Введение
«Судовые навигационныеприборы» — так звучит тема моего курсового проекта. Моя специальностьпредполагает ознакомление и работу с современными устройствами определениякоординации, но мне также показалось важным осветить и ту часть эпохи, когдаморяки определяли свое местонахождение по расположению небесных светил, безкомпьютеров и сложной техники GPS –и радионавигаторов.
Я постаралась провестичерту и сравнить насколько высоко развились системы и приборы современнойнавигации и приборы на первых парусных кораблях.
1. О навигации всудовождении
История морской навигации
Навигация (Navigation отлат.Navis — корабль) — основной раздел судовождения, в котором:
— разрабатываютсятеоретические обоснования и практические приемы вождения судов;
— рассматриваются вопросывыбора кратчайшего и безопасного пути следования судна в море и удержания суднана выбранном пути.
Морская навигациязародилась в глубокой древности. Простейшие приёмы вождения судов были известныне только древним египтянам и финикийцам, но и народам, стоявшим на болеенизкой ступени развития.
Основы современнойнавигации были заложены применением магнитной стрелки для определения курсасудна [см. компас], относимым к XI веку, составлением карт в прямойравноугольной цилиндрической проекции (Г. Меркатор, 1569), изобретением в XIXвеке механического лага.
В конце XIX — начале XXвеков успехи в развитии физики послужили основой создания электронавигационныхприборов и радиотехнических средств судовождения.
Задачи современнойнавигации
Морская навигация имеетсвои задачи:
· выбор безопасногои наиболее выгодного пути судна;
· определениенаправления движения и пройденного судном расстояния в море при помощинавигационных инструментов и приборов (в том числе определение поправокпоказаний этих приборов);
· изучение и выборнаиболее удобных для судовождения картографических проекций и решение на ниханалитическими и графическими способами навигационных задач;
· учёт влияниявнешних факторов, вызывающих отклонение судна от выбранного пути;
· определение местасудна по наземным ориентирам и навигационным искусственным спутникам и оценкаточности этих определений.
Ряд навигационных задачрешается с использованием методов геодезии, картографии, гидрографии,океанологии и метеорологии.
Расчет курса исудовождение
Плавание судна междузаданными пунктами требует расчёта и нанесения его пути на морскиенавигационные карты, а также определения курса, обеспечивающего перемещениесудна по намеченному пути с учётом воздействия внешних возмущающих факторов —ветра и течения. В качестве основной единицы измерения расстояний в морепринята морская миля, а направлений — градус.
Кратчайшим расстояниеммежду двумя данными точками на поверхности Земли, принятой за шар, являетсяменьшая из дуг большой окружности, проходящей через эти точки (Ортодромия).Кроме случая следования судна по меридиану или экватору, ортодромия пересекаетмеридианы под разными углами. Поэтому судно, следующее по такой кривой, должновсё время изменять свой курс. Практически удобнее следовать по курсу,составляющему постоянный угол с меридианами и изображаемому на карте в проекцииМеркатора прямой линией — локсодромией. Однако на больших расстояниях различиев длине ортодромии и локсодромии достигает значительной величины. Поэтому втаких случаях рассчитывают ортодромию и намечают на ней промежуточные точки,между которыми совершают плавание по локсодромии.
Графическое изображениепути судна на морской карте называется прокладкой.
Во время плаваниясудоводитель ведёт непрерывный учёт положения судна по направлению его движенияи пройденному расстоянию на основе показаний компаса судового и лага, а такжеданных о течении и дрейфе судна. Метод учёта положения судна по элементам егодвижения называется счислением, а место судна на карте, полученное этим методом— счислимым местом судна.
Однако как бы тщательнони велось счисление, оно всегда расходится с действительным местом судна из-заошибок в принятых поправках показаний компаса и лага, неточностей учётаэлементов течения и дрейфа, а также отклонений судна от курса под влияниемдругих факторов. Поэтому во время плавания для исключения ошибок постояннокорректируют счисление посредством периодических определений места судна(обсерваций) по наземным ориентирам (то есть навигационными способами) илинебесным светилам, применяя способы мореходной астрономии.
