Điều hướng Hàng hải: Địa lý Trái Đất, Biểu đồ, Định hướng và Hệ thống Phao tiêu

Sách giáo khoa điều hướng mặt đất cung cấp kiến thức nền tảng về các phương pháp và kỹ thuật điều hướng trên mặt đất, bao gồm bản đồ, la bàn và GPS.

• Chuyên ngành: Hàng hải
• Đề tài: Dẫn đường trên biển
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2023

Tóm tắt

I. Tổng quan về điều hướng trên biển trong hàng hải

Điều hướng trên biển là kỹ năng cốt lõi của ngành hàng hải. Hoạt động này bao gồm việc xác định vị trí, hướng đi và lộ trình tàu trên đại dương. Địa cầu có dạng hình ellipsoid. Các tọa độ địa lý gồm vĩ độ và kinh độ tạo thành hệ thống tham chiếu cơ bản. Hàng hải sử dụng đơn vị đo riêng. Hải lý là đơn vị tiêu chuẩn. Một hải lý bằng một phút cung kinh tuyến. Các phép chiếu bản đồ phục vụ việc vẽ hải đồ. Phép chiếu Mercator là phổ biến nhất. Phép chiếu này thể hiện đường loxodrom dưới dạng đường thẳng. Điều này giúp tàu đi theo hướng không đổi. Hệ thống tọa độ WGS-84 là chuẩn quốc tế hiện đại. Các hoa tiêu cần hiểu rõ mối quan hệ giữa các hệ tọa độ khác nhau. Sai lệch giữa các mốc tọa độ có thể gây nguy hiểm. Hiểu biết nền tảng về hình dạng Trái Đất là bước đầu tiên quan trọng.

1.1. Hình dạng và kích thước Trái Đất trong điều hướng

Bề mặt địa hình là bề mặt thực tế của Trái Đất. Các phép đo trắc địa được thực hiện trên bề mặt này. Trái Đất được mô tả như một ellipsoid quay. Hình dạng này gần đúng với hình cầu nhưng bị dẹt ở hai cực. Bán kính cong tại một điểm trên ellipsoid có nhiều loại. Bán kính cong của đường kinh tuyến và đường vĩ tuyến khác nhau. Hệ trắc địa thế giới WGS-84 cung cấp tham số chính xác nhất. Các tham số này bao gồm bán kính trục lớn và độ dẹt. Hiểu biết về hình dạng Trái Đất giúp tính toán khoảng cách chính xác. Đây là nền tảng cho mọi phép đo trong hàng hải hiện đại.

1.2. Tọa độ và đơn vị đo trong hàng hải

Hệ tọa độ địa lý sử dụng vĩ độ và kinh độ. Vĩ độ đo khoảng cách từ điểm Xích Đạo. Kinh độ đo khoảng cách từ kinh tuyến gốc Greenwich. Các điểm, đường và mặt phẳng chính trên Trái Đất có vai trò quan trọng. Xích Đạo, hai cực và kinh tuyến gốc là tham chiếu cơ bản. Hải lý là đơn vị đo khoảng cách tiêu chuẩn trên biển. Một hải lý bằng 1.852 mét. Đơn vị này dựa trên độ dài phút cung kinh tuyến. Tốc độ tàu đo bằng hải lý trên giờ. Hiểu biết về tọa độ và đơn vị đo giúp hoa tiêu định vị chính xác. Mối quan hệ giữa các tọa độ cần được tính toán cẩn thận.

