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天体航法（天体航法とも呼ばれる）とは、星やその他の天体を利用して位置を特定する手法であり、航海士が推測航法（一般的に推測航法と呼ばれる）だけに頼ることなく、宇宙空間または地球表面における自身の実際の現在位置を正確に判断することを可能にする。天体航法は、衛星航法やその他の現代的な電子測位またはデジタル測位手段を使用せずに実施される。
天体航法では、「視準」、つまり天体（太陽、月、惑星、恒星など）と地平線との間の角度を時間的に計測して利用します。また、天体航法では、地球の地平線を参照せずに天体間の計測を利用することもできます。例えば、月やその他の特定の天体を用いて「月測量」または月距離法と呼ばれる方法で時刻が不明な場合に正確な時刻を決定する場合などがこれに該当します。
地球上にいながら太陽と地平線を観測する天体航法は一般的に用いられており、位置を決定する様々な方法を提供している。その一つが「正午視航法」と呼ばれる一般的でシンプルな方法である。これは、太陽の正確な高度と、その高度に達した時刻（「正午」と呼ばれる）を一度観測するものであり、正午とは、観測者の位置から見て、太陽が地平線上に最も高く昇る時刻のことである。この角度観測と、その時刻（本初子午線上の時刻）を同時に知ることで、簡単な計算によって観測地点の緯度と経度を直接求めることができる。月、惑星、北極星、あるいは航海暦や航空暦に座標が記載されている他の57個の航海星のいずれかを用いても、同様の目的を達成することができる。
天体航法は、天体と地平線の間の角度測定（視準）を利用して、地上、空中、海上を問わず、地球上の位置を特定することでその目的を達成します。さらに、恒星と他の天体の間の観測は、宇宙空間でも同様の成果を上げており、アポロ宇宙計画で使用されたほか、現代の多くの人工衛星でも使用されています。同様に、天体航法は、他の惑星上でも、その惑星の地平線と適切な天体、対応する縮尺表、そして現地時間の知識を用いて、その惑星表面上の位置を特定するために使用できます。
天体航法では、地球上の任意の瞬間において、天体は地球表面上の特定の一点の真上に位置しています。その点の緯度と経度は天体の地理的位置（GP）と呼ばれ、その位置は当該年の航海暦または航空暦の表から求めることができます。天体と地平線との間の角度は、天体の地理的位置と観測者の位置との間の距離に直接関係します。この測定値は、「視準補正」と呼ばれる計算を経て、航海図または作図用紙上に位置線（LOP）を描き、観測者の位置はその線上のどこかに位置することになります。LOPは実際には、観測対象の天体の地理的位置を囲む地球上の非常に大きな円のごく短い部分です。 （地球上のこの円周上のどこにいても、その瞬間に同じ天体の地平線からの角度を測れば、その天体は地平線から同じ角度にあると観測されるだろう。） 2 つの天体を視準すると、チャート上に 2 つの線が引かれ、観測者の位置で交差する（実際には、上記の 2 つの星を視準すると 2 つの交点が生じるが、1 つは推定位置から遠く離れているため破棄できる。下の例の図を参照）。 ほとんどの航海士は、可能であれば 3 ～ 5 つの星を視準する。そうすることで共通の交点が 1 つだけになり、誤差の可能性が最小限に抑えられるからである。 この前提が、最も一般的に使用されている天体航法法である「高度インターセプト法」の基礎となっている。 少なくとも 3 つの点をプロットする必要がある。 プロットの交点は通常、正確な位置が内側にある三角形となる。 視準の精度は、三角形の大きさで示される。
ジョシュア・スローカムは、単独世界一周航海という記録に残る偉業を成し遂げた航海中、正午視と星視の両方の航法を用いて現在位置を特定した。さらに、月齢法（または「月齢」）を用いてグリニッジ（本初子午線）の時刻を決定し維持することで、彼の「ブリキ時計」の精度をある程度保ち、ひいては位置特定精度を高めた。
