Навігаційна система. Морські навігаційні системи

Навігаційне обладнання буває самих різних типів і модифікацій. Є системи, призначені для використання в умовах відкритого моря, інші адаптовані для широких мас користувачів, що задіюють навігатори в чому в розважальних цілях. Якими бувають системи навігації?

Що таке навігація?

Термін "навігація" має латинське походження. Слово navigo означає "пливу на судні". Тобто спочатку воно було фактично синонімом судноплавства або мореплавання. Але в міру розвитку технологій, що полегшують шлях ходіння судів по океанах, з появою авіації, космічної техніки термін значно розширив спектр можливих трактувань.

Сьогодні під навігацією увазі процес, при якому людина управляє якимось об`єктом, виходячи з його просторових координат. Тобто навігація складається з двох процедур - це безпосередньо управління, а також прорахунок оптимального шляху руху об`єкта.

Види навігації

Класифікація типів навігації досить обширна. Сучасні експерти виділяють наступні її основні різновиди:

- автомобільная-

- астрономіческая-

- біонавігація-

- воздушная-

- косміческая-

- морская-

- радіонавігація-

- спутніковая-

- подземная-

- інформаціонная-

- інерціальна.

Деякі з перерахованих вище типів навігації тісно пов`язані між собою - головним чином, через спільність задействуемих технологій. Наприклад, автомобільна навігація часто задіює інструментарій, характерний для супутникової.

Є змішані типи, в рамках яких одночасно використовуються кілька технологічних ресурсів, такі як, наприклад, навігаційно-інформаційні системи. У них ключовими можуть бути як такі ресурси супутникового зв`язку. Проте кінцевою метою їх задіяння буде постачання цільових груп користувачів необхідною інформацією.

Системи навігації

Відповідний тип навігації формує собою, як правило, однойменну систему. Тобто, таким чином, автомобільна навігаційна система, морська, космічна і т.д. Визначення цього терміну також присутній в експертному середовищі. Навігаційна система, відповідно до розповсюдженої трактуванням - це сукупність різних видів устаткування (а якщо є - то і програмного забезпечення), які дозволяють визначити положення об`єкта, а також прорахувати його маршрут. Інструментарій тут може бути різним. Але в більшості випадків системи характеризуються наявністю наступних базових компонентів, таких як:

- карти (як правило, в електронному вигляді) -

- датчики, супутники і інші агрегати для обчислення координат-

- позасистемні об`єкти, що дають відомості про географічне положення целевого-

- програмно-апаратний аналітичний блок, що забезпечує вводи і виведення даних, а також зв`язуючий перші три компонента.

Як правило, структура тих чи інших систем адаптована під потреби кінцевих користувачів. Окремі види рішень можуть бути акцентовано розвинені в сторону програмної частини, або, навпаки, апаратної. Наприклад, популярна в Росії навігаційна система "Навітел" - це більшою мірою софт. Він призначений для користування широким колом громадян, які володіють різного роду мобільними пристроями - ноутбуками, планшетами, смартфонами.

Навігація через супутник

Будь навігаційна система передбачає, перш за все, визначення координат об`єкту - як правило, географічних. Історично інструментарій людини в цьому плані постійно вдосконалювався. Сьогодні найбільш досконалі навігаційні системи - супутникові. Їх структура представлена сукупністю високоточного обладнання, частина якого розташована на Землі, інша - обертається на орбіті. Сучасні супутникові навігаційні системи здатні обчислювати не тільки географічні координати, а й швидкість об`єкта, а також напрямок його руху.

Елементи супутникової навігації

До складу відповідних систем входять такі основні елементи: угруповання супутників, наземні блоки вимірювання координації орбітальних об`єктів та обміну інформацією з ними, прилади для кінцевого користувача (навігатори), забезпечені необхідним ПЗ, в деяких випадках - додаткове обладнання для уточнення географічних координат (GSM-вишки , інтернет-канали, радіомаяки і т.д.).

Як працює супутникова навігація

Як функціонує супутникова навігаційна система? В основі її роботи - алгоритм вимірювання відстані від об`єкта до супутників. Останні розташовуються на орбіті практично не змінюючи свого положення, і тому їх координати відносно Землі завжди постійні. У навігаторах відповідні цифри закладені. Знаходячи супутник і підключившись до нього (або відразу до декількох), пристрій визначає, у свою чергу, своє географічне положення. Основний метод тут - обчислення відстані до супутників на основі швидкості радіохвиль. Орбітальний об`єкт відправляє запит на Землю з винятковою точністю за часом - для цього використовуються атомний годинник. Отримавши від навігатора відгук, супутник (або група таких) визначає, яку відстань за такий-то часовий проміжок встигла пройти радіохвиля. Аналогічним чином вимірюється швидкість переміщення об`єкта - тільки вимір тут дещо більш складне.