Навигационные способыоснованы на измерении расстояний и направлений (или их комбинаций) до объектов,координаты которых известны, или углов между ними. Каждое измерение даёт однулинию положения. Пересечение 2 линий положения определяет обсервованное местосудна. При 3 и более линиях можно не только определить место судна, но и найтивероятные значения ошибок наблюдений. Ориентирами для навигационных определенийвблизи берега служат нанесённые на карту естественные приметные места илиискусственные сооружения (преимущественно средства навигационного оборудования— маяки, знаки, створы и др.), наблюдаемые визуально или при помощирадиолокатора, сигналы круговых или створных радиомаяков, звуковые сигналы, атакже отличительные глубины. На значительных расстояниях от берега используютсяимпульсные, импульсно-фазовые и фазовые радионавигационные системы илисекторные радиомаяки.
Повышение интенсивностидвижения на морских путях, увеличение размеров и скорости хода морских судов требуютсовершенствования технических средств и методов навигации.
Одним из путей увеличенияточности счисления является использование эффекта Доплера в гидроакустическихлагах, позволяющее измерять скорость судна относительно грунта.
На подходах к портам ипри плавании по стеснённым фарватерам необходимая точность проводки судовобеспечивается применением прецизионных радионавигационных систем ближнегодействия или береговыми радиолокационным станциями. Для навигации в открытомморе разрабатываются глобальные радионавигационные системы, позволяющиеопределять место судна в любой точке. Весьма перспективна для этой цели системанавигационных искусственных спутников Земли.
Развитие техникисудовождения позволяет автоматизировать получение и обработку навигационнойинформации и выдавать данные непосредственно на систему управления для решениязадачи стабилизации судна на заданной траектории. Перспективным направлениемявляется развитие и применение на транспортных судах автономных системинерциальной навигации.
2. Навигационныеприборы
Навигационные приборы — компасы, гироазимуты, автопрокладчики, высотомеры, лаги, лоты, эхолоты,секстаны и другие устройства, предназначенные:
— для измерения отдельныхэлементов движения судна, летательного аппарата и других подвижных объектов;
— для определения ихместоположения; и
— для получения исходныхданных для применения оружия.
Компас [сс1]
Ко́мпас (впрофессиональной речи моряков: компа́с) — это устройство, облегчающееориентирование на местности. Существуют три принципиально различных видакомпаса: магнитный компас, гирокомпас и электронный компас.
Магнитный компас
История создания. Дорожныйкомпас XVIII век.
Предположительно, компасбыл изобретён в Китае за 2000 лет до н.э. и использовался для указаниянаправлении движения по пустыням. В Европе изобретение компаса относят кXII—XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым — магнитнаястрелка, укрепленная на пробке и опущенная в сосуд с водой. В воде пробка сострелкой ориентировалась нужным образом. В начале XIVв. итальянец Ф. Джойязначительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальнуюшпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг — катушку, разбитую по окружности на16 румбов. В XVI в. ввели деление катушки на 32 румба и коробку со стрелкойстали помещать в карданном подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля накомпас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором — вращающейся диаметральнойлинейкой с визирами на концах, укрепленной своим центром на крышке коробки надстрелкой.
Для примера будетрассмотрен компас Адрианова. Компас Адрианова состоит из корпуса 1, в центрекоторого на острие иглы помещена магнитная стрелка 3. При незаторможенномсостоянии стрелки ее северный конец устанавливается в направлении на Северныймагнитный полюс, а южный — на Южный магнитный полюс. В нерабочем состояниистрелка закрепляется тормозом 6. Внутри корпуса компаса помещена круговая шкала(лимб) 2, разделенная на 120 делений. Цена одного деления составляет 3°, или 50малых делений угломера (0-50). Шкала имеет двойную оцифровку. Внутренняяоцифровка нанесена по ходу часовой стрелки от 0 до 360° через 15° (5 деленийшкалы). Внешняя оцифровка шкалы нанесена против хода часовой стрелки через 5больших делений угломера (10 делений шкалы). Для визирования на местныепредметы (ориентиры) и снятия отсчетов по шкале компаса на вращающемся кольцекомпаса закреплено визирное приспособление (мушка и целик) 4 и указательотсчетов 5.
