Ориентирование по звездам
Данный способ ориентирования был открыт еще в древности и не претерпел изменений с течением времени. Существует несколько методов, используя которые, можно ориентироваться по звездам.
Для Северного полушария применяется следующий метод: использование главного ночного ориентира – Полярной звезды. Это небесное тело является главным и единственным ночным светилом, которое никогда не меняет свое местоположение на небе. Она является точным ориентиром, поскольку всегда указывает направление севера, отклоняясь от траектории с минимальными погрешностями (1,5 градуса).
Следует помнить, что, ошибочно ориентируясь на самую яркую звезду, ее можно спутать с планетой Венерой, поскольку она ярче, чем Полярная. Поэтому, чтобы найти это небесное светило, необходимо ориентироваться по созвездиям Малой и Большой Медведицы, известных в народе как «большой» и «малый ковш». Полярная звезда находится в самой крайней точке «ковша» Малой Медведицы. Поскольку созвездие Большой Медведицы всегда более заметно, чем Малой, для поиска Полярной звезды можно ориентироваться и по нему: для этого нужно найти две звездочки по краям «ковша», провести вперед прямую линию, равную пяти расстояниям между ними, и наткнуться на тот же «хвост» ковша Малой Медведицы, являющейся Полярной звездой. Кроме этого, можно найти созвездие Кассиопеи, которое выглядит как буква «М» или «W». Если провести воображаемую прямую линию через светило рядом с центральным из них, также можно наткнуться на искомую Полярную звезду. Таким образом, когда поиски увенчаются успехом, ориентирование на местности не составит труда: глядя прямо на Полярную звезду, за спиной окажется юг, справа восток, а слева – запад.
Ориентирование по звездам для Южного полушария происходит по созвездию Южный Крест, указывающему южное направление. Это созвездие представляет собой четыре небесных тела, расположенные в виде креста. Важно не спутать его с Ложным Крестом, расположенным справа, у которого светила находятся на некотором отдалении друг от друга. Чтобы найти указание южного направления, нужно провести линию вдоль светил, образующих вертикальную часть креста. Чтобы точно не ошибиться, можно дождаться, когда Южный Крест примет вертикальное положение, перпендикулярное линии горизонта, тогда юг будет находиться прямо под этим созвездием.
Картография: начало и развитие
Картография — наука об исследовании, моделировании и отображении пространственного расположения, сочетания и взаимосвязи объектов и явлений природы и общества. В более широкой трактовке картография включает технологию и производственную деятельность.
История картографии изучает основные факты, этапы и закономерности в развитии картографии как отрасли практической деятельности и науки. Это развитие определяется, прежде всего, потребностями материальной жизни общества.
Основой всякого исторического исследования служат исторические источники - те фактические данные, которые дошли до наших дней от прошлых эпох развития человеческого общества. Для истории картографии особую ценность представляют карты, географические труды и другие письменные источники - непосредственные свидетельства прошлого.
Древнейшие карты
Картография появилась, вероятно, ещё до появления письменности в первобытном обществе. Об этом свидетельствует, например, то, что у народов, не имевших письменности в момент их открытия, имелись развитые картографические навыки. Путешественники, расспрашивавшие эскимосов северной Америки о расположении окрестных островов и берегов, получали от них сравнительно внятные описания, в виде карт, нарисованных на кусочках коры, на песке или на бумаге (если она была). Сохранились карты в форме наскальных рисунков в итальянской долине Камоника.
Помимо наскальных изображений, до нас дошли древнеегипетские и -вавилонские карты, относящиеся к 3—1 тысячелетию до н. э., например Вавилонская карта мира.
Древнегреческая эпоха
Самые древние греки, например, философы милетской школы (первая наивно-материалистическая школа древнегреческой философии, представленная Фалесом, Анаксимандром и Анаксименом (6 в. до н. э.).) считали Землю диском, или четырёхугольником. Однако, они уже сомневались в этом, например, философ из той же школы Анаксимандр, считал Землю цилиндром.
Однако, уже в IV веке до н. э. начало утверждаться учение о шарообразности Земли. Уже тогда появились первые понятия о климатических зонах, а следовательно, и географической широте. Примерно в 250 году до н. э. Эратосфен определил с помощью геометрических построений радиус Земли с ошибкой не больше 15 %. Он же ввёл линии широты и долготы на картах (по другим сведениям, понятия широты и долготы были впервые упомянуты в "Географии" Птолемея). Однако, на картах Эратосфена линии широты и долготы не были сколь-либо равноотстоящими — расстояние между ними варьировалось, для наиболее удобной передачи известных ему пунктов.