天体航法では、本初子午線での時刻が正確に分かっている場合にのみ経度を決定できます。本初子午線（経度0°）での時刻が正確に分かっているほど、位置の決定精度も高くなります。実際、時間源（一般的にはクロノメーター、航空機では高精度な「ハックウォッチ」）の誤差が4秒ごとに、位置誤差が1海里にも達する可能性があります。時刻が不明または信頼できない場合は、月距離法を本初子午線での時刻を決定する方法として使用できます。秒針または秒数表示のある機能的な時計、月の補正が記載された暦、および六分儀を使用します。時刻が全く分からない場合でも、月の計算（適切な高度にある観測可能な月が与えられた場合）により、約15分から30分の観測と暦表からの数学的計算で、1秒から2秒以内の精度で時刻を求めることができます。練習を重ねれば、観測者はこの方法を用いて、時間源に起因する誤差による航行誤差を約1秒、または1海里以内の精度で定期的に算出し、証明することができるようになる。
位置決定のためのインターセプト法の概念を示す例が右に示されています。（天体航法を用いて位置を決定する一般的な方法には、クロノメーターによる経度法と子午線法があります。）隣の画像では、地図上の2つの円は、2005年10月29日12:00 GMTにおける太陽と月の位置線を表しています。このとき、海上の船の航海士が六分儀を用いて月が地平線から56°上にあることを測定しました。10分後、太陽は地平線から40°上にあることが観測されました。その後、これらの観測それぞれについて位置線が計算され、プロットされました。太陽と月はどちらも同じ場所からそれぞれの角度で観測されたため、航海士は円が交差する2つの場所のいずれかに位置しているはずです。
この場合、航海士はマデイラ島の西約350海里（650km ）の北大西洋上か、パラグアイの首都アスンシオンの南西約90海里（170km ）の南米にいると考えられます。多くの場合、2つの交点が正しい位置にあるかどうかは、両者が数千マイルも離れているため、観察者にとって明らかです。船が南米を横断している可能性は低いので、北大西洋上の位置が正しいと考えられます。なお、図中の位置線は地図の投影法によって歪んでいます。地球儀上にプロットすれば円形になります。
グランチャコ地点の観測者からは月が太陽の左側に見え、マデイラ地点の観測者からは月が太陽の右側に見えるだろう。
正確な角度測定は長年にわたって進化してきました。簡単な方法の1つは、腕を伸ばして手を地平線の上に保持することです。腕を伸ばした状態での小指の角度の幅は1.5度強で、これを利用して地平線面からの太陽の高度を推定し、日没までの時間を推定することができます。より正確な測定の必要性から、カマル、アストロラーベ、八分儀、六分儀など、ますます精度の高い機器が数多く開発されました。六分儀と八分儀は、地平線からの角度を測定するため、機器の指針の位置による誤差が排除され、また、二重鏡システムによって機器の相対的な動きが相殺され、対象物と地平線が安定して見えるため、最も正確です。
航海士は地球上の距離を度、分角、秒角で測定します。海里は1,852メートルと定義されていますが、（偶然ではなく）地球上の子午線に沿った1分角の角度でもあります。六分儀は0.1分角以内の精度で読み取ることができるため、観測者の位置は（理論的には）0.1海里（185.2メートル、約203ヤード）以内で特定できます。ほとんどの海洋航海士は、良好な条件下で移動するプラットフォームから測定する場合、約1.5海里（2.8km ）の実用的な精度を達成でき、陸地やその他の危険物が見えない状況では安全に航行するのに十分です。[ 1 ]
実用的な天体航法では、通常、時間を計測するための航海用クロノメーター、角度を計測するための六分儀、天体の座標表を記載した暦[ 2 ] 、高度と方位角の計算に役立つ視差補正表、およびその地域の海図[ 3 ]が必要です。視差補正表を使用すれば、必要な計算は加算と減算だけです[ 4 ] 。小型の携帯型コンピュータ、ノートパソコン、さらには科学計算機を使えば、現代の航海士はすべての計算やデータ検索の手順を自動化することで、六分儀の視差を数分で「補正」できます[ 5 ] 。 ほとんどの人は、手動計算方法を使用しても、1～2日の指導と練習の後、より簡単な天体航法の手順を習得できます。