Принцип действия компасаоснован на взаимодействии магнитного поля постоянных магнитов компаса сгоризонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаясямагнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линиймагнитного поля. Таким образом, стрелка всегда указывает одним из концов внаправлении линии магнитного поля, которая идет к Северному магнитному полюсу.
Гирокомпас
Гирокомпас — прибор,указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один илинесколько гироскопов. Используется почти повсеместно в системах навигации иуправления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показаниясвязаны с направлением на истинный географический (а не магнитный) Северныйполюс. Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство всудовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также прирешении различных задач иного рода, например, для определения точногонаправления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, какправило, очень тяжел; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг. Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, неиспытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причемскорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению соскоростью суточного вращения Земли на данной широте.
История создания
Прототип современногогирокомпаса первым создал Г. Аншюц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскореподобный прибор построил Э. Сперри (запатентован в 1911). В последующие годыразрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболееудачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншюца и Сперри.Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению спервыми моделями; они отличаются высокой точностью и надежностью и удобнее вэксплуатации.
Простейший гирокомпассостоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает вжидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается наоси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.
Предположим, чтогирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает снаправлением запад — восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве вотсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот всутки. Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, онвидит, как восточный конец (E) оси гироскопа поднимается, а западный (W)опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх (позицияб). Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести,и в результате ее воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпастьс осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север — юг (этовращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называетсяпрецессией). Когда ось гироскопа совпадет с направлением север — юг (N — S,позиция в), центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причинапрецессии исчезнет. Поставив метку «Север» (N) на то место шара, вкоторое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и соотнеся ей шкалу снужными делениями, получают надежный компас. В реальном гирокомпасепредусмотрены компенсация девиации компаса и поправка на широту места. Действиегирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия роторагироскопа с его подвесом.
Электронный компас
Электронный компас всистеме навигации NAVSTAR
Здесь рассматриваетсякомпас, построенный на принципе определения координат через спутниковые системынавигации. Существуют также компасы, использующие в качестве датчика блокмагниторезисторов.
История созданияэлектронного компаса тесно связана с системами спутниковой навигации.
Принцип действия такогокомпаса весьма прост:
1. На основаниисигналов со спутников определяются координаты приёмника системы спутниковойнавигации (и, соответственно, объекта)
2. Засекается моментвремени, в который было сделано определение координат.
3. Выжидаетсянекоторый интервал времени.
4. Повторноопределяется местоположение объекта.
5. На основаниикоординат двух точек и размера временного интервала вычисляется вектор скоростидвижения и из него:
направление движения
скорость движения
Осуществляется переход кшагу 2.
Ограничения:
Естественно, если объектне перемещается, направление движения узнать не получится. Исключениесоставляют достаточно большие объекты (например, самолёты), где естьвозможность установить 2 приёмника (например, на концах крыльев). При этомкоординаты двух точек можно получить сразу, даже если объект неподвижен, иперейти к пункту 5.
Ещё одно ограничениеобусловлено точностью определения координат спутниковыми системамипозиционирования и влияет, главным образом, на тихоходные объекты (пешеходов).
Гироазимут
Гироазимут — навигационное гироскопическое устройство, предназначенное
— для сохранениязаданного направления в горизонтальной плоскости, по которому первоначальноориентирована главная ось гироскопа; и
— для измерения угловповорота относительно заданного направления (углов рыскания).
Гироазимут:гироскопический прибор, предназначенный для сохранения заданного азимутальногонаправления. В гироазимуте применяется уравновешивающий гироскоп с 3 степенямисвободы, у которого центр тяжести совпадает с геометрическим центром (точкойподвеса), поэтому на гироазимут не влияют силы инерции, возникающие приманеврировании и качке судна. Гироазимуты применяют как курсоуказатели. Дляпревращения гироскопа в гироазимут, указывающий постоянное направлениеотносительно меридиана, следует рассчитать уход (отклонение) главной осигироскопа относительно плоскости истинного меридиана и компенсировать его. Этуфункцию выполняет азимутальный корректор. Гироскоп не имеет устойчивогоравновесного положения относительно горизонтальной системы координат в азимуте,поэтому во всех гироазимутах главная ось гироскопа искусственно удерживается вплоскости горизонта с помощью горизонтального корректора.
