Введение

Небесная навигация, также известная как астронавигация, – это определение местоположения с использованием звезд и других небесных тел, позволяющее навигатору точно установить свое текущее физическое положение в пространстве или на поверхности Земли, не полагаясь исключительно на расчеты по предполагаемому местоположению, обычно называемые прокладкой курса. Небесная навигация выполняется без использования спутниковой навигации или других подобных современных электронных или цифровых средств определения местоположения. В небесной навигации используются «визуальные определения», или угловые измерения, привязанные ко времени, обычно выполняемые между небесным телом (например, Солнцем, Луной, планетой или звездой) и видимым горизонтом. Небесная навигация также может использовать измерения между небесными телами без привязки к горизонту Земли, например, когда Луна и другие выбранные тела используются в методе, называемом «лунными расстояниями», применяемом для определения точного времени, когда время неизвестно. Небесная навигация, основанная на наблюдениях Солнца и горизонта на поверхности Земли, широко используется, предоставляя различные методы определения местоположения, одним из которых является популярный и простой метод, называемый «полуденной навигацией» – единичное наблюдение точной высоты Солнца и точного времени этого наблюдения (известного как «местный полдень») – наивысшей точки Солнца над горизонтом с позиции наблюдателя в любой день. Это угловое наблюдение, в сочетании со знанием точного одновременного времени по гринвичскому меридиану, напрямую определяет широту и долготу в момент и месте наблюдения посредством простого математического вычисления. Луна, планета, Полярная звезда или одна из 57 других навигационных звезд, координаты которых табулированы в любом из опубликованных морских или авиационных альманахов, также могут достичь этой же цели. Небесная навигация достигает своей цели, используя угловые измерения (визуальные определения) между небесными телами и видимым горизонтом для определения своего местоположения на Земле – на суше, в воздухе или на море. Кроме того, наблюдения между звездами и другими небесными телами дают те же результаты в космосе, что и использовалось в космической программе «Аполлон» и до сих пор применяется на многих современных спутниках. Аналогично, небесная навигация может использоваться на других планетарных телах для определения местоположения на их поверхности, используя их местный горизонт и подходящие небесные тела с соответствующими таблицами вычислений и знанием местного времени. Для навигации по небесным телам, находясь на поверхности Земли в любой момент времени, небесное тело находится непосредственно над одной точкой на поверхности Земли. Широта и долгота этой точки известны как географическое положение небесного тела (ГП), которое можно определить из таблиц в морском или авиационном альманахе за данный год. Измеренный угол между небесным телом и видимым горизонтом напрямую связан с расстоянием между ГП небесного тела и положением наблюдателя. После некоторых вычислений, называемых «уменьшением видимости», это измерение используется для построения линии положения (ЛП) на навигационной карте или листе для вычислений, при этом положение наблюдателя находится где-то на этой линии. ЛП фактически представляет собой короткий сегмент очень большого круга на Земле, который окружает ГП наблюдаемого небесного тела. (Наблюдатель, расположенный в любой точке на окружности этого круга на Земле, измеряя угол того же небесного тела над горизонтом в тот же момент времени, увидит, что тело находится под тем же углом над горизонтом.) Визуальные определения двух небесных тел дают две такие линии на карте, пересекающиеся в положении наблюдателя (фактически, два круга приведут к двум точкам пересечения, возникающим при визуальных определениях двух звезд, описанных выше, но одну из них можно отбросить, поскольку она будет далеко от предполагаемого положения – см. рисунок в примере ниже). Большинство навигаторов используют визуальные определения трех-пяти звезд, если они доступны, поскольку это приведет к единственной общей точке пересечения и минимизирует вероятность ошибки. Этот принцип лежит в основе наиболее часто используемого метода небесной навигации, называемого «методом перехвата высоты». Необходимо построить как минимум три точки. Пересечение на карте обычно дает треугольник, внутри которого находится точное положение. Точность визуальных определений указывается размером треугольника. Джошуа Слокум использовал как полуденную, так и звездную навигацию для определения своего текущего местоположения во время своего кругосветного плавания, первого задокументированного одиночного кругосветного плавания. Кроме того, он использовал метод лунных расстояний для определения и поддержания известного времени по Гринвичу (первому меридиану), тем самым обеспечивая достаточную точность своего «жестяного хронометра» и, следовательно, точность определения своего местоположения. Небесная навигация может определить долготу только при точно известном времени по гринвичскому меридиану. Чем точнее известно время по гринвичскому меридиану (0° долготы), тем точнее определение местоположения; действительно, каждая четыре секунды ошибки времени (обычно хронометра или, в самолетах, точных «палубных часов») могут привести к ошибке в местоположении в одну морскую милю. Когда время неизвестно или ему не доверяют, метод лунных расстояний может быть использован для определения времени по гринвичскому меридиану. Используются исправный хронометр с секундной стрелкой или цифровым дисплеем, альманах с лунными поправками и секстант. При полном отсутствии знания времени лунное вычисление (при наблюдаемой Луне с достаточной высотой) может предоставить время с точностью до одной-двух секунд после 15–30 минут наблюдений и математических вычислений из таблиц альманаха. После практики наблюдатель может регулярно определять и подтверждать время этим методом с точностью до одной секунды или одной морской мили ошибки, связанной с ошибками источника времени.

