Table of Contents

Оригинальное название: The Origins of Navigation: Reading the Natural World

Навигация так же стара, как и само человеческое движение. Задолго до появления какого-либо формального инструмента наши предки полагались на глубокое знание окружающей среды для путешествий по океанам, пустыням и лесам. Самые ранние методы навигации были основаны на тщательном наблюдении за природными явлениями и передавались через поколения как устная традиция. Эти методы, хотя и простые по современным стандартам, позволили совершить замечательные подвиги исследования, включая заселение островов на обширных просторах Тихого океана и пересечение арктических ледяных щитов.

Полинезийские вейфиндеры стоят как, пожалуй, самые опытные практики естественной навигации. Они разработали сложную систему, известную как «путеводство», которая интегрировала наблюдения за звездами, волнами, ветром, полетом птиц и облачными образованиями. В отличие от европейских мореплавателей, которые полагались на инструменты и диаграммы, полинезийские мореплаватели запоминали восходящие и заходящие точки звезд на горизонте и использовали их в качестве ментального компаса. Они могли обнаруживать тонкие узоры в океанских набуханиях, которые указывали на присутствие суши в сотнях миль. Это знание позволило им намеренно обнаружить и поселить почти каждый пригодный для жизни остров в Тихом океане, подвиг, который все еще поражает современных ученых. Для получения дополнительной информации об этой традиции Полинезийское Путешествующее Общество продолжает практиковать и обучать этим древним методам.

Наземная навигация и первые инструменты

На суше ранние исследователи использовали совершенно разные техники. Через пустыни Северной Африки и Центральной Азии караваны ориентировались по цепям оазисов и читали тонкие изменения в образованиях песчаных дюн. У бедуинов появилась необычайная способность перемещаться по, казалось бы, безликой местности, используя положение солнца, направление преобладающих ветров и узоры звезд ночью. В северной Европе саамы ориентировались по арктическим ландшафтам, используя снежные узоры и поведение оленеводов.

Первые созданные человеком навигационные инструменты были простыми, но эффективными. Полинезийцы и инуиты построили карты раковин и дрейфовых пород, которые представляли волновые узоры и береговые линии. Инуиты вырезали сложные прибрежные карты из дрейфовых пород, которые можно было держать в одной руке и использовать при прокладке каяка. Они не должны были масштабироваться в современном смысле, но сохраняли критическую информацию о наголовьях, островах и безопасных местах посадки.

Небесная навигация: универсальный язык исследователей

Небесная навигация стала доминирующим методом дальних путешествий по открытой воде на протяжении тысяч лет. Наблюдая за солнцем, луной, звездами и планетами, мореплаватели могли определить их широту и, с большим трудом, их долготу. Навык требовал обширной подготовки и глубокого понимания движений небесных тел. Это было и искусством, и наукой, и мастерство в нем отличало великих исследователей от погибших на море.

Солнце и полуденный вид

Наиболее фундаментальным небесным наблюдением является полуденный вид солнца. В местный полдень, когда солнце достигает своей высшей точки в небе, навигатор измеряет его высоту над горизонтом. Используя таблицы, которые учитывают дату и склонение солнца, навигатор может рассчитать широту корабля. Эту простую технику использовала практически каждая мореходная культура, от финикийцев до китайских флотов сокровищ. Точность полуденного вида зависела от способности навигатора предсказывать точный момент местного полудня, что требовало либо надёжных часов, либо тщательного наблюдения за восходом и спуском солнца.

Северная звезда и Южный крест

В Северном полушарии Полярная звезда, Северная звезда, была постоянным проводником. Её высота над горизонтом прямо соответствует широте наблюдателя. Этот факт был известен древним грекам и использовался викингами, арабскими торговцами и европейскими исследователями. В Южном полушарии нет такой удобной полюсной звезды, поэтому южные мореплаватели полагались на созвездие Южного Креста. Линия длинной оси Южного Креста указывает примерно на южный небесный полюс, и расстояние вдоль этой линии до полюса можно оценить, используя положение двух ярких звезд, известных как Пойнтеры. Коренные тихоокеанские мореплаватели широко использовали Южный Крест, наряду с десятками других звезд, восходящие и заходящие точки которых они запомнили.

