Начало навигации

Навигация так же стара, как и само человечество. Самые ранние люди должны были найти маршруты по незнакомой местности, следовать за мигрирующими стадами или возвращаться в сезонные лагеря. До появления каких-либо инструментов они полагались на прямое наблюдение за природным миром. Солнце днем, звезды ночью, направление ветра и волн, цвет воды и узоры полётов птиц — все это давало подсказки. Эти методы, усовершенствованные на протяжении тысячелетий, легли в основу всех более поздних навигационных систем.

Достопримечательности и пилотаж

Простейшей формой навигации является лоцманство: использование видимых ориентиров для направления движения Прибрежные народы запоминали формы наголовья, положение отличительных скал или выравнивание горных вершин. В пустынях караваны следовали линиям оазисов или постоянному ношению преобладающих ветров. Этот метод, будучи эффективным на коротких расстояниях, сломался, когда путешественники вышли за пределы видимости земли. Необходимость пересечь открытую воду вынудила к развитию небесных техник.

Небесная навигация: следуя за небом

Небесная навигация — один из древнейших и наиболее устойчивых методов. Наблюдая восходящие и заходящие точки Солнца, древние мореплаватели могли определять восток и запад. Северная звезда (Поларис) стала фиксированной точкой для Северного полушария — установившийся маяк, указывавший истинный север. В Южном полушарии Южный крест выполнял аналогичную функцию. Полинезийские мореплаватели использовали сложную систему «звездных путей», запоминая порядок, в котором звезды поднимались и садились над горизонтом, чтобы наметить курсы между островами. Греческие и финикийские моряки использовали созвездия Большой и Малой Медведицы для нахождения широты. Греческий астроном Гиппарх (190—120 до н.э.) составил некоторые из самых ранних звездных каталогов, которые позже помогали навигации. На протяжении веков широту можно было оценить с разумной точностью, используя высоту солнца в полдень или высоту Полярного над горизонтом.

Ранние инструменты: астролябия и квадрант

Астролябия, усовершенствованная исламскими учеными в средние века, позволяла мореплавателям измерять высоту солнца или звезды над горизонтом. Сравнивая это измерение со таблицами склонения, они могли найти свою широту. Квадрант и позже кросс-штаб (сотрудники Якоба) служили той же цели. Эти инструменты, хотя и грубые по современным стандартам, открыли мир для исследователей. Когда португальские мореплаватели плыли по африканскому побережью в 15 веке, они использовали астролябию и квадрант, чтобы отважиться дальше от земли, чем когда-либо прежде. Для более глубокой истории ранних инструментов см. статью в Википедии об астролябии .

Прогресс в навигационных инструментах

По мере расширения торговых путей и увеличения размеров судов необходимость в надежном судоходстве стала насущной.Разработка специальных инструментов превратила мореплавание из сезонной прибрежной деятельности в круглогодичное глобальное предприятие.

Магнитный компас

Магнитный компас был первым инструментом, который предлагал постоянную направленную ссылку в любую погоду. Изобретенный в Китае во времена династии Хань (206 г. до н.э. - 220 г. н.э. - 220 г. н.э. - 220 г. н.э. - 220 г. н.э. - 220 г. н.э. - Китайские моряки сначала использовали плавающие магнитные иглы. К 11 веку компас достиг Европы через арабские торговые сети к 12-му или 13-му веку. Вместо того, чтобы полагаться на солнце или звезды, моряки теперь могли держать устойчивый курс даже через облака, туман или шторм. Компас стал незаменимым для последующих путешествий по разведке. Его ключевое ограничение - вариация и отклонение, вызванное магнитным полем Земли и местным железом на кораблях - заставило штурманов разрабатывать таблицы коррекции. Тем не менее, компас оставался основным инструментом направления в течение более тысячи лет.

Оригинальное название: The Log Line and Dead Reckoning

Зная направление было недостаточно. Морякам также нужно было измерять скорость и расстояние. «фишковый журнал» — деревянный квадрант, прикрепленный к линии с узлами через регулярные промежутки времени — позволял им измерять скорость, подсчитывая, сколько узлов прошло через корму в фиксированное время (отсюда морской термин «узлы»). В сочетании с заголовком компаса и часами, штурман мог наметить курс с использованием мертвого счета (оценочное положение). Этот метод, хотя и подвергался кумулятивной ошибке, был основой навигации до 18-го века. Квалифицированные мореплаватели с мертвой счетной оценкой могли пересекать целые океаны с удивительной точностью, учитывая токи и свободу действий.

