Введення
"Суднові навігаційні прилади" - так звучить тема мого курсового проекту. Моя спеціальність передбачає ознайомлення і роботу з сучасними пристроями визначення координації, але мені також здалося важливим висвітлити і ту частину епохи, коли моряки визначали своє місцезнаходження по розташуванню небесних світил, без комп'ютерів та складної техніки GPS - і радіонавігаторов.
Я постаралася провести лінію і порівняти наскільки високо розвинулися системи і прилади сучасної навігації та прилади на перших вітрильних кораблях.
1. Про навігації в судноводінні
Історія морської навігації
Навігація (Navigation від лат.Navis - корабель) - основний розділ судноводіння, в якому:
- Розробляються теоретичні обгрунтування і практичні прийоми водіння суден;
- Розглядаються питання вибору найкоротшого і безпечного шляху прямування судна в море й утримання судна на обраному шляху.
Морська навігація зародилася в далекій давнині. Найпростіші прийоми водіння суден були відомі не тільки давнім єгиптянам і фінікійцям, але і народам, що стояли на більш низькому щаблі розвитку.
Основи сучасної навігації були закладені застосуванням магнітної стрілки для визначення курсу судна [см. компас], що відносяться до XI століття, складанням карт в прямій рівнокутної циліндричної проекції (Г. Меркатор, 1569), винаходом у XIX столітті механічного лага.
У кінці XIX - початку XX століть успіхи в розвитку фізики послужили основою створення електронавігаційними приладів і радіотехнічних засобів судноводіння.
Завдання сучасної навігації
Морська навігація має свої завдання:
· Вибір безпечного і найбільш вигідного шляху судна;
· Визначення напряму руху і пройденого судном відстані в морі за допомогою навігаційних інструментів та приладів (у тому числі визначення поправок показань цих приладів);
· Вивчення і вибір найбільш зручних для судноводіння картографічних проекцій і рішення на них аналітичними та графічними способами навігаційних завдань;
· Облік впливу зовнішніх чинників, що викликали відхилення судна від обраного шляху;
· Визначення місця судна по наземних орієнтирів і навігаційним штучним супутникам та оцінка точності цих визначень.
Ряд навігаційних завдань вирішується з використанням методів геодезії, картографії, гідрографії, океанології і метеорології.
Розрахунок курсу та судноводіння
Плавання судна між заданими пунктами вимагає розрахунку і нанесення його шляху на морські навігаційні карти, а також визначення курсу, що забезпечує переміщення судна наміченим шляхом з урахуванням впливу зовнішніх збурюючих факторів - вітру і течії. В якості основної одиниці вимірювання відстаней в море прийнята морська миля, а напрямків - градус.
Найкоротшим відстанню між двома даними точками на поверхні Землі, прийнятої за кулю, є менша з дуг великому колу, що проходить через ці точки (ортодромії). Окрім випадку проходження судна по меридіану або екватора, ортодромії перетинає меридіани під різними кутами. Тому судно, наступне за такою кривою, має весь час змінювати свій курс. Практично зручніше слідувати за курсом, що становить постійний кут з меридіанами і зображуваного на карті в проекції Меркатора прямою лінією - локсодроми. Однак на великих відстанях різниця в довжині ортодромії і локсодромії досягає значної величини. Тому в таких випадках розраховують ортодромії і намічають на ній проміжні точки, між якими здійснюють плавання по локсодромії.
Графічне зображення шляху судна на морській карті називається прокладкою.
Під час плавання судноводій веде безперервний облік положення судна у напрямку його руху і пройденого відстані на основі показань компаса суднового і лага, а також даних про перебіг і дрейфі судна. Метод обліку положення судна за елементами його руху називається лічити, а місце судна на карті, отримане цим методом - зчисленому місцем судна.
Проте як би ретельно не велося лічити, воно завжди розходиться з дійсним місцем судна з-за помилок в прийнятих поправках показань компаса і лага, неточностей обліку елементів течії і дрейфу, а також відхилень судна від курсу під впливом інших факторів. Тому під час плавання для виключення помилок постійно коригують числення допомогою періодичних визначень місця судна (обсервацій) по наземних орієнтирів (тобто навігаційними способами) або небесним світилам, застосовуючи способи морехідної астрономії.
Навігаційні способи засновані на вимірюванні відстаней і напрямків (або їх комбінацій) до об'єктів, координати яких відомі, або кутів між ними. Кожен вимір дає одну лінію положення. Перетин 2 ліній положення визначає обсервованное місце судна. При 3 і більше лініях можна не тільки визначити місце судна, але і знайти імовірні значення помилок спостережень. Орієнтирами для навігаційних визначень поблизу берега служать нанесені на карту природні примітні місця або штучні споруди (переважно засоби навігаційного обладнання - маяки, знаки, створи і ін), що спостерігаються візуально або за допомогою радіолокатора, сигнали кругових або створних радіомаяків, звукові сигнали, а також відмінні глибини. На значних відстанях від берега використовуються імпульсні, імпульсно-фазові і фазові радіонавігаційні системи або секторні радіомаяки.
Підвищення інтенсивності руху на морських шляхах, збільшення розмірів і швидкості ходу морських судів потребують удосконалення технічних засобів і методів навігації.
Одним із шляхів збільшення точності числення є використання ефекту Доплера в гідроакустичних лагах, що дозволяє вимірювати швидкість судна відносно грунту.
На підходах до портів і при плаванні по обмеженим фарватерах необхідна точність проведення суден забезпечується застосуванням прецизійних радіонавігаційних систем ближньої дії або береговими радіолокаційним станціями. Для навігації у відкритому морі розробляються глобальні радіонавігаційні системи, що дозволяють визначати місце судна в будь-якій точці. Дуже перспективна для цієї мети система навігаційних штучних супутників Землі.
Розвиток техніки судноводіння дозволяє автоматизувати отримання та обробку навігаційної інформації і видавати дані безпосередньо на систему управління для вирішення завдання стабілізації судна на заданій траєкторії. Перспективним напрямком є розвиток і застосування на транспортних судах автономних систем інерціальної навігації.
2. Навігаційні прилади
Навігаційні прилади - компаси, гіроазімути, автопрокладчікі, висотоміри, лаги, лоти, ехолоти, секстант і інші пристрої, призначені:
- Для вимірювання окремих елементів руху судна, літального апарату та інших рухомих об'єктів;
- Для визначення їх місця розташування; і
- Для отримання вихідних даних для застосування зброї.
Компас [СС1]
Компас (у професійного мовлення моряків: компас) - це пристрій, що полегшує орієнтування на місцевості. Існують три принципово різних види компасу: магнітний компас, гірокомпас і електронний компас.
Магнітний компас
Історія створення. Дорожній компас XVIII століття.
Імовірно, компас був винайдений в Китаї за 2000 років до н.е. і використовувався для вказівки напрямку руху по пустелях. У Європі винахід компаса відносять до XII-XIII ст., Однак пристрій його залишалося дуже простим - магнітна стрілка, укріплена на пробці і опущена в посудину з водою. У воді пробка зі стрілкою орієнтувалася потрібним чином. На початку XIV ст. італієць Ф. Джойя значно удосконалив компас. Магнітну стрілку він надів на вертикальну шпильку, а до стрілки прикріпив легкий коло - котушку, розбиту по колу на 16 румбів. У XVI ст. ввели поділ котушки на 32 румба і коробку зі стрілкою стали поміщати в карданном підвісі, щоб усунути вплив хитавиці корабля на компас. У XVII ст. компас забезпечили пеленгатором - обертається діаметральної лінійкою з візирами на кінцях, укріпленої своїм центром на кришці коробки над стрілкою.
Для прикладу буде розглянуто компас Адріанова. Компас Адріанова складається з корпусу 1, в центрі якого на вістря голки поміщена магнітна стрілка 3. При незаторможенном стані стрілки її північний кінець встановлюється в напрямку на Північний магнітний полюс, а південний - на Південний магнітний полюс. У неробочому стані стрілка закріплюється гальмом 6. Усередині корпусу компаса поміщена кругова шкала (лімб) 2, розділена на 120 поділок. Ціна одного розподілу становить 3 °, або 50 малих поділок кутоміра (0-50). Шкала має подвійну оцифровку. Внутрішня оцифровка нанесена по ходу годинної стрілки від 0 до 360 ° через 15 ° (5 поділок шкали). Зовнішня оцифровка шкали нанесена проти ходу годинникової стрілки через 5 великих поділок кутоміра (10 поділок шкали). Для візування на місцеві предмети (орієнтири) і зняття відліків по шкалі компаса на обертовому кільці компаса закріплене візирне пристосування (мушка і цілик) 4 і покажчик відліків 5.
