Кіріспе
Астронавигация – жұлдыздар мен басқа аспан денелерін пайдаланып, орналасуды анықтау тәсілі. Бұл тәсіл навигаторға кеңістікте немесе Жер бетіндегі нақты физикалық орнын, тек бағаланған позициялық есептеулерге сүйенбей, анықтауға мүмкіндік береді. Аспандық навигация спутниктік навигацияны немесе басқа ұқсас заманауи электрондық немесе цифрлық позициялау құралдарын қолданбай орындалады. Аспандық навигацияда әдетте аспан денелері (мысалы, Күн, Ай, планета немесе жұлдыз) мен көрінетін көкжиек арасындағы «көріністер», яғни уақыт бойынша өлшенген бұрыштық өлшемдер қолданылады. Аспандық навигация Жердің көкжиегіне сілтеме жасамай, аспан денелері арасындағы өлшемдерді де пайдалана алады. Мысалы, Ай мен басқа таңдалған денелер «лунарлар» немесе айлық қашықтық әдісі деп аталатын тәжірибеде қолданылғанда, уақыт белгісіз болған кезде нақты уақытты анықтау үшін қолданылады. Жер бетінде Күн мен көкжиекті бақылау арқылы аспандық навигация кеңінен қолданылады, ол орналасуды анықтаудың әртүрлі әдістерін ұсынады, олардың бірі – «түс мезгіліндегі навигация» деп аталатын танымал және қарапайым әдіс. Бұл – Күннің нақты биіктігін және сол биіктіктің нақты уақытын (жергілікті түскі уақыт деп аталады) бір рет бақылау. Бұл бұрыштық бақылау, оның бір мезгілдегі нақты уақытын білумен біріктіріліп, негізгі меридиандағы уақыт деп аталады, қарапайым математикалық есептеу арқылы бақылаудың уақыты мен орнында ендік пен бойлық орнын тікелей көрсетеді. Ай, планета, Полярлық жұлдыз немесе басқа 57 навигациялық жұлдыздың бірі, олардың координаттары кез келген жарияланған теңіз немесе әуе альманахында кестеленген, осы мақсатты жүзеге асыра алады. Аспандық навигация өз мақсатын аспан денелері мен көзге көрінетін көкжиек арасындағы бұрыштық өлшеулерді (көріністерді) пайдалану арқылы жерде, әуеде немесе теңіздегі адамның орнын анықтау үшін жүзеге асырады. Сонымен қатар, жұлдыздар мен басқа аспан денелерін бақылау Аполлон ғарыш бағдарламасында қолданылған және әлі күнге дейін көптеген қазіргі спутниктерде қолданылатын ғарыш кеңістігінде бірдей нәтижелерге қол жеткізді. Сол сияқты, басқа планеталық денелерде олардың жер бетіндегі орнын анықтау үшін олардың жергілікті көкжиегін және сәйкес келуімен сәйкес келуімен және жергілікті уақыт туралы біліммен сәйкес келетін аспан денелерін пайдалану үшін аспандық навигацияны пайдалануға болады. Аспандық құралдармен навигация үшін кез-келген уақытта Жер бетінде аспан денесі Жер бетіндегі бір нүктеден тікелей орналасқан. Бұл нүктенің ені мен ұзындығы аспан денелерінің географиялық орны (GP) деп аталады, оның орналасуы сол жылға арналған теңіз немесе әуе альманахындағы кестелерден анықталуы мүмкін. Аспан денесі мен көру горизонтының арасындағы өлшенген бұрыш аспан денесінің GP мен бақылаушының орнының арасындағы қашықтыққа тікелей байланысты. Кейбір есептеулерден кейін, «көріністі азайту» деп аталады, бұл өлшеу навигациялық картада немесе жұмыс парағында позицияның сызығын (LOP) сызу үшін қолданылады, бақылаушының орны сол сызықта болады. LOP – бұл Жердегі өте үлкен шеңбердің қысқа сегменті, ол байқалатын аспан денесінің GP-ін қоршап тұрады. (Жер бетіндегі осы шеңбердің айналасында орналасқан бақылаушы сол бір аспан денелерінің горизонт үстіндегі бұрышын өлшегенде, сол дененің горизонт үстіндегі бірдей бұрышта екенін байқайды.) Екі аспан денелерінің көрінісі картада екі осындай сызықты береді, олар бақылаушының орнында қиылысады (әрине, екі шеңбер жоғарыда сипатталған екі жұлдыздың көрінісінен туындайтын екі қиылысу нүктесін тудырады, бірақ біреуін тастауға болады, өйткені ол болжамды позициядан алыс болады). Көптеген навигаторлар, егер олар бар болса, үштен беске дейінгі жұлдызды көздерді қолданады, өйткені бұл тек бір ғана ортақ қиылысқа әкеледі және қателіктерді азайтады. Бұл тұжырым «биіктікпен қарсы алу әдісі» деп аталатын аспандық навигацияның ең көп қолданылатын әдісінің негізі болып табылады. Кем дегенде үш нүкте сызу керек. Сюжеттің қиылысуы әдетте дәл орналасуы оның ішінде болатын үшбұрышты береді. Нысананың дәлдігі үшбұрыштың өлшемімен анықталады. Джошуа Слокум өзінің саяхат кезінде қазіргі орнын анықтау үшін түскі уақыт пен жұлдызды қарау навигациясын қолданды, бұл әлемді бір қолмен айналып өтудің алғашқы тіркелуі. Сонымен қатар, ол Гринвичтегі белгілі уақытты (тұңғыш меридианды) анықтау және сақтау үшін айлық қашықтық әдісін («лунарлар») қолданды, осылайша оның «қалайы сағатының» дұрыстығын сақтап, оның орналасуын анықтаудың дұрыстығын қамтамасыз етті. Аспандық навигация бойлықты анықтау үшін негізгі меридиандағы уақыттың дұрыс белгілі болуын қажет етеді. Негізгі меридиандағы уақыт (0° бойлық) қаншалықты дұрыс белгілі болса, анықтама соншалықты дұрыс болады. Шындығында, уақыт көзінің әр төрт секундтық қатесі (әдетте хронометр немесе ұшақта «жедел сағат») бір теңіздік шақырымдық позициялық қатеге әкелуі мүмкін. Уақыт белгісіз немесе сенімсіз болған жағдайда, айлық қашықтық әдісін негізгі меридиандағы уақытты анықтау әдісі ретінде пайдалануға болады. Секундтық стрелкасы немесе цифры бар жұмыс істейтін сағат, айлық түзетулері бар альманах және секстант қолданылады. Уақыт туралы ешқандай білімі болмаған жағдайда, айлық есептеу (көрінетін Айдың биіктігі лайықты болған жағдайда) 15-30 минуттық бақылаулар мен альманах кестелерінен математикалық есептеулер арқылы секундқа немесе екі секундқа дейін дұрыс уақытты беруі мүмкін. Тәжірибеден кейін бақылаушы осы әдіс арқылы уақытты тұрақты түрде секундқа немесе навигациялық қатеге бір теңіздік шақырымға дейін анықтай және растай алады.
