Навигационная система. Морские навигационные системы

Навигационное оборудование бывает самых разных типов и модификаций. Есть системы, предназначенные для использования в условиях открытого моря, другие адаптированы для широких масс пользователей, задействующих навигаторы во многом в развлекательных целях. Какими бывают системы навигации?

Что такое навигация?

Термин "навигация" имеет латинское происхождение. Слово navigo означает "плыву на судне". То есть изначально оно было фактически синонимом судоходства или мореплавания. Но по мере развития технологий, облегчающих путь хождения судов по океанам, с появлением авиации, космической техники термин значительно расширил спектр возможных трактовок.

Сегодня под навигацией подразумевают процесс, при котором человек управляет неким объектом, исходя из его пространственных координат. То есть навигация состоит из двух процедур - это непосредственно управление, а также просчет оптимального пути движения объекта.

Виды навигации

Классификация типов навигации весьма обширна. Современные эксперты выделяют следующие ее основные разновидности:

- автомобильная;

- астрономическая;

- бионавигация;

- воздушная;

- космическая;

- морская;

- радионавигация;

- спутниковая;

- подземная;

- информационная;

- инерциальная.

Некоторые из вышеперечисленных типов навигации тесно связаны между собой - главным образом, по причине общности задействуемых технологий. Например, автомобильная навигация часто задействует инструментарий, характерный для спутниковой.

Есть смешанные типы, в рамках которых одновременно используются несколько технологических ресурсов, такие как, например, навигационно-информационные системы. В них ключевыми могут быть как таковые ресурсы спутниковой связи. Однако конечной целью их задействования будет снабжение целевых групп пользователей необходимой информацией.

Системы навигации

Соответствующий тип навигации формирует собой, как правило, одноименную систему. Есть, таким образом, автомобильная навигационная система, морская, космическая и т.д. Определение этого термина также присутствует в экспертной среде. Навигационная система, в соответствии с распространенной трактовкой - это совокупность различных видов оборудования (а если применимо - то и программного обеспечения), которые позволяют определить положение объекта, а также просчитать его маршрут. Инструментарий здесь может быть разным. Но в большинстве случаев системы характеризуются наличием следующих базовых компонентов, таких как:

- карты (как правило, в электронном виде);

- датчики, спутники и иные агрегаты для вычисления координат;

- внесистемные объекты, дающие сведения о географическом положении целевого;

- программно-аппаратный аналитический блок, обеспечивающий вводы и вывод данных, а также связывающий первые три компонента.

Как правило, структура тех или иных систем адаптирована под потребности конечных пользователей. Отдельные виды решений могут быть акцентированно развиты в сторону программной части, или, наоборот, аппаратной. Например, популярная в России навигационная система "Навител" - это в большей степени софт. Он предназначен для пользования широким кругом граждан, владеющих различного рода мобильными устройствами - ноутбуками, планшетами, смартфонами.

Навигация через спутник

Любая навигационная система предполагает, прежде всего, определение координат объекта - как правило, географических. Исторически инструментарий человека в этом плане постоянно совершенствовался. Сегодня наиболее совершенные навигационные системы - спутниковые. Их структура представлена совокупностью высокоточного оборудования, часть которого расположена на Земле, другая - вращается на орбите. Современные спутниковые навигационные системы способны вычислять не только географические координаты, но и скорость объекта, а также направление его движения.

Элементы спутниковой навигации

В состав соответствующих систем входят следующие основные элементы: группировка спутников, наземные блоки измерения координации орбитальных объектов и обмена информацией с ними, приборы для конечного пользователя (навигаторы), снабженные необходимым ПО, в некоторых случаях - дополнительное оборудование для уточнения географических координат (GSM-вышки, интернет-каналы, радиомаяки и т.д.).

Как работает спутниковая навигация

Как функционирует спутниковая навигационная система? В основе ее работы - алгоритм измерения расстояния от объекта до спутников. Последние располагаются на орбите практически не меняя своего положения, и потому их координаты относительно Земли всегда постоянны. В навигаторах соответствующие цифры заложены. Находя спутник и подключившись к нему (или сразу к нескольким), устройство определяет, в свою очередь, свое географическое положение. Основной метод здесь - вычисление расстояния до спутников на основе скорости радиоволн. Орбитальный объект отправляет запрос на Землю с исключительной точностью по времени - для этого используются атомные часы. Получив от навигатора отклик, спутник (или группа таковых) определяет, какое расстояние за такой-то временной промежуток успела пройти радиоволна. Аналогичным образом измеряется скорость перемещения объекта - только измерение здесь несколько более сложное.

Технические сложности

Мы определили, что спутниковая навигация - самый совершенный на сегодня метод определения географических координат. Вместе с тем практическое пользование данной технологией сопровождается рядом технических сложностей. Каких, например? Прежде всего, это неоднородность распределения гравитационного поля планеты - это влияет на положение спутника относительно Земли. Аналогичным свойством характеризуется также и атмосфера. Ее неоднородность может влиять на скорость радиоволн, из-за чего в соответствующих измерениях могут быть неточности.

Еще одна техническая сложность - сигнал, посылаемый со спутника на навигатор, часто преграждается другими наземными объектами. В результате чего полноценное пользование системой в городах с высокими зданиями бывает затруднено.