Принцип дії компаса заснований на взаємодії магнітного поля постійних магнітів компаса з горизонтальної складової магнітного поля Землі. Що вільно обертається магнітна стрілка повертається навколо осі, розташовуючись уздовж силових ліній магнітного поля. Таким чином, стрілка завжди вказує одним з кінців у напрямку лінії магнітного поля, яка йде до Північного магнітного полюсу.
Гірокомпас
Гірокомпас - прилад, який вказує напрямок на земній поверхні, в її склад входить один або кілька гіроскопів. Використовується майже повсюдно в системах навігації і управління великих морських суден; на відміну від магнітного компаса його показання пов'язані з направленням на істинний географічний (а не магнітний) Північний полюс. Зазвичай гірокомпас застосовується як опорна навігаційний пристрій в суднових рульових системах з ручним або автоматичним управлінням, а також при вирішенні різних завдань іншого роду, наприклад, для визначення точного напрямку при наведенні знаряддя бойового корабля. Морський гірокомпас, як правило, дуже важкий, а в деяких конструкціях вага гіроскопічного ротора перевищує 25 кг . Для нормальної роботи гірокомпас необхідно стійку основу, не відчуває прискорень і фіксоване щодо земної поверхні, причому швидкість його переміщення повинна бути пренебрежимо мала в порівнянні зі швидкістю добового обертання Землі на даній широті.
Історія створення
Прототип сучасного гірокомпас першим створив Г. Аншюц-Кемпфе (запатентований в 1908), незабаром подібний прилад побудував Е. Сперрі (запатентований в 1911). У наступні роки розроблялося безліч гірокомпасів різних модифікацій, але найбільш вдалі з них принципово майже не відрізнялися від пристроїв Аншюца і Сперрі. Прилади сучасної конструкції значно удосконалені в порівнянні з першими моделями, вони відрізняються високою точністю і надійністю і зручніше в експлуатації.
Найпростіший гірокомпас складається з гіроскопа, підвішеного всередині порожнього кулі, який плаває в рідині; вага кулі з гіроскопом такий, що його центр ваги розташовується на осі кулі у його нижній частині, коли вісь обертання гіроскопа горизонтальна.
Припустимо, що гірокомпас знаходиться на екваторі, а вісь обертання його гіроскопа збігається з напрямком захід - схід; вона зберігає свою орієнтацію в просторі за відсутності впливу зовнішніх сил. Але Земля обертається, роблячи один оборот в добу. Так як спостерігач, що знаходиться поряд, обертається разом із планетою, він бачить, як східний кінець (E) осі гіроскопа піднімається, а західний (W) опускається; при цьому центр ваги кулі зміщується на схід і вгору (позиція б). Однак сила земного тяжіння перешкоджає такому зміщення центру ваги, і в результаті її впливу вісь гіроскопа повертається так, щоб співпасти з віссю добового обертання Землі, тобто з напрямком північ - південь (це обертальний рух осі гіроскопа під дією зовнішньої сили називається прецесією). Коли вісь гіроскопа співпаде з напрямком північ - південь (N - S, позиція в), центр ваги опиниться в нижньому положенні на вертикалі і причина прецесії зникне. Поставивши мітку "Північ" (N) на те місце кулі, в яке впирається відповідний кінець осі гіроскопа, і співвіднісши їй шкалу з потрібними поділками, отримують надійний компас. У реальному гірокомпас передбачені компенсація девіації компаса і поправка на широту місця. Дія гірокомпас залежить від обертання Землі та особливостей взаємодії ротора гіроскопа з його підвісом.
Електронний компас
Електронний компас у системі навігації NAVSTAR
Тут розглядається компас, побудований на принципі визначення координат через супутникові системи навігації. Існують також компаси, що використовують у якості датчика блок магніторезисторах.
Історія створення електронного компаса тісно пов'язана з системами супутникової навігації.
Принцип дії такого компаса досить простий:
1. На підставі сигналів з супутників визначаються координати приймача системи супутникової навігації (і, відповідно, об'єкта)
2. Засікається момент часу, в який було зроблено визначення координат.
3. Вичікує деякий інтервал часу.
4. Повторно визначається місце розташування об'єкта.
5. На підставі координат двох точок і розміру тимчасового інтервалу обчислюється вектор швидкості руху і з нього:
напрям руху
швидкість руху
Здійснюється перехід до кроку 2.
Обмеження:
Природно, якщо об'єкт не переміщується, напрямок руху дізнатися не вийде. Виняток становлять досить великі об'єкти (наприклад, літаки), де є можливість встановити 2 приймача (наприклад, на кінцях крил). При цьому координати двох точок можна отримати одразу, навіть якщо об'єкт нерухомий, і перейти до пункту 5.
Ще одне обмеження обумовлено точністю визначення координат супутниковими системами позиціонування і впливає, головним чином, на тихохідні об'єкти (пішоходів).
Гіроазімут
Гіроазімут - навігаційне гіроскопічні пристрій, призначений
- Для збереження заданого напрямку в горизонтальній площині, за яким спочатку орієнтована головна вісь гіроскопа; і
- Для вимірювання кутів повороту щодо заданого напрямку (кутів рискання).
Гіроазімут: гіроскопічний прилад, призначений для збереження заданого азимутального напрямки. У гіроазімуте застосовується врівноважує гіроскоп з 3 ступенями свободи, у якого центр ваги збігається з геометричним центром (точкою підвісу), тому на гіроазімут не впливають сили інерції, що виникають при маневруванні і хитавиці судна. Гіроазімути застосовують як курсоуказателя. Для перетворення гіроскопа в гіроазімут, який вказує постійне напрямок щодо меридіана, слід розрахувати догляд (відхилення) головної осі гіроскопа відносно площини істинного меридіана і компенсувати його. Цю функцію виконує азимутальний коректор. Гіроскоп не має стійкого рівноважного положення щодо горизонтальної системи координат в азимут, тому у всіх гіроазімутах головна вісь гіроскопа штучно утримується в площині горизонту за допомогою горизонтального коректора.
Автопрокладчік
Автопрокладчік прилад автоматично прокладає курс судна на навігаційній карті отримуючи свідчення курсу від гірокомпас, а дані про пройдений відстані від лага.
Згідно загальноприйнятим визначенням, автопрокладчік, прилад, автоматично прокладає курс судна на навігаційній карті, отримуючи свідчення курсу від гірокомпас, а дані про пройдений відстані від лага або за сигналами радіонавігаційної системи. Перш автопрокладчік називали одографом.
"Суднові навігаційні прилади" - так звучить тема мого курсового проекту. Моя спеціальність передбачає ознайомлення і роботу з сучасними пристроями визначення координації, але мені також здалося важливим висвітлити і ту частину епохи, коли моряки визначали своє місцезнаходження по розташуванню небесних світил, без комп'ютерів та складної техніки GPS - і радіонавігаторов.
Я постаралася провести лінію і порівняти наскільки високо розвинулися системи і прилади сучасної навігації та прилади на перших вітрильних кораблях.
1. Про навігації в судноводінні
Історія морської навігації
Навігація (Navigation від лат.Navis - корабель) - основний розділ судноводіння, в якому:
- Розробляються теоретичні обгрунтування і практичні прийоми водіння суден;
- Розглядаються питання вибору найкоротшого і безпечного шляху прямування судна в море й утримання судна на обраному шляху.
Морська навігація зародилася в далекій давнині. Найпростіші прийоми водіння суден були відомі не тільки давнім єгиптянам і фінікійцям, але і народам, що стояли на більш низькому щаблі розвитку.
Основи сучасної навігації були закладені застосуванням магнітної стрілки для визначення курсу судна [см. компас], що відносяться до XI століття, складанням карт в прямій рівнокутної циліндричної проекції (Г. Меркатор, 1569), винаходом у XIX столітті механічного лага.
У кінці XIX - початку XX століть успіхи в розвитку фізики послужили основою створення електронавігаційними приладів і радіотехнічних засобів судноводіння.
Завдання сучасної навігації
Морська навігація має свої завдання:
· Вибір безпечного і найбільш вигідного шляху судна;
· Визначення напряму руху і пройденого судном відстані в морі за допомогою навігаційних інструментів та приладів (у тому числі визначення поправок показань цих приладів);
· Вивчення і вибір найбільш зручних для судноводіння картографічних проекцій і рішення на них аналітичними та графічними способами навігаційних завдань;
· Облік впливу зовнішніх чинників, що викликали відхилення судна від обраного шляху;
· Визначення місця судна по наземних орієнтирів і навігаційним штучним супутникам та оцінка точності цих визначень.