Celestial navigation, also known as astronavigation, is the practice of position fixing using stars and other celestial bodies that enables a navigator to accurately determine their actual current physical position in space or on the surface of the Earth without relying solely on estimated positional calculations, commonly known as dead reckoning. Celestial navigation is performed without using satellite navigation or other similar modern electronic or digital positioning means. Celestial navigation uses "sights," or timed angular measurements, taken typically between a celestial body (e. g., the Sun, the Moon, a planet, or a star) and the visible horizon. Celestial navigation can also take advantage of measurements between celestial bodies without reference to the Earth's horizon, such as when the Moon and other selected bodies are used in the practice called "lunars" or the lunar distance method, used for determining precise time when time is unknown. Celestial navigation by taking sights of the Sun and the horizon whilst on the surface of the Earth is commonly used, providing various methods of determining position, one of which is the popular and simple method called "noon sight navigation"—being a single observation of the exact altitude of the Sun and the exact time of that altitude (known as "local noon")—the highest point of the Sun above the horizon from the position of the observer in any single day. This angular observation, combined with knowing its simultaneous precise time, referred to as the time at the prime meridian, directly renders a latitude and longitude fix at the time and place of the observation by simple mathematical reduction. The Moon, a planet, Polaris, or one of the 57 other navigational stars whose coordinates are tabulated in any of the published nautical or air almanacs can also accomplish this same goal. Celestial navigation accomplishes its purpose by using angular measurements (sights) between celestial bodies and the visible horizon to locate one's position on the Earth, whether on land, in the air, or at sea. In addition, observations between stars and other celestial bodies accomplished the same results while in space,used in the Apollo space program and is still used on many contemporary satellites. Equally, celestial navigation may be used while on other planetary bodies to determine position on their surface, using their local horizon and suitable celestial bodies with matching reduction tables and knowledge of local time. For navigation by celestial means, when on the surface of the Earth at any given instant in time, a celestial body is located directly over a single point on the Earth's surface. The latitude and longitude of that point are known as the celestial body's geographic position (GP), the location of which can be determined from tables in the nautical or air almanac for that year. The measured angle between the celestial body and the visible horizon is directly related to the distance between the celestial body's GP and the observer's position. After some computations, referred to as "sight reduction," this measurement is used to plot a line of position (LOP) on a navigational chart or plotting worksheet, with the observer's position being somewhere on that line. The LOP is actually a short segment of a very large circle on Earth that surrounds the GP of the observed celestial body. (An observer located anywhere on the circumference of this circle on Earth, measuring the angle of the same celestial body above the horizon at that instant of time, would observe that body to be at the same angle above the horizon.) Sights on two celestial bodies give two such lines on the chart, intersecting at the observer's position (actually, the two circles would result in two points of intersection arising from sights on two stars described above, but one can be discarded since it will be far from the estimated position—see the figure at the example below). Most navigators will use sights of three to five stars, if available, since that will result in only one common intersection and minimize the chance of error. That premise is the basis for the most commonly used method of celestial navigation, referred to as the "altitude intercept method." At least three points must be plotted. The plot intersection will usually provide a triangle where the exact position is inside of it. The accuracy of the sights is indicated by the size of the triangle. Joshua Slocum used both noon sight and star sight navigation to determine his current position during his voyage, the first recorded single handed circumnavigation of the world. In addition, he used the lunar distance method (or "lunars") to determine and maintain known time at Greenwich (the prime meridian), thereby keeping his "tin clock" reasonably accurate and therefore his position fixes accurate. Celestial navigation can only determine longitude when the time at the prime meridian is accurately known. The more accurately time at the prime meridian (0° longitude) is known, the more accurate the fix;indeed, every four seconds of time source (commonly a chronometer or, in aircraft, an accurate "hack watch") error can lead to a positional error of one nautical mile. When time is unknown or not trusted, the lunar distance method can be used as a method of determining time at the prime meridian. A functioning timepiece with a second hand or digit, an almanac with lunar corrections, and a sextant are used. With no knowledge of time at all, a lunar calculation (given an observable Moon of respectable altitude) can provide time accurate to within a second or two with about 15 to 30 minutes of observations and mathematical reduction from the almanac tables. After practice, an observer can regularly derive and prove time using this method to within about one second, or one nautical mile, of navigational error due to errors ascribed to the time source.