Автопрокладчик
Автопрокладчик приборавтоматически прокладывающий курс судна на навигационной карте получаяпоказания курса от гирокомпаса, а данные о пройденном расстоянии от лага.
Согласно общепринятомуопределению, автопрокладчик, прибор, автоматически прокладывающий курс судна нанавигационной карте, получая показания курса от гирокомпаса, а данные опройденном расстоянии от лага или по сигналам радионавигационной системы.Прежде автопрокладчик называли одографом.
Автопрокладчик — навигационный прибор, автоматически ведущий прокладку на навигационной картепри получении:
— показаний курса отгирокомпаса;
— данных о пройденномрасстоянии от лага или по сигналам радионавигационной системы; а также
— поправок на дрейф итечение.
Астрономические приборынавигации
Секстан (Октан)
Секстан [сс1] (происхождение:от лат. sextans, sextantis — шестая часть)— это измерительный инструмент,используемый для измерения величины угла между двумя видимыми объектами. Обычносекстан используется для измерения возвышения астрономического объекта надгоризонтом с целью определения географических координат. Например, измерив уголвозвышения Солнца в полдень, можно вычислить широту. С помощью секстана можноизмерять углы до 140°.
Длина шкалы секстантасоставляет 1/6 от полного круга или 60°, отсюда и название секстана. Октант —похожий прибор, но с более короткой шкалой (1/8 круга или 45°), которыйиспользовался до 1767, пока его не заменил секстан. В 1767 первое изданиенавигационного альманаха собрало в своих таблицах лунные расстояния, чтопозволило навигаторам вычислять текущее время, зная угол между солнцем и луной.Однако, этот угол иногда больше 90°, и поэтому не может быть измерен с помощьюоктанта.
В секстане используетсяпринцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отраженияодного из них. Этот принцип был изобретён Исааком Ньютоном в 1699 году, но небыл опубликован. Два человека независимо изобрели секстан в 1730: английскийматематик Джон Хадли и американский изобретатель Томас Годфри. Секстан вытесниластролябию как главный навигационный инструмент.
Секстан увековечен нанебе астрономом Гевелием в виде одноименного созвездия.
Современный секстант
Главная особенность,которая позволила секстану вытеснить астролябию, заключается в том, что при егоиспользовании положение астрономических объектов измеряются относительногоризонта, а не относительно самого инструмента. Это дает бо́льшуюточность.
При наблюдении черезсекстан, горизонт и астрономический объект совмещаются в одном поле зрения, иостаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находитсяна плывущем корабле. Это происходит, потому что секстан показывает неподвижныйгоризонт прямо, а астрономический объект — сквозь два противоположных зеркала.
Использование секстанадля определения возвышения солнца над горизонтом
Изображение в секстанесовмещает в себя два вида. Первый — вид неба через зеркала. Второй — видгоризонта. Секстан используют, регулируя рычаг и установочный винт до тех пор,пока нижний край изображения астрономического тела не коснется горизонта.Точный момент времени, в который проводится измерение, засекает ассистент счасами. Затем угол возвышения считывается со шкалы, верньера и установочноговинта, и записывается вместе со временем.
После этого нужнопреобразовать данные с помощью некоторых математических процедур. Самый простойметод — нарисовать равновозвышенный круг используемого астрономического объектана глобусе. Пересечение этого круга с линией навигационного счисления илидругим указателем даёт точное местоположение.
Секстан — чувствительныйинструмент. Если его уронить, то дуга может погнуться. После падения он можетпотерять точность.
Секстан — угломерныйинструмент отражательного типа для измерения высот небесных светил и углов наземной поверхности. Система зеркал в Секстане обусловливает ход лучей, которыйисключает ошибку, вызываемую небольшим отклонением плоскости инструмента отплоскости измеряемого угла. Благодаря этому измерение углов Секстана можнопроизводить держа его в руке даже в условиях качки. Идея устройства Секстанапринадлежит И. Ньютону (1699), а сконструирован он англичанином Дж. Гадлеем иамериканцем Т. Годфреем в 1731 г. независимо друг от друга. Помимо мореходнойастрономии Секстан используется в навигации и гидрографии для измерениягоризонтальных углов между береговыми ориентирами и определения по ним точногоместонахождения судна. С помощью навигационного Секстана можно производитьизмерения с точностью до нескольких десятых долей минуты. Некоторые специальныеморские и авиационные Секстаны имеют гироскопические устройства и др.искусственные уровни и приспособления, позволяющие производить астрономическиеизмерения при отсутствии видимого горизонта относительно плоскости истинногогоризонта. Для увеличения точности отсчета и упрощения процесса измерения такиеСекстаны оборудуют осредняющими механизмами, дающими средний отсчет за времяизмерений, а некоторые Секстаны имеют устройства, дистанционно регистрирующиемоменты измерений и соответствующие им отсчеты.