現代の実用的な航海士は通常、天体航法と衛星航法を組み合わせて、推測航法による航跡、つまり船舶の位置、針路、速度から推定される航路を修正します。複数の方法を使用することで、航海士はエラーを検出しやすくなり、手順も簡素化されます。このように使用する場合、航海士は時折、六分儀で太陽の高度を測定し、それを観測の正確な時刻と推定位置に基づいて事前に計算された高度と比較します。海図上では、プロッターの直線エッジで各位置線をマークできます。位置線が推定位置から数マイル以上離れた場所を示している場合は、推測航法による航跡を再開するために、さらに観測を行うことができます。[ 6 ]
機器や電気系統の故障が発生した場合、1日に数回太陽線を測り、推測航法でそれを進めていくことで、船舶は港に戻るのに十分な大まかな航行位置を特定できる。また、月、惑星、北極星、あるいはその他57個の航海用星のいずれかを利用して天体の位置を追跡することもできる。
緯度は、かつては正午の太陽の高度（「正午の視準」）を測定するか、子午線を横切る他の天体の高度（真北または真南で最大高度に達する）を測定するか、あるいは北極星の高度を測定することによって測定されていました（ただし、北極星が地平線上に十分に見える場合。南半球では見えません）。北極星は常に天の北極 から 1 度以内の位置にあります。航海士が北極星の角度を測定し、地平線から 10 度であることがわかった場合、その航海士は赤道から北に約 10度の位置にいることになります。このおおよその緯度は、簡単な表や暦の補正を使用して修正され、理論的には 1 マイルの数分の 1 の精度で正確な緯度が決定されます。角度は地平線から測定されます。これは、真上の点、つまり天頂を通常見つけることができないためです。もやで地平線が見えない場合、航海士は人工水平儀を使用します。これは水平な鏡、または反射液（特に水銀）を入れた皿です。後者の場合、鏡に映った像と空中の物体の実際の像との間の角度は、必要な高度のちょうど2倍になります。
北極星の角度を正確に測定できれば、東または西の地平線付近の星の同様の測定によって経度が得られます。問題は、地球が 1時間に15度回転するため、このような測定は時間に依存することです。前日の同じ測定の数分前または数分後に測定すると、深刻な航行誤差が生じます。優れたクロノメーターが利用可能になる前は、経度の測定は月の通過または木星の衛星の位置に基づいていました。ほとんどの場合、これらは専門の天文学者以外には使用するのが難しすぎました。1761年にジョン・ハリソンによって現代のクロノメーターが発明されたことで、経度の計算は大幅に簡素化されました。
経度問題の解決には何世紀もかかり、振り子時計ではない時計の製作に依存していた（振り子時計は傾いた船上や、あらゆる種類の移動車両上では正確に機能しないため）。18世紀には2つの有用な方法が開発され、現在でも用いられている。1つはクロノメーターを使用しない月距離法、もう1つは高精度な時計またはクロノメーターを使用する方法である。
現在、一般の人でも経度を計算するには、太陽が地球の空で最も高い位置にあるときの正確な現地時間（夏時間に関する参照は除く）を記録することで可能です。正午の計算は、水平な地面に垂直に立てた小さな棒を使えば、より簡単かつ正確に行えます。北半球では、影が真北を指すときの時刻を読みます。次に、その現地時間からグリニッジ標準時（GMT ）、つまりイギリスのロンドンの時刻を引きます。例えば、カナダやアメリカの中央付近で正午（12:00）と読み取られた場合、ロンドンでは午後6時（18:00）頃になります。6時間の差は、24時間の1日の4分の1、つまり360度の円（地球）の90度に相当します。また、時間数（時間の端数は小数を使用）に1時間あたりの度数である15を掛けることでも計算できます。いずれにせよ、北米中央部の大部分が西経90度付近にあることが証明できる。東経は、同様の計算方法で、グリニッジ標準時（GMT）に現地時間を加えることで求めることができる。