Пример

Пример, иллюстрирующий концепцию метода перехвата для определения местоположения, показан справа. (Два других распространенных метода определения местоположения с помощью небесной навигации – определение долготы по хронометру и методы экс-меридиана.) На прилегающем изображении два круга на карте представляют собой линии положения Солнца и Луны в 12:00 GMT 29 октября 2005 года. В это время моряк на корабле в море измерил высоту Луны над горизонтом в 56° с помощью секстанта. Десять минут спустя высота Солнца над горизонтом составила 40°. Затем для каждого из этих наблюдений были вычислены и нанесены на карту линии положения. Поскольку Солнце и Луна были наблюдаемы под соответствующими углами из одной и той же точки, местоположение моряка должно находиться в одной из двух точек пересечения этих кругов. В данном случае моряк находится либо в Атлантическом океане, примерно к западу от Мадейры, либо в Южной Америке, примерно к юго-западу от Асунсьона, Парагвай. В большинстве случаев определить, какое из двух пересечений является верным, для наблюдателя очевидно, поскольку они часто разделены тысячами километров. Учитывая малую вероятность того, что корабль пересекает Южную Америку, правильным является местоположение в Атлантическом океане. Следует отметить, что линии положения на рисунке искажены из-за проекции карты; они были бы круговыми, если бы были нанесены на глобус. Наблюдатель в точке Гран-Чако увидел бы Луну слева от Солнца, а наблюдатель в точке Мадейра – справа от Солнца.

Угловое измерение

Точные измерения углов совершенствовались с течением времени. Один из простых методов – держать руку над горизонтом, вытянув руку. Угловая ширина мизинца составляет чуть более 1,5 градуса на вытянутой руке и может использоваться для оценки высоты Солнца над горизонтом и, следовательно, для приблизительной оценки времени до заката. Потребность в более точных измерениях привела к разработке ряда всё более совершенных инструментов, включая камал, астролябию, октант и секстант. Секстант и октант наиболее точны, поскольку они измеряют углы относительно горизонта, устраняя ошибки, вызванные положением указателей прибора, и благодаря их двойной зеркальной системе, компенсирующей относительные движения прибора, обеспечивается стабильное изображение объекта и горизонта. Навигаторы измеряют расстояния на Земле в градусах, угловых минутах и угловых секундах. Морская миля определяется как 1852 метра, но также (и не случайно) соответствует одной угловой минуте вдоль меридиана на Земле. Секстанты позволяют считывать показания с точностью до 0,1 угловой минуты, поэтому положение наблюдателя можно определить с точностью (теоретически) до 0,1 морской мили (185,2 метра, или около 203 ярдов). Большинство моряков, проводящих измерения с движущейся платформы в благоприятных условиях, могут достичь практической точности примерно в 1,5 морские мили (2,8 км), что достаточно для безопасной навигации вдали от берега или других опасностей.

