Введение

Процесс наблюдения и контроля за движением судна или транспортного средства из одного места в другое.

Навигация. Область навигации включает в себя четыре основные категории: сухопутная навигация, морская навигация, аэронавигация и космическая навигация. Это также термин, используемый для обозначения специализированных знаний, применяемых навигаторами для выполнения навигационных задач. Все навигационные техники включают определение местоположения навигатора относительно известных ориентиров или закономерностей. В более широком смысле, навигация может относиться к любому навыку или области знаний, связанным с определением местоположения и направления. Совершенствование этого навигационного инструмента приписывается португальским мореплавателям во время ранних португальских географических открытий в эпоху Великих географических открытий. Самое раннее известное описание изготовления и использования морской астролябии содержится в труде испанского космографа Мартина Кортеса де Албакара «Arte de Navegar» (Искусство навигации), опубликованном в 1551 году, и основано на принципе архипендула, использовавшегося при строительстве египетских пирамид. Навигация в открытом море с использованием астролябии и компаса началась в эпоху Великих географических открытий в XV веке. Португальцы начали систематическое исследование атлантического побережья Африки с 1418 года под покровительством принца Генриха. В 1488 году Бартоломеу Диаш достиг Индийского океана этим путем. В 1492 году испанские монархи профинансировали экспедицию Христофора Колумба с целью достичь Индии, пересекая Атлантический океан, что привело к открытию Америки. В 1498 году португальская экспедиция под командованием Васко да Гама достигла Индии, обогнув Африку, открыв тем самым прямой торговый путь в Азию. Вскоре португальцы отправились дальше на восток, в 1512 году – к Островам пряностей, а год спустя – в Китай. Первая кругосветная экспедиция была завершена в 1522 году экспедицией Магеллана-Элькано, испанским плаванием, возглавленным португальским исследователем Фердинандом Магелланом и завершенным испанским мореплавателем Хуаном Себастьяном Элькано после смерти Магеллана на Филиппинах в 1521 году. В 1519 году из Санлукар-де-Баррамеды, что на юге Испании, вышел флот из семи кораблей, пересек Атлантический океан и, после нескольких остановок, обогнул южную оконечность Южной Америки. Некоторые корабли были потеряны, но оставшийся флот продолжил путь через Тихий океан, совершив ряд открытий, включая Гуам и Филиппины. К тому времени из первоначальных семи галеонов остались только два. «Виктория» под командованием Элькано пересекла Индийский океан и направилась на север вдоль побережья Африки, чтобы, наконец, прибыть в Испанию в 1522 году, через три года после отплытия. «Тринидад» отплыла на восток от Филиппин, пытаясь найти морской путь обратно в Америку, но не преуспела. Восточный маршрут через Тихий океан, также известный как *tornaviaje* (обратный путь), был открыт лишь сорок лет спустя, когда испанский космограф Андрес де Урданета отплыл с Филиппин на север до 39-й параллели и попал в восточное течение Куросио, которое привело его галеон через Тихий океан. Он прибыл в Акапулько 8 октября 1565 года.

Этимология

Термин восходит к 1530-м годам, от латинского navigationem (им. navigatio), от navigatus, причастия прошедшего времени глагола navigare — «плавать, ходить под парусом, передвигаться по морю, управлять кораблем», от navis — «корабль» и корня agere — «двигать».

Широта

Примерно, широта места на Земле — это угловое расстояние к северу или югу от экватора. Широта обычно выражается в градусах (обозначаемых °), в диапазоне от 0° на экваторе до 90° на Северном и Южном полюсах. Надежные морские хронометры были недоступны до конца XVIII века и не были доступны по цене до XIX века. Около ста лет, с примерно 1767 по примерно 1850 год, моряки, не имевшие хронометра, использовали метод лунных расстояний для определения гринвичского времени и, следовательно, своей долготы. Моряк, имевший хронометр, мог проверить его показания, сравнивая их с определением гринвичского времени по луне.

Локсодромы

В навигации локсодромия (или румбовая линия) — это линия, пересекающая все меридианы долготы под одним и тем же углом, то есть путь, определяемый заданным начальным курсом. Это означает, что, выбрав начальный курс, следует двигаться по этому курсу, не изменяя направления относительно истинного или магнитного севера.