精密な時刻計測や衛星ベースの時刻システムが登場する以前、海上で正確な時刻を決定するための古くてもなお有用で実用的な方法として、「月距離」または「月」と呼ばれる方法があり、これは短期間広く使用され、18世紀には船上での日常的な使用のために改良されました。19世紀半ばには、より優れた時計（クロノメーター）が一般の船舶でも入手可能になったため、その使用は減少しました。最近では六分儀愛好家や歴史家によってのみ使用されていますが、現在では、船上で唯一の正確な時刻源となる可能性のあるGNSSシステムへの依存度を減らすために、天体航法コースでより一般的になりつつあります。正確な時計が入手できない場合、または長い航海中に時計の精度が疑わしい場合に使用するために設計されたこの方法では、航海士は月と太陽の間、または月と黄道付近のいくつかの星の間の角度を正確に測定します。他の天体観測と同様に、観測された角度は屈折と視差の影響を補正する必要があります。この補正を行うために、航海士は月までの距離角とほぼ同時刻に、月と太陽（または別の恒星）の高度を測定します。高度については概算値のみが必要です。適切な公表されている表（または対数とグラフ表を用いた手計算）による計算では、 観測された角度を地心月までの距離に変換するのに約10～15分かかります。次に、航海士は補正された角度を、グリニッジ標準時の3時間ごとの該当する暦のページに記載されている角度と比較し、補間表を用いて中間値を導き出します。その結果、観測に使用された時刻源（時刻不明）と実際の本初子午線時刻（グリニッジの「ゼロ子午線」、UTCまたはGMTとしても知られる）との時刻差が得られます。UTC/GMTが分かれば、さらに一連の観測を行い、航海士はそれを基に地球上の正確な位置を緯度と経度として計算することができます。
はるかに一般的な方法は、正確な時計を使用して六分儀の観測時間を直接測定することであった（そして今もそうである）。正確な航法の必要性から、18 世紀にはより正確なクロノメーターが開発された（ジョン・ハリソンを参照）。今日では、クロノメーター、クォーツ時計、原子時計から送信される短波ラジオ時刻信号、または衛星時刻信号受信機に表示される時刻で時間を測定している。[ 7 ]クォーツ腕時計は通常、1 日あたり 0.5 秒以内の精度で時間を刻む。常に着用し、体温の近くに保っていれば、そのドリフト率はラジオで測定でき、このドリフトを補正することで、航海士は 1 か月あたり 1 秒よりも精度の高い時間を維持できる。本初子午線（または別の出発点）での時刻が正確にわかっている場合、天体航法で経度を決定でき、緯度と時刻がより正確にわかっているほど、経度の決定精度も高くなる。地球の角速度は緯度に依存する。極、つまり緯度 90° では、地球の自転速度はゼロになります。緯度 45° では、1 秒は経度で1,077.8フィート(328.51 m )に相当し、10 分の 1 秒は107.8フィート (32.86 m)に相当します[ 8 ]わずかに膨らんだ赤道、つまり緯度 0° では、地球の自転速度、または経度でのそれに相当する速度は、 465.10 m/s (1,525.9フィート/秒)で最大になります[ 9 ]。
伝統的に、航海士は専門の天文学者が測量した地理的標識で、クロノメーターを六分儀で確認していました。これは現在では珍しい技術であり、ほとんどの港湾管理者は自分の港の標識の位置さえわかりません。船には複数のクロノメーターが搭載されていることがよくありました。クロノメーターは船の中央付近の乾燥した部屋でジンバルに取り付けられていました。これらは実際の観測のためのハックウォッチを設定するために使用され、クロノメーターが甲板上で風や海水にさらされることがないようにしていました。クロノメーターの巻き上げと比較は航海士の重要な任務でした。今日でも、これは毎日船の航海日誌に記録され、午前当直（船上での正午）の8時の鐘の前に船長に報告されます。航海士は船の時計とカレンダーも設定します。 2 台のクロノメーターは、二重モジュール冗長性を提供し、一方が動作しなくなった場合にバックアップを可能にしますが、2 台が異なる時刻を表示した場合のエラー訂正はできません。なぜなら、2 台のクロノメーター間で矛盾が生じた場合、どちらが間違っているかを知ることは不可能だからです (得られるエラー検出は、1 台のクロノメーターのみを持ち、毎日正午に推測航法で定期的にチェックするのと同じです)。3 台のクロノメーターは、三重モジュール冗長性を提供し、3 台のうちの 1 台が間違っている場合にエラー訂正を可能にするため、パイロットは読み取り値に近い 2 台の平均値を取ります (平均精度投票)。これに関する古い格言があり、「クロノメーターを 2 台持って海に出てはいけない。1 台か 3 台を持って行きなさい」とあります。[ 10 ]測量作業に従事する船舶は、通常 3 台よりはるかに多くのクロノメーターを搭載していました。たとえば、HMSビーグル号は22 台のクロノメーターを搭載していました。[ 11 ]