Квадрант
Квадрант состоит изпластины с делениями для отсчёта углов, проградуированной обычно до π / 2(четверти окружности), откуда происходит название, и прикреплённой к пластинеодним концом планки либо телескопа для фиксации угла.
Лаги и лоты[сс1]
Лот – измеритель глубины
Лот — гидрографический инавигационный прибор для измерения глубины.
Первоначально (во временапарусного флота) в качестве лота использовалась гиря, обычно свинцовая, стонкой веревкой (лотлинем) для измерения глубины. Лот опускался с носовыхрусленей судна. Иногда на нижней части гири формировалось углубление, котороесмазывали салом, чтобы к нему прилипали частицы грунта для определенияхарактера дна.
Лоты по принципуизмерения глубины делятся на ручные, механические и гидроакустические(эхолоты).
Ручной лот представляетсобой конический или пирамидальный груз массой 3.5-5 кг, с закреплённым тросом-лотлинем, на который нанесены метровые или футовые метки (марки).Существует разновидность лота — диплот (нидерл. dieplood), который используетсядля измерения больших глубин, и отличается особо тяжелым грузом в 20-30 кг. Измерение идёт по отсчёту длины лотлиня при ослаблении натяжения в момент касания дна.Недостатком лотов этого типа является необходимость проведения измерений намалой скорости (до 3-5 узлов, т.е. 5-9 км/ч на глубинах до 50 м) или при остановке судна и трудность определения момента касания дна на больших глубинах.
Механический лотпредставляет собой прибор для измерения гидростатического давления воды у дна,простейший вариант механического лота — вертикальная заполненная воздухомтрубка, запаянная с верхней стороны и погружённая нижним открытым концом вводу. Глубина определяется по высоте подъёма воды (например, по смыву илиизменению цвета краски, нанесённой на внутренние стенки трубки). Так каквертикальность лотлиня в случае измерений механическим лотом значения не имеет,механический лот может использоваться для измерений глубин до 200 м на ходу (до 16 узлов, т.е. 28 км/ч). Механические лоты для измерения больших глубин называютглубомерными машинами.
Эхолот измеряет глубиныпо времени прохождения акустического импульса, отражённого от дна.
В настоящее время лоты вкачестве навигационных приборов практически повсеместно вытеснены эхолотами,однако при океанографических исследованиях используются лоты-батометры,снабжённые устройствами для измерения температуры, отбора проб воды на глубинеи грунтозахватами для отбора проб донного грунта.
Корабельный лаг
Лаг — прибор,предназначенный для измерения скорости движения судна.
В древности в качествелага использовался (и используется по сей день на небольших судах) ручной, илисекторный лаг. Он представляет собой доску треугольной формы (сектор) спривязанной к ней верёвкой (линем, лаглинем) и грузом. На лине на определённомрасстоянии друг от друга завязываются узлы. Доска выбрасывается за корму ипересчитывается количество узлов, ушедших за борт за определенное время (обычно15 секунд или 1 минуту). Отсюда пошло измерение скорости судна в узлах, 1 узелчисленно равен 1 морской миле в час.
Принцип работысовременных приборов основан на измерении напора воды, или гидролокацииморского дна. Самый распространенный лаг представляет собой вертушку,вращающуюся под напором воды. Число оборотов вертушки за единицу времениопределяется с помощью электронного или механического устройства. Обычновертушка лага закрепляется на корпусе судна, но на небольших судах используютпортативный вариант лага, в котором вертушка выбрасывается за корму на тросе, аизмерительный механизм находится в руках у матроса.