Практическая навигация

Практическая небесная навигация обычно требует морского хронометра для измерения времени, секстанта для измерения углов, альманаха с данными о координатах небесных объектов, набора таблиц для упрощения вычислений высоты и азимута, и карты района. При использовании таблиц для упрощения вычислений требуются только сложение и вычитание. Современные навигаторы могут "вычислять" секстантные наблюдения за считанные минуты с помощью небольших портативных компьютеров, ноутбуков и даже научных калькуляторов, которые автоматизируют все этапы вычислений и/или поиска данных. Большинство людей могут освоить базовые процедуры небесной навигации после одного-двух дней обучения и практики, даже используя ручные методы расчета. Современные навигаторы обычно используют небесную навигацию в сочетании со спутниковой навигацией для корректировки мертвой трассы – курса, определяемого по положению, курсу и скорости судна. Использование нескольких методов помогает навигатору выявлять ошибки и упрощает процедуры. При таком подходе навигатор периодически измеряет высоту Солнца секстантом и сравнивает ее с предварительно рассчитанной высотой, основанной на точном времени и предполагаемом месте наблюдения. На карте прямой край инструмента для построения графиков может использоваться для нанесения каждой линии положения. Если линия положения указывает на место, удаленное от предполагаемого более чем на несколько миль, можно сделать дополнительные наблюдения для возобновления мертвой трассы. В случае отказа оборудования или электропитания, определение местоположения по Солнцу несколько раз в день и последующее продвижение по мертвой трассе позволяет судну получить приблизительное определение местоположения, достаточное для возвращения в порт. Для определения небесного положения также можно использовать Луну, планету, Полярную звезду или одну из 57 других навигационных звезд.

Широта

В прошлом широта измерялась либо путем измерения высоты Солнца в полдень ("полуденный вид"), либо путем измерения высоты любого другого небесного тела при пересечении меридиана (достижении максимальной высоты при движении на север или юг), и часто – путем измерения высоты Полярной звезды (при условии ее достаточной видимости над горизонтом, что не выполняется в Южном полушарии). Полярная звезда всегда находится в пределах 1 градуса от небесного северного полюса. Если моряк измерит угол до Полярной звезды и обнаружит, что он составляет 10 градусов над горизонтом, то он находится примерно в 10 градусах к северу от экватора. Эта приблизительная широта затем корректируется с использованием простых таблиц или поправок из альманаха для определения широты, теоретически точной до долей мили. Углы измеряются от горизонта, поскольку определение точки непосредственно над головой, зенита, обычно невозможно. Когда горизонт заслонен дымкой, моряки используют искусственные горизонты – горизонтальные зеркала или емкости с отражающей жидкостью, особенно ртутью. В последнем случае угол между отраженным изображением в зеркале и фактическим изображением объекта в небе точно вдвое больше требуемой высоты.

Долгота

Если угол к Полярной звезде можно точно измерить, то аналогичное измерение звезды у восточного или западного горизонта позволило бы определить долготу. Проблема заключается в том, что Земля вращается на 15 градусов в час, что делает такие измерения зависимыми от времени. Измерение, сделанное всего на несколько минут раньше или позже того же измерения, сделанного накануне, может привести к серьезным ошибкам в навигации. До появления точных хронометров измерения долготы основывались на прохождении Луны или положении спутников Юпитера. Однако в большинстве случаев эти методы были слишком сложны для использования кем-либо, кроме профессиональных астрономов. Изобретение Джоном Харрисоном современного хронометра в 1761 году значительно упростило вычисление долготы. Решение проблемы долготы заняло столетия и зависело от создания часов, не использующих маятник (поскольку маятниковые часы не могут работать точно на качающемся корабле или, вообще, на любом движущемся транспортном средстве). В XVIII веке сложилось два полезных метода, которые используются и сегодня: определение расстояния до Луны, не требующее использования хронометра, и использование точного времени или хронометра. В настоящее время любой человек может вычислить долготу, зафиксировав точное местное время (не учитывая переход на летнее время) в момент, когда Солнце достигает наивысшей точки на небе. Вычисление полудня можно выполнить проще и точнее с помощью небольшого, строго вертикального шеста, воткнутого в ровную поверхность земли – нужно зафиксировать время, когда тень указывает точно на север (в Северном полушарии). Затем нужно взять это местное время и вычесть из него всемирное координированное время (UTC) или время в Лондоне, Англия. Например, полуденное время (12:00) в центральной части Канады или США наступит примерно в 18:00 (18:00) по лондонскому времени. Разница в 6 часов составляет четверть 24-часового дня, или 90 градусов из 360 градусов (окружность Земли). Вычисление также можно выполнить, умножив количество часов (используя десятичные дроби для обозначения частей часа) на 15 – количество градусов, соответствующих одному часу. В любом случае, можно показать, что большая часть центральной Северной Америки находится на или около 90 градусов западной долготы. Восточные долготы можно определить, прибавляя местное время к UTC, выполняя аналогичные вычисления.

