НАВИГАЦИЯ
НАВИГАЦИЯ, раздел науки о способах проведения морских, воздушных судов и космических летательных аппаратов из одной точки пространства в другую. Эта задача решается методами и приборами мореходной, воздушной и космической навигации, которые позволяют определить местоположение и ориентацию движущегося объекта относительно принятой системы координат, величину и направление скорости движения, направление и расстояние до места назначения и т.д. Наиболее современные методы навигации – астрономические и радиотехнические. См. также АЭРОНАВИГАЦИЯ; КОМПАС; СЕКСТАНТ.
АСТРОНОМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАВИГАЦИИ
Астрономические методы навигации основаны на определении положения известных небесных светил относительно выбранной системы координат. Эти методы реализуются при помощи астрономических оптических и оптико-электронных навигационных приборов. Для астронавигационных приборов характерны автономность измерения, ограничиваемая только видимостью небесных светил (в приземной области), и высокая точность определения координат места, не зависящая от длительности, дальности, высоты и скорости движения. Поскольку основная задача навигации заключается в проведении объекта по заданной траектории в заданное время, учет хода времени является обязательной составной частью навигационных измерений.
Небесная сфера.
Положение светил на небе определяется аналогично тому, как определяется положение точки на земной поверхности, – долготой и широтой. Вводится вспомогательная небесная сфера с центром в центре Земли, и все светила проецируются на нее. Принимается, что все светила расположены на этой сфере, вращающейся вокруг Земли. Небесный экватор рассматривается как проекция земного экватора на небесную сферу, и точно так же получаются Северный и Южный полюсы мира – как проекции земных полюсов.
Широта на небесной сфере называется склонением и может быть северной или южной относительно экватора, как и на Земле. Небесная долгота выражается звездным часовым углом (ЗЧУ), гринвичским часовым углом (ГЧУ) или местным часовым углом (МЧУ) светила. См. также НЕБЕСНАЯ СФЕРА.
Небесные часовые углы.
Небесный меридиан, проходящий через точку весеннего равноденствия, называемую также первой точкой Овна (
), считается нулевым. ЗЧУ светила отсчитывается к западу от нулевого небесного меридиана в пределах от 0 до 360° и указывается в угловых градусах.
Поскольку небесная сфера равномерно вращается вокруг Земли с востока на запад, всякая задача астронавигации требует соотнесения часового угла наблюдаемого светила с нулевым, т.е. гринвичским, меридианом на Земле. Угол между гринвичским меридианом и светилом называется гринвичским часовым углом светила. ГЧУ тоже измеряется к западу от 0 до 360°.
Местный часовой угол (МЧУ) светила есть угол между небесным меридианом наблюдателя и положением светила. МЧУ всегда измеряется в градусах к западу от меридиана наблюдателя. Чтобы найти МЧУ светила, нужно из его ГЧУ вычесть гринвичский угол наблюдателя. Если результат оказывается отрицательным, то нужно абсолютную величину этого результата вычесть из 360°. Следует учитывать, что долгота на Земле измеряется также к востоку от гринвичского меридиана до 180°.
Приборы.
Географические координаты места объекта можно определить, измерив высоты двух светил над горизонтом. Вычисления координат могут осуществляться оператором или автоматическими астронавигационными системами. Высота же светила измеряется секстантом. Авиационные секстанты снабжаются искусственным горизонтом в виде жидкостного уровня (или гироскопа). После определения по шкале секстанта высоты светила над горизонтом вносятся небольшие поправки на погрешность градуировки прибора и на параллакс – отклоняющее действие земной атмосферы на проходящий сквозь нее свет. В авиационных секстантах предусматриваются автоматическая регистрация показания по завершении визирования, а также усреднение показаний в процессе быстрого многократного визирования. Космические секстанты на один-два порядка величины точнее морских и авиационных.
Линии положения.