II. Các thách thức và vấn đề trong điều hướng trên biển

Điều hướng trên biển đối mặt nhiều thách thức phức tạp. Xác định hướng và phương vị là vấn đề then chốt. Mặt phẳng chân trời thực tạo cơ sở cho các phép đo góc. Bốn hướng chính gồm Bắc, Nam, Đông, Tây được xác định bằng la bàn. Từ trường Trái Đất ảnh hưởng trực tiếp đến la bàn. Từ biến thiên và từ sai lệch gây sai số đáng kể. Từ biến thiên thay đổi theo vị trí và thời gian. Từ sai lệch phụ thuộc vào cấu trúc tàu. Hải đồ là công cụ không thể thiếu. Hải đồ Mercator phổ biến nhất cho hàng hải đại dương. Hải đồ gnomonic thể hiện đường đại vòng cung là đường thẳng. Việc sử dụng và bảo quản hải đồ đúng cách rất quan trọng. Các hiệu chính hải đồ phải được cập nhật thường xuyên. Hệ thống phao tiêu IALA chuẩn hóa việc đánh dấu hàng hải. Hiểu biết về ký hiệu và quy ước là yêu cầu bắt buộc.

2.1. Vấn đề xác định hướng và phương vị trên biển

Xác định hướng và phương vị là thách thức hàng đầu. Phương vị là góc giữa hướng Bắc và phương thẳng đứng mục tiêu. Phân loại phương vị gồm phương vị chân và phương vị từ. Mặt phẳng chân trời thực làm gốc cho phép đo. Hướng Bắc thực và hướng Bắc từ thường không trùng nhau. Mối quan hệ giữa hướng thực và hướng từ rất quan trọng. Công thức chuyển đổi sử dụng góc từ biến thiên. Hành trình, hướng đi và mũi tàu có sự khác biệt. Từ sai lệch thay đổi theo hướng đi của tàu. Việc hiệu chỉnh từ sai lệch cần thực hiện định kỳ. Bảng từ sai lệch giúp hoa tiêu điều chỉnh chính xác.

2.2. Thách thức từ hệ thống tọa độ và mốc dữ liệu

Sai lệch giữa các mốc dữ liệu gây rủi ro lớn. Hệ WGS-84 là chuẩn GPS nhưng nhiều hải đồ dùng mốc địa phương. Chênh lệch giữa các mốc có thể lên đến vài hải lý. Ghi chú hải đồ thường ghi rõ mốc dữ liệu sử dụng. Một số hải đồ không có ghi chú mốc dữ liệu. Hoa tiêu cần xác định offset bằng cách so sánh vị trí radar. Hiệu chính hải đồ phải áp dụng đúng cho từng phiên bản. Tạm thời vật thể như giàn khoan thường dùng mốc WGS. Nếu không biết mốc dữ liệu, cần dự phòng sai số. Hiểu rõ mối quan hệ giữa GPS và mốc hải đồ là thiết yếu để tránh tai nạn.

III. Phương pháp và công cụ điều hướng trên biển hiện đại

Công nghệ hiện đại đã cách mạng hóa điều hướng trên biển. Hệ thống hiển thị hải đồ điện tử ECDIS thay thế hải đồ giấy. ECDIS tích hợp GPS, radar và các cảm biến khác. Hệ thống này tuân thủ tiêu chuẩn hiệu suất IMO. Phân loại hải đồ điện tử gồm ENC vector và Raster. Các thành phần phần cứng bao gồm màn hình, bộ xử lý và nguồn điện. Các lớp dữ liệu cho phép hiển thị thông tin theo nhu cầu. Việc hiệu chính hải đồ điện tử cần thực hiện thường xuyên. Độ chính xác hải đồ kỹ thuật số phụ thuộc vào nguồn dữ liệu. Hệ thống phao tiêu IALA giúp tàu thuyền nhận diện an toàn. Phao tiêu bên chỉ hướng đi an toàn. Phao tiêu hồng y chỉ hướng nguy hiểm. Phao tiêu đánh dấu nguy hiểm riêng biệt. Phao tiêu vùng nước an toàn đánh dấu kênh luồng. Tín hiệu âm thanh bổ sung cho tín hiệu thị giác trong sương mù.