Мысал
Орынды анықтау үшін қиылысу әдісінің түсінігін көрсететін мысал оң жақта келтірілген. (Аспандық навигацияны пайдаланып, орнынды анықтаудың тағы екі көп қолданылатын әдісі – хронометр арқылы бойлықты анықтау және экс-меридиан әдістері.) Жанындағы суретте картадағы екі шеңбер 2005 жылғы 29 қазандағы сағат 12:00 GMT бойынша Күн мен Айдың позициялық сызықтарын көрсетеді. Осы уақытта теңіздегі кемедегі навигатор секстанты қолданып, Айдың көкжиектен 56° биіктікте екенін өлшеді. Он минуттан кейін Күннің көкжиектен 40° биіктікте екені байқалды. Содан кейін әрбір өлшем үшін позициялық сызықтар есептеліп, картаға түсірілді. Күн мен Ай бір координатадан әртүрлі бұрыштарда байқалғандықтан, навигатор шеңберлердің қиылысқан екі нүктесінің бірінде болуы керек. Осы жағдайда, навигатор Атлант мұхитында, Мадейрадан батысқа қарай немесе Оңтүстік Америкада, Парагвайдың Асунсьон қаласынан оңтүстік-батысқа қарай орналасқан. Көп жағдайда, екі қиылыстың қайсысы дұрыс екенін анықтау навигатор үшін оңай, өйткені олар көбінесе мыңдаған шақырым қашықтықта болады. Кеме Оңтүстік Америка арқылы жүрмейтіндіктен, Атлант мұхитындағы позиция дұрыс деп саналады. Суреттегі позициялық сызықтар картаның проекциясының әсерінен бұрмаланған; егер олар глобусқа түсірілсе, олар дөңгелек болар еді. Гран-Чако нүктесіндегі бақылаушы Айды Күннің сол жағында, ал Мадейра нүктесіндегі бақылаушы Айды Күннің оң жағында көреді.
Бұрыштық өлшеу
Бұрыш өлшемінің дәлдігі жылдар бойы дамып келді. Бір қарапайым әдіс – қолды созылған күйде көкжиектің үстіне қою. Кішкентай саусақтың бұрыштық ені созылған қол ұзындығында 1,5 градустан сәл асады және оны күннің көкжиекке қатысты биіктігін бағалау үшін, демек, күн батуға дейінгі уақытты шамалау үшін пайдалануға болады. Көбірек дәлдік қажет болғандықтан, бірінен соң бірі дәлдігі артатын бірқатар құралдар жасалды, олардың ішінде камал, астроляб, октант және секстант бар. Секстант пен октант ең дәл, себебі олар бұрыштарды көкжиектен өлшейді, құрал көрсеткіштерінің орналасуынан туындайтын қателерді жояды, ал олардың екі айналы жүйесі құралдың өзгеше қозғалыстарын бейтараптандырады, нысан мен көкжиектің тұрақты бейнесін көрсетеді. Навигаторлар Жер бетіндегі қашықтықты градустар, доғалық минуттар және доғалық секундтармен өлшейді. Бір теңіз шақырымы 1852 метр деп белгіленген, бірақ сонымен қатар (сүйіншілі жайт) Жердегі меридиан бойындағы бір доғалық минутқа тең. Секстанттарды 0,1 доғалық минутқа дейін дәл оқуға болады, сондықтан бақылаушының орны (теориялық тұрғыдан) 0,1 теңіз шақырымы (185,2 метр немесе шамамен 203 ярд) шегінде анықталуы мүмкін. Көптеген мұхит навигаторлары, қолайлы жағдайларда жылжымалы платформадан өлшегенде, шамамен 1,5 теңіз шақырымына (2,8 км) дейін нақтылыққа қол жеткізе алады, бұл құрлық немесе басқа да қауіптер көрінбей қалғанда қауіпсіз жүзуге жеткілікті.