Пилотирование

Пилотирование (также называемое лоцманской навигацией) подразумевает ведение воздушного судна по визуальным ориентирам или водного судна в стесненных условиях с максимально точным определением его местоположения через короткие промежутки времени. По сравнению с другими этапами навигации, здесь особенно важна тщательная подготовка и внимание к деталям. Оно также может включать в себя управление судном по реке, каналу или фарватеру в непосредственной близости от берега. Хронометр отличается от механических часов с пружинным заводом главным образом тем, что в нем предусмотрено регулируемое рычажное устройство для поддержания постоянного давления на спираль и специальный баланс, разработанный для компенсации изменений температуры.

Инерциальная навигация

Инерциальная навигационная система (ИНС) – это навигационная система, работающая по методу счисления, которая определяет своё положение на основе данных от датчиков движения. Перед началом навигации устанавливаются начальные широта и долгота, а также физическая ориентация ИНС относительно Земли (например, направление на север и горизонт). После выравнивания ИНС получает сигналы от датчиков движения, измеряющих (а) ускорение по трём осям (акселерометры) и (б) угловую скорость вращения вокруг трёх взаимно перпендикулярных осей (гироскопы). Это позволяет ИНС непрерывно и точно вычислять текущие широту и долготу (а также часто скорость). Преимущество ИНС перед другими навигационными системами заключается в том, что после выравнивания она не требует внешних источников информации. На ИНС не влияют неблагоприятные погодные условия, её нельзя обнаружить или подавить. Недостаток состоит в том, что поскольку текущее положение вычисляется исключительно на основе предыдущих положений и показаний датчиков движения, ошибки накапливаются, увеличиваясь со скоростью, приблизительно пропорциональной времени, прошедшему с момента ввода исходных координат. Поэтому инерциальные навигационные системы необходимо регулярно корректировать с помощью определения местоположения от других навигационных систем. Первой инерциальной системой считается система наведения ракеты V-2, применённая немцами в 1942 году. Однако история инерциальных датчиков восходит к началу XIX века. Преимущества ИНС обусловили их применение в самолётах, ракетах, надводных и подводных кораблях. Например, ВМС США разработали корабельную инерциальную навигационную систему (SINS) в рамках программы создания ракеты Polaris для обеспечения надёжной и точной навигации при инициализации систем наведения ракет. Инерциальные навигационные системы широко использовались до появления спутниковых навигационных систем (GPS). ИНС по-прежнему широко применяются на подводных лодках (поскольку при погружении приём GPS или других источников определения местоположения невозможен) и ракетах большой дальности.

Космическая навигация

Не следует путать с спутниковой навигацией, которая зависит от спутников для работы, космическая навигация относится к навигации самих космических аппаратов. Исторически это достигалось (в рамках программы "Аполлон") с помощью навигационного компьютера, инерциальной навигационной системы, а также небесных наблюдений, вводимых астронавтами и регистрируемых секстантом и телескопом. Навигационные компьютеры, предназначенные для использования в космосе, как те, что применялись в программе "Аполлон" и последующих миссиях, разработаны с защитой от возможной коррупции данных, вызванной радиацией. Еще одним вариантом, который изучается для навигации в дальнем космосе, является навигация по пульсарам, заключающаяся в сравнении рентгеновских импульсов от группы известных пульсаров для определения местоположения космического аппарата. Этот метод был испытан различными космическими агентствами, такими как NASA и ESA.