Технічні складності

Ми визначили, що супутникова навігація - найдосконаліший на сьогодні метод визначення географічних координат. Разом з тим практичне користування даною технологією супроводжується низкою технічних складнощів. Яких, наприклад? Насамперед, це неоднорідність розподілу гравітаційного поля планети - це впливає на положення супутника щодо Землі. Аналогічним властивістю характеризується також і атмосфера. Її неоднорідність може впливати на швидкість радіохвиль, через що у відповідних вимірах можуть бути неточності.

Ще одна технічна складність - сигнал, що посилається з супутника на навігатор, часто перегороджує іншими наземними об`єктами. В результаті чого повноцінне користування системою в містах з високими будинками буває утруднено.

Практичне використання супутників

Супутникові навігаційні системи знаходять найширший спектр застосування. Багато в чому - як елемент різних комерційних рішень громадянської спрямованості. Це можуть бути як побутові пристрої, так і, наприклад, багатофункціональна навігаційна медіа-система. Крім цивільного застосування, ресурсами супутників користуються геодезисти, фахівці в області картографії, транспортні компанії, різні державні служби. Активно задіюються супутники геологами. Зокрема, з їх допомогою можна обчислювати динаміку руху тектонічних земних плит. Знаходять застосування супутникові навігатори і як маркетинговий інструмент - за допомогою аналітики, в якій присутні методи геопозиционирования, компанії проводять дослідження своєї клієнтської бази, а також, наприклад, направляють цільову рекламу. Зрозуміло, користуються навігаторами та військові структури - саме вони, власне, і розробили найбільші навігаційні системи сьогодні, GPS і ГЛОНАСС - для потреб армії США і Росії відповідно. І це далеко не вичерпний перелік сфер, де можуть застосовуватися супутники.

Сучасні навігаційні системи

Які навігаційні системи функціонують сьогодні в числі діючих або перебувають у стадії розгортання? Почнемо з тією, що з`явилася на глобальному публічному ринку раніше, ніж інші навігаційні системи - GPS. Її розробник і власник - Міністерство Оборони США. Пристрої, які підтримують зв`язок через GPS-супутники - найпоширеніші у світі. Головним чином тому, що, як ми сказали вище, ця американська навігаційна система була виведена на ринок раніше її сучасних конкурентів.

Активно набирає популярність ГЛОНАСС. Це - російська навігаційна система. Належить вона, в свою чергу, Міністерству оборони РФ. Розроблено вона була, за однією з версій, приблизно в ті ж роки, що і GPS - наприкінці 80-х - початку 90-х. Однак на публічний ринок була виведена зовсім недавно, в 2011 році. Все більше виробників апаратних рішень для навігації впроваджують підтримку ГЛОНАСС в своїх пристроях.

Передбачається, що серйозну конкуренцію ГЛОНАСС і GPS може скласти глобальна навігаційна система "Бейдоу", що розробляється в КНР. Правда, на даний момент вона функціонує тільки як національна. Статус глобальної вона може отримати, за версією деяких аналітиків, до 2020 року, коли на орбіту буде виведено достатню кількість супутників - порядку 35. Програма розробки системи "Бейдоу" порівняно молода - вона почалася тільки в 2000 році, а перший супутник китайські розробники запустили в 2007-му.

Намагаються не відставати і європейці. Навігаційна система ГЛОНАСС і її американський аналог в осяжному майбутньому цілком можуть вступити в змагання з GALILEO. Розгорнути угруповання супутників в потрібній кількості одиниць орбітальних об`єктів європейці планують до 2020 року.

У числі інших перспективних проектів з розробки навігаційних систем можна відзначити індійську IRNSS, а також японську QZSS. Щодо першої широко афішуються публічних відомостей про наміри розробників створити глобальну систему поки немає. Передбачається, що IRNSS обслуговуватиме тільки територію Індії. Програма також досить молода - перший супутник був виведений на орбіту в 2008 році. Японська супутникова система, як передбачається, також буде використовуватися головним чином в рамках національних територій країни-розробника або сусідніх з нею.