Астролябия и квадрант

Астролябия, унаследованная от греческой астрономии и усовершенствованная исламскими учёными, позволяла мореплавателям измерять высоту звёзд или солнца с большей точностью, чем у ранее прицельных инструментов. Однако использовать астролябию на движущемся судне в море было крайне сложно. Прибор пришлось держать на плаву, пока корабль качал и катил, что приводило к значительным ошибкам. Астролябия моряка, упрощенная и более тяжёлая версия, была введена в 15 веке и использовалась португальскими исследователями, плававшими по побережью Африки. Квадрант, другой прицельный инструмент, измерял углы с помощью взвешенной сантехники против градуированной дуги. Строить и использовать его было проще, чем астролябию, но аналогичным образом страдал от проблем с точностью в море. Несмотря на свои ограничения, эти инструменты были необходимы португальским и испанским исследователям, открывшим морские пути в Индию и Америку.

Эпоха исследований: инструменты, которые изменили мир

Период с 15-го по 18-й век ознаменовался взрывом навигационных инноваций, вызванных европейским стремлением к торговым путям и колониальной экспансии. Эта эпоха произвела магнитный компас, траверс, бревенчатую линию и, в конечном итоге, морской хронометр - инструменты, которые резко снизили риски океанских путешествий и сделали возможным глобальное кругосветное плавание.

Магнитный компас и его ограничения

Магнитный компас, возникший в Китае и распространившийся в Европу к 12 веку, решил одну из самых стойких проблем навигации: знание направления, когда небо было затенено. До компаса морякам в условиях пасмурного течения приходилось полагаться на мертвый расчёт, основанный на направлении ветра и оценочной скорости, что было крайне ненадёжным. Компас давал им постоянную опорную точку. Однако ранние мореплаватели не понимали магнитного изменения — разницы между магнитным севером и истинным севером. Это изменение меняется с местоположением и временем, и неспособность объяснить его может привести к значительным ошибкам. К 16 веку навигаторы начали выпускать таблицы вариаций, хотя они часто были неточными. Только после систематических обследований, подобных тем, которые проводило Британское адмиралтейство в 18 веке, стали доступны достоверные данные о вариациях.

Dead Reckoning: The Art of Estimation (альбом)

Мертвый расчёт был основным методом определения положения между небесными фиксами на протяжении Эпохи Исследований. Навигатор начинал с известного положения, затем записывал направление корабля (с компаса) и скорость (оценивался наблюдением за будкой или использованием логарифмической линии). Настраивая эти векторы на графике, навигатор мог оценить текущее положение. Процесс был общеизвестно неточным. Токи, подветренность и ошибки управления накапливались с течением времени, поэтому мертвые позиции могли быть в десятках или даже сотнях миль после нескольких дней в море. Опытные навигаторы научились применять поправки на основе известных текущих моделей и собственной интуиции, но многие корабли были утеряны, потому что их экипажи считали себя далекими от земли, когда они на самом деле ехали к берегу Ли.

Лог-линия и чип-лог

Для улучшения оценки скорости в мертвом расчёте моряки разработали бревенчатую линию. Кусок дерева («бревно») был привязан к линии с узлами, разнесёнными через регулярные промежутки времени. Моряк выбрасывал бревно за борт и позволял линии заканчиваться, в то время как товарищ по судну поворачивал песчаник. Количество узлов, которые заканчивались в фиксированное время, давало скорость корабля в морских милях в час, или «узлы». Это простое устройство было стандартным оборудованием на океанских судах в течение почти трёх столетий. Дневник чипа, более сложная версия, похожая на четверть круга, чтобы противостоять тянущемуся через воду, появился в 16 веке и оставался в использовании до 19 века. Для детального изучения того, как эти инструменты работали исторически, Национальный морской музей Корнуолла предлагает отличные экспонаты на традиционных навигационных инструментах.