Радионавигация

Радиодиректсоискатель (RDF) – это устройство для определения направления на радиоисточник. Благодаря способности радиосигналов распространяться на очень большие расстояния "за горизонт", RDF является особенно эффективной навигационной системой для кораблей и самолетов, находящихся вдали от берега. RDF работает путем вращения направленной антенны и определения направления, в котором сигнал от известной станции принимается наиболее четко. Этот тип системы широко использовался в 1930-х и 1940-х годах. Антенны RDF легко узнать на немецких самолетах времен Второй мировой войны – это петли, расположенные под задней частью фюзеляжа, в то время как на большинстве американских самолетов антенна заключалась в небольшой обтекаемый обтекатель в форме капли. В навигационных приложениях сигналы RDF передаются в виде радиомаяков – радиоэквивалента маяка. Сигнал обычно представляет собой простую AM-трансляцию последовательности букв азбукой Морзе, на которую RDF может быть настроен для проверки, "в эфире" ли маяк. Большинство современных приемников также могут принимать сигналы коммерческих радиостанций, что особенно полезно благодаря их высокой мощности и расположению вблизи крупных городов. Decca, OMEGA и LORAN C – три схожие гиперболические навигационные системы. Decca была низкочастотной гиперболической радионавигационной системой (также известной как мультилатерация), впервые развернутой во время Второй мировой войны, когда союзникам требовалась система для обеспечения точной посадки. Как и в случае с Loran C, ее основное применение заключалось в судоходстве в прибрежных водах. Рыболовные суда были основными потребителями после войны, но она также использовалась на самолетах, включая одно из первых (1949 год) применений дисплеев подвижных карт. Система была развернута в Северном море и использовалась вертолетами, работающими на нефтяных платформах. Навигационная система OMEGA была первой по-настоящему глобальной радионавигационной системой для самолетов, эксплуатируемой Соединенными Штатами в сотрудничестве с шестью странами-партнерами. OMEGA была разработана ВМС США для военных авиационных пользователей. Она была одобрена для разработки в 1968 году и обещала обеспечить глобальное покрытие океана всего с помощью восьми передатчиков и точность определения местоположения в пределах четырех миль (6 км). Первоначально система предназначалась для навигации ядерных бомбардировщиков через Северный полюс в Россию. Позже она оказалась полезной для подводных лодок. В связи с успехом глобальной системы позиционирования (GPS) использование OMEGA сократилось в 1990-х годах до такой степени, что стоимость ее эксплуатации стала неоправданной. Система OMEGA была прекращена 30 сентября 1997 года, и все станции были выведены из эксплуатации. LORAN – это наземная навигационная система, использующая низкочастотные радиопередатчики, которые определяют местоположение судна или самолета на основе разницы во времени приема радиосигналов от трех или более станций. Наиболее распространенной в настоящее время версией LORAN является LORAN C, работающая в низкочастотном диапазоне электромагнитного спектра от 90 до 110 кГц. Многие страны используют эту систему, включая Соединенные Штаты, Японию и несколько европейских стран. В России используется практически идентичная система в том же диапазоне частот, называемая "ЧАЙКА". Использование LORAN стремительно сокращается, и GPS является его основной заменой. Однако предпринимаются попытки усовершенствовать и вновь популяризировать LORAN. Сигналы LORAN менее подвержены помехам и лучше проникают сквозь листву и здания, чем сигналы GPS.

Радарная навигация

Радар является эффективным средством навигации, поскольку предоставляет информацию о дальности и пеленге до объектов, находящихся в пределах досягаемости радарного сканера. Когда судно (корабль или лодка) находится в пределах радиолокационной досягаемости суши или стационарных объектов (таких как специальные радионавигационные средства и навигационные знаки), вахтенный помощник может определять расстояния и угловые пеленги до объектов на карте и использовать их для построения дуг и линий положения. Фиксация, основанная исключительно на радиолокационной информации, называется радиолокационной фиксацией. К типам радиолокационных фиксаций относятся "определение дальности и пеленга до одного объекта", "два или более пеленга". Эта техника включает создание на экране линии, параллельной курсу судна, но смещенной влево или вправо на определенное расстояние. Для специальных ситуаций разработаны и другие методы, которые реже используются в обычной навигации. Один из них, известный как "контурный метод", заключается в нанесении прозрачного пластикового шаблона на изображение радарного экрана и переносе его на карту для определения местоположения. Другой специальный метод, известный как метод непрерывного радиолокационного слежения Франклина, предполагает нанесение на радарный дисплей траектории, по которой должен двигаться радарный объект, если судно придерживается запланированного курса. Во время движения вахтенный помощник может убедиться, что судно идет по заданному курсу, проверяя, что отраженный сигнал находится на нанесенной линии. Это включает в себя замену устаревающих спутников, а также проведение исследований и разработок. Несмотря на это, GPS доступна для гражданского использования как общественное благо. Современные смартфоны служат персональными GPS-навигаторами для их владельцев. Чрезмерное использование этих устройств, как в транспортных средствах, так и пешком, может привести к снижению способности ориентироваться в окружающей среде и, как следствие, к ухудшению навигационных навыков в случае их недоступности. Как правило, для определения направления при неподвижном положении также используется компас.