天体位置線の概念は、1837年にトーマス・ハバード・サムナーによって発見されました。彼は一度の観測の後、自分の近くの複数の試行緯度で経度を計算してプロットし、位置が一直線上に並んでいることに気づいたのです。この方法を2つの物体に適用することで、航海士は最終的に2つの位置線を交差させて自分の位置を得ることができ、事実上、緯度と経度の両方を決定することができました。19世紀後半には、現代の（マルク・サン・イレール）インターセプト法が開発されました。この方法では、都合の良い試行位置で物体の高さと方位角を計算し、観測された高さと比較します。分角の差が、位置線を物体のサブポイントの方向に向かって、またはそこから遠ざける必要がある海里の「インターセプト」距離になります。（インターセプト法は、上記の「仕組み」のセクションの例で示されている概念を使用しています。）視準を縮小する他の2つの方法は、クロノメーターによる経度測定と子午線外法です。
安価で高精度な衛星航法受信機（ GNSS ）の登場により、天体航法はますます不要になりつつありますが、1960年代までは航空分野で、ごく最近まで海上航法で広く使用されていました。しかし、慎重な船員は位置を特定するために単一の手段に頼ることはないため、多くの国の海事当局は、主に電子航法や衛星航法のバックアップとして、甲板士官に試験で天体航法の知識を示すことを依然として要求しています。大型商船における天体航法の最も一般的な現在の用途の1つは、地上基準が利用できない場合の海上での羅針盤の校正と誤差チェックです。[ 12 ]
1980年当時、フランス海軍の規則では、六分儀と組み合わせて天体航法で船の位置を特定できるように、船上に独立して動作する時計を搭載することが依然として義務付けられていた。[ 13 ]
アメリカ空軍とアメリカ海軍は、1997年まで軍用パイロットへの天体航法に関する訓練を継続した。その理由は以下の通りである。
米国海軍兵学校（USNA）は、1998年春に天体航法（工学以外のコースの中で最も難易度が高いとされる）のコースを正式なカリキュラムから廃止すると発表した。[ 15 ] 2015年10月、潜在的な敵対的ハッキングに対するGNSSシステムの信頼性に関する懸念を挙げ、USNAは2015年から2016年の学年度に天体航法の指導を再開した。[ 16 ] [ 17 ]
別の連邦士官学校である米国商船士官学校では、商船隊に入隊するために米国沿岸警備隊の免許試験に合格する必要があるため、天体航法の指導は中断されなかった。ハーバード大学でも教えられており、最近では天文学 2として教えられている。 [ 18 ]
天体航法は、個人ヨットの操縦者、特に世界中の長距離クルージングヨットの操縦者によって今もなお利用されています。小型クルージングボートの乗組員にとって、天体航法は陸地の視界範囲を超えて航海する際には一般的に必須のスキルと考えられています。衛星航法技術は信頼性が高いものの、外洋航行を行うヨット操縦者は、天体航法を主要な航法ツールとして、あるいはバックアップとして利用しています。
天体航法は、ジェット機時代の初期まで民間航空で使用されていました。初期のボーイング747には、コックピットの屋根に「六分儀ポート」がありました。[ 19 ]慣性航法とドップラー航法システム の出現により、1960年代に段階的に廃止されました。今日の衛星ベースのシステムは、毎秒数回の更新で航空機の位置を3メートル球の精度で特定できます。
地上の天体航法を応用した方法が、アポロ宇宙船の月への往復航路における姿勢制御に用いられた。今日でも、火星探査ローバーなどの宇宙ミッションでは、宇宙船の姿勢を決定するためにスター・トラッカーが使用されている。