Древнегреческая методика определения широты — по максимальной высоте Солнца над горизонтом.
Гиппарх развил учение о широте и долготе и разработал первые картографические проекции. На основании сведений и методики Гиппарха, Клавдий Птолемей составил обширный справочник по координатам различных точек и учебник по составлению карт. Карты Птолемея до нас не дошли, однако их можно восстановить по данным его справочника и методикам. Среди историков картографии существует также точка зрения, согласно которой сам Птолемей не составлял карт, а это сделали по его материалам только византийцы в XIII-XIV веках (данный картографический материал через век был усвоен и развит западноевропейским Возрождением).
Труды Птолемея были вершиной древнегреческого картографического знания. После этого сведения лишь обобщались, а в последующие эпохи картографическое знание пришло в упадок.
Эпоха Средневековья
В раннем Средневековье картография пришла в упадок. Вопрос о форме Земли перестал быть важным для философии того времени, многие снова начали считать Землю плоской. Получили распространение так называемые Т и О карты, на которых поверхность Земли изображалась состоящей из дискообразной суши, окружённой океаном (буква О). Суша изображалась разделённой на три части Европу, Азию и Африку. Европу от Африки отделяло Средиземное море, Африку от Азии река Нил, а Европу от Азии река Дон.
В то же время, традиции Птолемея во многом сохранялись арабскими учёными (вообще, греческая культура дошла до европейцев в основном благодаря арабам). Арабы усовершенствовали методы определения широты Птолемея, они научились использовать наблюдения звёзд вместо Солнца. Это повысило точность. Весьма подробную карту тогдашнего мира составил в 1154 году арабский географ и путешественник Аль-Идриси. Интересная особенность карты Идриси, как, впрочем, и других карт, составленных арабами — юг изображался сверху карты.
Некоторую революцию в европейской картографии устроило введение в пользование в конце XIII—начале XIV веков магнитного компаса. Появился новый тип карт — подробные компасные карты берегов портоланы (портуланы). Подробное изображение береговой линии на портоланах нередко совмещалось с простейшим делением на страны света Т и О карт. Первый дошедший до нас портолан датируется 1296 годом. Портоланы служили сугубо практическим целям, и как таковые мало заботились об учёте формы Земли.
Эпоха Возрождения и Новое время
В середине XIV века началась эпоха Великих географических открытий. Из-за этого обострился и интерес к картографии. Важные достижения картографии доколумбовского периода — карта Фра Мауро (1459 года, эта карта, в некотором смысле придерживалась концепции плоской Земли) и «Земное яблоко» — первый глобус, составленный немецким географом Мартином Бехаймом.
После открытия Америки Колумбом в 1492 году в картографии новые успехи — появился целый новый континент для исследования и изображения. Очертания американского континента стали ясны уже к 1530-м годам.
Весьма помогло развитию картографического дела изобретение печатного станка.
Детализированные трехмерные макеты (сохранилось очень мало археологических находок) и рисованные планы (не сохранились; только упоминаются) местностей — карты — широко применялись в Империи Инков в XV-XVI веках на основе системы направляющих секе(уникальное изобретение народов Перу, представлявшие собой воображаемые линии-направляющие, то есть векторы, исходившие из храма Кориканча в Куско во все стороны Империи Инков, а именно — к священным местам — вакам.), выходящих из столицы Куско. Измерение расстояний и площадей производилось с помощью универсальной единицы измерения — тупу.
Следующая революция в картографии — создание Герхардтом Меркатором и Абрагамом Ортелиусом первых атласов Земного шара. При этом Меркатору пришлось создать картографию как науку: он разработал теорию картографических проекций и систему обозначений. Атлас Ортелиуса под названием Theatrum Orbis Terrarum был напечатан в 1570 году, полностью атлас Меркатора был напечатан только после его смерти.
Увеличению точности карт содействуют более точные способы определения широт и долгот, открытие Снеллиусом в 1615 году способа триангуляции и усовершенствование инструментов — геодезических, астрономических и часов (хронометров).
Хотя некоторые довольно удачные попытки составления больших карт (Германии, Швейцарии и т. д.) были сделаны ещё в конце XIV и в XVII веках, однако только в XVIII в. мы видим большой успех в этом отношении, а также существенное расширение более точных картографических сведений по отношению к Вост. и Сев. Азии, Австралии, Сев. Америке и т. д.