Один день работы в навигации

Ежедневная навигационная практика – это минимальный набор задач, обеспечивающих осмотрительную навигацию. Определение этого набора будет различаться на военных и гражданских судах, а также от корабля к кораблю, но традиционно он включает следующее:
Ведение непрерывного суммарного хода. Выполнение двух или более звёздных наблюдений в утренних сумерках для определения небесной координаты (рекомендуется наблюдать шесть звёзд). Наблюдение утреннего Солнца. Может выполняться на или вблизи первого вертикала для определения долготы, или в любое время для получения линии положения. Определение погрешности компаса по азимуту Солнца. Расчёт интервала до полудня, времени местного видимого полудня и констант для меридианных или экс-меридианных наблюдений. Полуденное меридианное или экс-меридианное наблюдение Солнца для определения полуденной линии широты. Определение текущей координаты или пересечение с линией Венеры для полуденной фиксации. Определение дневного пробега, курса и сноса в полдень. Получение как минимум одной солнечной линии днём, на случай невидимости звёзд в сумерках. Определение погрешности компаса по азимуту Солнца. Выполнение двух или более звёздных наблюдений в вечерних сумерках для определения небесной координаты (рекомендуется наблюдать шесть звёзд). Навигация на судах обычно всегда осуществляется на мостике. Она также может проводиться в смежном помещении, где доступны карты и навигационные издания.

Планирование прохода

Планирование прохода или планирование рейса – это процедура разработки полного описания рейса судна от начала до конца. План включает в себя выход из дока и гавани, этап рейса в открытом море, приближение к месту назначения и швартовку. В соответствии с международным правом, капитан судна несет юридическую ответственность за планирование прохода, однако на крупных судах эта задача делегируется судовому навигатору. Исследования показывают, что человеческий фактор является причиной 80 процентов навигационных аварий, и во многих случаях человек, допустивший ошибку, имел доступ к информации, которая могла бы предотвратить аварию. Эти рекомендации отражены в национальном законодательстве стран-участниц ИМО (например, в Разделе 33 Кодекса федеральных правил США) и в ряде профессиональных книг и публикаций. В зависимости от размера и типа судна, комплексный план прохода может включать около пятидесяти элементов. Этап оценки включает сбор информации, относящейся к планируемому рейсу, выявление рисков и оценку ключевых характеристик рейса. Это подразумевает рассмотрение типа необходимой навигации, например, ледовой навигации, региона, через который будет проходить судно, и гидрографической информации о маршруте. На следующем этапе создается письменный план. Третий этап – реализация утвержденного плана рейса с учетом любых особых обстоятельств, которые могут возникнуть, таких как изменения погодных условий, которые могут потребовать пересмотра или корректировки плана. Заключительный этап планирования прохода состоит в контроле за ходом судна в соответствии с планом и реагировании на отклонения и непредвиденные обстоятельства.

Интегрированные мостовые системы

Электронные интегрированные концепции судового управления определяют планирование будущих навигационных систем. Любители и яхтсмены могут проходить обучение навигации в местных или региональных учебных центрах. Военно-морские офицеры получают подготовку по навигации в рамках своей военно-морской подготовки. В наземной навигации курсы и обучение часто предоставляются молодежи в рамках общего или дополнительного образования. Наземная навигация также является важной частью военной подготовки. Кроме того, такие организации, как скаутские организации и программа DoE, обучают своих воспитанников навигации. Ориентирование – это вид спорта, требующий навигационных навыков с использованием карты и компаса для перемещения между контрольными пунктами в разнообразной и, как правило, незнакомой местности на скорости. В авиации пилоты проходят обучение воздушной навигации в процессе обучения полетам. Профессиональные организации также способствуют совершенствованию навигации и объединяют навигаторов в специализированных сообществах. Королевский институт навигации (RIN) – это научное общество с благотворительным статусом, целью которого является развитие навигации на суше, на море, в воздухе и в космосе. Он был основан в 1947 году как площадка для обмена опытом и информацией между моряками, пилотами, инженерами и учеными. В США Институт навигации (ION) – это некоммерческая профессиональная организация, занимающаяся развитием науки и искусства позиционирования, навигации и синхронизации времени.