Точність позиціонування

Вище ми відзначили ряд складнощів, актуальних для функціонування супутникових навігаційних систем. У числі головних, що ми назвали - розташування супутників на орбіті, або їх рух по заданій траєкторії, не завжди характеризується абсолютною стабільністю в силу ряду причин. Це зумовлює неточності обчислення географічних координат в навігаторах. Разом з тим, це не єдиний фактор, що впливає на коректність позиціонування за допомогою супутника. Що ще впливає на точність обчислення координат?

Перш за все, варто відзначити - ті самі атомні годинники, що встановлені на супутниках, не завжди абсолютно точні. У них можливі, хоча й зовсім невеликі, але все ж впливають на якість роботи систем навігації помилки. Наприклад, якщо при прорахунку часу, за який рухається радіохвиля, буде допущена помилка на рівні десятків наносекунд, то неточність у визначенні координат наземного об`єкта може скласти кілька метрів. Разом з тим, на сучасних супутниках є апаратура, що дозволяє вести обчислення навіть з урахуванням можливих помилок в роботі атомних годин.

Вище ми відзначили, що в числі факторів, що впливають на точність роботи систем навігації - неоднорідність атмосфери Землі. Корисно буде доповнити даний факт іншими відомостями, що стосуються впливу навколоземних областей на роботу супутників. Справа в тому, що атмосфера нашої планети ділиться на кілька зон. Та, що знаходиться фактично на кордоні з відкритим космосом - іоносфера - складається з шару частинок, що мають якийсь заряд. Вони, стикаючись з радіохвилями, що відправляються супутником, можуть знижувати їх швидкість, внаслідок чого відстань до об`єкта може бути обчислено з помилкою. Відзначимо, що і з даного роду джерелом проблем зі зв`язком розробники супутникової навігації працюють: в алгоритми роботи орбітального обладнання, як правило, закладені різного роду коригувальні сценарії, що враховують в розрахунках особливості проходження радіохвиль через іоносферу.

Хмари і інші атмосферні явища також можуть впливати на точність роботи навігаційних систем. Водяні пари, присутні у відповідних шарах повітряної оболонки Землі, так само, як і частинки в іоносфері, впливають на швидкість радіохвиль.

Безумовно, що стосується побутового застосування ГЛОНАСС або GPS у складі таких агрегатів, як, наприклад, навігаційна медіа-система, функції якої багато в чому носять розважальний характер, то невеликі неточності в прорахунках координат не критичні. Але при військовому використанні супутників відповідні обчислення повинні бути ідеально відповідними реальному географічному положенню об`єктів.

Особливості морської навігації

Поговоривши про найсучаснішому типі навігації, зробимо невеликий екскурс в історію. Як відомо, сам термін, про який йде мова, вперше з`явився в середовищі мореплавців. Якими особливостями характеризуються морські навігаційні системи?

Говорячи про історичному аспекті, можна відзначити еволюцію інструментарію, що знаходиться в розпорядженні моряків. Одним з перших "апаратних рішень" був компас, який, як вважають деякі експерти, був винайдений в XI столітті. Процес складання карт, як ключових інструментів навігації, також вдосконалювався. У XVI столітті Герард Меркатор почав складати карти, виходячи з принципу застосування циліндричної проекції з рівними кутами. У XIX столітті був винайдений лаг - механічний агрегат, здатний вимірювати швидкість морських суден. У ХХ столітті в арсеналі мореплавців з`явилися радари, а потім і космічні супутники зв`язку. Найсучасніші морські навігаційні системи сьогодні функціонують, таким чином, пожинаючи плоди освоєння людиною космосу. Яка специфіка їхньої роботи?

Деякі експерти вважають, що головна особливість, якої характеризується сучасна морська навігаційна система - штатна апаратура, інстальована на судні, володіє дуже високою стійкістю до зносу, дії води. Це цілком зрозуміло - не можна, щоб корабель, що вийшов у відкрите плавання за тисячі кілометрів від суші, опинився в ситуації, коли обладнання несподівано відмовить. На землі, де в доступі - ресурси цивілізації, все можна полагодити, в море - проблематично.

Якими ще примітними характеристиками володіє морська навігаційна система? Штатна апаратура, крім обов`язкової вимоги - зносостійкості, як правило, містить модулі, адаптовані до фіксації деяких параметрів навколишнього середовища (глибини, температури води і т.д.). Також швидкість судна в морських навігаційних системах у багатьох випадках обчислюється все ж не супутниками, а штатними методами.