Морской хронометр: решение проблемы долготы

Самой большой проблемой навигации до XVIII века было нахождение долготы. Широта могла измеряться солнцем или звёздами, но долгота требовала знания разницы между местным временем и временем на эталонном меридиане. Часы на катящихся кораблях были безнадёжно неточны. В 1714 году британское правительство установило Закон о долготе, предложив большой приз за практическое решение. Джон Харрисон, самоучка-часовщик, потратил десятилетия на постройку серии морских хронометров. Его H4, законченный в 1761 году, был большими часами, которые сохраняли точное время в течение нескольких секунд во время плавания в Вест-Индию. Это изобретение позволило морякам точно рассчитать долготу. Океанические маршруты стали безопаснее, а точное картирование мира стало возможным. морской хронометр по-прежнему считается одним из самых важных навигационных устройств, когда-либо созданных.

Секстант

В то время как хронометр решал долготу, секстант решал проблему точного измерения угла. Разработанный независимо Джоном Хэдли в Англии и Томасом Годфри в Америке около 1730 года, секстант использовал систему зеркал, позволяющую точно измерять его высоту. Он мог измерять углы до 120 градусов с точностью до десятой доли угловой минуты. Секстант, в сочетании с хронометром и точными альманахами (как ] Морской альманах, впервые опубликованный в 1767 году), стал золотым стандартом навигации в течение следующих 200 лет, небесная навигация с использованием секстанта по-прежнему преподается во многих морских академиях в качестве резервной копии электронных систем.

Картографирование мира

Навигация и картография продвинулись в ногу со временем. Более точные инструменты привели к улучшению карт, а более качественные карты способствовали дальнейшему исследованию. Эпоха открытий произвела революцию в том, как люди понимали форму и масштаб Земли.

Портоланская карта

Портольские карты, появившиеся в Средиземноморье около XIII века, были первыми реалистичными морскими картами. Они подробно показывали береговые линии, с ромбовыми линиями, излучавшимися от компасных роз, чтобы указать подшипники между портами. Эти карты основывались на прямом наблюдении и измерениях моряков, а не на классическом авторитете. Они позволяли мореплавателям уверенно планировать прибрежные путешествия и были огромным продвижением по символическим картам средневековья.

Эпоха исследований

С помощью компаса, астролябии и портольских карт европейские исследователи вышли за пределы своего известного мира:

  • Васко да Гама1497—1499) обогнул мыс Доброй Надежды и достиг Индии, используя небесную навигацию и предварительно вычисленные таблицы склонения.
  • Экспедиция Фердинанда Магеллана 1519—1522 совершила первое кругосветное плавание.Хотя сам Магеллан погиб на Филиппинах, один корабль, «Виктория», вернулся под командованием Хуана Себастьяна Элькано, использовав мёртвые расчёты и небесные фиксации по всему обширному Тихому океану.
  • Три путешествия Джеймса Кука 1768—1779 были одними из первых, которые использовали морской хронометр. Кук картировал Тихий океан с беспрецедентной точностью, включая восточное побережье Австралии, Новой Зеландии и многие тихоокеанские острова. Его карты оставались стандартными в течение десятилетий.

Работа Кука продемонстрировала, как точная навигация может напрямую повысить научные знания и имперскую власть. Его журналы и диаграммы хранятся в архивах, подобных архивам Королевских музеев Гринвича.

Современные навигационные техники

20 век принес технологии, которые сделали небесную навигацию и мертвое исчисление вторичными.Радио, радар, инерциальные системы и, наконец, спутники создали мир, где почти любая точка на Земле может быть расположена мгновенно в пределах нескольких метров.

Радионавигация

До GPS радиоволны обеспечивали первую электронную навигационную помощь. Система Long Range Navigation (LORAN), разработанная во время Второй мировой войны, использовала разницу во времени между сигналами от пар фиксированных передатчиков для расчета положения. LORAN-C могла обеспечить точность в пределах нескольких сотен метров над океаном. Система Omega использовала очень низкочастотные сигналы для глобального покрытия. Эти системы имели ограничения — они требовали обширной береговой инфраструктуры, подвергались атмосферным помехам и охватывали в основном Северное полушарие. Тем не менее, они были крупным продвижением.

Инерциальные навигационные системы (INS)

Инерциальная навигация использует акселерометры и гироскопы для отслеживания движения транспортного средства от известной отправной точки. Интегрируя ускорение для нахождения скорости и интегрируя скорость для нахождения перемещения, ИНС может вычислять положение без какой-либо внешней ссылки. Эта технология была разработана для баллистических ракет и подводных лодок в 1950-х и 1960-х годах. Она остается необходимой для самолетов, кораблей и космических аппаратов, поскольку не может быть заклинирован или подделан. Однако ИНС дрейфует с течением времени и требует периодической коррекции от GPS или небесных фиксированных. Современные системы объединяют ИНС со спутниковыми данными для надежной гибридной навигации.