Луновое расстояние

Более старый, но всё ещё полезный и практичный метод определения точного времени в море до появления точных хронометров и спутниковых систем времени называется "определением расстояний до Луны" или "лунными дистанциями", который широко использовался в течение короткого периода и был усовершенствован для ежедневного использования на борту кораблей в XVIII веке. Использование метода сократилось в середине XIX века, когда всё более точные хронометры стали доступны на большинстве судов. Хотя в последнее время он применялся преимущественно любителями секстантов и историками, сейчас он вновь становится всё более распространённым в курсах небесной навигации, чтобы снизить полную зависимость от систем GNSS как от потенциально единственного точного источника времени на борту судна. Разработанный для использования в ситуациях, когда точный хронометр недоступен или его точность вызывает сомнения во время длительного морского плавания, навигатор точно измеряет угол между Луной и Солнцем или между Луной и одной из нескольких звёзд вблизи эклиптики. Наблюдаемый угол необходимо скорректировать на влияние рефракции и параллакса, как и при любом небесном наблюдении. Для выполнения этой коррекции навигатор измеряет высоты Луны и Солнца (или другой звезды) приблизительно в то же время, что и угол лунной дистанции. Требуются лишь приблизительные значения высот. Расчёт с использованием подходящих опубликованных таблиц (или вручную с помощью логарифмов и графических таблиц) занимает около 10–15 минут для преобразования наблюдаемого угла (ов) в геоцентрическое расстояние до Луны. Затем навигатор сравнивает скорректированный угол со значениями, указанными на соответствующих страницах альманаха, для каждого трёхчасового интервала гринвичского времени, используя таблицы интерполяции для получения промежуточных значений. Результатом является разница во времени между источником времени (с неизвестным временем), использованным для наблюдений, и фактическим временем на нулевом меридиане (в Гринвиче, также известном как UTC или GMT). Зная UTC/GMT, навигатор может выполнить дополнительные наблюдения и произвести необходимые вычисления для определения своей точной позиции на Земле в виде местной широты и долготы.

Использование времени

Значительно более популярным методом было (и до сих пор является) использование точного прибора для прямого измерения времени при выполнении секстантных наблюдений. Необходимость в точной навигации привела к разработке в 18 веке все более точных хронометров (см. Джона Харрисона). Сегодня время измеряется хронометром, кварцевыми часами, коротковолновым радиосигналом, передаваемым атомными часами, или временем, отображаемым на приемнике спутникового сигнала времени. Кварцевые наручные часы обычно показывают время с точностью до полусекунды в сутки. Если их постоянно носить, держа их вблизи тепла тела, скорость их отклонения может быть измерена с помощью радио, и, компенсируя это отклонение, навигатор может обеспечивать точность хода времени до секунды в месяц. Когда время на нулевом меридиане (или другой начальной точке) известно точно, небесная навигация позволяет определять долготу, и чем точнее известны широта и время, тем точнее будет определение долготы. Угловая скорость вращения Земли зависит от широты. На полюсах, или на широте 90°, скорость вращения Земли достигает нуля. На широте 45° одна секунда времени эквивалентна по долготе 1077,8 футам (329 м), или одна десятая секунды соответствует 107,8 футам (33 м). На слегка вытянутом экваторе, или на широте 0°, скорость вращения Земли или ее эквивалент в долготе достигает максимума. Традиционно навигатор проверял свой хронометр(ы) с помощью секстанта на географическом знаке, определенном профессиональным астрономом. В настоящее время это редкий навык, и большинство смотрителей портов не могут найти знак своего порта. На кораблях часто имелось более одного хронометра. Хронометры устанавливались на карданном подвесе в сухом помещении, расположенном вблизи центра корабля. Они использовались для установки судовых часов перед выполнением наблюдений, чтобы хронометры никогда не подвергались воздействию ветра и соленой воды на палубе. Завод и сравнение хронометров были важнейшими обязанностями навигатора. Даже сегодня это ежедневно заносится в судовой журнал и докладывается капитану до восьми ударов на утренней вахте (полуденное время на борту). Навигаторы также устанавливали судовые часы и календарь. Два хронометра обеспечивали двойную модульную резервность, предоставляя резервный вариант в случае выхода одного из строя, но не позволяя вносить поправки на ошибку, если они показывали разное время, поскольку в случае противоречия между двумя хронометрами было бы невозможно определить, какой из них неисправен (обнаружение ошибки было бы таким же, как при использовании только одного хронометра и его периодической проверке: ежедневно в полдень по результатам счисления). Три хронометра обеспечивали тройную модульную резервность, позволяя исправлять ошибки, если один из трех был неисправен, поэтому пилот брал среднее значение двух с наиболее близкими показаниями (принцип усредненной точности). Существует старая поговорка на этот счет: "Никогда не выходи в море с двумя хронометрами; бери один или три". Суда, занимающиеся геодезическими работами, обычно перевозили гораздо больше трех хронометров, например, на HMS Beagle было 22 хронометра.