Ряд навігаційних завдань вирішується з використанням методів геодезії, картографії, гідрографії, океанології і метеорології.
Розрахунок курсу та судноводіння
Плавання судна між заданими пунктами вимагає розрахунку і нанесення його шляху на морські навігаційні карти, а також визначення курсу, що забезпечує переміщення судна наміченим шляхом з урахуванням впливу зовнішніх збурюючих факторів - вітру і течії. В якості основної одиниці вимірювання відстаней в море прийнята морська миля, а напрямків - градус.
Найкоротшим відстанню між двома даними точками на поверхні Землі, прийнятої за кулю, є менша з дуг великому колу, що проходить через ці точки (ортодромії). Окрім випадку проходження судна по меридіану або екватора, ортодромії перетинає меридіани під різними кутами. Тому судно, наступне за такою кривою, має весь час змінювати свій курс. Практично зручніше слідувати за курсом, що становить постійний кут з меридіанами і зображуваного на карті в проекції Меркатора прямою лінією - локсодроми. Однак на великих відстанях різниця в довжині ортодромії і локсодромії досягає значної величини. Тому в таких випадках розраховують ортодромії і намічають на ній проміжні точки, між якими здійснюють плавання по локсодромії.
Графічне зображення шляху судна на морській карті називається прокладкою.
Під час плавання судноводій веде безперервний облік положення судна у напрямку його руху і пройденого відстані на основі показань компаса суднового і лага, а також даних про перебіг і дрейфі судна. Метод обліку положення судна за елементами його руху називається лічити, а місце судна на карті, отримане цим методом - зчисленому місцем судна.
Проте як би ретельно не велося лічити, воно завжди розходиться з дійсним місцем судна з-за помилок в прийнятих поправках показань компаса і лага, неточностей обліку елементів течії і дрейфу, а також відхилень судна від курсу під впливом інших факторів. Тому під час плавання для виключення помилок постійно коригують числення допомогою періодичних визначень місця судна (обсервацій) по наземних орієнтирів (тобто навігаційними способами) або небесним світилам, застосовуючи способи морехідної астрономії.
Навігаційні способи засновані на вимірюванні відстаней і напрямків (або їх комбінацій) до об'єктів, координати яких відомі, або кутів між ними. Кожен вимір дає одну лінію положення. Перетин 2 ліній положення визначає обсервованное місце судна. При 3 і більше лініях можна не тільки визначити місце судна, але і знайти імовірні значення помилок спостережень. Орієнтирами для навігаційних визначень поблизу берега служать нанесені на карту природні примітні місця або штучні споруди (переважно засоби навігаційного обладнання - маяки, знаки, створи і ін), що спостерігаються візуально або за допомогою радіолокатора, сигнали кругових або створних радіомаяків, звукові сигнали, а також відмінні глибини. На значних відстанях від берега використовуються імпульсні, імпульсно-фазові і фазові радіонавігаційні системи або секторні радіомаяки.
Підвищення інтенсивності руху на морських шляхах, збільшення розмірів і швидкості ходу морських судів потребують удосконалення технічних засобів і методів навігації.
Одним із шляхів збільшення точності числення є використання ефекту Доплера в гідроакустичних лагах, що дозволяє вимірювати швидкість судна відносно грунту.
На підходах до портів і при плаванні по обмеженим фарватерах необхідна точність проведення суден забезпечується застосуванням прецизійних радіонавігаційних систем ближньої дії або береговими радіолокаційним станціями. Для навігації у відкритому морі розробляються глобальні радіонавігаційні системи, що дозволяють визначати місце судна в будь-якій точці. Дуже перспективна для цієї мети система навігаційних штучних супутників Землі.
Розвиток техніки судноводіння дозволяє автоматизувати отримання та обробку навігаційної інформації і видавати дані безпосередньо на систему управління для вирішення завдання стабілізації судна на заданій траєкторії. Перспективним напрямком є розвиток і застосування на транспортних судах автономних систем інерціальної навігації.
2. Навігаційні прилади
Навігаційні прилади - компаси, гіроазімути, автопрокладчікі, висотоміри, лаги, лоти, ехолоти, секстант і інші пристрої, призначені:
- Для вимірювання окремих елементів руху судна, літального апарату та інших рухомих об'єктів;
- Для визначення їх місця розташування; і
- Для отримання вихідних даних для застосування зброї.
Компас [СС1]
Компас (у професійного мовлення моряків: компас) - це пристрій, що полегшує орієнтування на місцевості. Існують три принципово різних види компасу: магнітний компас, гірокомпас і електронний компас.
Магнітний компас
Історія створення. Дорожній компас XVIII століття.
Імовірно, компас був винайдений в Китаї за 2000 років до н.е. і використовувався для вказівки напрямку руху по пустелях. У Європі винахід компаса відносять до XII-XIII ст., Однак пристрій його залишалося дуже простим - магнітна стрілка, укріплена на пробці і опущена в посудину з водою. У воді пробка зі стрілкою орієнтувалася потрібним чином. На початку XIV ст. італієць Ф. Джойя значно удосконалив компас. Магнітну стрілку він надів на вертикальну шпильку, а до стрілки прикріпив легкий коло - котушку, розбиту по колу на 16 румбів. У XVI ст. ввели поділ котушки на 32 румба і коробку зі стрілкою стали поміщати в карданном підвісі, щоб усунути вплив хитавиці корабля на компас. У XVII ст. компас забезпечили пеленгатором - обертається діаметральної лінійкою з візирами на кінцях, укріпленої своїм центром на кришці коробки над стрілкою.
Для прикладу буде розглянуто компас Адріанова. Компас Адріанова складається з корпусу 1, в центрі якого на вістря голки поміщена магнітна стрілка 3. При незаторможенном стані стрілки її північний кінець встановлюється в напрямку на Північний магнітний полюс, а південний - на Південний магнітний полюс. У неробочому стані стрілка закріплюється гальмом 6. Усередині корпусу компаса поміщена кругова шкала (лімб) 2, розділена на 120 поділок. Ціна одного розподілу становить 3 °, або 50 малих поділок кутоміра (0-50). Шкала має подвійну оцифровку. Внутрішня оцифровка нанесена по ходу годинної стрілки від 0 до 360 ° через 15 ° (5 поділок шкали). Зовнішня оцифровка шкали нанесена проти ходу годинникової стрілки через 5 великих поділок кутоміра (10 поділок шкали). Для візування на місцеві предмети (орієнтири) і зняття відліків по шкалі компаса на обертовому кільці компаса закріплене візирне пристосування (мушка і цілик) 4 і покажчик відліків 5.
Принцип дії компаса заснований на взаємодії магнітного поля постійних магнітів компаса з горизонтальної складової магнітного поля Землі. Що вільно обертається магнітна стрілка повертається навколо осі, розташовуючись уздовж силових ліній магнітного поля. Таким чином, стрілка завжди вказує одним з кінців у напрямку лінії магнітного поля, яка йде до Північного магнітного полюсу.
Гірокомпас
Гірокомпас - прилад, який вказує напрямок на земній поверхні, в її склад входить один або кілька гіроскопів. Використовується майже повсюдно в системах навігації і управління великих морських суден; на відміну від магнітного компаса його показання пов'язані з направленням на істинний географічний (а не магнітний) Північний полюс. Зазвичай гірокомпас застосовується як опорна навігаційний пристрій в суднових рульових системах з ручним або автоматичним управлінням, а також при вирішенні різних завдань іншого роду, наприклад, для визначення точного напрямку при наведенні знаряддя бойового корабля. Морський гірокомпас, як правило, дуже важкий, а в деяких конструкціях вага гіроскопічного ротора перевищує
Історія створення
Прототип сучасного гірокомпас першим створив Г. Аншюц-Кемпфе (запатентований в 1908), незабаром подібний прилад побудував Е. Сперрі (запатентований в 1911). У наступні роки розроблялося безліч гірокомпасів різних модифікацій, але найбільш вдалі з них принципово майже не відрізнялися від пристроїв Аншюца і Сперрі. Прилади сучасної конструкції значно удосконалені в порівнянні з першими моделями, вони відрізняються високою точністю і надійністю і зручніше в експлуатації.
Найпростіший гірокомпас складається з гіроскопа, підвішеного всередині порожнього кулі, який плаває в рідині; вага кулі з гіроскопом такий, що його центр ваги розташовується на осі кулі у його нижній частині, коли вісь обертання гіроскопа горизонтальна.