3.1. Hệ thống hiển thị hải đồ điện tử ECDIS

ECDIS là hệ thống then chốt trong hàng hải hiện đại. Hệ thống này thay thế hải đồ giấy truyền thống. ECDIS hiển thị thông tin từ cơ sở dữ liệu điện tử. Các thành phần gồm phần cứng và phần mềm chuyên dụng. Tiêu chuẩn hiệu suất IMO đảm bảo chất lượng hiển thị. Hải đồ ENC vector cho phép tương tác và phân tích. Hải đồ Raster là bản scan của hải đồ giấy. Các lớp dữ liệu bao gồm đường bờ, độ sâu và chướng ngại vật. Đơn vị đo và phép tính được thực hiện tự động. Việc cập nhật hải đồ điện tử nhanh hơn giấy nhiều lần. Độ chính xác phụ thuộc vào chất lượng nguồn dữ liệu số.

3.2. Hệ thống phao tiêu hàng hải IALA

Hệ thống phao tiêu IALA được chuẩn hóa quốc tế. Hệ thống gồm hai vùng A và B với quy ước màu khác nhau. Phao tiêu bên đánh dấu hai bên kênh luồng. Phao tiêu hồng y chỉ hướng an toàn tương đối so với nguy hiểm. Bốn hướng hồng y gồm Bắc, Nam, Đông, Tây. Mỗi hướng có màu sắc và nhịp sáng riêng. Phao tiêu đánh dấu nguy hiểm riêng biệt có màu đen và đỏ. Phao tiêu vùng nước an toàn thường có sọc đỏ trắng dọc. Phao tiêu đặc biệt đánh dấu khu vực quy định. Phao tiêu nguy hiểm mới cảnh báo chướng ngại vật chưa vẽ trên hải đồ. Ký hiệu và viết tắt trên hải đồ giúp nhận dạng nhanh chóng.

IV. Ứng dụng thực tiễn và tầm quan trọng của điều hướng hàng hải

Điều hướng hàng hải có ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Các ấn phẩm hàng hải cung cấp thông tin thiết yếu cho hành trình. Danh mục đèn và tín hiệu sương mù liệt kê tất cả đèn biển. Bảng thủy triều dự báo mực nước tại các cảng. Tập lưu đồ thủy triều thể hiện hướng và tốc độ dòng chảy. Thông báo hàng hải cập nhật thay đổi định kỳ. Cẩm nang hàng hải tổng hợp kiến thức cần thiết. Danh sách tín hiệu vô tuyến cung cấp thông tin liên lạc. Khoảng cách nhìn thấy trên biển phụ thuộc vào độ cao vật thể. Mép chân trời bị giới hạn bởi độ cong Trái Đất. Biến dạng hình elip trong phép chiếu gây sai số vị trí. Kiến thức điều hướng giúp tàu đi đúng lộ trình an toàn. Áp dụng đúng các quy tắc tránh va chạm trên biển. Kỹ năng điều hướng quyết định thành công của mỗi chuyến hải trình.

4.1. Các ấn phẩm hàng hải và cập nhật thông tin

Ấn phẩm hàng hải là nguồn thông tin không thể thiếu. Danh mục đèn và tín hiệu sương mù được cập nhật hàng năm. Bảng thủy triều gồm nhiều tập cho từng khu vực. Tập lưu đồ thủy triều giúp dự đoán dòng chảy. Thông báo hàng hải phát hành định kỳ hàng tuần. Thông báo tích lũy tổng hợp các hiệu chính đã ban hành. Cẩm nang hàng hải NP100 cung cấp hướng dẫn toàn diện. Danh sách tín hiệu vô tuyến bao gồm thông tin liên lạc hàng hải. Việc cập nhật ấn phẩm phải được thực hiện thường xuyên. Chậm trễ cập nhật có thể dẫn đến sai sót nghiêm trọng. Hoa tiêu có trách nhiệm đảm bảo thông tin luôn mới nhất.