Важное техническое достижение XVIII века — разработка способов измерения высот над уровнем моря и способов изображения высот на картах. Таким образом, появилась возможность снимать топографические карты. Первые топографические карты были сняты в XVIII веке во Франции.
Развитие картографии в конце XIX—начале XX веков
Лишь в конце XIX столетия стали производиться точные инструментальные съёмки на больших пространствах и издаваться настоящие топографические карты различных государств в крупных масштабах. К началу XX столетия съёмка мелкомасштабных топографических карт большинства государств ещё не была закончена. Полностью задачу построения мелкомасштабной карты мира удалось решить только к середине XX века.
картография географический наука открытие
История картографии в России
Уже в допетровскую эпоху в России было известно искусство составления географических чертежей, что доказывает «Большой Чертеж», начавший составляться ещё в XVI веке (по приказу Ивана Грозного) и значительно пополненный в XVII веке, но который до нас не дошёл (он имелся лишь в одном экземпляре); сохранился лишь комментарий к нему, «Книга Большому Чертежу». О старинных русских чертежах мы можем получить понятие из карты Сибири, составленной в 1667 году по приказанию воеводы П. И. Годунова (копия этой карты сохранилась в Стокгольмском государственном архиве), из сибирского чертежа Ремезова 1701 года и из нескольких чертежей отдельных местностей конца XVII в., сохранившихся в русских архивах. Что касается «Большого Чертежа», то он послужил для составления карты, над которой трудился царевич Фёдор Борисович Годунов и на основании которой были изданы в 1612-14 гг. карты Массы и Герарда в Голландии. Эти карты были первыми сколько-нибудь удовлетворительными генеральными картами России, хотя попытки к составлению таковых делались на Западе и ранее: известна, например, карта Бернардо Агнезе 1525 года, сохранившаяся в венецианском архиве и основанная на расспросных сведениях; карта Вида и особенно карта Герберштейна, который мог пользоваться отчасти и русским чертежом или, по крайней мере, русскими дорожниками.
После основания Пулковской обсерватории, при Николае I, геодезия и картография в России сделали значительные успехи и заявили о себе такими крупными работами как измерение (под руководством Струве) дуги меридиана от Лапландии до устьев Дуная и составление (с 1846 г.) 3-хверстной топографической карты западных губерний. При Александре II листы этой карты стали поступать и в продажу, и в то же время была издана 10-верстная карта Европейской России, также ряд карт по Азиатской России (Кавказу, Средней Азии), многие специальные карты и т. д.; с этого же времени возникла в России и частная картографическая деятельность.
Великие географические открытия эпохи Возрождения
Географические открытия, что заслуживают определения "большие", происходили на нашей планете во все исторические эпохи, с древности и до XX в. Но эпохой Великих географических открытий принято называть строго определенный исторический период. Его хронологические рамки отечественные историки и географы конечно ограничивают ли серединой концом XV - середины XVII ст. Ни одна другая эпоха не была настолько насыщена географическими открытиями, никогда они не имели такого исключительного значения для судеб Европы и всего мира. Усилиями нескольких поколений мореходов и землепроходцах рубеже ойкумены были раздвинуты; мир словно засверкал новыми красками, стал во всей своей великолепной разнообразия.
В рамках этой эпохи исследователи обычно выделяют два периода.
- или середина конец XV - середина XVI в. - период испанских и португальских открытий в Африке, Америке и Азии, что включает важнейшие плавания Колумба, Васко да Гамы и Магеллана;
- середина XVI - середина XVII вв. период, основное содержание которого составили впечатляющие достижения русских землепроходцев на севере Азии, английские и французские открытия в Северной Америке, голландские открытия в Австралии и Океании.
Имеются и другие точки зрения на хронологические рамки эпохи Великих географических открытий, которые ограничивают ее серединой ХV - серединой XVI в. или, напротив, включающие в нее и замечательные открытия XVIII в.