Припустимо, що гірокомпас знаходиться на екваторі, а вісь обертання його гіроскопа збігається з напрямком захід - схід; вона зберігає свою орієнтацію в просторі за відсутності впливу зовнішніх сил. Але Земля обертається, роблячи один оборот в добу. Так як спостерігач, що знаходиться поряд, обертається разом із планетою, він бачить, як східний кінець (E) осі гіроскопа піднімається, а західний (W) опускається; при цьому центр ваги кулі зміщується на схід і вгору (позиція б). Однак сила земного тяжіння перешкоджає такому зміщення центру ваги, і в результаті її впливу вісь гіроскопа повертається так, щоб співпасти з віссю добового обертання Землі, тобто з напрямком північ - південь (це обертальний рух осі гіроскопа під дією зовнішньої сили називається прецесією). Коли вісь гіроскопа співпаде з напрямком північ - південь (N - S, позиція в), центр ваги опиниться в нижньому положенні на вертикалі і причина прецесії зникне. Поставивши мітку "Північ" (N) на те місце кулі, в яке впирається відповідний кінець осі гіроскопа, і співвіднісши їй шкалу з потрібними поділками, отримують надійний компас. У реальному гірокомпас передбачені компенсація девіації компаса і поправка на широту місця. Дія гірокомпас залежить від обертання Землі та особливостей взаємодії ротора гіроскопа з його підвісом.
Електронний компас
Електронний компас у системі навігації NAVSTAR
Тут розглядається компас, побудований на принципі визначення координат через супутникові системи навігації. Існують також компаси, що використовують у якості датчика блок магніторезисторах.
Історія створення електронного компаса тісно пов'язана з системами супутникової навігації.
Принцип дії такого компаса досить простий:
1. На підставі сигналів з супутників визначаються координати приймача системи супутникової навігації (і, відповідно, об'єкта)
2. Засікається момент часу, в який було зроблено визначення координат.
3. Вичікує деякий інтервал часу.
4. Повторно визначається місце розташування об'єкта.
5. На підставі координат двох точок і розміру тимчасового інтервалу обчислюється вектор швидкості руху і з нього:
напрям руху
швидкість руху
Здійснюється перехід до кроку 2.
Обмеження:
Природно, якщо об'єкт не переміщується, напрямок руху дізнатися не вийде. Виняток становлять досить великі об'єкти (наприклад, літаки), де є можливість встановити 2 приймача (наприклад, на кінцях крил). При цьому координати двох точок можна отримати одразу, навіть якщо об'єкт нерухомий, і перейти до пункту 5.
Ще одне обмеження обумовлено точністю визначення координат супутниковими системами позиціонування і впливає, головним чином, на тихохідні об'єкти (пішоходів).
Гіроазімут
Гіроазімут - навігаційне гіроскопічні пристрій, призначений
- Для збереження заданого напрямку в горизонтальній площині, за яким спочатку орієнтована головна вісь гіроскопа; і
- Для вимірювання кутів повороту щодо заданого напрямку (кутів рискання).
Гіроазімут: гіроскопічний прилад, призначений для збереження заданого азимутального напрямки. У гіроазімуте застосовується врівноважує гіроскоп з 3 ступенями свободи, у якого центр ваги збігається з геометричним центром (точкою підвісу), тому на гіроазімут не впливають сили інерції, що виникають при маневруванні і хитавиці судна. Гіроазімути застосовують як курсоуказателя. Для перетворення гіроскопа в гіроазімут, який вказує постійне напрямок щодо меридіана, слід розрахувати догляд (відхилення) головної осі гіроскопа відносно площини істинного меридіана і компенсувати його. Цю функцію виконує азимутальний коректор. Гіроскоп не має стійкого рівноважного положення щодо горизонтальної системи координат в азимут, тому у всіх гіроазімутах головна вісь гіроскопа штучно утримується в площині горизонту за допомогою горизонтального коректора.
Автопрокладчік
Автопрокладчік прилад автоматично прокладає курс судна на навігаційній карті отримуючи свідчення курсу від гірокомпас, а дані про пройдений відстані від лага.
Згідно загальноприйнятим визначенням, автопрокладчік, прилад, автоматично прокладає курс судна на навігаційній карті, отримуючи свідчення курсу від гірокомпас, а дані про пройдений відстані від лага або за сигналами радіонавігаційної системи. Перш автопрокладчік називали одографом.
Автопрокладчік - навігаційний прилад, автоматично провідний прокладку на навігаційній карті при отриманні:
- Показань курсу від гірокомпас;
- Даних про пройдений відстані від лага або за сигналами радіонавігаційної системи; а також
- Поправок на дрейф і течія.
Астрономічні прилади навігації
Секстан (Октан)
Секстан [СС1] (походження: від лат. Sextans, sextantis - шоста частина) - це вимірювальний інструмент, який використовується для вимірювання величини кута між двома видимими об'єктами. Зазвичай секстан використовується для вимірювання піднесення астрономічного об'єкта над горизонтом з метою визначення географічних координат. Наприклад, вимірявши кут піднесення Сонця опівдні, можна обчислити широту. За допомогою секстан можна вимірювати кути до 140 °.
Довжина шкали секстанта становить 1 / 6 від повного кола або 60 °, звідси і назва секстант. Октант - схожий прилад, але з більш короткою шкалою (1 / 8 кола або 45 °), який використовувався до 1767, поки його не замінив секстант. У 1767 перше видання навігаційного альманаху зібрало у своїх таблицях місячні відстані, що дозволило навігаторам обчислювати поточний час, знаючи кут між сонцем і місяцем. Однак, цей кут іноді більше 90 °, і тому не може бути визначений за допомогою Октанта.
У секстане використовується принцип поєднання зображень двох об'єктів за допомогою подвійного відображення одного з них. Цей принцип був винайдений Ісааком Ньютоном у 1699 році, але не був опублікований. Дві людини незалежно винайшли секстан в 1730: англійський математик Джон Хадлі і американський винахідник Томас Годфрі. Секстан витіснив астролябію як головний навігаційний інструмент.
Секстан увічнений на небі астрономом Гевелієм у вигляді однойменного сузір'я.
Сучасний секстант
Головна особливість, яка дозволила секстану витіснити астролябію, полягає в тому, що при його використанні становище астрономічних об'єктів вимірюються щодо обрію, а не щодо самого інструмента. Це дає більшу точність.
При спостереженні через секстант, горизонт і астрономічний об'єкт поєднуються в одному полі зору, і залишаються нерухомими відносно один одного, навіть якщо спостерігач знаходиться на пливе кораблі. Це відбувається, тому що секстан показує нерухомий горизонт прямо, а астрономічний об'єкт - крізь два протилежних дзеркала.
Використання секстан для визначення піднесення сонця над горизонтом
Зображення в секстане поєднує у собі два види. Перший - вид неба через дзеркала. Другий - вид горизонту. Секстан використовують, регулюючи важіль і настановний гвинт до тих пір, поки нижній край зображення астрономічного тіла не торкнеться обрію. Точний момент часу, в який проводиться вимірювання, засікає асистент з годинником. Потім кут піднесення прочитується з шкали, верньєра і настановного гвинта, і записується разом з часом.
Після цього потрібно перетворити дані за допомогою деяких математичних процедур. Найпростіший метод - намалювати равновозвишенний коло використовуваного астрономічного об'єкта на глобусі. Перетин цього кола з лінією навігаційного числення або іншим покажчиком дає точне місце розташування.
Секстант - чутливий інструмент. Якщо його впустити, то дуга може погнутися. Після падіння він може втратити точність.
Секстант - кутомірний інструмент відбивного типу для вимірювання висот небесних світил і кутів на земній поверхні. Система дзеркал у Секстане обумовлює хід променів, який виключає помилку, викликану невеликим відхиленням площини інструмента від площини вимірюваного кута. Завдяки цьому вимір кутів секстан можна виробляти тримаючи його в руці навіть в умовах хитавиці. Ідея пристрою секстан належить І. Ньютону (1699), а сконструйований він англійцем Дж. Гадлеем і американцем Т. Годфреем в 1731 р . незалежно один від одного. Крім морехідної астрономії секстан використовується в навігації і гідрографії для вимірювання горизонтальних кутів між береговими орієнтирами та визначення за ними точного місцезнаходження судна. За допомогою навігаційного секстан можна робити виміри з точністю до кількох десятих доль хвилини. Деякі спеціальні морські і авіаційні секстан мають гіроскопічні пристрої та ін штучні рівні і пристрої, що дозволяють робити астрономічні вимірювання при відсутності видимого горизонту відносно площини істинного горизонту. Для збільшення точності відліку і спрощення процесу вимірювання такі секстан обладнають осередненою механізмами, що дають середній відлік за час вимірювань, а деякі секстан мають пристрої, дистанційно реєструючі моменти вимірювань і відповідні їм відліки.