Визированием небесного светила навигатор может определить лишь линию, проходящую через его местоположение. Чтобы определить свои координаты места, ему нужно визировать второе светило и установить вторую линию положения. Тогда его местоположение будет представлено точкой пересечения этих двух линий. Однако эти измерения не дают навигатору точных координат места. При визировании светила он принимает собственную оценку этих координат. Вычислив МЧУ визированного им небесного светила, навигатор с учетом склонения и часового угла последнего, пользуясь специальными таблицами, может вычислить высоту рассматриваемого небесного светила в предположении, что он находится в принятой им точке. Разность вычисленной высоты и измеренной при визировании секстантом укажет ему величину и направление смещения истинного местоположения от принятой точки. Каждая угловая минута этой разности соответствует одной морской миле (1,85 км).
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАВИГАЦИИ
Радиоэлектронные системы навигации, история которых начинается со времен Второй мировой войны, позволяют бортовым приборам быстро и автоматически определять и указывать местоположение, а при необходимости и скорость, в любых погодных условиях. В наши дни многие такие системы, созданные в военных целях, обслуживают и гражданских пользователей.
Авиационные системы посадки.
Международная система такого рода – так называемая система посадки по приборам (ILS). Это микроволновая передающая система, которая сигналами трех радиомаяков указывает пилоту отклонение по курсу и глиссаде от стандартной траектории захода на посадку (см. также АЭРОПОРТ; СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН). Система ILS допускает заход на посадку только по прямой, а возможности пользования ею зависят от местных условий распространения сигнала. Эти недостатки устранены в разработанной позднее СВЧ-системе обеспечения посадки MLS. Она менее чувствительна к местным условиям, способна обслуживать кратное прибытие и может задавать переменные схемы захода. Криволинейные пути захода на посадку снижают уровень шума в некоторых аэропортах.
Радиолокация.
Радиолокационная навигация имеет особенно важное значение для судоходства в прибрежных водах. Радиолокация заменяет зрение штурману в тумане и ночной темноте. Индикатор кругового обзора (ИКО) показывает положение судна на фоне изображения карты местной зоны. Указывая также положение других судов и суши, радиолокатор позволяет избежать столкновений.
Радиолокация применяется и в воздушной навигации. Доплеровское навигационное устройство тремя или четырьмя узкими радиолучами СВЧ-антенн сканирует землю в разных направлениях. На основе эффекта Доплера вычисляется путевая скорость воздушного судна, а интегрированием скорости определяется его местоположение. См. также ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ.
Наземные радиолокационные станции служат основой современного управления воздушным движением. Радиолокация позволяет также измерять высоту, что дает возможность определять координаты самолета в трех измерениях. См. также РАДИОЛОКАЦИЯ; ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ УПРАВЛЕНИЕ.
Радиомаяки.
Пеленгаторная антенна судна может определять направление на радиомаяк, сигнал которого она принимает. Сигнал радиомаяка содержит позывной код, по которому можно установить местоположение маяка. Отсчитывая курс по компасу, штурман проводит линию положения (см. выше). Точкой пересечения двух таких линий определяются координаты судна.
Точность пеленгации по радиомаякам невелика на большом удалении от них, но приемлема – на малом. Преимуществом ручных пеленгаторных приемников (радиополукомпасов) является их дешевизна. В авиации обычно применяются автоматические радиопеленгаторы, или радиокомпасы.
Системы измерения азимута и расстояния.
Оборудование этой категории дает основную маршрутную информацию для воздушной навигации. Зная азимут известной наземной радиостанции, пилот может держать на нее курс и при этом видеть на индикаторе расстояние до нее. Перестраиваясь с одной станции на другую, он может проследовать «вслепую» в любую точку назначения.
Информацию об азимуте дает всенаправленный курсовой радиомаяк УКВ-диапазона VOR (VHF Omnidirectional Range). Радиомаяк VOR передает два сигнала, разность фаз которых является прямой мерой его азимута относительно направления на север, причем показания компаса не требуются. ВВС и ВМФ США разработали другую систему определения азимута как часть своей радионавигационной системы ближнего действия «Такан» (TACAN – Tactical Air Navigation). Погрешность (стандартное отклонение) системы VOR немногим меньше 1°, а погрешность системы «Такан» – около 0,5°.
Гражданские и военные радиомаяки США используют однотипное дальномерное оборудование DME (Distance Measuring Equipment). Расстояние от пользователя до радиомаяка определяется по измеренному времени, за которое сигнал пользователя доходит до радиомаяка, вызывает срабатывание ответчика (принимающего, усиливающего и снова передающего сигнал) и возвращается обратно. Время измеряется как интервал между переданным и принятым импульсами. Точность определения расстояний – около 400 м. В тех случаях, когда одно и то же оборудование DME используется для радиомаяков VOR и TACAN, система обозначается аббревиатурой VORTAC.
