133 号大圏航海算法について 11 し,(11, L1> は出発地点の緯度, 経度であり,(t,, L, は到着地点の緯度, 経度である 大圏距離 ( ρ ) の公式 ρ COS 1 匚 sin (1,) sin (12) + cos (11) cos (1,) cos (L, L,)] (3)

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1 Japan Institute エnstrtute of NaVlgatlon Navigation 10 NAVIGATION ( 研究 調査 ) 平成 9 年 9 月 大圏航海算法について 河合雅司 On the Great CircleSailing Masashi KAWAI * 1. 緒言 西暦 1500 年頃の大航海時代に, コロンブスやマ ゼランが航海することによっ て地球が球であるこ とを実証し, インドや東アジアへの航海がヨーロッ パに莫大な富をもたらすことが分かると, ーヨロッパ諸国は国家の覇権をかけ て天体を観測して位 置を求める技術 の開発に取り組んだ この様な 歴史を経て 18 世紀頃に, 学問体系として航海学が 確立することになる この様にして誕生した航海 学は, ある地点の天体高度を球面三角法を用いて その地点の位置に変換するための技術をまとめた ものであった この様に球面三角法は初期の航海 学の基礎となっ ており, 初期の時代においては大 いに研究されたと思うが, 現在では既に学問的に 完成されている この球面三角法の応用の一つに 大圏航海算法がある これは地球を球で近似し, この球面上を最短経路 ( 大圏 ) に沿って航行する 場合の航海算法で, その計算方法はいくつ か存在 しており教科書等で紹介されている ここでは, これらを整理しながら大圏航海算法の計算式につ いて紹介し, 更に地球を回転楕円体で近似し, こ の楕円体面上を測地線に沿っ て航行する場合の航 海算法についても紹介する 尚, 航海算法で解く べき問題は次の二つである (1) 航海算法の第 1 課題 : 出発地点の位置 ( 緯度, 経度 ) と針路, 航程 ( 航走距離 ) から到着地点 * 正会員 富山商船高等専門学校 商船学科 ( 富山県新湊市 海老江練合 1 2 > 繍 の位置 ( 緯度, 経度 ) を求める (2) 航海算法の第 2 課題 : 出発地点の位置 ( 緯度, 経度 ) と到着地点の位置 路と航程 ( 航走距離 ) を求める 2. 大圏航海算法 球面上を大圏に沿っ ( 緯度, 経度 ) から針 て最短経路で航行すること を大圏航行と言う 大圏航行における航程 ( 大圏 距離, 出発針路, 到着針路, 到着地点の位置等を 計算するための航海算法を大圏航海算法と言う 尚, 航海算法においては, がある 次の点に注意する必要 [ 注意 1] 緯度 1 経度には, 北緯又は東経の場合 は正 ( 十 ), 南緯又は西経の場合は負 ( 一 ) の 符号をつける 2.1 大圏航海算法における第 1 課題の公式 大圏航海算法第 1 課題の公式を次に示す ただ し,(Z,L,) は出発地点の緯度, 経度であり,p は大圏距離 [ 海里 ],Z は出発針路 [DEG ] であ る 12 sin 1 [sin (1,) cos (ρ 1 ) + c s (t ) sin ( 1 ) c s (Z )] (1) L, L1 十 L p ρ /60 t (2) L 噸 n lsin( ρ ) sin (Z1) cos (1,) [cos 匚 cos /[c s ( 1 1 ) sin (1,) sin (1 )]} ( 1 ρ ) sin (1 ) sin (Z,)] 0 の時 L L (R1 ) sin (11) sin (12)]< 0 の時 L 180 十 L (1,,L2) : 到着地点の緯度, 経度 2.2 大圏航海算法における第 2 課題の公式 大圏航海算法第 2 課題の公式を次に示す ただ NII-Electronic N 工工一 Eleotronlo Llbrary Library