Навигационный прибор дляизмерения, скорости и пройденного судном расстояния относительно воды илигрунта. Первый называется относительным лагом, а второй — абсолютным. Попринципу действия относительные лаги подразделяют на гидродинамические ииндукционные (электродинамические или электромагнитные). Гидродинамические лагиработают по принципу измерения и компенсации гидродинамического давления,возникающего в морской среде при движении судна. Гидравлическое устройствопередает полное и статическое давление воды к чувствительному элементу.Последний представляет собой механический дифманометр, который регистрируетгидродинамическое давление (разность полного и статического) и преобразует егов механическое усилие, воздействующее на электромеханическое вычислительноеустройство, в котором оно преобразуется в скорость, пропорциональнуюизмеряемому давлению. После введения поправки получается истинная скоростьотносительно воды, преобразующаяся в вычислительном устройстве в пройденноесудном расстояние. Через датчики данные скорости и расстояния подаются нарепитеры. В зависимости от чувствительности элемента гидродинамические лагибывают вертушечные и с механическими и жидкостным (ртутным) дифманометрами. ВертушечныеЛ. измеряют частоту вращения вертушки в воде при движении судна. По этойчастоте определяют пройденное судном расстояние, которое затем пересчитывают вскорость. Механические лаги измеряют скорость судна по величине гидродинамическогодавления, жидкостные — по высоте столба ртути, пропорциональной давлению.Гидродинамические лаги измеряют скорость судна относительно воды в пределах2—50 уз (погрешность не более 0,5 уз) и пройденное расстояние (погрешность неболее 0,02 мили). Индукционные или электромагнитные лаги измеряютэлектродвижущую силу, индуцируемую в проводнике, находящемся под воздействиеммагнитного поля (закон Фарадея). В подводной части судна в герметичномобтекателе установлен электромагнитный (датчик). При движении судна магнитныесиловые линии индуцируют в слое морской воды, являющейся хорошим проводником,ЭДС, величина которой пропорциональна скорости судна относительно воды иснимается с помощью установленных по обеим сторонам датчика электродов.Напряжение сигналов, поступающих от датчика, преобразуется и усиливается. Ономожет быть подано на специальное устройство, которое вырабатывает импульсынапряжения с частотой, пропорциональной пройденному расстоянию (до 200 накаждую милю). Индукционные лаги имеют более высокую чувствительность (работаютпри скорости судна от 0,1 до 25—70 уз); могут измерять скорость на переднем изаднем ходу; более просты и надежны в эксплуатации. Точность измерениярасстояния составляет 1—2 % пройденного судном пути.
Для измерения скоростиотносительно дна моря (абсолютный лаг) применяют гидроакустические лаги (какправило, на крупнотоннажных судах для безопасного плавания в открытом море,постановки, съемки с якоря, безопасного подхода судна к причалу при швартовке идр.).
3. Современныенавигационные системы
Радионавигация ирадиомаяки
Радионавигация — разделнавигации и аэронавигации, изучающий и разрабатывающий теоретические вопросы ипрактические приемы вождения судов и летательных аппаратов с помощьюрадиотехнических средств и устройств.
Основными задачамирадионавигации являются определение:
— координат судна илилетательного аппарата, а также их взаимного положения; и
— направления выхода взаданные районы (точки) и др.
Для решения задачрадионавигации используют радиокомпасы радиодальномеры, радиомаяки ирадионавигационные системы.
Радиомаякаэронавигационной системы VORTAC, Германия
Радиомая́к —передающая радиостанция, излучающая радиосигналы, используемые для определениякоординат и направления движения различных объектов, в основном, самолётов исудов. Параметры сигнала радиомаяка зависят от направления излучения: например,его интенсивность или момент времени пеленгации.
Радиомаяки относят кугломерным (азимутальным) радионавигационным устройствам, так как онипредназначены только для определения направления, а нахождение координатстановится возможным после специальных вычислений на основе информации онаправлении не менее чем на два радиомаяка.
В качестве радиомаяковтакже используются объекты, специально не предназначенные для целейрадионавигации, но имеющие отличительные параметры радиосигнала (например,частоту) и, возможно, известные постоянные координаты — вещательныерадиостанции, радиоакустические маяки, радиобуи, радиолокационные маяки,аварийные радиомаяки.