Глобальная система позиционирования (GPS)

Глобальная система позиционирования, разработанная Министерством обороны США и объявленная полностью работоспособной в 1995 году, навсегда изменила навигацию. Созвездие из 24-31 спутников передает точные сигналы времени. GPS-приемник вычисляет свое положение путем триангуляции сигналов по крайней мере четырех спутников. Точность для гражданских приемников обычно составляет 5-10 метров; с дифференциальными поправками (DGPS) она может быть субметровой. GPS теперь встроен в смартфоны, автомобили, корабли, самолеты и даже носимые устройства. Он сделал навигацию почти легкой - и сделал традиционную небесную навигацию в значительной степени устаревшей для повседневного использования.

Влияние GPS на повседневную жизнь

GPS не только для морской навигации.

  • Автомобильная навигация — поворотные направления и трафик в реальном времени.
  • Авиация — точные подходы и навигация по маршруту.
  • Обследование и картирование — субцентриметровая точность для освоения земель.
  • Сельское хозяйство — тракторы с автоматическим управлением и с переменной скоростью.
  • Поиск и спасение — обнаружение маяков в наземных или морских чрезвычайных ситуациях.
  • Синхронизация времени — для финансовых сетей и электросетей.

GPS настолько распространен, что его сбой нарушит большую часть современной инфраструктуры. Вот почему резервные системы, такие как LORAN-C (сейчас усиленные как eLoran) и небесная навигация, поддерживаются для устойчивости.

Другие спутниковые системы

GPS не одинока. Россия управляет ГЛОНАСС, Европейский союз имеет Галилео, Китай имеет Бэйдоу, существуют и другие региональные системы (например, японский QZSS, индийский IRNSS). Многие современные приемники объединяют сигналы от нескольких созвездий для повышения точности и надежности, особенно в городских каньонах или высоких широтах.Эти глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS) стали важнейшей частью международных перевозок, логистики и науки.

Будущее мореплавания

Навигация продолжает развиваться. Тенденция направлена на большую автономность, устойчивость и точность, одновременно снижая зависимость от уязвимых спутниковых сигналов.

Автономная навигация

Автономные автомобили, автономные корабли и дроны доставки полагаются на слияние датчиков: GPS, инерциальные единицы измерения, LiDAR, радар, камеры и карты. Когда GPS недоступен (туннели, густые леса), транспортное средство использует одновременную локализацию и картографирование (SLAM) для навигации. Морские автономные надводные корабли (MASS) , разрабатываемые такими компаниями, как Rolls-Royce , объединят эти методы с алгоритмами предотвращения столкновений в реальном времени. Для авиации принятие ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast) уже обеспечивает отслеживание трафика на основе GPS. FAA и EASA работают над полной интеграцией автономных полетных операций.

Квантовые и атомные датчики

Инерциальные датчики следующего поколения, использующие интерферометрию холодного атома, могут предлагать скорости дрейфа настолько малые, что они могут обеспечить точность субметра в течение нескольких часов без GPS. Эти квантовые инерциальные навигационные системы все еще находятся в лаборатории, но обещают уменьшить зависимость от спутников. Аналогичным образом, атомные часы в масштабе чипа могут позволить небольшим портативным устройствам выполнять небесную навигацию с точностью морского хронометра - эффективно возвращая поиск звезд в качестве надежного резервного копирования.

Улучшенная небесная навигация

Современные бортовые системы навигации, как и используемые в некоторых военных самолётах LN-120C, автоматически видят звёзды с камерой и сравнивают их с бортовым звёздным каталогом для вычисления положения. Это гораздо точнее секстанта и полностью пассивно (никаких сигналов к заклиниванию). Гражданские эквиваленты появляются для морского применения. По мере роста угроз радиоэлектронной борьбы такие пассивные системы обретают актуальность.

Заключение

Эволюция методов навигации отражает устойчивое стремление человечества соединиться на расстоянии и понять наше место на земном шаре. От полинезийских путеводителей, которые читают океанские набухания и звездные узоры, через точность хронометра Харрисона и секстанта Кука, до спутниковых созвездий, которые теперь вращаются над головой - каждое нововведение, построенное на последнем. Сегодня мы можем ориентироваться с почти мгновенной точностью, но мы также сталкиваемся с новыми уязвимостями: помехи, подмены и солнечные бури. Самые надежные системы будущего, вероятно, будут сочетать старое и новое: небесные резервные копии, инерциальная навигация и спутниковое позиционирование, работающие вместе. История навигации далека от завершения; она продолжает адаптироваться, когда мы перемещаемся от звезд к морям и за их пределами.