Морской хронометр: решение проблемы долготы

Самой знаменитой навигационной проблемой в истории было определение долготы в море. В то время как широта могла быть найдена надежно небесным наблюдением, долгота требовала знания точного времени в контрольной точке (например, Гринвич) и местного времени в положении корабля. Разница во времени, умноженная на скорость вращения Земли, дает долготу. Задача заключалась в том, чтобы построить часы, которые могли бы поддерживать точное время во время длительного морского путешествия — сопротивляясь изменениям температуры, влажности и постоянному движению корабля. В 1714 году британское правительство предложило премию долготы в 20 000 фунтов стерлингов для практического решения. Джон Харрисон, самообразованный часовщик, потратил десятилетия на создание серии хронометров. Его хронометр H4, завершенный в 1759 году, был большими часами, которые сохраняли время в течение пяти секунд в течение девятинедельного путешествия на Ямайку. Хронометр Харрисона произвел революцию в навигации, позволив кораблям определять свою долготу в течение нескольких миль. Это изобретение открыло океаны для более безопасного и эффективного путешествия и было прямым предшественником современных навигационных систем на основе времени, таких как GPS.

Эпоха систематического картирования и научной навигации

В конце 18-го и 19-го века навигация превратилась из искусства, практикуемого квалифицированными людьми, в науку, поддерживаемую учреждениями. Правительства создали гидрографические бюро, опубликовали стандартизированные диаграммы и отправили экспедиции для обследования береговых линий и океанских течений. Секстант заменил октант в качестве основного углового измерительного инструмента, предлагая большую точность и надежность. Стали доступны морские альманахи, которые обеспечивали предварительно рассчитанные положения небесных тел, уменьшая математическую нагрузку на навигаторов.

Секстант: точность в руках

Секстант, изобретенный независимо Джоном Хэдли в Англии и Томасом Годфри в американских колониях в 1730-х годах, позволил мореплавателям измерять угол между двумя объектами (такими как солнце и горизонт) с точностью около десяти угловых секунд. Его ключевым новшеством было использование двух зеркал, что позволило штурману привести два объекта в совпадение, сохраняя при этом инструмент устойчивым. Секстант быстро стал определяющим символом профессии штурмана. Он оставался основным инструментом для небесной навигации вплоть до конца 20-го века, и он до сих пор используется моряками, которые предпочитают ориентироваться без электронных средств. Каждый морской офицер и офицер торгового флота, обученный до 1990-х годов, научился использовать секстант в качестве основного навыка.

Джеймс Кук и Золотой век геодезии

Путешествия капитана Джеймса Кука в Тихом океане (1768-1779) установили новый стандарт для научной навигации. Кук носил новейшие приборы, включая хронометр Харрисона и секстант, и он систематически использовал их для получения удивительно точных карт Новой Зеландии, восточного побережья Австралии и многих тихоокеанских островов. Он также проводил новаторские наблюдения небесных тел для широты и долготы, измерял глубины океана и регистрировал магнитные вариации. Карты Кука были настолько точными, что они оставались в использовании в 20-м веке. Его подход — сочетая строгие измерения с тщательным ведением записей — установил шаблон для гидрографической съемки. Графики Британского Адмиралтейства, основанные на методах Кука, стали золотым стандартом для морской навигации во всем мире.

Развитие морских карт

Ранние карты часто были грубыми и искаженными, содержащими столько же мифа, сколько и факта. Портольские карты Средиземноморья, датируемые 13 веком, были исключением: они показывали береговые линии и гавани с удивительной точностью, основанные на осторожных подшипниках компаса и измеренных расстояниях. Однако карты открытого океана оставались проблематичными до тех пор, пока не была решена проблема долготы. Как только удалось определить точную долготу, стало возможным строить карты с надежной сеткой линий широты и долготы.Проекция Меркатора, разработанная Герардом Меркатором в 1569 году, была важнейшим новшеством: она сохраняла углы, делая ее идеальной для навигации, хотя она и искажала области на высоких широтах.

20 век: радио, радар и спутники

В XX веке произошла самая быстрая трансформация навигационных технологий в истории.Развитие радио, радиолокационных и в конечном итоге спутниковых систем сделало небесную навигацию ненужной для большинства целей, хотя она оставалась ценным резервным навыком.Эти технологии сделали навигацию быстрее, точнее и доступнее для неспециалистов.