4.2. Khoảng cách nhìn thấy và tầm nhìn trên biển

Khoảng cách nhìn thấy phụ thuộc vào độ cao vật thể và người quan sát. Độ cong Trái Đất giới hạn tầm nhìn trên biển. Công thức tính khoảng cách sử dụng độ cao và hệ số khúc xạ. Vật thể cao hơn có thể nhìn thấy từ xa hơn. Mép chân trời hữu hạn do hình dạng Trái Đất. Điều kiện thời tiết ảnh hưởng lớn đến tầm nhìn thực tế. Sương mù, mưa và bụi giảm tầm nhìn đáng kể. Đèn biển có tầm sáng được thiết kế theo khoảng cách cần cảnh báo. Biến dạng hình elip trong phép chiếu bản đồ cần được hiểu rõ. Hiểu biết về tầm nhìn giúp hoa tiêu đánh giá tình huống an toàn. Khoảng cách nhìn thấy tối thiểu phải đảm bảo khả năng phản ứng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

The shape and dimensions of the Earth .1 The Shape of the Earth. Coordinates of the earth .1 Major point, line and plane on the earth .2 Coordinates on the earth .3 Relationship between coordinates. Principal radii of curvature at a point on an ellipsoid .1 Radius of curvature of the parallel .2 Meridian radius of curvature .2 Development of the World Geodetic System. Popular nautical measuring units .1 Length along the graticule of the ellipsoid .2 The nautical mile .3 Some popular nautical measuring units.

Difference of latitude and longitude. Visibility at sea .1 Concept of visibility .3 Distance between objects above horizon .3 Distortion of Ellipse in projections. Classification of map projections .3 Types of Projections. States the requirements of a chart appropriate for marine navigation .1 Charts drawn on the Mercator projection.2 Charts drawn on the gnomonic projection.

Mercator Projection/Chart .1 Principle of the Mercator projection .2 Small element geometry .6 Measuring distance on nautical chart. Transverse Mercator Projection. DETERMINING THE DIRECTIONS AND BEARINGS AT SEA72 3. The principle of determining the directions and bearing at sea .1 The plane of true horizon .2 Identify four major directions.

Determining the bearing of a target at sea .3 Classification of Bearings. Earth's magnetic field and magnetic compass deviation.1 Earth's magnetic field .2 Earth’s magnetic variation. Determining Course at sea.1 Course, track, route and heading .2 Relationship between true and magnetic direction .3 Relationship between course and heading. CHARTS - CHART WORK .2 Informations on the chart.5 Using, stowing and Maintaining Charts .6 Charts and Nautical Publication Corrections .7 How to apply the updates to your charts.

Electronic Chart Display Information System-ECDIS.1 The Importance of Electronic Charts .2 Classification of ECDIS chart .3 Components of ECS’s and ECDIS’s .4 ECDIS Performance Standards.6 Units, Data Layers and Calculations .8 Correcting electronic charts.9 Digital Chart Accuracy. IALA MARITIME BUOYAGE SYSTEM. Outline of IALA maritime buoyage system. Types of marks .2 Characteristics of Marks .3 Colors of Marks .4 Shapes of Marks .6 Colors of Lights .7 Phase Characteristics of Lights.

Details of Marks .1 IALA Lateral Marks.2 IALA Cardinal Marks .3 IALA Isolated Danger Marks .4 IALA Safe Water Marks .5 IALA Special Marks .6 IALA New Dangers. Chart Symbols and Abbreviations of Marks .1 Types of Sound Signals .2 Limitations of Sound Signals. Details of Nautical Publications .1 List of Lights and Fog Signals (ALL) .3 Admiralty Tidal Stream Atlas .4 Annual summary Notice to Mariners .5 Notices to Mariners (NMs).6 Cumulative Notices to Mariners.7 Admiralty tide Tables (NP 201-208) .8 The Mariners Handbook (NP100).9 The Admiralty List of Radio Signals. The shape and dimensions of the ship 1.1 The Shape of the Earth The topographic surface is the actual surface of the Earth, upon which geodetic measurements are made.