Современная небесная навигация

Концепция небесной линии положения была открыта в 1837 году Томасом Хаббардом Саммером, когда после одного наблюдения он вычислил и нанес на карту свою долготу, используя несколько пробных широт вблизи своего местоположения, и заметил, что полученные точки лежат на одной линии. Используя этот метод с двумя светилами, навигаторы наконец смогли пересечь две линии положения и определить свои координаты, фактически определяя и широту, и долготу. Позднее, в XIX веке, была разработана современная (Marcq St. Hilaire) методика перехвата; при этом методе вычисляются высота и азимут светила для выбранной пробной позиции и сравниваются с наблюдаемой высотой. Разница в угловых минутах соответствует расстоянию в морских милях – величине "перехвата", на которую линию положения необходимо сместить в сторону или от направления подточки светила. (Методика перехвата использует принцип, иллюстрированный в примере в разделе "Как это работает" выше.) Два других метода определения местоположения – это определение долготы по хронометру и метод экс-меридиана. Хотя небесная навигация становится все менее востребованной с появлением недорогих и высокоточных спутниковых навигационных приемников (GNSS), она широко использовалась в авиации до 1960-х годов и в морской навигации до недавнего времени. Однако, поскольку осмотрительный моряк никогда не полагается исключительно на один способ определения своего местоположения, многие национальные морские администрации по-прежнему требуют от офицеров палубы демонстрации знаний в области небесной навигации на экзаменах, в основном в качестве резервного варианта для электронной или спутниковой навигации. Одно из наиболее распространенных современных применений небесной навигации на борту крупных торговых судов – это калибровка компаса и проверка ошибок в море, когда недоступны наземные ориентиры. В 1980 году в правилах французского флота все еще требовалось наличие на борту судна автономно работающих часов, чтобы в сочетании с секстантом можно было определить местоположение судна с помощью небесной навигации. ВВС США и ВМС США продолжали обучать военных летчиков использованию небесной навигации до 1997 года, поскольку: небесная навигация может использоваться независимо от наземных средств. небесная навигация обеспечивает глобальное покрытие. небесную навигацию невозможно подавить (хотя ее может заслонять облачность). небесная навигация не излучает сигналов, которые мог бы обнаружить противник. Военно-морская академия США (USNA) объявила о прекращении курса по небесной навигации (считающегося одним из самых сложных неинженерных курсов) в учебной программе весной 1998 года. В октябре 2015 года, ссылаясь на опасения по поводу надежности систем GNSS в условиях потенциального враждебного взлома, USNA восстановила обучение небесной навигации в 2015–2016 учебном году. В другой федеральной академии, Академии торгового флота США, обучение небесной навигации не прерывалось, поскольку для получения лицензии береговой охраны США и поступления в торговый флот необходимо сдать соответствующий экзамен. Она также преподается в Гарварде, в последнее время как Astronomy 2. Небесная навигация продолжает использоваться частными яхтсменами, особенно совершающими длительные круизы по всему миру. Для небольших экипажей круизных судов небесная навигация обычно считается важным навыком при выходе за пределы видимости берега. Хотя спутниковая навигация надежна, яхтсмены используют небесную навигацию либо как основной инструмент навигации, либо как резервный. Небесная навигация использовалась в коммерческой авиации до начала эры реактивной авиации; ранние Boeing 747 имели "секстантный люк" в крыше кабины. Она была постепенно выведена из эксплуатации только в 1960-х годах с появлением инерциальной и доплеровской навигации, а также современных спутниковых систем, которые могут определять положение самолета с точностью до сферы радиусом 3 метра с несколькими обновлениями в секунду. Вариация наземной небесной навигации использовалась для ориентации космического корабля "Аполлон" по пути на Луну и обратно. И по сей день космические миссии, такие как Марсоход, используют звездные трекеры для определения ориентации космического аппарата. Уже в середине 1960-х годов были разработаны передовые электронные и компьютерные системы, позволяющие навигаторам получать автоматические определения местоположения по небесным светилам. Эти системы использовались на борту кораблей и самолетов ВВС США и были высокоточными, способными отслеживать до 11 звезд (даже днем) и определять местоположение аппарата с точностью до 300 футов (91 м). SR-71, высокоскоростной самолет-разведчик, был одним из примеров самолета, использовавшего комбинацию автоматической небесной и инерциальной навигации. Эти редкие системы были дорогими, однако немногие из них, которые до сих пор используются, рассматриваются как резервные системы по отношению к более надежным спутниковым системам позиционирования. Межконтинентальные баллистические ракеты используют небесную навигацию для проверки и корректировки своего курса (первоначально заданного с помощью внутренних гироскопов) во время полета за пределами атмосферы Земли. Невосприимчивость к подавлению сигналов является основной причиной использования этой, казалось бы, архаичной техники. Навигация и синхронизация на основе рентгеновских пульсаров (XNAV) – это экспериментальная навигационная техника для космоса, при которой периодические рентгеновские сигналы, излучаемые пульсарами, используются для определения местоположения аппарата, например, космического корабля в дальнем космосе. Аппарат, использующий XNAV, будет сравнивать принимаемые рентгеновские сигналы с базой данных известных частот и местоположений пульсаров. Подобно GNSS, это сравнение позволит аппарату точно триангулировать свое местоположение (±5 км). Преимущество использования рентгеновских сигналов перед радиоволнами заключается в том, что рентгеновские телескопы могут быть сделаны меньше и легче. 9 ноября 2016 года Китайская академия наук запустила экспериментальный спутник навигации на основе пульсаров под названием XPNAV 1. SEXTANT (Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology) – это проект NASA, разрабатываемый в Центре космических полетов имени Годдарда, который тестирует XNAV на орбите на борту Международной космической станции в связи с проектом NICER, запущенным 3 июня 2017 года в рамках миссии SpaceX CRS 11 по снабжению МКС.