Квадрант
Квадрант складається з пластини з поділками для відліку кутів, проградуированного зазвичай до π / 2 (чверті кола), звідки походить назва, і прикріпленою до пластини одним кінцем планки або телескопа для фіксації кута.
Лаги і лоти [СС1]
Лот - вимірювач глибини
Лот - гідрографічний і навігаційний прилад для вимірювання глибини.
Спочатку (у часи вітрильного флоту) в якості лоту використовувалася гиря, зазвичай свинцева, з тонкою мотузкою (лотлінем) для вимірювання глибини. Лот опускався з носових русленей судна. Іноді на нижній частині гирі формувалося поглиблення, яке змащували салом, щоб до нього прилипали частки грунту для визначення характеру дна.
Лоти за принципом вимірювання глибини діляться на ручні, механічні та гідроакустичні (ехолоти).
Ручний лот представляє собою конічний або пірамідальний вантаж масою 3.5- 5 кг , Із закріпленим тросом-лотлінем, на який нанесені метрові або футові мітки (марки). Існує різновид лота - діплот (нід. dieplood), який використовується для вимірювання великих глибин, і відрізняється особливо важким вантажем в 20 - 30 кг . Вимірювання йде по відліку довжини лотліня при ослабленні натягу в момент торкання дна. Недоліком лотів цього типу є необхідність проведення вимірювань на малій швидкості (до 3-5 вузлів, тобто 5 - 9 км / год на глибинах до 50 м ) Або при зупинці судна і трудність визначення моменту торкання дна на великих глибинах.
Механічний лот є прилад для вимірювання гідростатичного тиску води у дна, найпростіший варіант механічного лота - вертикальна заповнена повітрям трубка, запаяна з верхнього боку і занурена нижнім відкритим кінцем у воду. Глибина визначається за висотою підйому води (наприклад, по змиву або зміни кольору фарби, нанесеної на внутрішні стінки трубки). Так як вертикальність лотліня у разі вимірювань механічним лотом значення не має, механічний лот може використовуватися для вимірювань глибин до 200 м на ходу (до 16 вузлів, тобто 28 км / год ). Механічні лоти для вимірювання великих глибин називають глубомернимі машинами.
Ехолот вимірює глибини за часом проходження акустичного імпульсу, відбитого від дна.
В даний час лоти в якості навігаційних приладів практично повсюдно витіснені ехолотами, однак при океанографічних дослідженнях використовуються лоти-батометр, забезпечені пристроями для вимірювання температури, відбору проб води на глибині і грунтозахватамі для відбору проб донного грунту.
Корабельний лаг
Лаг - прилад, призначений для вимірювання швидкості руху судна.
У давнину в якості лага використовувався (і використовується до цього дня на невеликих судах) ручний, або секторний лаг. Він являє собою дошку трикутної форми (сектор) з прив'язаною до неї мотузкою (лином, лагліня) і вантажем. На лине на певній відстані один від одного зав'язуються вузли. Дошка викидається за корму і перераховується кількість вузлів, що пішли за борт за певний час (зазвичай 15 секунд або 1 хвилину). Звідси пішло вимір швидкості судна у вузлах, 1 вузол чисельно дорівнює 1 морської милі на годину.
Принцип роботи сучасних приладів заснований на вимірюванні напору води, або гідролокації морського дна. Найпоширеніший лаг представляє собою вертушку, що обертається під тиском води. Число оборотів вертушки за одиницю часу визначається за допомогою електронного або механічного пристрою. Зазвичай вертушка лага закріплюється на корпусі судна, але на невеликих судах використовують портативний варіант лага, в якому вертушка викидається за корму на тросі, а вимірювальний механізм знаходиться в руках у матроса.
Навігаційний прилад для вимірювання, швидкості й пройденої судном відстані відносно води або грунту. Перший називається відносним лагом, а другий - абсолютним. За принципом дії відносні лаги підрозділяють на гідродинамічні й індукційні (електродинамічні або електромагнітні). Гідродинамічні лаги працюють за принципом вимірювання та компенсації гідродинамічного тиску, що виникає в морському середовищі при русі судна. Гідравлічний пристрій передає повне і статичний тиск води до чутливого елементу. Останній являє собою механічний дифманометр, який реєструє гідродинамічний тиск (різниця повного та статичного) і перетворює його в механічне зусилля, що впливає на електромеханічне обчислювальний пристрій, в якому воно перетвориться в швидкість, пропорційну вимірюваному тиску. Після введення поправки виходить справжня швидкість щодо води, що перетвориться в обчислювальному пристрої в пройдене судном відстань. Через датчики дані швидкості і відстані подаються на репітери. В залежності від типу елемента гідродинамічні лаги бувають вертушечние і з механічними і рідинним (ртутним) дифманометрами. Вертушечние Л. вимірюють частоту обертання вертушки у воді при русі судна. За цій частоті визначають пройдене судном відстань, яку потім перераховують в швидкість. Механічні лаги вимірюють швидкість судна за величиною гідродинамічного тиску, рідинні - по висоті стовпа ртуті, пропорційної тиску. Гідродинамічні лаги вимірюють швидкість судна щодо води в межах 2-50 уз (похибка не більше 0,5 уз) і пройдене відстань (похибка не більше 0,02 милі ). Індукційні або електромагнітні лаги вимірюють електрорушійну силу, індуковану в провіднику, що знаходиться під впливом магнітного поля (закон Фарадея). У підводній частині судна в герметичному обтічнику встановлений електромагнітний (датчик). При русі судна магнітні силові лінії індукують в шарі морської води, що є хорошим провідником, ЕРС, величина якої пропорційна швидкості судна щодо води і знімається за допомогою встановлених по обидва боки датчика електродів. Напруга сигналів, що надходять від датчика, перетвориться і посилюється. Воно може бути подано на спеціальний пристрій, який виробляє імпульси напруги з частотою, пропорційною пройденій відстані (до 200 на кожну милю). Індукційні лаги мають більш високу чутливість (працюють при швидкості судна від 0,1 до 25-70 уз); можуть вимірювати швидкість на передньому і задньому ходу; більш прості і надійні в експлуатації. Точність вимірювання відстані становить 1-2% пройденого судном шляху.
Для вимірювання швидкості відносно дна моря (абсолютний лаг) застосовують гідроакустичні лаги (як правило, на великотоннажних судах для безпечного плавання у відкритому морі, постановки, зйомки з якоря, безпечного підходу судна до причалу при швартуванні та ін.)
3. Сучасні навігаційні системи
Радіонавігація і радіомаяки
Радіонавігація - розділ навігації та аеронавігації, вивчає і розробляє теоретичні питання та практичні прийоми водіння суден і літальних апаратів за допомогою радіотехнічних засобів і пристроїв.
Основними завданнями радіонавігації є визначення:
- Координат судна або літального апарату, а також їх взаємного положення; і
- Напрями виходу в задані райони (точки) і ін
Для вирішення завдань радіонавігації використовують радіокомпаси радiодалекомiр, радіомаяки і радіонавігаційні системи.
Радіомаяк аеронавігаційної системи VORTAC, Німеччина
Радіомаяк - передає радіостанція, яка випромінює радіосигнали, використовувані для визначення координат і напрямки руху різних об'єктів, в основному, літаків і суден. Параметри сигналу радіомаяка залежать від напрямку випромінювання: наприклад, його інтенсивність або момент часу пеленгації.
Радіомаяки відносять до кутомірним (азимутальних) радіонавігаційним пристроїв, так як вони призначені тільки для визначення напрямку, а знаходження координат стає можливим після спеціальних обчислень на основі інформації про направлення не менш ніж на два радіомаяка.
Як радіомаяків також використовуються об'єкти, спеціально не призначені для цілей радіонавігації, але мають відмінні параметри радіосигналу (наприклад, частоту) і, можливо, відомі постійні координати - мовні радіостанції, радіоакустичного маяки, радіобуї, радіолокаційні маяки, аварійні радіомаяки.
Класи радіомаяків за методом вимірювання
Радіомаяки ділять на класи, відповідно до параметром радіосигналу, змінним по напрямку, і відповідним методом радіотехнічних вимірювань:
· Амплітудні маяки, направлення на які визначається виміром інтенсивності прийнятого сигналу;
· Фазові маяки - для визначення напрямку вимірюється фаза сигналу;
· Частотні маяки - для визначення напрямку вимірюється частота сигналу;
· Тимчасові маяки - для визначення напрямку засікається момент прийому сигналу;
найбільш поширені амплітудні радіомаяки.