These measurements are then reduced to the geoid. Marine navigation measurements are made on the ocean surface which approximates the geoid. The geoid is a surface along which gravity is always equal and to which the direction of gravity is always perpendicular. The latter point is particularly significant because optical instruments containing leveling devices are commonly used to make geodetic measurements.

When properly adjusted, the vertical axis of the instrument coincides exactly with the direction of gravity and is by definition perpendicular to the geoid. The geoid is that surface to which the oceans would conform over the entire Earth if free to adjust to the combined effect of the Earth’s mass attraction and the centrifugal force of the Earth’s rotation. Uneven distribution of the Earth’s mass makes the geoidal surface irregular. The geoid refers to the actual size and shape of the Earth, but such an irregular surface has serious limitations as a mathematical Earth model because: •It has no complete mathematical expression; •Small variations in surface shape over time introduce small errors in measurement.

•The irregularity of the surface would necessitate a prohibitive amount of computations. The surface of the geoid, with some exceptions, tends to rise under mountains and to dip above ocean basins. 1 For geodetic, mapping, and charting purposes, it is necessary to use a regular or geometric shape which closely approximates the shape of the geoid either on a local or global scale and which has a specific Figure 1. Geoid, ellipsoid, and topographic surface of the Earth, and deflection of the vertical due to differences in mass.

This shape is called the ellipsoid. The separations of the geoid and ellipsoid are called geoidal heights, geoidal undulations, or geoidal separations. Natural irregularities in density and depths of the material making up the upper crust of the Earth also result in slight alterations of the direction of gravity. These alterations are reflected in the irregular shape of the geoid, the surface that is perpendicular to a plumb line.

Since the Earth is in fact flattened slightly at the poles and bulges somewhat at the equator, the geometric figure used in geodesy to most nearly approximate the shape of the Earth is the oblate spheroid or ellipsoid of revolution. This is the three dimensional shape obtained by rotating an ellipse about its minor axis. 2 Where a mass deficiency exists, the Geoid will dip below the mean ellipsoid. Conversely, where a mass surplus exists, the Geoid will rise above the mean ellipsoid.

These influences cause the Geoid to deviate from a mean ellipsoidal shape by up to +/- 100 meters. The biggest presently known undulations are the minimum in the Indian Ocean with N = -100 meters and the maximum in the northern part of the Atlantic Ocean with N = +70 meters (figure 1. Deviations (undulations) between the Geoid and the WGS84 ellipsoid. Defining the Ellipsoid We have defined a physical surface, the Geoid, as a reference surface for heights.

We also need a reference surface for the description of the horizontal coordinates (i. geographic coordinates) of points of interest. Since we will later project these horizontal coordinates onto a mapping plane, the reference surface for horizontal coordinates requires a mathematical definition and description. The most convenient geometric reference is the oblate ellipsoid (figure 1.

It provides a relatively simple figure which fits the Geoid to a first order approximation, though for small scale mapping purposes a sphere may be used. An ellipsoid is formed when an ellipse is rotated about its minor axis. This ellipse which defines an ellipsoid or 3 spheroid is called a meridian ellipse (notice that ellipsoid and spheroid are used here as equivalent and interchangeable words). The shape of an ellipsoid may be defined in a number of ways, but in geodetic practice the definition is usually by its semi-major axis a and flattening.

Flattening f is dependent on both the semi-major axis a and the semi-minor axis b. An oblate ellipse, used to represent the Earth surface, defined by its the semi-major The ellipsoid may also axis a and semi-minor axis b. be defined by its semi-major axis a and eccentricity e, which is given by: 𝑏2 𝑎2 − 𝑏 2 𝑒 2 = (1 − ) = = 2𝑓 − 𝑓 2 𝑎2 𝑎2 b. Local and global ellipsoids Many different ellipsoids have been defined in the world.