Қолданбалы навигация
Практикалық астронавигация әдетте уақытты өлшеу үшін теңіз хронометрін, бұрыштарды өлшеу үшін секстанты, аспан денелерінің координаттарының кестесін ұсынатын альманахты, биіктік пен азимутты есептеуге көмектесетін көруді азайту кестелерінің жиынтығын және аймақтың картасын қажет етеді. Көруді азайту кестелерімен, қажетті жалғыз есептеулер қосу және алу болып табылады. Кішкентай қолға ұсталатын компьютерлер, ноутбуктер және тіпті ғылыми калькуляторлар заманауи навигаторларға барлық есептеулерді және/немесе деректерді іздеу қадамдарын автоматтандыру арқылы секстант көріністерін бірнеше минут ішінде "азайтуға" мүмкіндік береді. Көптеген адамдар бір-екі күндік оқыту мен тәжірибеден кейін, тіпті қолмен есептеу әдістерін қолдана отырып, қарапайым астронавигациялық процедураларды меңгере алады. Қазіргі заманғы практикалық навигаторлар әдетте астронавигацияны спутниктік навигациямен біріктіріп, кеме позициясы, бағыты және жылдамдығынан бағаланған өлі есептеу жолын түзету үшін қолданады. Бірнеше әдісті қолдану навигаторға қателерді анықтауға және процедураларды жеңілдетуге көмектеседі. Осылай қолданғанда, навигатор уақыт-уақытпен Күннің биіктігін секстантпен өлшейді, содан кейін оны бақылаудың нақты уақыты мен болжамды орнына негізделген алдын ала есептелген биіктікпен салыстырады. Картада, график сызу құралының тік жиегі әрбір позициялық сызықты белгілей алады. Егер позициялық сызық болжамды позициядан бірнеше шақырымнан астам қашықтықтағы жерді көрсетсе, өлі есептеу жолын қайта бастау үшін қосымша байқаулар жасалуы мүмкін. Жабдықтар немесе электрлік ақаулар болған жағдайда, күніне бірнеше рет Күннің бағытын анықтап, оларды өлі есептеу арқылы жылжыту кемеге портқа оралуға жеткілікті жуық орналасуды қамтамасыз етуге мүмкіндік береді. Айды, планетаны, Поляр жұлдызын немесе басқа 57 навигациялық жұлдыздың біреуін де аспан денелерінің орналасуын анықтау үшін пайдалануға болады.
Кеңдік
Бұрынғыда ендік, Күннің түскі уақыттағы биіктігін өлшеу арқылы ("түскі көрініс") немесе кез келген басқа аспан денесінің меридианды кесіп өтетін сәттегі биіктігін (солтүстікке немесе оңтүстікке қарай ең жоғары нүктеге жеткенде) өлшеу арқылы, сондай-ақ Поляр жұлдызының биіктігін өлшеу арқылы анықталған (оңтүстік жарты шарда көкжиектен жеткілікті түрде көрінбейтін жағдайларды ескере отырып). Поляр жұлдызы әрқашан аспанның солтүстік полюсінен 1 градусқа дейін қашықтықта болады. Егер навигатор Поляр жұлдызына дейінгі бұрышты өлшеп, оны көкжиектен 10 градус деп тапса, онда ол экватордан шамамен 10 градус солтүстікке орналасқан. Бұл жуық ендік, қарапайым кестелер немесе альманах түзетулерін қолдану арқылы бір мильдің үлесіне дейін теориялық түрде дәл ендікке түзетіледі. Бұрыштар көкжиектен өлшенеді, себебі тікелей жоғарыдағы нүктені, яғни зенитті анықтау әдетте мүмкін емес. Көкжиек тұманмен жабылған жағдайда, навигаторлар жасанды көкжиектерді пайдаланады, олар көлденең айналар немесе шағылыстыратын сұйықтықпен (әсіресе сынаппен) толтырылған ыдыстар болып табылады. Соңғы жағдайда, айнадағы бейне мен аспандағы нысан арасындағы бұрыш, қажетті биіктіктен екі есеге тең болады.
Ұзындығы
Егер Полярлық жұлдызға бұрышты дәл өлшеуге болады, онда шығыс немесе батыс көкжиегіндегі жұлдызды осылай өлшеу бойлықты анықтауға мүмкіндік береді. Мәселе Жердің сағатына 15 градусқа айналуында, бұл өлшеулерді уақытқа тәуелді етеді. Күн бұрынғы өлшемге қарағанда бірнеше минут бұрын немесе кейін жасалған өлшем қате навигацияға алып келуі мүмкін. Жақсы хронометрлер пайда болғанға дейін бойлықты өлшеу Айдың транзитіне немесе Юпитердің серіктерінің орналасуына негізделген. Олардың көпшілігі кәсіби астрономдардан басқа ешкімге қолдануға қиын болды. Джон Харрисон 1761 жылы қазіргі заманғы хронометрді ойлап тапқаннан кейін бойлықты есептеуді едәуір жеңілдетті. Бойлық мәселесін шешуге ғасырлар кетті және ол маятниксіз сағатты құруға байланысты болды (маятник сағаттары көлбеу кемеде немесе кез келген қозғалатын көлікте дәл жұмыс істей алмайды). 18 ғасырда пайда болған және бүгінге дейін қолданылып келе жатқан екі пайдалы әдіс бар: хронометрді қолданбайтын ай қашықтығы және дәл уақыт өлшегіш немесе хронометрді пайдалану. Қазіргі уақытта, кез келген адам бойлықты есептеу үшін Күннің Жер аспанындағы ең жоғары нүктесінде болатын нақты жергілікті уақытты (күндізгі уақытқа ешқандай сілтеме жасамай) анықтау арқылы есептеуге болады. Түскі уақытты тегіс жерге тік орнатылған кішкентай, дәл тік таяқ арқылы оңай және дәл анықтауға болады – көлеңкі солтүстікке (Солтүстік жартышарда) көрсеткенде уақытты жазып алыңыз. Содан кейін жергілікті уақытты алыңыз және оны Гринвич бойынша орташа уақыттан (GMT) немесе Лондон уақытынан азайтыңыз. Мысалы, Канаданың орталық бөлігінде немесе АҚШ-та түскі уақыт (12:00) Лондонда шамамен сағат 18:00-де (18:00) болады. 6 сағаттық айырмашылық – 24 сағаттық күндің төрттен бірі немесе 360 градустық шеңбердің (Жердің) 90 градусы. Есептеуді сағаттар санын (сағаттың бөлшектері үшін ондық сандарды пайдалану) 15-ке көбейту арқылы жасауға болады, бұл бір сағаттағы градустар саны. Қай жолмен болса да, Солтүстік Американың көп бөлігі 90 градус батыс бойлығында немесе оған жақын екенін көрсетуге болады. Шығыс бойлығын анықтау үшін жергілікті уақытты GMT-ге қосу және ұқсас есептеулер жасау қажет.