Види радіомаяків за призначенням
- Курсові маяки, створні радіомаяки - призначені для завдання курсів в горизонтальній або вертикальній площині, використовуються в курсогліссадних системах;
- Пеленговие радіомаяки. Призначені для визначення пеленга шляхом порівняння моменту часу прийому сигналу обертається діаграми спрямованості маяка з моментом часу, коли становище діаграми спрямованості відомо. Для такого виміру обертання діаграми спрямованості має бути суворо синхронізоване, або маяк повинен випромінювати короткий всеспрямований сигнал при проході ДН через нульову відмітку;
- Маркерні радіомаяки. Мають вузьку постійну ДН, орієнтовану вертикально вгору, і використовуються для маркування пунктів, важливих у навігаційному відношенні (наприклад, контрольних пунктів при заході на посадку літаків і при підході суден до порту, пунктів зламу маршрутів або фарватерів і т. д.).
- Приводні радіостанції - станції на ненаправленим випромінюванням і з відмінними для кожної зі станцій сигналами (позивними). Визначення напрямку можливо тільки з допомогою спеціального радіопеленгатора.
Дальність і точність
Радіомаяки, що працюють в діапазонах довгих хвиль (кілометрові і більше), мають дальність дії до 500 км . Вони забезпечують точність пеленгації з борту об'єкта ~ 1-3 ° (по азимуту). Всеспрямовані радіомаяки, що працюють в діапазонах дециметрових і сантиметрових хвиль, мають дальність дії, обмежену прямою видимістю, і забезпечують точність визначення азимута до 0,1-0,25 °.
Супутникова система навігації - комплексна електронно-технічна система, що складається із сукупності наземного і космічного устаткування, призначена для визначення місця розташування (географічних координат і висоти), а також параметрів руху (швидкості та напрямку руху і т. д.) для наземних, водних і повітряних об'єктів.
Основні елементи
Основні елементи супутникової системи навігації:
· Орбітальна угрупування, що складається з декількох (від 2 до 30) супутників, випромінюючих спеціальні радіосигнали;
· Наземна система управління та контролю, що включає блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для коректування інформації про орбітах;
· Приймальне клієнтське обладнання ("супутникових навігаторів"), що використовується для визначення координат;
· Опціонально: інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок, що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.
Принцип роботи
Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відомо з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається альманахом, яким повинен володіти будь супутниковий приймач до початку вимірювань. Зазвичай приймач зберігає альманах у пам'яті з часу останнього виключення і якщо він не застарів - миттєво використовує його. Кожен супутник передає у своєму сигналі весь альманах. Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі альманаху, можна обчислити положення об'єкта в просторі.
Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначеності швидкості поширення радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу поширення радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу в складі свого сигналу використовуючи точно синхронізовані з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізуються з системним часом і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, що містяться в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цією інформацією, навігаційний приймач обчислює координати антени. Для отримання інформації про швидкість більшість навігаційних приймачів використовують ефект Доплера. Додатково накопичуючи та обробляючи ці дані за певний проміжок часу, стає можливим обчислити такі параметри руху, як швидкість (поточну, максимальну, середню), пройдений шлях і т. д.
У реальності робота системи відбувається значно складніше. Нижче перераховані деякі проблеми, що вимагають спеціальних технічних прийомів щодо їх вирішення:
· Відсутність атомних годин в більшості навігаційних приймачів. Цей недолік зазвичай усувається вимогою отримання інформації не менше ніж з трьох (2-мірна навігація при відомій висоті) або чотирьох (3-мірна навігація) супутників; (При наявності сигналу хоча б з одного супутника можна визначити поточний час з гарною точністю).
· Неоднорідність гравітаційного поля Землі, що впливає на орбіти супутників;
· Неоднорідність атмосфери, через яку швидкість і напрям поширення радіохвиль може змінюватися в певних межах;
· Відбитки сигналів від наземних об'єктів, що особливо помітно в місті;
· Неможливість розмістити на супутниках передавачі великої потужності, через що прийом їх сигналів можливий тільки в прямій видимості на відкритому повітрі.
Сучасний стан
В даний час працюють або готуються до розгортання наступні системи супутникової навігації:
NAVSTAR (GPS)
Державне підприємство Міністерства оборони США, що вважається іншими державами її головним недоліком. Більш відома під назвою GPS. Єдина повністю працює супутникова навігаційна система.
ГЛОНАСС
Знаходиться на етапі розгортання супутникового угруповання. Державне підприємство Міністерства оборони Росії. Володіє, за заявами розробників, деякими технічними перевагами в порівнянні з NAVSTAR, проте в даний час ці твердження перевірити неможливо зважаючи на недостатність супутникового угруповання і відсутності доступного клієнтського обладнання.
Бейдоу
Розгортається в даний час Китаєм підсистема GNSS, призначена для використання тільки в цій країні. Особливість - невелика кількість супутників, що знаходяться на геостаціонарній орбіті.
Galileo
Європейська система, що знаходиться на етапі створення супутникового угруповання.
GPS - навігація
Сучасні технології супутникового зв'язку знайшли своє застосування практично у всіх сферах життя і діяльності людини. Сьогодні неможливо уявити сучасний офіс або будинок без інтернету, супутникового телебачення або інших, не менш значних досягнень "супутникового століття". Супутникові системи навігації та GPS навігатори міцно зайняли свою нішу серед необхідних в нашому житті електронних пристроїв. GPS навігатор і ехолот успішно застосовується в судноплавстві і рибальському промислі, не менш популярні GPS навігатори і у рибалок аматорів. Сьогодні багато автоконцерни як опції устаткування машин пропонують великий вибір GPS навігаторів різного класу. Деякі автомобілі комплектуються GPS навігатором в "базі". GPS приймачі знайшли своє застосування в туристичній сфері, сьогодні на прилавках магазинів електроніки нерідко можна побачити КПК з GPS і обладнані навігаційними системами мобільні телефони. GPS навігатор за останні кілька років з професійного дорогого обладнання перетворився в доступний побутовий прилад, а карти GPS можна купити навіть в інтернеті.
Всупереч розхожій думці про те, що GPS приймач служить тільки для визначення місця розташування об'єкта на місцевості і співвідносить його координати з електронною картою, GPS навігатори виконують ряд інших корисних функцій. Серед них - вибір оптимального напряму, визначення швидкості і відстані до об'єкту і багато іншого. Сучасні GSM карти дозволяють з точністю до кількох метрів визначити місцезнаходження того чи іншого об'єкта, знайти потрібне місто, будинок або вулицю. Варто відзначити, що сучасний GPS навігатор може освоїти кожен, хто хоча б раз стикався з комп'ютером або інший електронікою. У його настройках і користуванні немає нічого складного, а зручний логічний інтерфейс зможе освоїти навіть новачок.
4. Використані джерела
1. [СС1] - посилання № 1 на www. wikipedia.org Матеріал з Вікіпедії
2. [СС2] - Велика радянська енциклопедія (Вікіпедія) Витримала три видання:
3. 1-е видання, 65 томів і додатковий тому без номера - "СРСР", 1926-1947
4. 2-е видання, 49 томів, тому № 50 - "СРСР", додатковий том № 51, том № 52 (у двох книгах) "Алфавітний покажчик", 1949-1960
5. 3-е видання, 30 томів. Том № 24 у двох книгах (кн. 2: "СРСР"), 1969-1978. У 1981 році був випущений
- Показань курсу від гірокомпас;
- Даних про пройдений відстані від лага або за сигналами радіонавігаційної системи; а також
- Поправок на дрейф і течія.
Астрономічні прилади навігації
Секстан (Октан)
Секстан [СС1] (походження: від лат. Sextans, sextantis - шоста частина) - це вимірювальний інструмент, який використовується для вимірювання величини кута між двома видимими об'єктами. Зазвичай секстан використовується для вимірювання піднесення астрономічного об'єкта над горизонтом з метою визначення географічних координат. Наприклад, вимірявши кут піднесення Сонця опівдні, можна обчислити широту. За допомогою секстан можна вимірювати кути до 140 °.
Довжина шкали секстанта становить 1 / 6 від повного кола або 60 °, звідси і назва секстант. Октант - схожий прилад, але з більш короткою шкалою (1 / 8 кола або 45 °), який використовувався до 1767, поки його не замінив секстант. У 1767 перше видання навігаційного альманаху зібрало у своїх таблицях місячні відстані, що дозволило навігаторам обчислювати поточний час, знаючи кут між сонцем і місяцем. Однак, цей кут іноді більше 90 °, і тому не може бути визначений за допомогою Октанта.