Local ellipsoids have been established to fit the Geoid (mean sea level) well over an area of local interest, which in the past was never larger than a continent. This meant that the differences between the Geoid and the reference ellipsoid could effectively be ignored, allowing accurate maps to be drawn in the vicinity of the datum (figure 1. With increasing demands for global surveying, work is underway to develop global reference ellipsoids. In contrast to local ellipsoids, which apply only to a specific country or localized area of the Earth’s surface, global ellipsoids approximate the Geoid as a mean Earth ellipsoid.

The International Union for Geodesy and Geophysics (IUGG) plays a central role in establishing these reference figures. 4 Various countries recognize the different values of the ellipsoid. Therefore, figures calculated in the charts projection of various countries will have differences, as a result, network of latitudes and Figure 1. The Geoid, a globally best fitting longitudes is different at a ellipsoid for it, and a regionally best fitting certain value.

ellipsoid for it, for a chosen region. In 1800, according to Dalambe: a = 6375653 m, b = 6356564 m, f = 1/334. According to Haiford (US): a = 6378388 m, b = 6356912 m, f = 1/297. In 1940, according to Krasopski (Russian Federation): a = 6378245 m, b = 6356863 m, f = 0.

European benchmarks starting from Posdam (Republic of Germany) based on Hayford Ellipse in 1910, which is recognized as the international ellipsoid 1924: a = 6378388 m; f = 1/297 b = 6356912 m; e = 0.08199189 Geodetic System WGS 84: a = 6378137 m; f = 1 / 298. Coordinates of the earth 1.1 Major point, line and plane on the earth The Earth is an irregular oblate spheroid (a sphere flattened at the poles). Measurements of its dimensions and the amount of its flattening are subjects of geodesy. However, for most navigational purposes, assuming a spherical Earth introduces insignificant error.

The Earth’s axis of rotation is the line connecting the north and south geographic poles. Major lines and plane on the earth The term meridian is usually applied to the upper branch of the half- circle from pole to pole which passes through a given point. The opposite half is called the lower branch. All meridians are halves of great ellipses (often improperly called great circles), which converge at the north and south poles.

A line passing near the Royal Observatory, Greenwich (near London in the UK) has been chosen as the international zero-longitude reference line, the Prime Meridian. Places to the east are in the eastern hemisphere, and places to the west are in the western hemisphere. A parallel or parallel of latitude is a circle on the surface of the Earth parallel to the plane of the equator. It connects all points of equal latitude.

The equator is a great circle at latitude 0o. The poles are single points at latitude 90o. The equator divides the globe into Northern and Southern Hemispheres. All other parallels are small circles.

They are known as parallels of latitude.2 Coordinates on the earth 6 a. Geographic coordinates ( (); )  The 2D geographic coordinates (; ): The most widely used global coordinate system consists of lines of geographic latitude and longitude. They form circles on the surface of the ellipsoid. Lines of equal longitude are called meridians and they form ellipses (meridian ellipses) on the ellipsoid.

Both lines form the graticule when projected onto a map plane. Note that the concept of geographic coordinates can also be applied to a sphere as the reference surface. The latitude of a point P (Figure 1.8) is the angle between the ellipsoidal normal through P' and the equatorial plane. Latitude is zero on the equator ( = 0°), and increases towards the two poles to maximum values of  = +90 (90°N) at the North Pole and  = - 90° (90°S) at the South Pole.

The longitude is the angle between the meridian ellipse which passes through Greenwich and the meridian ellipse containing the point in question. It is measured in the equatorial plane from the meridian of Greenwich = 0°) either eastwards through  = + 180° (180°E) or westwards through  = -180° Figure 1. The latitude and longitude angles (180°W). represent the 2D geographic coordinate system.

Latitude and longitude represent the geographic coordinates ,  of a point P' with respect to the selected reference surface. They are also called geodetic coordinates or ellipsoidal coordinates when an ellipsoid is used to 7 approximate the shape of the Earth. Geographic coordinates are always given in angular units. An example, the coordinates for the City hall in Enschede are:  = 52° 13' 26.