Айға дейінгі қашықтық
Теңізде уақытты дәл анықтаудың ескі, бірақ әлі де пайдалы және практикалық әдісі, дәл уақыт өлшеу және спутниктік уақыт жүйелері пайда болғанға дейін «айлық қашықтықтар» немесе «айлықтар» деп аталады. Бұл әдіс қысқа мерзім ішінде кеңінен қолданылып, 18 ғасырда кемелерде күнделікті пайдалану үшін жетілдірілді. Жақсырақ және жақсырақ сағаттар (хронометрлер) теңіздегі орташа кемеге қолжетімді болғандықтан, 19 ғасырдың ортасынан бастап қолдануы азайды. Соңғы уақытта негізінен секстантты хобби ретінде қызығушылар мен тарихшылар қолданса, қазір аспандық навигация курстарында GNSS жүйелеріне толық тәуелділікті азайту мақсатымен, кемедегі жалғыз нақты уақыт көзі ретінде жиі кездеседі. Ұзақ теңіз сапарында дәл уақыт өлшегіш болмаған жағдайда немесе оның дәлдігіне күмән болғанда қолданылатын бұл әдісте навигатор Ай мен Күн арасындағы, немесе Ай мен эклиптикаға жақын бірнеше жұлдыздардың арасындағы бұрышты дәл өлшейді. Байқалған бұрыш, кез келген аспан денесін бақылау сияқты, сыну және параллакс әсерлерінен түзетілуі керек. Бұл түзетуді жасау үшін навигатор Ай мен Күннің (немесе басқа жұлдыздың) биіктігін айлық қашықтық бұрышын өлшеген уақытта шамамен анықтайды. Биіктік мәндері шамамен болғаны жеткілікті. Тиісті жарияланған кестелерді (немесе логарифмдер мен графикалық кестелерді қолдана отырып) пайдаланатын есептеу үшін байқалған бұрышты геоцентрлік айлық қашықтығына айналдыруға шамамен 10-15 минут уақыт кетеді. Содан кейін навигатор түзетілген бұрышты, әр үш сағат сайынғы Гринвич уақыты бойынша тиісті альманах беттеріндегі мәндермен салыстырады және аралық мәндерді алу үшін интерполяциялық кестелерді қолданады. Нәтижесінде, бақылаулар үшін қолданылған уақыт көзінің (белгісіз уақыт) мен нақты негізгі меридиан уақытының (Гринвичтегі «Нөлдік меридиан», сондай-ақ UTC немесе GMT) арасындағы уақыт айырмасы анықталады. UTC/GMT белгілі болғаннан кейін, навигатор жер бетіндегі нақты орнын анықтау үшін, ендік және бойлық координаталарын есептеу үшін қосымша бақылаулар жасай алады және оларды өңдей алады.
Уақытты пайдалану
Көпшілік қолданатын әдіс – секстант көзіне тікелей уақыт өлшеу үшін дәл сағатты пайдалану еді (және қазір де солай). Нақты навигация қажеттілігі 18-шы ғасырда прогрессивті түрде дәл хронометрлерді жасауға алып келді (Джон Харрисонды қараңыз). Бүгінде уақыт хронометрмен, кварц сағатпен, атомдық сағаттан таратылатын қысқа толқынды радиосигналмен немесе спутниктік уақыт сигнал қабылдағышында көрсетілген уақытпен өлшенеді. Кварц қол сағаты әдетте күніне жарты секундтан аспайтын дәлдікпен уақытты көрсетеді. Егер оны үнемі киіп, дене жылуына жақын ұстаса, оның қатесін радиоарқылы өлшеуге болады, ал осы қатеге түзету жасау арқылы навигатор айына бір секундтан да нашар болмай уақытты сақтай алады. Басты меридиандағы (немесе басқа бастапқы нүктедегі) уақыт дәл белгілі болғанда, аспан навигациясы бойлықты анықтауға мүмкіндік береді, ал ендік пен уақыт неғұрлым дәл белгілі болса, бойлықты анықтау да соғұрлым дәл болады. Жердің бұрыштық жылдамдығы ендікке байланысты. Полюстерде, яғни 90° ендікте, Жердің айналу жылдамдығы нөлге жетеді. 45° ендікте уақыттың бір секунды 1077,8 футқа (329 м) тең келеді, ал секундының оннан бір бөлігі 107,8 футқа (33 м) тең. Экваторда, яғни 0° ендікте Жердің айналу жылдамдығы немесе оның ұзындығы бойынша эквиваленті ең жоғары деңгейге жетеді.