Точные измерения изменений дальности за малые интервалы времени лежат в основе наземного слежения за космическими летательными аппаратами. На станциях слежения используются большие антенны и атомные часы (в качестве стандартов частоты). Изменения дальности определяются по изменению фазы сигнала, пришедшего от бортового ответчика КЛА.
Гиперболические системы.
Гиперболическая радионавигационная система дает линии положения, которые представляют собой гиперболы. Радиодальномерные системы определяют координаты в направлении на источник сигнала точнее, чем в поперечном направлении. В гиперболических системах для измерения расстояния используются радиосигналы без применения ответчика. Если ответчик может обслуживать одновременно лишь небольшое число пользователей, то число пользователей гиперболической системы не ограничено. Для измерения дальности передающей станции необходимо, как говорилось выше, очень точными (и дорогостоящими) часами измерять время прохождения сигнала. В гиперболических системах необходимость в дорогостоящих часах устранена благодаря тому, что измеряется разность времен прихода сигналов от двух разнесенных в пространстве наземных радиостанций. По этой разности вычисляется разность расстояний до радиостанций. Линии с одинаковой разностью времен прихода сигналов от каждой пары радиостанций представляют собой гиперболы на плоскости и близки к гиперболам на поверхности Земли. Точка пересечения гипербол соответствует местоположению судна.
Из гиперболических радионавигационных систем наиболее широко применяется импульсно-фазовая разностно-дальномерная система «Лоран-С» (LORAN – Long Range Navigation). Она принята в качестве стандартной радионавигационной системы для судоходства в прибрежных водах США. Ее радиостанции обеспечивают хороший охват восточного побережья США, Мексиканского залива и западного побережья до южной части Аляски. Работая на низких частотах, эта система использует т.н. земную радиоволну, которая огибает поверхность Земли и поэтому в своем распространении не ограничена пределами прямой видимости. Сигналами системы можно пользоваться в радиусе около 2000 км от ее станций, и в большинстве охватываемых зон она обеспечивает точность около 500 м. Приемники системы «Лоран-С» устанавливаются также на многих военных самолетах и на самолетах гражданской авиации общего назначения.
В международном масштабе применяется также фазовая гиперболическая радионавигационная система «Омега» (OMEGA). Ее основным отличием от системы «Лоран» является низкая рабочая частота и соответственно этому повышенная дальность действия. Глобальный охват обеспечивается восемью радиостанциями. Однако из-за большой рабочей длины волны (соответствующей низкой частоте) погрешность определения координат выше – около 3 км.
Инерциальные навигационные системы.
Недостатком всех радиотехнических методов навигации является то, что на передаваемый и принимаемый радиосигнал могут налагаться естественные и искусственно создаваемые радиопомехи. В военной технике необходимы автономные средства навигации, которые не требовали бы внешних сигналов, а потому и не боялись бы радиоэлектронного подавления. Этим условиям отвечает т.н. инерциальная навигация. См. ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИЯ.
Показания высоты, определяемой средствами инерциальной навигационной системы (ИНС), принципиально неустойчивы. Поэтому многие бортовые системы инерциальной навигации показывают только широту и долготу, а высота, если она необходима, определяется иными средствами. Другой возможный вариант – применение альтиметра (барометрического или радиолокационного) для стабилизации показаний высоты ИНС.
Спутниковые навигационные системы.
Радиопередатчики геостационарных и иных искусственных спутников Земли осуществляют навигационное вещание в глобальном, масштабе. Пользователь всякой спутниковой системы должен знать координаты спутника в момент определения своего местоположения. Поэтому наземные радиостанции определяют параметры орбит и координаты местоположения спутников и передают эти данные на спутники, откуда они в кодированном виде передаются пользователю. См. также СПУТНИК СВЯЗИ.
