít quan trọng trong thực tế.

Trong cả hai loại sextant, gương lớn hơn cung cấp trường nhìn rộng hơn, giúp dễ dàng tìm thiên thể hơn. Sextant hiện đại thường có gương từ 5 cm trở lên, trong khi sextant thế kỷ 19 hiếm khi có gương lớn hơn 2,5 cm. Điều này chủ yếu do sự phát triển của gương phẳng chính xác trở nên rẻ hơn và chuyển sang bạc.

Chân trời nhân tạo rất hữu ích khi đường chân trời không thể nhìn thấy, như trong sương mù, đêm không trăng, khi quan sát qua cửa sổ, hoặc trên vùng đất bị bao quanh bởi cây cối hoặc các tòa nhà. Các sextant chuyên nghiệp có thể thay thế gương chân trời bằng chân trời nhân tạo, thường là một tấm gương nhìn qua ống chứa chất lỏng với bong bóng.

Hầu hết các sextant đều có bộ lọc để sử dụng khi quan sát mặt trời và giảm ảnh hưởng của khói mù. Các bộ lọc thường bao gồm nhiều kính tối dần, có thể sử dụng đơn lẻ hoặc kết hợp để giảm khói mù và độ sáng mặt trời. Một số sextant còn được trang bị bộ lọc phân cực có thể điều chỉnh, với mức độ tối được điều chỉnh bằng cách xoay khung của bộ lọc.

Hầu hết sextant có ống ngắm 1 hoặc 3 lần phóng đại để quan sát. Nhiều người dùng ưa chuộng ống ngắm đơn giản với trường nhìn rộng, sáng hơn và dễ sử dụng vào ban đêm. Một số thủy thủ gắn ống ngắm có khả năng khuếch đại ánh sáng để dễ nhìn thấy đường chân trời vào những đêm không trăng. Những người khác lại thích sử dụng chân trời nhân tạo sáng.

Các sextant chuyên nghiệp sử dụng thước đo nhấp chuột và điều chỉnh sâu đọc đến một phút, tương đương 1/60 độ. Hầu hết còn có vernier trên mặt số cho phép đọc chính xác đến 0,1 phút. Độ chính xác tốt nhất của điều hướng thiên thể có thể đạt khoảng 0,1 hải lý (200 m). Trên biển, sai số trong phạm vi vài hải lý là chấp nhận được, và một hoa tiêu dày dạn kinh nghiệm có thể xác định vị trí với độ chính xác khoảng 0,25 hải lý (460 m).

Sự thay đổi nhiệt độ có thể làm cong vòng cung, gây ra sai số. Nhiều nhà điều hướng sử dụng các trường hợp thời tiết để giữ sextant ngoài cabin, cân bằng với nhiệt độ bên ngoài. Các thiết kế khung tiêu chuẩn nhằm giảm sai số góc do thay đổi nhiệt độ. Tay cầm được tách khỏi vòng cung và khung để ngăn nhiệt độ cơ thể làm cong khung. Sextant dùng trong môi trường nhiệt đới thường được sơn trắng để phản chiếu ánh sáng mặt trời và giữ mát. Sextant chính xác cao có khung và vòng cung bằng invar (thép mở rộng thấp), và một số được làm bằng thạch anh hoặc gốm với mức độ mở rộng rất thấp. Nhiều sextant thương mại sử dụng đồng thau hoặc nhôm mở rộng thấp, với đồng thau có độ giãn nở thấp hơn nhưng nhôm nhẹ hơn và ít mệt mỏi khi sử dụng. Sextant khung đồng thau rắn ít bị rung lắc trong điều kiện thời tiết xấu nhưng nặng hơn. Một số sextant kết hợp khung nhôm và vòng cung đồng đã được sản xuất. Mỗi hoa tiêu thường chọn sextant với các tính năng phù hợp nhất với mình.

Mặc dù sextant máy bay không còn được sản xuất hiện nay, chúng có những tính năng đặc biệt. Hầu hết đều có chân trời nhân tạo để quan sát qua cửa sổ trên cao. Một số có trung bình cơ học để thực hiện nhiều phép đo mỗi lần nhìn nhằm bù lại gia tốc ngẫu nhiên trong chất lỏng chân trời nhân tạo. Các sextant máy bay cũ hơn có hai đường dẫn, một tiêu chuẩn và một cho buồng lái mở, cho phép người sử dụng nhìn trực tiếp qua sextant. Sextant máy bay hiện đại hơn là tiềm vọng với chỉ một chiếu nhỏ trên thân máy bay, nơi hoa tiêu tính toán tầm nhìn trước và ghi nhận sự khác biệt về chiều cao quan sát để xác định vị trí.

Hình ảnh hoặc thước đo góc giữa mặt trời, ngôi sao hoặc hành tinh và đường chân trời được thực hiện bằng 'kính viễn vọng sao' gắn vào sextant qua gương chân trời. Trên biển, ngay cả trong sương mù, một cảnh tượng từ độ cao thấp trên mặt nước có thể cho chân trời rõ ràng hơn. Người điều hướng giữ sextant bằng tay phải, tránh chạm vào vòng cung bằng ngón tay.