Дәстүрлі түрде навигатор өз хронометрлерін кәсіби астроном зерттеген географиялық маркерде секстантпен тексеретін. Бұл қазір сирек кездесетін дағды, ал көптеген порт басшылары өз портының маркерін таба алмайды. Кемелерде көбінесе бірнеше хронометр болады. Хронометрлер кеменің ортасына жақын жердегі құрғақ бөлмеде, гимбалдарда сақталады. Олар нақты көрініске арналған сағатты орнату үшін пайдаланылады, сондықтан ешқандай хронометр палубада жел мен тұзды суға ұшырамайды. Хронометрлерді бұру және салыстыру – навигатордың маңызды міндеті еді. Бұл туралы күнделікті кеме журналына жазылып, таңғы сағат сегізде капитанға хабарланады. Навигаторлар сондай-ақ кемедегі сағатты және күнтізбеді де орнатады. Екі хронометр қос модульдік резервті қамтамасыз етеді, егер біреуі жұмыс істемейтін болса, қосымша мүмкіндік береді, бірақ егер екеуі әртүрлі уақыт көрсетсе, қателерді түзетуге мүмкіндік бермейді, себебі екі хронометрдің арасында қайшылық туған жағдайда қайсысының дұрыс емес екенін білу мүмкін емес (алынған қателерді анықтау тек бір хронометрге ие болу және оны мерзімді түрде тексерумен бірдей: күн сайын түскі уақытта өлі есептеулерге қарсы). Үш хронометр үш модульдік резервті қамтамасыз етеді, егер үштің біреуі қате болса, қателерді түзетуге мүмкіндік береді, сондықтан ұшқыш екі жақын мәнді хронометрдің орташасын алады (орташа дәлдікпен дауыс беру). Осыған қатысты ежелгі мақал бар: "Теңізге екі хронометрмен шықпа, бір не үшті ал". Зерттеу жұмыстарымен айналысатын кемелерде әдетте үштен астам хронометр болады, мысалы, HMS Beagle 22 хронометрді алып жүретін.
Traditionally, a navigator checked their chronometer(s) with their sextant at a geographic marker surveyed by a professional astronomer. This is now a rare skill, and most harbormasters cannot locate their harbor's marker. Ships often carried more than one chronometer. Chronometers were kept on gimbals in a dry room near the center of the ship. They were used to set a hack watch for the actual sight, so that no chronometers were ever exposed to the wind and salt water on deck. Winding and comparing the chronometers was a crucial duty of the navigator. Even today, it is still logged daily in the ship's deck log and reported to the captain before eight bells on the forenoon watch (shipboard noon). Navigators also set the ship's clocks and calendar. Two chronometers provided dual modular redundancy, allowing a backup if one ceases to work but not allowing any error correction if the two displayed a different time, since in case of contradiction between the two chronometers, it would be impossible to know which one was wrong (the error detection obtained would be the same as having only one chronometer and checking it periodically: every day at noon against dead reckoning). Three chronometers provided triple modular redundancy, allowing error correction if one of the three was wrong, so the pilot would take the average of the two with closer readings (average precision vote). There is an old adage to this effect, stating: "Never go to sea with two chronometers; take one or three." Vessels engaged in survey work generally carried many more than three chronometers for example, HMS Beagle carried 22 chronometers.
Қазіргі заманғы аспан навигациясы
Аспандық позицияның тұжырымдамасын 1837 жылы Томас Хаббард Самнер бір байқаудан кейін өзінің бойлығын және оның маңайындағы бірнеше сынақ ендіктерін есептеп, сызғанда және позициялардың бір сызық бойымен жатқанын байқағанда тапты. Екі нүктемен осы әдісті қолдану арқылы кеме жүргізушілер екі позициялық сызықты кесіп, өздерінің орнын анықтай алды, нәтижесінде ендік пен бойлық екі жағын да білді. Кейін 19-ғасырда қазіргі (Марк Сент-Илаир) кесу әдісі пайда болды; бұл әдіспен нүктенің биіктігі мен азимуты ыңғайлы сынақ позициясы үшін есептеледі және байқалған биіктікпен салыстырылады. Аркминуттардағы айырмашылық – бұл позициялық сызықтың нүктенің төменгі нүктесінің бағытына қарай немесе одан алыстауы керек "кесу" арақашықтығы. (Кесу әдісі жоғарыда "Қалай жұмыс істейді" бөліміндегі мысалда көрсетілген ұғымды қолданады.) Көріністі азайтудың тағы екі әдісі – хронометр арқылы бойлықты анықтау және экс-меридиан әдісі. Аспандық навигация арзан және өте дәл спутниктік навигациялық қабылдағыштардың (GNSS) пайда болуымен қатар, ол 1960 жылға дейін авиацияда және теңіз навигациясында кеңінен қолданылды. Алайда, сақтықпен жүретін теңізші өзінің орнын анықтаудың жалғыз құралына ешқашан сүйенбейді, сондықтан көптеген ұлттық теңіз органдары палуба офицерлерінің аспандық навигация туралы білімдерін тексеруде, негізінен электрондық немесе спутниктік навигацияның қосалқы нұсқасы ретінде көрсетуін талап етеді. Үлкен сауда кемелерінде аспандық навигацияның ең көп таралған қазіргі қолданылуларының бірі – теңізде компасты калибрлеу және қателерді тексеру, егер жер беті сілтемелері болмаса. 