Обучение

Небесное навигационное оборудование для обучения экипажей самолетов сочетает в себе простой симулятор полета с планетарием. Ранним примером является "Тренер небесной навигации Link", использовавшийся во Второй мировой войне. Он размещался в здании высотой 14 метров и включал в себя кабину, вмещавшую полный экипаж бомбардировщика (пилота, навигатора и бомбардира). Кабина была оснащена полным набором приборов, которые пилот использовал для управления имитируемым самолетом. Над кабиной располагалась система освещения, включавшая в себя коллимированные проекторы, имитирующие созвездия, по которым навигатор определял положение самолета. Движение купола имитировало изменение положения звезд с течением времени и перемещение самолета вокруг Земли. Навигатор также получал имитированные радиосигналы с различных наземных станций. Под кабиной перемещались "пластины рельефа" – большие подвижные аэрофотоснимки местности, создававшие у экипажа ощущение полета и позволявшие бомбардиру тренироваться в наведении на цели. Команда операторов, находящаяся в пультовой комнате под машиной, могла имитировать погодные условия, такие как ветер или облачность. Эта команда также отслеживала положение самолета, перемещая маркер ("краба") на бумажной карте. "Тренер небесной навигации Link" был разработан в ответ на запрос Королевских военно-воздушных сил (RAF) в 1939 году. RAF заказали 60 таких машин, и первая была построена в 1941 году. RAF использовали лишь несколько из них, а остальные были переданы в аренду США, где в конечном итоге использовались сотни таких тренажеров.