Публикации

Существует множество морских публикаций по навигации, издаваемых профессиональными организациями по всему миру. В Великобритании Гидрографическое управление Соединенного Королевства, издательская группа Уизерби и Морской институт предоставляют широкий спектр навигационных изданий, включая всеобъемлющее Адмиралтейское руководство по навигации. В США Bowditch's American Practical Navigator – это свободно доступная энциклопедия по навигации, издаваемая правительством США.

Навигация в пространственном познании

Навигация – это важная повседневная деятельность, включающая ряд способностей, помогающих людям и животным определять местоположение, отслеживать и следовать маршрутами для достижения различных пунктов назначения. В пространственном познании навигация позволяет получать информацию об окружающей среде, используя тело и ориентиры как системы отсчета для создания ментальных представлений об окружении, также известных как когнитивные карты. Люди ориентируются, переходя между различными пространствами и координируя эгоцентрические и аллоцентрические системы отсчета. Навигацию можно разделить на два пространственных компонента: локомоцию и определение маршрута. Локомоция – это процесс перемещения из одного места в другое, как у людей, так и у животных. Локомоция помогает понять окружающую среду, перемещаясь в пространстве и создавая его мысленное представление. Определение маршрута определяется как активный процесс выбора или прокладывания пути между двумя точками, опираясь на ментальные представления. Оно включает в себя процессы представления, планирования и принятия решений, которые помогают избегать препятствий, придерживаться курса или регулировать скорость при приближении к определенным объектам. Навигацию и определение маршрута можно рассматривать в контексте окружающего пространства. Согласно классификации пространства Дэна Монтелло, существует четыре уровня пространства, и третий уровень – это окружающее пространство. Окружающее пространство представляет собой обширное пространство, например, город, которое можно полностью исследовать только посредством движения, поскольку не все объекты и пространство видны напрямую. Барбара Тверски также систематизировала пространство, но уже с учетом трех измерений, соответствующих осям человеческого тела и его продолжений: сверху/снизу, спереди/сзади и слева/справа. В конечном итоге Тверски предложила четырехчастную классификацию навигационного пространства: пространство тела, пространство вокруг тела, пространство навигации и пространство графики.

Поиск пути

Существует два типа ориентирования в навигации: с помощью и без помощи. Направленное ориентирование, в свою очередь, можно разделить на поиск и целевое приближение. Поиск означает, что человек не знает, где находится пункт назначения, и должен найти его либо в незнакомой среде (неинформированный поиск), либо в знакомой среде (информированный поиск). Целевое приближение, напротив, предполагает, что навигатор знает местоположение пункта назначения, но делается дополнительное различие в зависимости от того, знает ли он, как добраться до него. Следование маршруту означает, что навигатор знает окружающую среду, маршрут и пункт назначения, то есть он просто следует известным путем, не задумываясь. Например, когда вы идете по привычной дороге из дома на работу или в университет в своем городе. Однако, поиск маршрута означает, что навигатор знает, где находится пункт назначения, но не знает, каким путем туда добраться: вы знаете, где находится определенный магазин, но не знаете, как туда дойти или какой путь выбрать. Если навигатор не знаком с окружающей средой, это называется поиском маршрута, то есть известно только место назначения, но не маршрут и не среда: вы в новом городе и вам нужно добраться до вокзала, но вы не знаете, как это сделать. Планирование маршрута, напротив, означает, что навигатор знает местоположение пункта назначения и знаком с окружающей средой, поэтому ему нужно только спланировать маршрут, по которому следует двигаться, чтобы достичь цели. Например, если вы находитесь в своем городе и вам нужно добраться до определенного магазина, вы знаете, куда идти, но не знаете, какой конкретный маршрут вам нужно выбрать.