1980 жылы француз әскери-теңіз күшінің ережелері кеменің орнын секстантпен бірге аспан навигациясы арқылы анықтау үшін кеменің бортта өздігінен жұмыс істейтін сағатын талап етті. АҚШ Әуе күштері мен Әскери-теңіз флоты 1997 жылға дейін әскери авиаторларды аспандық навигацияны пайдалану туралы нұсқау беріп отырды, өйткені: аспандық навигация жердегі көмекке тәуелсіз қолданылуы мүмкін. аспан навигациясы бүкіл әлемді қамтиды. аспан навигациясын бұғаттау мүмкін емес (бұлттармен жасырылуы мүмкін болса да). аспан навигациясы жаудың байқай алатын ешқандай сигнал бермейді. АҚШ-тың Әскери-теңіз академиясы (USNA) 1998 жылдың көктемінде аспандық навигация курсын (оның ең талапты инженерлік емес курстарының бірі деп саналады) ресми оқу бағдарламасынан тоқтатып отырғанын мәлімдеді. 2015 жылдың қазан айында, мүмкін болатын қастандықтардың алдын алу үшін, GNSS жүйелерінің сенімділігіне қатысты алаңдаушылықты келтіре отырып, USNA 2015-2016 оқу жылында аспан навигациясын қайтадан оқытты. Басқа бір федералды академияда, АҚШ-тың сауда теңіз академиясында, аспандық навигация бойынша оқу үзілмеді, өйткені сауда теңізшісіне кіру үшін АҚШ-тың жағалау күзетінің лицензиялық емтиханын тапсыру қажет. Сонымен қатар, Гарвардта да оқытылады, соңғы уақытта Астрономия 2. Аспандық навигацияны жеке яхтшылар, әсіресе әлемдегі ұзақ аралықтағы круиздік яхталар әлі де пайдаланады. Кіші жүзді кемелердің экипаждары үшін аспандық навигация, әдетте, құрлықтан тыс жердегі көріністен тыс жерде жүруге қажетті дағды деп саналады. Спутниктік навигация технологиясы сенімді болса да, оффшорлық яхтшылар аспандық навигацияны негізгі навигациялық құрал ретінде немесе қосымша ретінде қолданады. Аспандық навигация коммерциялық авиацияда реактивті ұшақ дәуірінің алғашқы кезеңдеріне дейін қолданылған; Боинг 747 ұшақтарының алғашқы кезеңдерінде пилот кабинасының төбесінде "секстант порты" болған. Бұл 1960 жылдары инерциялық навигация мен Допплер навигациялық жүйелерінің пайда болуымен және бүгінгі күннің спутниктік жүйелерімен тоқтатылды, олар ұшақтың орнын секундына бірнеше жаңартулармен 3 метрлік сфераға дәл таба алады. Жердегі аспан навигациясының өзгерісі Аполлон ғарыш кемесін Айға және одан қайту жолында бағыттауға көмектесті. Бүгінгі күнге дейін ғарыш аппараттарының бағытын анықтау үшін Марс зерттеу ровери сияқты ғарыш миссиялары жұлдызды бақылаушыларды қолданады. 1960-шы жылдардың ортасында ғарышқа көрудің автоматты түзетулерін алу үшін навигаторларға мүмкіндік беретін электронды және компьютерлік жүйелер пайда болды. Бұл жүйелер кемелерде де, АҚШ Әуе күштері ұшақтарында да қолданылды және өте дәл болды, 11 жұлдызға дейін (түстенде де) тұйықтауға және кеменің орнын 300 футтан (91 м) кем уақытқа дейін шешуге қабілетті. SR 71 жоғары жылдамдықты барлау ұшағы – бұл автоматты аспандық және инерциялық навигацияны пайдаланған ұшақтың бір мысалы. Бұл сирек жүйелер қымбат болған, алайда, бүгін қолданыстағы аз ғана жүйелер спутниктік позициялау жүйелерінен гөрі қосымша сақтандыру ретінде қарастырылады. Континенттер аралық баллистикалық зымырандар өздерінің бағытын тексеру және түзету үшін (ішкі гироскоптармен алдын ала белгіленген) Жер атмосферасының сыртында ұшқанда аспандық навигацияны пайдаланады. Бұл көне техниканың негізгі себебі – жамдау сигналдарына қарамастан, оның иммунитеті. X-сәулелік пульсарға негізделген навигация және уақыт (XNAV) – бұл ғарыштағы жаңа навигациялық техника, онда пульсарлардан шығатын периодты X-сәулелік сигналдар көлік құралының орнын анықтау үшін қолданылады, мысалы, терең ғарыштағы ғарыш кемесі. XNAV қолданатын көлік құралы алынған X-сәулелік сигналдарды белгілі пульсар жиіліктері мен орналасуларының дерекқорымен салыстырады. GNSS сияқты, бұл салыстыру көлік құралына өзінің орнын дәл анықтауға мүмкіндік береді (±5 км). X-сәулелік сигналдарды радио толқындарынан пайдаланудың артықшылығы – X-сәулелік телескоптарды кішкентай және жеңіл етуге болады. 9 қараша 2016 жылы Қытай Ғылым академиясы XPNAV 1 деп аталатын экспериментальді пульсар навигациялық спутнигін ұсынды. SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) – бұл NASA қаржыландырған, Годдард Ғылым ұшу орталығында жасалған және 3 маусым 2017 жылы SpaceX CRS 11 ISS жабдықтау миссиясымен Халықаралық ғарыш станциясында XNAV-ты орбитада сынап көріп жатқан жоба.