2 133 号大圏航海算法について 11 し,(11, L1> は出発地点の緯度, 経度であり,(t,, L, は到着地点の緯度, 経度である 大圏距離 ( ρ ) の公式 ρ COS 1 匚 sin (1,) sin (12) + cos (11) cos (1,) cos (L, L,)] (3) 出発針路, 到着針路の公式 出発針路 (Z ), 到着針路 (Z,) の計算式は数種類あり, 教科書等で紹介されているが, ここでは 4 種類の公式について紹介する [1] この公式は神戸商船大学の樽美氏により教授 されたものであるが, 教科書等では見かけない様 である Ze tan i Isin(h) /[cos (11) tan(t2) sin (1 ユ )cos (h)]} (4 ) h L L, (0 h < 360 とする h 0 の時乃 h 十 360 ) Z の前後に付ける符号 a )h < 180 ならW かつ Zc>0 ならN,Zc 0ならS b)h > 180 なら E かつ Zc >0ならS,Z, < 0なら N ( ただし,Z,, Zzとも角度が負の時は360 を加え, 360 を超える時は360 を減じる ) [3] この公式は, 電卓で解く航法計算 ( 鈴木邦 裕著, 海文堂 ), 地文航法 ( 長谷川健二著, 海文 堂 ) 等 ρ C2 )(3 ) Z c 一 s [ で紹介されている COS (1,) sin (P ) z c s [ 響 : 大圏距離,Z, : 出発針路,Zz : 到着針路 針路の決定 (1) 出発針路 sin (Lz L,) 0 の時 ( 東航の場合 ) Zi Zr sin (Lz L1)<0 の時 ( 西航の場合 ) Z 360 Z1 (2) 到着針路 sin (Lz 一ム ) 0 の時 ( 東航の場合 ) Z, 180 Z2 sin (Lz L1)<0 の時 ( 西航の場合 ) Z Z ( 海文堂 ) c ) [4] この公式は, 航海便覧 介されているが, 等で紹 符号の付け方が複雑であり航海 算法の公式としてはあまり利用されていないのが 現状である Zc の前後に N,S,E,W の符号を付けたものが 出発針路 Z,, ρ は大圏距離であり単位は DEG であ る 単位を浬にするためには 60 を乗じる必要があ る 到着針路につ へ いては, 到着地点から出発地点 向かう場合の出発針路を前記の公式で求め, 得 られた針路に 180 を加える ( 反方位を求める ) こ とにより求めることが出来る [2] この公式 は地文航法 ( 松本吉春著, 成山堂書店 ) ( 1 で紹介されているが,(a 十 b) >180 の場 合の計算法が不明確でありかつ針路の符号の付け 方が複雑である ここでは, それらを整理して簡 単にした計算式を示す 一 { ( cos [( a b ) /21 c /2>cos [(a 十 1 )/, } Y ta i sin [( { a b ) /2 跏 ( c /2 ) sil [( a +b )/ } (a 十 b)/2> 90 の時 Y Y 十 180 とする Z1 X 十, Z2 180 一 (X Y) 一 ( 5) a 90 一あ,b 90 11, c L2 LL Z1 : 出発針路,z, : 到着針路 Z silズ 1 [cos (1,) sin (h)/sin ( ρ )] h L, 一 L2 ( 7) (0 h< 360e とする も Lh <0 の時 h h 十 360b) PEw cos 1 [sin (lz)/sin (11) 次の規則に従っ により出発針路を求める 膨 H が て Zc の前後に符号を付けること 鷺鰍誘へ 1> 2 > 続, 鷲二 1 瓢脇 ( < 2> へ続く ) 紹諄 :1 離氈,9:121 : ならば Z は 翌