Классы радиомаяков пометоду измерения
Радиомаяки делят наклассы, в соответствии с параметром радиосигнала, меняющимся по направлению, исоответствующим методом радиотехнических измерений:
· Амплитудныемаяки, направление на которые определяется измерением интенсивности принятогосигнала;
· Фазовые маяки —для определения направления измеряется фаза сигнала;
· Частотные маяки —для определения направления измеряется частота сигнала;
· Временны́емаяки — для определения направления засекается момент приёма сигнала;
наиболее распространеныамплитудные радиомаяки.
Виды радиомаяков поназначению
— Курсовые маяки,створные радиомаяки — предназначены для задания курсов в горизонтальной иливертикальной плоскости, используются в курсоглиссадных системах;
— Пеленговые радиомаяки.Предназначены для определения пеленга путём сравнения момента времени приёмасигнала вращающейся диаграммы направленности маяка с моментом времени, когдаположение диаграммы направленности известно. Для такого измерения вращениедиаграммы направленности должно быть строго синхронизировано, либо маяк долженизлучать короткий всенаправленный сигнал при проходе ДН через нулевую отметку;
— Маркерные радиомаяки.Имеют узкую постоянную ДН, ориентированную вертикально вверх, и используютсядля маркировки пунктов, важных в навигационном отношении (например, контрольныхпунктов при заходе самолётов на посадку и при подходе судов к порту, пунктовизлома маршрутов или фарватеров и т. д.).
— Приводные радиостанции— радиостанции с ненаправленным излучением и с отличительными для каждой изстанций сигналами (позывными). Определение направления возможно только спомощью специального радиопеленгатора.
Дальность и точность
Радиомаяки, работающие вдиапазонах длинных волн (километровые и более), имеют дальность действия до 500 км. Они обеспечивают точность пеленгации с борта объекта ~1-3° (по азимуту). Всенаправленныерадиомаяки, работающие в диапазонах дециметровых и сантиметровых волн, имеютдальность действия, ограниченную прямой видимостью, и обеспечивают точностьопределения азимута до 0,1-0,25°.
Спутниковая системанавигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая изсовокупности наземного и космического оборудования, предназначенная дляопределения местоположения (географических координат и высоты), а такжепараметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных,водных и воздушных объектов.
Основные элементы
Основные элементыспутниковой системы навигации:
· Орбитальнаягруппировка, состоящая из нескольких (от 2 до 30) спутников, излучающихспециальные радиосигналы;
· Наземная системауправления и контроля, включающая блоки измерения текущего положения спутникови передачи на них полученной информации для корректировки информации оборбитах;
· Приёмноеклиентское оборудование («спутниковых навигаторов»), используемое дляопределения координат;
· Опционально:информационная радиосистема для передачи пользователям поправок, позволяющихзначительно повысить точность определения координат.
Принцип работы
Принцип работыспутниковых систем навигации основан на измерении расстояния от антенны наобъекте (координаты которого необходимо получить) до спутников, положениекоторых известно с большой точностью. Таблица положений всех спутниковназывается альманахом, которым должен располагать любой спутниковый приёмник доначала измерений. Обычно приёмник сохраняет альманах в памяти со временипоследнего выключения и если он не устарел — мгновенно использует его. Каждыйспутник передаёт в своём сигнале весь альманах. Таким образом, зная расстояниядо нескольких спутников системы, с помощью обычных геометрических построений,на основе альманаха, можно вычислить положение объекта в пространстве.
Метод измерениярасстояния от спутника до антенны приёмника основан на определённости скоростираспространения радиоволн. Для осуществления возможности измерения временираспространения радиосигнала каждый спутник навигационной системы излучаетсигналы точного времени в составе своего сигнала используя точносинхронизированные с системным временем атомные часы. При работе спутниковогоприёмника его часы синхронизируются с системным временем и при дальнейшемприёме сигналов вычисляется задержка между временем излучения, содержащимся всамом сигнале, и временем приёма сигнала. Располагая этой информацией,навигационный приёмник вычисляет координаты антенны. Для получения информации оскорости большинство навигационных приёмников используют эффект Доплера.Дополнительно накапливая и обрабатывая эти данные за определённый промежутоквремени, становится возможным вычислить такие параметры движения, как скорость(текущую, максимальную, среднюю), пройденный путь и т. д.