Радионавигационные системы

Радионахождение направления, разработанное в начале 20-го века, позволило кораблям определить их подшипник от известного радиопередатчика. Принимая подшипники от двух или более передатчиков, навигаторы могли наметить их положение. Эта система была в значительной степени использована во время Второй мировой войны и в последующие десятилетия. LORAN (Long Range Navigation), разработанная американскими военными во время Второй мировой войны, использовала временные различия между радиоимпульсами от парных передатчиков для создания гиперболических линий положения. LORAN обеспечил точность положения в нескольких милях на диапазонах до 1500 миль и стал основной электронной навигационной системой для коммерческого судоходства с 1950-х по 1980-е годы. US Coast Guard Navigation Center обеспечивает исторический контекст на LORAN и других системах.

Радарная и инерциальная навигация

Радар преобразовал навигацию в плохую видимость. Излучая радиоимпульсы и измеряя их отражение от объектов, радар мог обнаруживать береговые линии, другие корабли и навигационные буи через туман, дождь и темноту. Радарные установки стали стандартными на всех коммерческих судах после Второй мировой войны. Инерциальные навигационные системы (ИНС), разработанные для подводных лодок и самолетов, использовали гироскопы и акселерометры для непрерывного расчета положения без каких-либо внешних ссылок. Системы INS полностью автономны и невосприимчивы к помехам, что делает их необходимыми для военного применения. Они также предоставили базовую технологию для навигационных систем в коммерческих самолетах и некоторых высококлассных яхтах.

GPS: революция шестого века

Система глобального позиционирования (GPS), разработанная Министерством обороны США и объявленная полностью работоспособной в 1995 году, представляет собой величайший единичный прогресс в навигации со времен магнитного компаса. GPS использует созвездие спутников, передающих точные сигналы времени. GPS-приемник вычисляет свое положение путем измерения временной задержки сигналов как минимум с четырех спутников. Система обеспечивает точность положения около пяти метров для гражданских пользователей и еще большую точность с дифференциальными поправками. GPS теперь повсеместно: он направляет корабли, самолеты, автомобили, смартфоны и даже сельскохозяйственное оборудование. Его доступность трансформировала отрасли, позволила новые формы исследования и сделала навигацию проще и безопаснее, чем в любое время в истории. Однако зависимость от GPS также создает уязвимости: система может быть заклинила, подделана или пострадать от технических сбоев, а некоторые эксперты выступают за сохранение традиционных навигационных навыков в качестве резервного копирования.

Современные инструменты и будущее мореплавания

Сегодня навигация - это гибридная дисциплина, которая сочетает в себе методы наследия с передовыми технологиями. Профессиональные моряки по-прежнему обучаются небесной навигации в качестве резервного копирования, но большинство рутинной навигации выполняется с использованием электронных систем. Электронная картографическая система отображения и информации (ECDIS) стала стандартным мостовым дисплеем, интегрируя положения GPS, наложения радаров, данные AIS (Автоматическая система идентификации) и цифровые морские карты. ECDIS снижает нагрузку и улучшает ситуационную осведомленность, но также требует тщательного управления, чтобы избежать ошибок, вызванных неправильным вводом данных или неисправностями системы.

Роль обучения и увольнения

Несмотря на мощь современных технологий, опытные навигаторы подчеркивают важность традиционных навыков. Компас, секстант и бумажная карта все еще могут направлять корабль домой, если вся электроника не сработает. Этот принцип избыточности является центральным для профессиональной навигационной подготовки. Морские академии по всему миру по-прежнему учат небесной навигации, мертвому счету и прибрежному пилотированию. Способность синтезировать информацию из нескольких источников - электронных и традиционных - отличает компетентного навигатора от того, кто просто квалифицирован в области операционного оборудования. Для тех, кто заинтересован в изучении этих традиционных навыков, организация Ирландские огни предлагает историческое понимание навигации маяка и прибрежных методов пилотирования.

Продолжающееся наследие поисковой навигации

От звезд полинезийского неба до спутников GPS-созвездия навигация всегда была направлена на решение одного и того же важного вопроса: «Где я и куда я иду?» Инструменты изменились, но фундаментальная проблема остается. Каждый современный навигатор стоит на плечах исследователей, которые пришли раньше — тех, кто отважился войти в неизвестное с их умом, их наблюдениями и растущей коллекцией инструментов. Понимание того, как эти методы развивались, не только чтит их изобретательность, но и углубляет нашу признательность за технологию, которую мы теперь принимаем как должное.