У секстане використовується принцип поєднання зображень двох об'єктів за допомогою подвійного відображення одного з них. Цей принцип був винайдений Ісааком Ньютоном у 1699 році, але не був опублікований. Дві людини незалежно винайшли секстан в 1730: англійський математик Джон Хадлі і американський винахідник Томас Годфрі. Секстан витіснив астролябію як головний навігаційний інструмент.
Секстан увічнений на небі астрономом Гевелієм у вигляді однойменного сузір'я.
Сучасний секстант
Головна особливість, яка дозволила секстану витіснити астролябію, полягає в тому, що при його використанні становище астрономічних об'єктів вимірюються щодо обрію, а не щодо самого інструмента. Це дає більшу точність.
При спостереженні через секстант, горизонт і астрономічний об'єкт поєднуються в одному полі зору, і залишаються нерухомими відносно один одного, навіть якщо спостерігач знаходиться на пливе кораблі. Це відбувається, тому що секстан показує нерухомий горизонт прямо, а астрономічний об'єкт - крізь два протилежних дзеркала.
Використання секстан для визначення піднесення сонця над горизонтом
Зображення в секстане поєднує у собі два види. Перший - вид неба через дзеркала. Другий - вид горизонту. Секстан використовують, регулюючи важіль і настановний гвинт до тих пір, поки нижній край зображення астрономічного тіла не торкнеться обрію. Точний момент часу, в який проводиться вимірювання, засікає асистент з годинником. Потім кут піднесення прочитується з шкали, верньєра і настановного гвинта, і записується разом з часом.
Після цього потрібно перетворити дані за допомогою деяких математичних процедур. Найпростіший метод - намалювати равновозвишенний коло використовуваного астрономічного об'єкта на глобусі. Перетин цього кола з лінією навігаційного числення або іншим покажчиком дає точне місце розташування.
Секстант - чутливий інструмент. Якщо його впустити, то дуга може погнутися. Після падіння він може втратити точність.
Секстант - кутомірний інструмент відбивного типу для вимірювання висот небесних світил і кутів на земній поверхні. Система дзеркал у Секстане обумовлює хід променів, який виключає помилку, викликану невеликим відхиленням площини інструмента від площини вимірюваного кута. Завдяки цьому вимір кутів секстан можна виробляти тримаючи його в руці навіть в умовах хитавиці. Ідея пристрою секстан належить І. Ньютону (1699), а сконструйований він англійцем Дж. Гадлеем і американцем Т. Годфреем в
Квадрант
Квадрант складається з пластини з поділками для відліку кутів, проградуированного зазвичай до π / 2 (чверті кола), звідки походить назва, і прикріпленою до пластини одним кінцем планки або телескопа для фіксації кута.
Лаги і лоти [СС1]
Лот - вимірювач глибини
Лот - гідрографічний і навігаційний прилад для вимірювання глибини.
Спочатку (у часи вітрильного флоту) в якості лоту використовувалася гиря, зазвичай свинцева, з тонкою мотузкою (лотлінем) для вимірювання глибини. Лот опускався з носових русленей судна. Іноді на нижній частині гирі формувалося поглиблення, яке змащували салом, щоб до нього прилипали частки грунту для визначення характеру дна.
Лоти за принципом вимірювання глибини діляться на ручні, механічні та гідроакустичні (ехолоти).
Ручний лот представляє собою конічний або пірамідальний вантаж масою 3.5-
Механічний лот є прилад для вимірювання гідростатичного тиску води у дна, найпростіший варіант механічного лота - вертикальна заповнена повітрям трубка, запаяна з верхнього боку і занурена нижнім відкритим кінцем у воду. Глибина визначається за висотою підйому води (наприклад, по змиву або зміни кольору фарби, нанесеної на внутрішні стінки трубки). Так як вертикальність лотліня у разі вимірювань механічним лотом значення не має, механічний лот може використовуватися для вимірювань глибин до
Ехолот вимірює глибини за часом проходження акустичного імпульсу, відбитого від дна.
В даний час лоти в якості навігаційних приладів практично повсюдно витіснені ехолотами, однак при океанографічних дослідженнях використовуються лоти-батометр, забезпечені пристроями для вимірювання температури, відбору проб води на глибині і грунтозахватамі для відбору проб донного грунту.
Корабельний лаг
Лаг - прилад, призначений для вимірювання швидкості руху судна.
У давнину в якості лага використовувався (і використовується до цього дня на невеликих судах) ручний, або секторний лаг. Він являє собою дошку трикутної форми (сектор) з прив'язаною до неї мотузкою (лином, лагліня) і вантажем. На лине на певній відстані один від одного зав'язуються вузли. Дошка викидається за корму і перераховується кількість вузлів, що пішли за борт за певний час (зазвичай 15 секунд або 1 хвилину). Звідси пішло вимір швидкості судна у вузлах, 1 вузол чисельно дорівнює 1 морської милі на годину.
Принцип роботи сучасних приладів заснований на вимірюванні напору води, або гідролокації морського дна. Найпоширеніший лаг представляє собою вертушку, що обертається під тиском води. Число оборотів вертушки за одиницю часу визначається за допомогою електронного або механічного пристрою. Зазвичай вертушка лага закріплюється на корпусі судна, але на невеликих судах використовують портативний варіант лага, в якому вертушка викидається за корму на тросі, а вимірювальний механізм знаходиться в руках у матроса.
Навігаційний прилад для вимірювання, швидкості й пройденої судном відстані відносно води або грунту. Перший називається відносним лагом, а другий - абсолютним. За принципом дії відносні лаги підрозділяють на гідродинамічні й індукційні (електродинамічні або електромагнітні). Гідродинамічні лаги працюють за принципом вимірювання та компенсації гідродинамічного тиску, що виникає в морському середовищі при русі судна. Гідравлічний пристрій передає повне і статичний тиск води до чутливого елементу. Останній являє собою механічний дифманометр, який реєструє гідродинамічний тиск (різниця повного та статичного) і перетворює його в механічне зусилля, що впливає на електромеханічне обчислювальний пристрій, в якому воно перетвориться в швидкість, пропорційну вимірюваному тиску. Після введення поправки виходить справжня швидкість щодо води, що перетвориться в обчислювальному пристрої в пройдене судном відстань. Через датчики дані швидкості і відстані подаються на репітери. В залежності від типу елемента гідродинамічні лаги бувають вертушечние і з механічними і рідинним (ртутним) дифманометрами. Вертушечние Л. вимірюють частоту обертання вертушки у воді при русі судна. За цій частоті визначають пройдене судном відстань, яку потім перераховують в швидкість. Механічні лаги вимірюють швидкість судна за величиною гідродинамічного тиску, рідинні - по висоті стовпа ртуті, пропорційної тиску. Гідродинамічні лаги вимірюють швидкість судна щодо води в межах 2-50 уз (похибка не більше 0,5 уз) і пройдене відстань (похибка не більше
Для вимірювання швидкості відносно дна моря (абсолютний лаг) застосовують гідроакустичні лаги (як правило, на великотоннажних судах для безпечного плавання у відкритому морі, постановки, зйомки з якоря, безпечного підходу судна до причалу при швартуванні та ін.)
3. Сучасні навігаційні системи
Радіонавігація і радіомаяки
Радіонавігація - розділ навігації та аеронавігації, вивчає і розробляє теоретичні питання та практичні прийоми водіння суден і літальних апаратів за допомогою радіотехнічних засобів і пристроїв.
Основними завданнями радіонавігації є визначення:
- Координат судна або літального апарату, а також їх взаємного положення; і
- Напрями виходу в задані райони (точки) і ін
Для вирішення завдань радіонавігації використовують радіокомпаси радiодалекомiр, радіомаяки і радіонавігаційні системи.
Радіомаяк аеронавігаційної системи VORTAC, Німеччина
Радіомаяк - передає радіостанція, яка випромінює радіосигнали, використовувані для визначення координат і напрямки руху різних об'єктів, в основному, літаків і суден. Параметри сигналу радіомаяка залежать від напрямку випромінювання: наприклад, його інтенсивність або момент часу пеленгації.
Радіомаяки відносять до кутомірним (азимутальних) радіонавігаційним пристроїв, так як вони призначені тільки для визначення напрямку, а знаходження координат стає можливим після спеціальних обчислень на основі інформації про направлення не менш ніж на два радіомаяка.
Як радіомаяків також використовуються об'єкти, спеціально не призначені для цілей радіонавігації, але мають відмінні параметри радіосигналу (наприклад, частоту) і, можливо, відомі постійні координати - мовні радіостанції, радіоакустичного маяки, радіобуї, радіолокаційні маяки, аварійні радіомаяки.