3 12 NAVIGATION 平成 9 年 9 月 Z, の前後に N,S,E,W の符号を付けたものが出 発針路 Z,, ρ は大圏距離であり単位は DEG であ る 単位を浬にするためには 60を乗じる必要がある 到着針路については, 到着地点から出発地点へ向かう場合の出発針路を前記の公式で求め 得られた針路に 180 を加える ( 反方位を求める ) ことにより求めることが出来る 一 105/32768 KiO Cz Cl /A, D1 K6/1536 5/6144 Ks 十 105/ Kl Dz D, 〆 A, E, 5/65536 Ks 35/ K ユ Ez El /Al F1 7/ KiO 3. 測地線航海算法 次に地球を回転楕円体で近似した場合の測地線 航海算法につ いて紹介する 球面や回転楕円体面 等の曲面上における任意の 2 地点間の最短経路を 測地線 (Geodesic) と言う 測地線航海算法とは この測地線に沿っ て航行する場合の航海算法であ る この算法に関する計算式もいくつか存在して おり, 教科書等で紹介されているが, それらの中 には一部計算式の説明が不明確になっていた り cs }, 2 地点間の経度差が 90 を超える場合には 適用出来ない 等の問題点があるものもある 6 冫 ここでは, 少し手を加えてこれらの問題点を解決 した計算式 ( ヨルダンの式 ) について紹介する ( ヨル ダンの式は事実上誤差 0 である ) 3.1 航海算法の第 1 課題 出発地点の緯度, 経度 (ti,λ 1), 測地線長 ρ, 出発針路 (lnitial Course :Zi) より到着地点の緯 度, 経度 (1,,A2) をヨルダン (JORDAN ) の式 により求める (1) 次式により測地緯度を化成緯度に変換する φ i tan 1 [b/a tan(1 )] (i 1,2 ) φ : 化成緯度,1, : 測地緯度, a : 地球赤道半径, b ; 地球極半径 (2) 次式により m,m,k 等を計算する m sin 1 [cos (φ ) sin (Z,)] M tan 1 [tan(φ )/cos (Z1)] K2 ei2 cos2 (m ), e12 (a2 b2)/b2 e2 (a2 bz)/a2 e : 第 1 離心率, el : 第 2 離心率 Al 1 十 K2/4 3/64 K4 十 5/256 K6 175 / Ks 十 441 / KID Az 1 / Al BL K2/4 K4f16 十 15/512 K6 35/2048 Ks 十 735/65536 Klo B2 B1 /A, Ci K4/128 3/512 K6 十 35/8192 KH F2 F1 /A, (3) 赤道半径を半径とする補助球上での出発地点 と到着地点の大圏距離 σ の近似値 σ 1 を求める σ 1 Az ρ /b ρ : 測地線長,b : 地球極半径 (4) 補助球上での大圏距離 σ を計算する σ A2 ρ /b 十 Bz sin (σ T > cos (2 M 十 σ T ) 十 C2 sin (2 at ) cos (4 M 十 2 σ 1 ) 十 Dz sin (3 σ 1 ) cos (6 M 十 3 σ 1 ) 十 E2 sin (4 σ P ) cos (8 M 十 4 σ 1 ) 十 F2 sin (5 σ ) os (10 M 十 5 σ 1 ) (8> σ 1 a と置いて, σ σ となるまで (8) 式を 繰り返し計算する (5) 到着地の緯度, 経度 (lz,λ z) を求める A, ez /2 (1 十 e2 /4 十 e4 /8 十 5/64 eg ) e4 cosz (m )/16 (1 十 ez 十 15/16 e4 ) 十 3/128 e6 cos4 (m ) (1 十 15/8 e2 ) 25/2048 e8 cos6 (m ) B3 e4/16 cos2 (m ) (1 十 e2 十 15/16 e4 ) e4 /32 cos4 (m ) (1 十 15/8 e2 ) 十 75/4096 es cos6 (m ) C, e6 /256 cos (m ) (1 十 15/8 e2 ) 15/4096 es cos6 (m ) D3 5/12288 e8 cos6 (m ) φ z Sin 1 [sin ( ys 1) cos ( ) σ + C S (φ 1) sin ( ) C S (Z1)] 12 ; tan 1 [a/b tan(φ 2 ) ] 一一 ( 9) 剛 1 農鴇鬻壽藩鶉 cos ( σ ) sin (φ 1) sin (φ 2) 0 の時 L cos ( σ ) shn (φ 1)tsin (φ ) o の時 L L L 十 180 A L sin (m ) [A : 1 σ 十 B3 sin () σ cos (2M 十 σ ) 十 C3 sin (2 σ ) cos (4M 十 2 σ )