В реальности работасистемы происходит значительно сложнее. Ниже перечислены некоторые проблемы,требующие специальных технических приёмов по их решению:
· Отсутствиеатомных часов в большинстве навигационных приёмников. Этот недостаток обычноустраняется требованием получения информации не менее чем с трёх (2-мернаянавигация при известной высоте) или четырёх (3-мерная навигация) спутников;(При наличии сигнала хотя бы с одного спутника можно определить текущее время схорошей точностью).
· Неоднородностьгравитационного поля Земли, влияющая на орбиты спутников;
· Неоднородностьатмосферы, из-за которой скорость и направление распространения радиоволн можетменяться в определённых пределах;
· Отражениясигналов от наземных объектов, что особенно заметно в городе;
· Невозможностьразместить на спутниках передатчики большой мощности, из-за чего приём ихсигналов возможен только в прямой видимости на открытом воздухе.
Современное состояние
В настоящее времяработают или готовятся к развёртыванию следующие системы спутниковой навигации:
NAVSTAR (GPS)
Принадлежит министерствуобороны США, что считается другими государствами её главным недостатком. Болееизвестна под названием GPS. Единственная полностью работающая спутниковаянавигационная система.
ГЛОНАСС
Находится на этаперазвёртывания спутниковой группировки. Принадлежит министерству обороны России.Обладает, по заявлениям разработчиков, некоторыми техническими преимуществамипо сравнению с NAVSTAR, однако в настоящее время эти утверждения проверитьневозможно ввиду недостаточности спутниковой группировки и отсутствиядоступного клиентского оборудования.
Бэйдоу
Развёртываемая внастоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использованиятолько в этой стране. Особенность — небольшое количество спутников, находящихсяна геостационарной орбите.
Galileo
Европейская система,находящаяся на этапе создания спутниковой группировки.
GPS – навигация
Современные технологииспутниковой связи нашли свое применение практически во всех сферах жизни идеятельности человека. Сегодня невозможно представить современный офис или домбез интернета, спутникового телевидения или других, не менее значительныхдостижений «спутникового века». Спутниковые системы навигации и GPSнавигаторы прочно заняли свою нишу среди необходимых в нашей жизни электронныхустройств. GPS навигатор и эхолот успешно применяется в судоходстве ирыболовецком промысле, не менее популярны GPS навигаторы и у рыбаков любителей.Сегодня многие автоконцерны в качестве опций оборудования машин предлагаютбольшой выбор GPS навигаторов различного класса. Некоторые автомобиликомплектуются GPS навигатором в «базе». GPS приемники нашли своеприменение в туристической сфере, сегодня на прилавках магазинов электроникинередко можно увидеть КПК с GPS и оборудованные навигационными системамимобильные телефоны. GPS навигатор за последние несколько лет изпрофессионального дорогостоящего оборудования превратился в доступный бытовойприбор, а карты GPS можно купить даже в интернете.
Вопреки расхожему мнениюо том, что GPS приемник служит только лишь для определения месторасположенияобъекта на местности и соотносит его координаты с электронной картой, GPSнавигаторы выполняют ряд других полезных функций. Среди них — выбороптимального направления, определение скорости и расстояния до объекта и многоедругое. Современные GSM карты позволяют с точностью до метров определитьместонахождение того или иного объекта, найти нужный город, дом или улицу.Стоит отметить, что современный GPS навигатор может освоить каждый, кто хотя быраз сталкивался с компьютером или другой электроникой. В его настройках и пользованиинет ничего сложного, а удобный логический интерфейс сможет освоить даженовичок.
4. Использованныеисточники
1. [сс1] — ссылка №1на www. wikipedia.org Материал из Википедии
2. [сс2] — Большаясоветская энциклопедия (БСЭ) Выдержала три издания:
3. 1-е издание, 65томов и дополнительный том без номера — «СССР», 1926—1947
4. 2-е издание, 49томов, том № 50 — «СССР», дополнительный том № 51, том № 52 (в двухкнигах) «Алфавитный указатель», 1949—1960
5. 3-е издание, 30томов. Том № 24 в двух книгах (кн. 2: «СССР»), 1969—1978. В 1981 годубыл выпущен