1960年代半ばには、航法士が自動で天体観測による位置特定を行える高度な電子システムとコンピュータシステムが開発されていた。これらのシステムは艦船と米空軍機の両方で使用され、非常に高精度で、最大11個の 星を捕捉し（昼間でも）、機体の位置を91メートル（300フィート）未満の精度で特定することができた。SR -71高速偵察機は、自動天体航法と慣性航法を組み合わせたシステムを採用した航空機の一例である。しかし、これらのシステムは希少で高価であり、現在も使用されているものは、より信頼性の高い衛星測位システムのバックアップとして位置づけられている。
大陸間弾道ミサイルは、地球の大気圏外を飛行中に、天体航法を用いて軌道（初期設定は内蔵ジャイロスコープを使用）を確認・修正する。この一見時代遅れに見える技術の主な利点は、妨害電波に対する耐性である。
X線パルサーベース航法およびタイミング（XNAV）は、パルサーから放出される周期的なX線信号を使用して、深宇宙の宇宙船などの乗り物の位置を決定する宇宙航法の実験技術です。XNAVを使用する乗り物は、受信したX線信号を既知のパルサーの周波数と位置のデータベースと比較します。GNSSと同様に、この比較により、乗り物は位置を正確に三角測量できます（±5 km）。電波ではなくX線信号を使用する利点は、 X線望遠鏡をより小型で軽量にできることです。 [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] 2016年11月9日、中国科学院はXPNAV 1と呼ばれる実験的なパルサー航法衛星を打ち上げました。[ 23 ] [ 24 ] SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) は、NASA の資金提供を受けたプロジェクトで、ゴダード宇宙飛行センターで開発され、 NICERプロジェクトに関連して国際宇宙ステーション上で XNAV を軌道上でテストしており、 2017 年 6 月3 日にSpaceX CRS-11 ISS 補給ミッションで打ち上げられました。[ 25 ]
航空機乗務員向けの天体航法訓練装置は、シンプルなフライトシミュレーターとプラネタリウムを組み合わせたものである。
初期の例としては、第二次世界大戦で使用されたリンク天体航法訓練装置がある。[ 26 ] [ 27 ]高さ45フィート（14メートル）の建物に収容されたこの装置には、爆撃機の乗員全員（パイロット、航法士、爆撃手）を収容できるコックピットが備えられていた。コックピットには、パイロットが模擬飛行機を操縦するために使用する計器類がすべて揃っていた。コックピット上部のドームには、星座を模した、一部が平行光になっているライトの配置があり、航法士はそこから飛行機の位置を決定した。ドームの動きは、時間の経過と地球の周りを回る飛行機の動きに伴う星の位置の変化をシミュレートした。航法士はまた、地上のさまざまな位置からの模擬無線信号も受信した。コックピットの下には、「地形プレート」と呼ばれる、地上の大きな可動式航空写真が動いており、乗員に飛行しているような感覚を与え、爆撃機が爆撃目標を合わせる練習をできるようにした。操縦士チームは、機体の真下の地上にある管制室に座り、そこから風や雲などの気象条件をシミュレーションすることができた。このチームはまた、紙の地図上の「カニ」（マーカー）を動かすことで、航空機の位置を追跡した。
リンク天体航法訓練装置は、1939年にイギリス空軍（RAF）からの要請を受けて開発された。RAFはこの装置を60台発注し、最初の1台は1941年に製造された。RAFはこれらのうちごく一部しか使用せず、残りはアメリカにリースし、最終的に数百台がアメリカで使用されることになった。
以前はSpaceX-12で2016年12月に打ち上げられる予定だったNICERは、SpaceX Commercial Resupply Services (CRS)-11で他の2つのペイロードとともに、ドラゴン宇宙船の非加圧トランクに搭載されて国際宇宙ステーションに飛行することになった。
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