4 133 号大圏航海算法について 13 十 D, sin ( 3 σ ) cos (6M 十 3 σ )] A, A, 十 λ ( 10) 以上の計算により到着地点の緯度, 経度 (1,,λ2 ) を求めることが出来る 3.2 航海算法の第 2 課題 出発地点 (1,,λ 1) から到着地点 (1, λ,) までの測地線長 ρ と出発針路 z, 到着針路 z, をヨルダ ン (JORDAN ) の式により求める (1) 次式により測地緯度を化成緯度に変換する φ tan i [b/a tan(li)] (i 1,2 ) φ 1 : 化成緯度, 1, : 測地緯度, a : 地球赤道半径,b : 地球極半径 (2) 補助球上における出発地点と到着地点の経度 差 L を求める λ λ2 一 λ 且 L の近似値を L とし, L1 A と置いて σ の近似値 at を次式により計算する σ 1 C S 1 匚 sin (li 1 ) sin (φ ) + c s (φ ) c s (φ ) c s ( L )] (11) sin (Zl ) Sin ( Li) cos (φ 2 )/sin ( σ F ) sin ( ) sin ( 1 ) COS ( σ ) COS (Z1 ) C S(φ 1 ) sin ( の ml Sin 1 [c s (φ ) 1 sin (Z )] MT tan 1 [tan( φ 1)/cos ( Zl t )] A3 e2 /2 (1 十 e2 /4 十 e4/8 十 5 / 64 e6 ) e4 cos2 (mt )/16 (1 十 ez 十 15/16 e4 ) 十 3/128 e6 cos4 (m り (1 十 15/8 e2 > 25 / 2048 eb cos6 (mt ) B3 e4/16 cos2 (m り (1 十 e2 十 15/16 e4) e6 /32 cos4 (m り (1 一ト 15/8 ez ) 十 75/4096 e8 cos6 (m ウ C, e6/256 os4 (m1 ) (1 十 15/8 e2 ) 15/4096 es os6 (ml ) D3 5/12288 es cos6 (m1 ) L A 十 sin (ml ) [A ゴ σ 1 十 B3 sh エ (σ F ) cos (2 Ml 十 σ 1 ) 十 C3 sin (2 σ 1 ) cos (4Ml 十 2 σ 1 ) 十 D3 sin (3 σ 1 ) cos (6Mt 十 3 σ 1 >1 (12 ) Ll L と置いて (11) 式から (12) 式までを再度計算する そして, L L, となった時点で計算を終了する 以上により σ,m,m, L 及び出発方位角 z1 が確定する 測地線長 ρ は次式 により求める ρ b [A1 一 σ Bl sin (σ ) cos (2M 十 σ ) C1 sin (2 σ ) cos (4M 十 2 σ ) Dl sin (3 σ ) cos (6M 十 3 σ ) E, sin(4 σ ) eos (8M 十 4 σ ) FL sin (5 σ ) cos (10M 十 5 σ )] (13) ここで, K2 et2. cosz (m ),e 2 (a2 b2)/bz e : 第 2 離心率,a : 地球赤道半径, b : 地球極半径 A [ 1 十 K2 / 4 3/64 K4 十 5 / 256 K6 175/16384 Ks 十 441/65536 Kio Bi : K2 /4 K4/16 十 15/512 K6 35/2048 K8 一ト 735/65536 KID C, K4/128 3/512 Ke 十 35/8192 Ks 105/32768 且 o K D, K6/1536 5/6144 K8 十 105 / K1 El 5/65536 K8 35/ Klo F1 7/ KL 出発針路 (Z,), 到着針路 (Z2) の計算 Z c { sin ( ) sin ( 1) COS ( σ ) cos (φ ) sin (σ ) } (14) sin ( Zi ) sin ( L ) cos ( φ 2)/ sin ) (σ sin (Z1) 0 の時 Z1 360 ZL Z c s c s ( ω 1{ 鍔! 編咢 } 15 sin (Z 1 ) sin (Zl)/C S ( φ ) sin (Z2) 0 の時 Z, 360 D Z2 ) c s ( li (13 > 一 (15) 式により到着地点までの測地線長, 出発針路, 到着針路を求めることが出来る 4. 結言, ここでは, 球面上及び回転楕円体面上を最短経 路 ( 測地線 ) に沿って航行する場合の航海算法に ついて教科書等で紹介されている計算法を中心に, 複雑な計算手順になっているものはそれを単純化 し, 数式等が抜けているものについてはそれを補 いながら整理し報告書にまとめてみた この報告

5 14 NAVIGATION 平成 9 年 9 月 書が商船教育に関係しておられる方々の参考にな れば光栄である 最後に, ここでは紹介しなかったが回転楕円体上の測地線長を計算する場合は一 般に Lambert Andoyer 法と呼ばれる近似式が利用される そこで, ヨルダン法,Lambert Andoyer 法及び大圏航海算法における計算結果の一例を次 ら B 点 ( iTN, , , E ) へ航行する場合の測地線長, 出発針路, 到着針路 を求めよ ( 地球赤道半径 A ,155m, 地球偏平率 F 1/ ) に示す [ 例 ]A 点 (43 35, TIN, , E > か 表 1 大圏航海算法における計算例 計算法測地線長出発針路到着針路 JORDAN 法 ( 回転楕円体 ) km bert Andoyer 法 km ( 回転楕円体 ) 大圏航海算法 ( 球 ) 198,618km106.6 自 参考文献 (1) 松本古春 : 精説地文航法 ( 四訂版 ), 成山堂書店, 昭和 63 (2> 鈴木邦裕 : 電卓で解く航法計算, 海文堂, 昭和 62 (3) 長谷川健二, 平野研一 : 地文航法, 海文堂,1993 (4) 航海便覧編集委員会 : 航海便覧, 海文堂, 昭和 51 (5 ) [] 本測地学会 : 測地公式集, 1994 (6) 原冊健久 : わかりやすい測量厳密計算法, 鹿島出版会,1993 年

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pdf http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~ft13389/lecture/physics1a2b/ pdf I 1 1 1.1 ( ) 1. 30 m µm 2. 20 cm km 3. 10 m 2 cm 2 4. 5 cm 3 km 3 5. 1 6. 1 7. 1 1.2 ( ) 1. 1 m + 10 cm 2. 1 hr + 6400 sec 3. 3.0 10 5 kg

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