Để quan sát mặt trời, một bộ lọc chặn ánh sáng chói được sử dụng, bao phủ cả gương chỉ số và gương chân trời nhằm bảo vệ mắt. Đặt thanh chỉ số về 0, mặt trời có thể được quan sát qua kính viễn vọng. Nhả thanh chỉ số (bằng cách thả vít kẹp hoặc sử dụng nút nhả nhanh trên các dụng cụ hiện đại), hình ảnh mặt trời sẽ được hạ xuống ngang với đường chân trời. Cần lật gương chân trời để nhìn thấy đường chân trời và điều chỉnh vít trên thanh chỉ số cho đến khi phần dưới của mặt trời chạm vào đường chân trời. Đảm bảo sextant được giữ theo chiều dọc khi thực hiện đọc, và ghi thời gian quan sát cũng như chiều cao mắt so với mực nước biển.

Một phương pháp khác là ước lượng độ cao hiện tại của mặt trời từ bảng điều hướng, sau đó đặt thanh chỉ số theo góc đó trên cung, điều chỉnh các sắc thái cho gương chỉ số và hướng dụng cụ vào đường chân trời, quét từ bên này sang bên kia cho đến khi thấy tia sáng mặt trời qua kính viễn vọng. Điều chỉnh sau đó thực hiện như trên. Phương pháp này ít hiệu quả hơn khi quan sát các ngôi sao và hành tinh.

Các điểm quan sát sao và hành tinh thường được thực hiện vào lúc bình minh hoặc hoàng hôn, khi cả hai thiên thể và đường chân trời biển đều có thể nhìn thấy. Không cần sử dụng sắc thái để phân biệt phần dưới vì thiên thể xuất hiện như một điểm trong kính viễn vọng. Mặt trăng có thể sáng nhưng di chuyển nhanh, có kích cỡ thay đổi và đôi khi chỉ phần dưới hoặc trên có thể phân biệt được do giai đoạn của nó.

Sau khi thực hiện quan sát, kết quả cần được giảm xuống bằng cách thực hiện một số phép toán. Phương pháp đơn giản nhất là vẽ vòng tròn có độ cao bằng nhau của thiên thể trên quả địa cầu. Giao điểm của vòng tròn với đường đua chết chóc, hoặc một cảnh tượng khác, cho một vị trí chính xác hơn.

Sextant có thể đo các góc khác rất chính xác, ví dụ như giữa hai thiên thể hoặc giữa các cột mốc trên bờ. Khi sử dụng theo chiều ngang, sextant có thể đo góc giữa hai cột mốc như ngọn hải đăng và tháp nhà thờ, từ đó tính toán khoảng cách ra biển (nếu khoảng cách giữa hai mốc đã biết). Khi sử dụng theo chiều dọc, đo góc giữa đèn lồng của ngọn hải đăng và mực nước biển có thể giúp xác định khoảng cách.

Vì sự nhạy cảm của dụng cụ, các gương có thể dễ dàng bị lệch khỏi vị trí điều chỉnh. Do đó, cần kiểm tra sextant thường xuyên để phát hiện lỗi và thực hiện điều chỉnh cần thiết.

Có bốn loại lỗi mà bộ điều hướng cần điều chỉnh, và chúng cần được xử lý theo thứ tự sau đây.

Lỗi này xảy ra khi gương chỉ số không vuông góc với khung sextant. Để kiểm tra, đặt cánh tay trỏ ở khoảng 60 ° trên vòng cung, giữ sextant ngang với vòng cung cách xa bạn bằng chiều dài cánh tay và nhìn vào gương chỉ số. Nếu gương không chính xác, hình ảnh phản chiếu của vòng cung sẽ không liên tục. Điều chỉnh gương cho đến khi hai hình ảnh của vòng cung trùng khít nhau.

Lỗi bên

Lỗi bên xảy ra khi gương hoặc kính chân trời không vuông góc với mặt phẳng của sextant. Để kiểm tra, không dùng nhánh chỉ số và quan sát một ngôi sao qua sextant. Xoay vít tiếp tuyến qua lại để hình ảnh phản chiếu xen kẽ với hình ảnh trực tiếp. Nếu hình ảnh phản chiếu và trực tiếp không đồng nhất, có lỗi bên. Để kiểm tra ngày, giữ sextant bên cạnh và quan sát đường chân trời; nếu có hai chân trời, điều chỉnh gương cho đến khi các hình ảnh hợp nhất. Lỗi bên thường ít quan trọng và có thể giảm thiểu.

Lỗi đối chiếu xảy ra khi kính thiên văn hoặc một mắt không song song với mặt phẳng của sextant. Để kiểm tra, quan sát hai sao cách nhau ít nhất 90 °. Đưa hai ngôi sao vào sự trùng hợp ở một bên của trường nhìn, sau đó di chuyển sextant để các ngôi sao chuyển sang phía bên kia. Nếu chúng tách ra, có lỗi đối chiếu. Các sextant hiện đại hiếm khi cần điều chỉnh cho lỗi này vì chúng không sử dụng kính thiên văn có thể điều chỉnh.

Lỗi chỉ số xảy ra khi gương chỉ số và gương chân trời không song song khi nhánh chỉ số được đặt về 0. Để kiểm tra, đặt nhánh chỉ số về 0 và quan sát đường chân trời. Nếu hình ảnh phản chiếu và hình ảnh trực tiếp của đường chân trời khớp với nhau, không có lỗi chỉ số. Nếu chúng không khớp, điều chỉnh gương chỉ số cho đến khi hai chân trời hợp nhất. Điều này cũng có thể được thực hiện vào ban đêm với sao hoặc mặt trăng.