Класи радіомаяків за методом вимірювання
Радіомаяки ділять на класи, відповідно до параметром радіосигналу, змінним по напрямку, і відповідним методом радіотехнічних вимірювань:
· Амплітудні маяки, направлення на які визначається виміром інтенсивності прийнятого сигналу;
· Фазові маяки - для визначення напрямку вимірюється фаза сигналу;
· Частотні маяки - для визначення напрямку вимірюється частота сигналу;
· Тимчасові маяки - для визначення напрямку засікається момент прийому сигналу;
найбільш поширені амплітудні радіомаяки.
Види радіомаяків за призначенням
- Курсові маяки, створні радіомаяки - призначені для завдання курсів в горизонтальній або вертикальній площині, використовуються в курсогліссадних системах;
- Пеленговие радіомаяки. Призначені для визначення пеленга шляхом порівняння моменту часу прийому сигналу обертається діаграми спрямованості маяка з моментом часу, коли становище діаграми спрямованості відомо. Для такого виміру обертання діаграми спрямованості має бути суворо синхронізоване, або маяк повинен випромінювати короткий всеспрямований сигнал при проході ДН через нульову відмітку;
- Маркерні радіомаяки. Мають вузьку постійну ДН, орієнтовану вертикально вгору, і використовуються для маркування пунктів, важливих у навігаційному відношенні (наприклад, контрольних пунктів при заході на посадку літаків і при підході суден до порту, пунктів зламу маршрутів або фарватерів і т. д.).
- Приводні радіостанції - станції на ненаправленим випромінюванням і з відмінними для кожної зі станцій сигналами (позивними). Визначення напрямку можливо тільки з допомогою спеціального радіопеленгатора.
Дальність і точність
Радіомаяки, що працюють в діапазонах довгих хвиль (кілометрові і більше), мають дальність дії до
Супутникова система навігації - комплексна електронно-технічна система, що складається із сукупності наземного і космічного устаткування, призначена для визначення місця розташування (географічних координат і висоти), а також параметрів руху (швидкості та напрямку руху і т. д.) для наземних, водних і повітряних об'єктів.
Основні елементи
Основні елементи супутникової системи навігації:
· Орбітальна угрупування, що складається з декількох (від 2 до 30) супутників, випромінюючих спеціальні радіосигнали;
· Наземна система управління та контролю, що включає блоки вимірювання поточного положення супутників і передачі на них отриманої інформації для коректування інформації про орбітах;
· Приймальне клієнтське обладнання ("супутникових навігаторів"), що використовується для визначення координат;
· Опціонально: інформаційна радіосистема для передачі користувачам поправок, що дозволяють значно підвищити точність визначення координат.
Принцип роботи
Принцип роботи супутникових систем навігації заснований на вимірюванні відстані від антени на об'єкті (координати якого необхідно отримати) до супутників, положення яких відомо з великою точністю. Таблиця положень всіх супутників називається альманахом, яким повинен володіти будь супутниковий приймач до початку вимірювань. Зазвичай приймач зберігає альманах у пам'яті з часу останнього виключення і якщо він не застарів - миттєво використовує його. Кожен супутник передає у своєму сигналі весь альманах. Таким чином, знаючи відстані до декількох супутників системи, за допомогою звичайних геометричних побудов, на основі альманаху, можна обчислити положення об'єкта в просторі.
Метод вимірювання відстані від супутника до антени приймача заснований на визначеності швидкості поширення радіохвиль. Для здійснення можливості вимірювання часу поширення радіосигналу кожен супутник навігаційної системи випромінює сигнали точного часу в складі свого сигналу використовуючи точно синхронізовані з системним часом атомний годинник. При роботі супутникового приймача його годинник синхронізуються з системним часом і при подальшому прийомі сигналів обчислюється затримка між часом випромінювання, що містяться в самому сигналі, і часом прийому сигналу. Маючи в своєму розпорядженні цією інформацією, навігаційний приймач обчислює координати антени. Для отримання інформації про швидкість більшість навігаційних приймачів використовують ефект Доплера. Додатково накопичуючи та обробляючи ці дані за певний проміжок часу, стає можливим обчислити такі параметри руху, як швидкість (поточну, максимальну, середню), пройдений шлях і т. д.
У реальності робота системи відбувається значно складніше. Нижче перераховані деякі проблеми, що вимагають спеціальних технічних прийомів щодо їх вирішення:
· Відсутність атомних годин в більшості навігаційних приймачів. Цей недолік зазвичай усувається вимогою отримання інформації не менше ніж з трьох (2-мірна навігація при відомій висоті) або чотирьох (3-мірна навігація) супутників; (При наявності сигналу хоча б з одного супутника можна визначити поточний час з гарною точністю).
· Неоднорідність гравітаційного поля Землі, що впливає на орбіти супутників;
· Неоднорідність атмосфери, через яку швидкість і напрям поширення радіохвиль може змінюватися в певних межах;
· Відбитки сигналів від наземних об'єктів, що особливо помітно в місті;
· Неможливість розмістити на супутниках передавачі великої потужності, через що прийом їх сигналів можливий тільки в прямій видимості на відкритому повітрі.
Сучасний стан
В даний час працюють або готуються до розгортання наступні системи супутникової навігації:
NAVSTAR (GPS)
Державне підприємство Міністерства оборони США, що вважається іншими державами її головним недоліком. Більш відома під назвою GPS. Єдина повністю працює супутникова навігаційна система.
ГЛОНАСС
Знаходиться на етапі розгортання супутникового угруповання. Державне підприємство Міністерства оборони Росії. Володіє, за заявами розробників, деякими технічними перевагами в порівнянні з NAVSTAR, проте в даний час ці твердження перевірити неможливо зважаючи на недостатність супутникового угруповання і відсутності доступного клієнтського обладнання.
Бейдоу
Розгортається в даний час Китаєм підсистема GNSS, призначена для використання тільки в цій країні. Особливість - невелика кількість супутників, що знаходяться на геостаціонарній орбіті.
Galileo
Європейська система, що знаходиться на етапі створення супутникового угруповання.
GPS - навігація
Сучасні технології супутникового зв'язку знайшли своє застосування практично у всіх сферах життя і діяльності людини. Сьогодні неможливо уявити сучасний офіс або будинок без інтернету, супутникового телебачення або інших, не менш значних досягнень "супутникового століття". Супутникові системи навігації та GPS навігатори міцно зайняли свою нішу серед необхідних в нашому житті електронних пристроїв. GPS навігатор і ехолот успішно застосовується в судноплавстві і рибальському промислі, не менш популярні GPS навігатори і у рибалок аматорів. Сьогодні багато автоконцерни як опції устаткування машин пропонують великий вибір GPS навігаторів різного класу. Деякі автомобілі комплектуються GPS навігатором в "базі". GPS приймачі знайшли своє застосування в туристичній сфері, сьогодні на прилавках магазинів електроніки нерідко можна побачити КПК з GPS і обладнані навігаційними системами мобільні телефони. GPS навігатор за останні кілька років з професійного дорогого обладнання перетворився в доступний побутовий прилад, а карти GPS можна купити навіть в інтернеті.
Всупереч розхожій думці про те, що GPS приймач служить тільки для визначення місця розташування об'єкта на місцевості і співвідносить його координати з електронною картою, GPS навігатори виконують ряд інших корисних функцій. Серед них - вибір оптимального напряму, визначення швидкості і відстані до об'єкту і багато іншого. Сучасні GSM карти дозволяють з точністю до кількох метрів визначити місцезнаходження того чи іншого об'єкта, знайти потрібне місто, будинок або вулицю. Варто відзначити, що сучасний GPS навігатор може освоїти кожен, хто хоча б раз стикався з комп'ютером або інший електронікою. У його настройках і користуванні немає нічого складного, а зручний логічний інтерфейс зможе освоїти навіть новачок.
4. Використані джерела
1. [СС1] - посилання № 1 на www. wikipedia.org Матеріал з Вікіпедії
2. [СС2] - Велика радянська енциклопедія (Вікіпедія) Витримала три видання:
3. 1-е видання, 65 томів і додатковий тому без номера - "СРСР", 1926-1947
4. 2-е видання, 49 томів, тому № 50 - "СРСР", додатковий том № 51, том № 52 (у двох книгах) "Алфавітний покажчик", 1949-1960
5. 3-е видання, 30 томів. Том № 24 у двох книгах (кн. 2: "СРСР"), 1969-1978. У 1981 році був випущений