В ходе Великих географических открытий европейские путешественники впервые дерзнули пересечь океаны (единственное исключение в средневековой Европе - викинги, но их достижения к XV в. были уже давно забыты). Но для того чтобы мореплаватели осмелились оставить землю за кормой, человечеству пришлось сначала сделать множество различных изобретений: такие приборы, как компас и астролябия(астрономо-геодезический инструмент для определения широты места и поправки часов по наблюдаемым моментам прохождения звёзд), без которых нельзя было проложить верный путь и определить широту; астрономические таблицы, которые позволяли определять долготу; географические карты, в раннем средневековье предельно простыми, но постепенно становятся все более точными в деталях. Было необходимо книгопечатание, чтобы ускорить распространение сведений о изобретения и открытия; пушки и порох, чтобы сломить возможное сопротивление жителей вновь открытых земель, и многое, многое другое. А самое главное, был необходим (и был действительно создан) чудо-корабль, без которого открытия не могли быть сделаны, - каравелла - быстрая, с легким ходом, маневренная, что обладала удивительной способностью идти нужным курсом при любом направлении ветра, к тому же с небольшой командой, что позволяло взять на борт достаточно пищи и воды.
Большую роль сыграла в эпоху Великих географических открытий и идея, что получала все большее распространение, шарообразности Земли; с ней была связана мысль о возможности западного морского пути в Индию через Атлантический океан.
На первом этапе Великих географических открытий решающую роль сыграли Испания и Португалия, в силу ряда причин оказавшихся раньше других стран готовыми к выполнению трудных задач, выдвинутых время. В течение нескольких десятков лет мореплаватели пиренейских стран открывают юго-восточный путь в страны Востока вокруг Африки и юго-западный - в обход Америки, в поисках западного пути открывают и исследуют огромный двойной материк - Америку.
Но к середине XVI в. пиренейские государства, удовлетворенные захваченными источниками богатств, постепенно отказываются от новых исследовательских плаваний, стремясь прежде всего сохранить за собой уже приобретенные земли. Им на смену приходят Англия и немного позже Голландия.
Эти страны уже достаточно сильны, но еще не в состоянии вытеснить испанцев и португальцев из тех путей, которые ведут к источников их богатств. Поэтому Англия и Голландия должны были искать новые маршруты из Европы в страны Востока: северо-западный - вокруг Северной Америки и северо-восточный - вокруг северного побережья Азии. Имея в виду оба этих варианта, мореплаватели выходили из верного предположение, что Азия и Америка разделены проливом, по которому можно попасть из Северного Ледовитого океана в Тихий.
Путь к берегам Северной Америки проложил в 1497 г. генуэзец на английской службе Джон Кабот (Джованни Кабото). В экспедиции 1498 г., осуществленной Каботом и его сыном Себастьяном, английские суда пересекли Атлантический океан и, достигнув североамериканского материка в районе острова Ньюфаундленд, прошли вдоль его восточного побережья далеко на юго-запад. Однако плавание оказалось убыточным (на пушные богатства страны моряки не обратили внимания). Поэтому англичане надолго остыли к исследований во вновь открытых землях, хотя Себастьян Кабот потом еще дважды плавал к берегам Северной Америки.
Компас
Компас это устройство, облегчающее ориентирование на местности путём указания на магнитные полюса Земли и стороны света. Магнитный компас был изобретён в Китае при династии Сун и использовался для указания направления движения по пустыням в 200 году до н.э.
Хотя официально считается, что использование магнитного компаса в Европе для навигации началось приблизительно в XII веке нашей эры, тем не менее, судя по косвенным указаниям античных историков средиземноморья, магнитный компас использовался для ориентации в пространстве различными народами Средиземноморья и Европы ещё во втором тысячелетии до нашей эры. То, что для этого прибора не было определенного общепринятого названия в те годы, и авторы вынуждены были описывать этот прибор по-разному, говорит о том, что действительно секрет навигации по компасу хранился в строгой тайне и передавался только избранным. Широкому распространению использования компаса, наверное, мешало и то, что намагниченный материал был большой редкостью в то время. Следует добавить, что древние индийцы знали о намагниченном железе, а Ayas-kanta означает на санскрите магнит.
Принцип действия магнитного компаса основан на взаимодействии поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, стрелка всегда параллельна направлению линии магнитного поля.
На магнитном полюсе Земли силовые магнитные линии перпендикулярны поверхности. Из-за этого вблизи от магнитных полюсов Земли (в пределах 200 км) магнитный компас бесполезен для определения направления. На больших расстояниях необходимо учитывать поправку на разницу координат географического и магнитного полюсов.
Магнитный компас начинает давать неверные показания вблизи магнитов, месторождений железа и других ферромагнитных минералов, а также предметов из ферромагнитных материалов (железных, стальных и пр.).