В США была создана спутниковая навигационная система ВМС «Трансит», которая позднее получила название «Навсат» (NAVSAT – Navy Navigation Satellite). К таким системам получили доступ и суда гражданского морского флота. В США в конце 20 в. насчитывалось свыше 40 000 гражданских пользователей системы «Навсат». Спутники системы «Навсат» выводились на околополярные орбиты высотой 965 км. Они непрерывно вещали на двух частотах, причем оборудование пользователя могло принимать либо один, либо оба сигнала. Преимущество двухчастотного приема в том, что он дает возможность вычислять поправку на задержку, связанную с распространением сигнала в атмосфере. Погрешность определения местоположения на одной частоте равна приблизительно 500 м, а на двух – 25 м. Такая система имеет сравнительно низкую стоимость приемного оборудования, однако не обеспечивает сплошного охвата. Поэтому система «Навсат» была непригодна для воздушной навигации.
В 1970-х годах министерство обороны США разработало глобальную спутниковую систему местоопределения «Навстар» (NAVSTAR – Navigation Satellite Providing Time And Range) или, короче, GPS (Global Positioning System), лишенную недостатков системы «Навсат». В конце 1990-х годов она стала доступной и для гражданских пользователей. Система основана на вычислении расстояния от пользователя до спутника по измеренному времени от передачи сигнала спутником до приема этого сигнала пользователем. Пользователю не требуется иметь точные часы, поскольку измеряется расстояние до четырех спутников и по данным этих измерений вычисляются не только три координаты, но и уход часов пользователя.
Спутники GPS непрерывно передают сигналы двух частот. Каждый из этих двух сигналов несет ряд модуляций, одна из которых служит для передачи эфемеридного времени спутника и данных ухода часов. Одна из модуляций, используемых для местоопределения, называется «сигналом C/A» (Code Acquisition – сигнал вхождения в синхронизм по кодовой комбинации). Средства для приема этого сигнала доступны любому пользователю. С учетом широкого распространения приемников, рассчитанных на прием только сигнала C/A, эта часть системы была названа стандартной службой местоопределения (SPS – Standard Positioning Service). Военные же приемники используют сигнал C/A для приема другой модуляции, называемой «кодом P» (Precision Code). Эта часть системы получила название службы точного местоопределения (PPS – Precise Positioning Service). При благоприятной конфигурации спутников служба SPS позволяет определять трехмерные координаты места с погрешностью около 30 м. По соображениям государственной безопасности погрешность системы GPS может быть намеренно увеличена примерно до 100 м. Для пользования сигналами службы PPS нужно знать определенную кодовую комбинацию. Погрешность «точного» местоопределения составляет около 15 м.
Двадцать четыре спутника системы GPS находятся на 12-часовых орбитах высотой 20 146 км с наклонением орбиты, равным 55°. Таким образом, в любой точке земного шара в пределах прямой видимости имеется не менее четырех спутников в конфигурации, благоприятной для местоопределения. Благодаря этому в наши дни водитель междугородного трейлера, автомашины медицинской скорой помощи, рулевой яхты может, имея миниатюрную антенну, считывать по цифровому дисплею навигационного приборчика размером с небольшую книжку постоянно меняющиеся координаты своего местоположения, указываемые с точностью до 15 м.
Комбинированная навигация.
Коль скоро имеются разные навигационные системы, сама собой напрашивается мысль об их совместном использовании в целях реализации наилучших характеристик каждой из них. Очевидный вариант для мореходной навигации – сочетание систем «Омега» и «Лоран-С». Первая из них обеспечивает глобальный охват, а вторая – более точные данные там, где это возможно, т.е. вблизи побережья, где и требуется более точная навигация.
Наиболее совершенной в настоящее время представляется комбинация инерциальной навигационной системы со спутниковой системой GPS. Только ИНС способна отслеживать маневры высокоскоростного самолета и непрерывно выводить на дисплей изменяющиеся значения координат, скорости и ориентации. Данные же системы GPS можно было бы использовать для контроля за накоплением ошибки инерциальной системы, что позволило бы такой комбинированной навигационной системе точно указывать координаты и скорость за длительные интервалы времени и стабилизировать показания ИНС по высоте. См. также АЭРОНАВИГАЦИЯ; АЭРОПОРТ.
Помыкаев И.И. и др. Навигационные приборы и системы. М., 1983
Ответь на вопросы викторины «Древний мир»