celestial navigation can be used independently of ground aids. celestial navigation has global coverage. celestial navigation cannot be jammed (although it can be obscured by clouds). celestial navigation does not give off any signals that could be detected by an enemy. The United States Naval Academy (USNA) announced that it was discontinuing its course on celestial navigation (considered to be one of its most demanding non engineering courses) from the formal curriculum in the spring of 1998. In October 2015, citing concerns about the reliability of GNSS systems in the face of potential hostile hacking, the USNA reinstated instruction in celestial navigation in the 2015 to 2016 academic year. At another federal service academy, the US Merchant Marine Academy, there was no break in instruction in celestial navigation as it is required to pass the US Coast Guard License Exam to enter the Merchant Marine. It is also taught at Harvard, most recently as Astronomy 2. Celestial navigation continues to be used by private yachtsmen, and particularly by long distance cruising yachts around the world. For small cruising boat crews, celestial navigation is generally considered an essential skill when venturing beyond visual range of land. Although satellite navigation technology is reliable, offshore yachtsmen use celestial navigation as either a primary navigational tool or as a backup. Celestial navigation was used in commercial aviation up until the early part of the jet age; early Boeing 747s had a "sextant port" in the roof of the cockpit. It was only phased out in the 1960s with the advent of inertial navigation and Doppler navigation systems, and today's satellite based systems which can locate the aircraft's position accurate to a 3 meter sphere with several updates per second. A variation on terrestrial celestial navigation was used to help orient the Apollo spacecraft en route to and from the Moon. To this day, space missions such as the Mars Exploration Rover use star trackers to determine the attitude of the spacecraft. As early as the mid 1960s, advanced electronic and computer systems had evolved enabling navigators to obtain automated celestial sight fixes. These systems were used aboard both ships and US Air Force aircraft, and were highly accurate, able to lock onto up to 11 stars (even in daytime) and resolve the craft's position to less than 300 feet (91 m). The SR 71 high speed reconnaissance aircraft was one example of an aircraft that used a combination of automated celestial and inertial navigation. These rare systems were expensive, however, and the few that remain in use today are regarded as backups to more reliable satellite positioning systems. Intercontinental ballistic missiles use celestial navigation to check and correct their course (initially set using internal gyroscopes) while flying outside the Earth's atmosphere. The immunity to jamming signals is the main driver behind this seemingly archaic technique. X ray pulsar based navigation and timing (XNAV) is an experimental navigation technique for space whereby the periodic X ray signals emitted from pulsars are used to determine the location of a vehicle, such as a spacecraft in deep space. A vehicle using XNAV would compare received X ray signals with a database of known pulsar frequencies and locations. Similar to GNSS, this comparison would allow the vehicle to triangulate its position accurately (±5 km). The advantage of using X ray signals over radio waves is that X ray telescopes can be made smaller and lighter. On 9 November 2016 the Chinese Academy of Sciences launched an experimental pulsar navigation satellite called XPNAV 1. SEXTANT (Station Explorer for X ray Timing and Navigation Technology) is a NASA funded project developed at the Goddard Space Flight Center that is testing XNAV on orbit on board the International Space Station in connection with the NICER project, launched on 3 June 2017 on the SpaceX CRS 11 ISS resupply mission.
Оқыту
Ұшақ экипаждарына арналған аспандық навигациялық оқу құралдары қарапайым ұшу тренажерімен планетарийді біріктіреді. Екінші дүниежүзілік соғыста қолданылған Link Celestial Navigation Trainer осы құралдың алғашқы үлгісі болып табылады. Ол 14 метр биіктігіндегі ғимаратта орналасқан, онда ұшқыш, навигатор және бомбалаушыдан тұратын толық бомбалаушы экипажына арналған кабинасы бар. Кабинада ұшқыш ұшуды басқару үшін қажетті құрал-жабдықтардың толық жиынтығы орнатылған. Кабинаның үстіндегі күмбезге шоқжұлдыздарды имитациялайтын, кейбіреулері коллимацияланған шамдар бекітілген, олардың көмегімен навигатор ұшақтың орнын анықтаған. Күмбездің қозғалысы уақыт өте келе жылдыздардың орналасуын және ұшақтың Жер шары айналасындағы қозғалысын симуляциялаған. Навигатор сонымен қатар жер бетіндегі әртүрлі нүктелерден келіп түсетін имитациялық радиосигналдарды алатын. Кабинаның астында "жер пластиналары" жылжыған – төмендегі жердің ірі, жылжымалы әуе суреттері, бұл экипажға ұшу сезімін сыйлап, бомбалаушыға нысаналарды дұрыс бағыттауға жаттығу жасауға мүмкіндік берген. Операторлар тобы машинаның астындағы басқару кабинасында отырып, жел немесе бұлт сияқты ауа райы жағдайларын симуляциялаған. Бұл команда сонымен қатар қағаз картада "қарапа" (маркер) жылжыту арқылы ұшақтың орнын қадағалаған. Link Celestial Navigation Trainer 1939 жылы Корольдік әуе күштерінің (RAF) сұранысы бойынша жасалды. RAF осы құралдардың 60 данасын тапсырыс берді, ал біріншісі 1941 жылы құрастырылды. RAF олардың тек бірнешеуін ғана пайдаланды, ал қалғандарын АҚШ-қа жалға берді, онда соңында жүздеген данасы қолданысқа енді.