Определение направлений на стороны горизонта по компасу выполняется следующим образом. Мушку визирного устройства ставят на нулевое деление шкалы, а компас — в горизонтальное положение. Затем отпускают тормоз магнитной стрелки и поворачивают компас так, чтобы северный её конец совпал с нулевым отсчетом. После этого, не меняя положения компаса, визированием через целик и мушку замечают удаленный ориентир, который и используется для указания направления на север. Направления на стороны горизонта взаимосвязаны между собой, и, если известно хотя бы одно из них, можно определить остальные. В противоположном направлении по отношению к северу будет юг, справа — восток, а слева — запад.
Измерение широты и долготы
Широта — это мера расстояния к северу или югу от экватора, который является воображаемой горизонтальной линией, проходящей на равном расстоянии от полюсов. Вся Земля разделена 180 широтными линиями, расположенными с обеих сторон от экватора, которые называются параллелями. Параллели идут параллельно экватору, на карте они обычно горизонтальны. 90 из них к северу от экватора, еще 90 -– к югу.
Долгота — это мера расстояния к востоку или западу от воображаемой линии, проходящей по поверхности земного шара от Северного полюса к Южному, называемой нулевым меридианом. Линии долготы — это серия линий, идущих от Северного полюса к Южному, которые называются меридианами; на картах они обычно вертикальны. Во всех точках, через которые проходит один меридиан, полдень наступает в одно и то же время. На Земле 360 меридианов, из которых 180 расположены к востоку от нулевого меридиана, а другие 180 — к западу.
Меридиан на противоположной стороне Земли относительно нулевого меридиана называется антимеридианом.
Широта и долгота обычно измеряются в градусах (°), минутах (′), и секундах (″). Полное расстояние от одной параллели до другой или от одного меридиана до другого составляет 1°. Чтобы производить более точные измерения, каждый градус можно разделить на 60 минут, а каждую минуту — на 60 секунд (таким образом, в градусе будет 3600 секунд).
К началу эпохи Великих географических открытий определение координат все еще оставалось недосягаемой мечтой штурманов. Определение широты особой проблемы не представляло — она легко вычисляется с помощью измерения угла возвышения Полярной звезды над горизонтом. А вот долгота оставалась крепким орешком. Ошибка приводила к потере кораблей, людей и товаров. Ведущие морские державы — Испания и Португалия, Голландия, Франция и Великобритания — учредили за решение проблемы серьезные премии. Со временем появились несколько астрономических методов — Вернера (метод лунных расстояний, 1514 год), Галилея (по положению спутников Юпитера, 1612), — но для их реализации требовались сложные астрономические инструменты и вычисления. Более простой способ (его приписывают Гемме Фризиусу) — сравнение локального времени с точным в референсной точке (порту) — требовал очень точных часов. В 1714 году британский парламент учредил специальную премию за разработку метода определения долготы. Плотник и часовщик-самоучка Джон Харрисон активно участвовал в разработке такого метода. В 1760 году он представил модель часов H4, — с балансом вместо маятника. Часы имели диаметр 12 см и были проверены во время двух плаваний в Вест-Индию — в 1761 и 1764 годах, уход при этом составил 5 секунд за три месяца путешествия. после этого парламент не торопился с выплатой денег. Дело в том, что в 1757 году британский морской офицер Джон Кэмпбелл разработал конструкцию секстанта — инструмента для измерения угловых расстояний между небесными телами. Парламент надеялся, что с помощью таблиц Королевской обсерватории и метода Вернера долготу можно будет вычислить «бесплатно» (Кэмпбелл состоял на королевской военной службе, и премия ему не полагалась). Но часы Харрисона оказались удобнее, и в конце концов в марте 1776 года — к 83-му дню рождения — ему выплатили заслуженную премию.
Помимо хронометра были и другие приборы для определения широты и долготы, в частности, секстант. Устройство прибора, основанного на принципе двойного отражения, впервые разработал Исаак Ньютон в 1699 году, но его открытие не было опубликовано и не нашло практического применения.
В 1731 году английский оптик Джон Хэдли усовершенствовал астролябию. Новый прибор, получивший название октант, позволял решить проблему измерения широты на движущемся судне, так как теперь два зеркала позволяли одновременно видеть и линию горизонта и солнце. Но октанту не досталась слава астролябии: за год до этого Хадли сконструировал секстант — прибор, позволявший с очень большой точностью измерять местоположение судна.
Секстант это наиболее современный и совершенный прибор для измерения угловых координат небесных тел. Секстант позволяет измерять как широту, так и долготу точки наблюдения, причем с довольно высокой точностью.
Секстант состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного наполовину прозрачного зеркала горизонта, а также измерительной линейки и указательной трубы. Для измерений секстант настраивают таким образом, чтобы его зрительная труба была направлена на линию горизонта. Свет от небесного объекта (звезды или солнца) отражается от указательного зеркала и падает на неподвижное зеркало горизонта. Угол наклона указательного зеркала, отсчитываемый по указательной линейки и есть и есть высота стояния небесного тела.
Зная точное местное время по специальному астрономическому справочнику можно определить широту и долготу места нахождения наблюдателя. Секстант имел указательную линейку с сектором в 60 градусов, а более компактный октант – только 30 и у него отсутствует зрительная труба, так как вместо нее применяется простой визир. Во всем остальном эти приборы совершенно одинаковы.
Радионавигация
Радионавигация - это совокупность операций по обеспечению вождения движущихся объектов (летательных аппаратов, судов и пр.), а также по наведению управляемых объектов с помощью радиотехнических средств. Как научно-техническая дисциплина, рассматривающая принципы построения радиотехнических средств и разрабатывающая методы их использования для обеспечения движения объектов по определённой траектории и вывода их в заданную точку в заданное время.
При решении основной задачи навигации - определения местоположения объектов и элементов их движения - в радионавигации используют как специальные радиотехнические средства, так и средства, применяемые в других областях техники, например в радиолокации, радиовещании.
Действие радионавигационных средств основано на использовании распространения радиоволн над поверхностью Земли по кратчайшему (ортодромическому) расстоянию между пунктами излучения и приёма с постоянной скоростью.
Толчком к началу практических работ в области спутниковой радионавигации послужил успешный запуск в СССР первого искусственного спутника Земли в октябре 1957 года.
В конце 1960-х годов были созданы низкоорбитальные спутниковые радионавигационные системы «Цикада» (СССР) и «Транзит» (США). Успешный опыт их эксплуатации подтвердил перспективность спутниковой радионавигации как основной линии развития радионавигации в целом.
ГНСС в том виде, в котором они существуют и используются сейчас, зародились в начале 1970-х годов, когда Советский Союз и США практически в одно время начали разработку глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. В настоящее время каждая из этих систем имеет на орбите полноценную орбитальную группировку навигационных космических аппаратов, которые обеспечивают предоставление услуг в глобальном масштабе.
Помимо системы ГЛОНАСС и GPS, работы по развертыванию глобальных навигационных спутниковых систем проводят Китай - система БЕЙДОУ, и страны Европейского союза - система ГАЛИЛЕО. Япония и Индия разворачивают региональные навигационные спутниковые системы QZSS и NavIC соответственно.
Спутниковые системы позиционирования (наземный, спутниковый и пользовательские сегменты)
Спутниковая система позиционирования - система для установления координат объектов (на поверхности Земли, в атмосфере или в околоземном космическом пространстве), использующая радиопередающие станции, расположенные на ИСЗ, и специализированные приёмники пользователей, чувствительные к радиосигналам спутников данной системы. В состав спутниковой системы позиционирования входит также сеть наземных станций контроля и управления, осуществляющих слежение за спутниками и способных посылать корректировочные радиосигналы.
Первые спутниковые системы позиционирования введены в строй в 1960–70-х гг. (NNSS в США, 1964; «Цикада» в СССР, 1979, и др.) и предназначались для морской и воздушной навигации; их приёмно-измерительная аппаратура была довольно громоздкой и тяжёлой. Развитие микроэлектроники позволило значительно уменьшить размеры радиоприёмников спутниковой системы позиционирования и даже встраивать их в мобильные телефоны.
Современные крупнейшие в мире спутниковые системы позиционирования – отечественная ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система; разработана по заказу МО СССР; 3 орбитальные плоскости с 8 спутниками на орбите; 1-й спутник выведен на орбиту в 1982, принята в эксплуатацию в 1993, открыта для коммерческого использования в 1995) и американский GPS (Global Positioning System – Глобальная система позиционирования; разработана и обслуживается МО США; 6 орбитальных плоскостей с 4 спутниками на орбите; 1-й спутник выведен на орбиту в 1978, коммерческое использование с конца 1980-х гг.) способны работать в любой точке земного шара; их совместное использование позволяет резко сократить количество «мёртвых зон» радиоприёма на Земле, обусловленных местными условиями распространения радиоволн.
Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.
В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс и центр управления. Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.
Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.
Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.
В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.
Инерциальные системы позиционирования
Долгое время отсутствие точной информации о местоположении самолета или вертолета было серьезным препятствием на пути развития авиации. Пилотам была необходима навигационная система, которая не зависела бы от земных ориентиров и капризов природы. Появление автономных инерциальных систем навигации стало большим шагом в истории авиации. Первые инерциальные системы в нашей стране были разработаны в 1960-х годах в Раменском приборостроительном КБ, входящем сегодня в концерн «Радиоэлектронные технологии» (КРЭТ) Госкорпорации Ростех.
Первые пилоты в движении ориентировались по солнцу, звездам или компасу, затем появились радиосигналы, но все эти способы зависели от внешних факторов, а значит, не были полностью надежными. Требовался навигационный прибор, анализирующий движение самолета и не использующий внешние источники информации. Все необходимое оборудование должно быть размещено на борту самолета, а система должна функционировать полностью автономно.
Такой метод теоретически был разработан в 1930-е годы, но реализовать его удалось только спустя 20 лет. Инерциальная навигация основывается на применении законов механики, в частности на теории устойчивости механических систем, которую разрабатывали русские математики А.М. Ляпунов и А.В. Михайлов. Первые инерциальные навигационные системы (ИНС) были созданы в 1950-е годы в США и СССР. Они были довольно громоздкими и могли занимать все свободное пространство самолета. Современные ИНС изготавливаются с применением микроэлектронных технологий и занимают гораздо меньше места.
ИНС могут решать различные задачи. Это и общая географическая ориентировка, и определение местонахождения относительно заданной траектории или цели, и наведение на движущуюся цель.
Основа работы ИНС заключается в измерении ускорений летательного аппарата и его угловых скоростей относительно трех осей самолета для того, чтобы исходя из этих данных определить местоположение самолета, его скорость, курс и другие параметры. По результатам анализа объект стабилизируется, и может использоваться автоматическое управление.
Для сбора информации о полете в состав ИНС включаются акселерометры, считывающие линейное ускорение, и гироскопы, позволяющие определить углы наклона самолета относительно основных осей: тангаж, рысканье и крен. Точность полученной информации зависит от характеристик этих приборов. Анализом данных занимается компьютер, который затем по определенным навигационным алгоритмам корректирует движение объекта.
ИНС делятся на платформенные и бесплатформенные. Основой для платформенных ИНС служит гиростабилизированная платформа. В бесплатформенных системах акселерометры и гироскопы жестко связаны с корпусом прибора. Функции платформы моделируются математически вычислительной системой. Бесплатформенные системы выгодно отличаются меньшим весом и габаритами, а также возможностью работать при значительных перегрузках.
Преимущества ИНС перед другими навигационными системами заключаются в их полной независимости от внешних источников данных, повышенной защите от помех, высокой информативности и возможности передавать информацию на большой скорости. Отсутствием какого-либо излучения при работе ИНС обеспечивается скрытность объекта, на котором она используется.
Недостатком ИНС можно назвать ошибки, которые накапливаются с течением времени в получаемой от приборов информации. Это могут быть как методические ошибки, так и ошибки, связанные с неверной начальной настройкой оборудования. Для их коррекции создаются интегрированные навигационные системы, где данные, получаемые ИНС, дополняются данными, поступающими от неавтономных систем, например спутниковой навигации. Еще одним относительным минусом ИНС является высокая стоимость входящего в их состав оборудования.
Инерциальные навигационные системы сегодня применяются не только в авиации. Их появление повлияло на развитие космонавтики, увеличилась дальность походов подводных лодок. ИНС используются в управлении морскими судами и баллистическими ракетами, применяются в геодезии. Также актуально применение подобных систем в беспилотных летательных аппаратах.
В 1960-е годы первые в СССР инерциальные навигационные системы для авиации были разработаны Раменским приборостроительным конструкторским бюро (РПКБ). Начиная с 1958 года специалистами РПКБ проводилось эскизное проектирование ИНС для различных классов и типов летательных аппаратов. Совершенствование чувствительных элементов – разработка поплавковых гироскопов и акселерометров, а затем динамически настраиваемых гироскопов – и примене