Практическое использование спутников

Спутниковые навигационные системы находят самый широкий спектр применения. Во многом - как элемент различных коммерческих решений гражданской направленности. Это могут быть как бытовые устройства, так и, например, многофункциональная навигационная медиа-система. Не считая гражданского применения, ресурсами спутников пользуются геодезисты, специалисты в области картографии, транспортные компании, различные государственные службы. Активно задействуются спутники геологами. В частности, с их помощью можно вычислять динамику движения тектонических земных плит. Находят применение спутниковые навигаторы и как маркетинговый инструмент - с помощью аналитики, в которой присутствуют методы геопозиционирования, компании проводят исследования своей клиентской базы, а также, например, направляют целевую рекламу. Разумеется, пользуются навигаторами и военные структуры - именно они, собственно, и разработали крупнейшие навигационные системы сегодня, GPS и ГЛОНАСС - для нужд армии США и России соответственно. И это далеко не исчерпывающий перечень сфер, где могут применяться спутники.

Современные навигационные системы

Какие навигационные системы функционируют сегодня в числе действующих или находящихся в стадии развертывания? Начнем с той, что появилась на глобальном публичном рынке раньше, чем другие навигационные системы - GPS. Ее разработчик и владелец - Министерство Обороны США. Устройства, которые поддерживают связь через GPS-спутники - самые распространенные в мире. Главным образом потому, что, как мы сказали выше, эта американская навигационная система была выведена на рынок раньше ее современных конкурентов.

Активно набирает популярность ГЛОНАСС. Это - российская навигационная система. Принадлежит она, в свою очередь, Министерству обороны РФ. Разработана она была, по одной из версий, примерно в те же годы, что и GPS - в конце 80-х - начале 90-х. Однако на публичный рынок была выведена совсем недавно, в 2011 году. Все больше производителей аппаратных решений для навигации внедряют поддержку ГЛОНАСС в своих устройствах.

Предполагается, что серьезную конкуренцию ГЛОНАСС и GPS может составить глобальная навигационная система "Бэйдоу", разрабатываемая в КНР. Правда, на данный момент она функционирует только как национальная. Статус глобальной она может получить, по версии некоторых аналитиков, к 2020 году, когда на орбиту будет выведено достаточное количество спутников - порядка 35. Программа разработки системы "Бейдоу" сравнительно молодая - она началась только в 2000 году, а первый спутник китайские разработчики запустили в 2007-м.

Стараются не отставать и европейцы. Навигационная система ГЛОНАСС и ее американский аналог в обозримом будущем вполне могут вступить в состязание с GALILEO. Развернуть группировку спутников в нужном количестве единиц орбитальных объектов европейцы планируют к 2020 году.

В числе других перспективных проектов по разработке навигационных систем можно отметить индийскую IRNSS, а также японскую QZSS. Относительно первой широко афишируемых публичных сведений о намерениях разработчиков создать глобальную систему пока нет. Предполагается, что IRNSS будет обслуживать только территорию Индии. Программа также довольно молодая - первый спутник был выведен на орбиту в 2008 году. Японская спутниковая система, как предполагается, также будет использоваться главным образом в рамках национальных территорий страны-разработчика или соседствующих с ней.

Точность позиционирования

Выше мы отметили ряд сложностей, актуальных для функционирования спутниковых навигационных систем. В числе главных, что мы назвали - расположение спутников на орбите, или их движение по заданной траектории, не всегда характеризуется абсолютной стабильностью в силу ряда причин. Это предопределяет неточности вычисления географических координат в навигаторах. Вместе с тем, это не единственный фактор, влияющий на корректность позиционирования с помощью спутника. Что еще влияет на точность вычисления координат?

Прежде всего, стоит отметить - те самые атомные часы, что установлены на спутниках, не всегда абсолютно точны. В них возможны, хотя и совсем небольшие, но все же влияющие на качество работы систем навигации ошибки. Например, если при просчете времени, за которое движется радиоволна, будет допущена ошибка на уровне десятков наносекунд, то неточность в определении координат наземного объекта может составить несколько метров. Вместе с тем, на современных спутниках есть аппаратура, позволяющая вести вычисления даже с учетом возможных ошибок в работе атомных часов.

Выше мы отметили, что в числе факторов, влияющих на точность работы систем навигации - неоднородность атмосферы Земли. Полезно будет дополнить данный факт иными сведениями, касающимися влияния околоземных областей на работу спутников. Дело в том, что атмосфера нашей планеты делится на несколько зон. Та, что находится фактически на границе с открытым космосом - ионосфера - состоит из слоя частиц, имеющих некий заряд. Они, сталкиваясь с радиоволнами, отправляемыми спутником, могут снижать их скорость, в результате чего расстояние до объекта может быть вычислено с ошибкой. Отметим, что и с данного рода источником проблем со связью разработчики спутниковой навигации работают: в алгоритмы работы орбитального оборудования, как правило, заложены различного рода корректирующие сценарии, учитывающие в расчетах особенности прохождения радиоволн через ионосферу.

Облака и другие атмосферные явления также могут влиять на точность работы навигационных систем. Водяные пары, присутствующие в соответствующих слоях воздушной оболочки Земли, так же, как и частицы в ионосфере, влияют на скорость радиоволн.

Безусловно, что касается бытового применения ГЛОНАСС или GPS в составе таких агрегатов, как, например, навигационная медиа-система, функции которой во многом носят развлекательный характер, то небольшие неточности в просчетах координат не критичны. Но при военном использовании спутников соответствующие вычисления должны быть идеально соответствующими реальному географическому положению объектов.

Особенности морской навигации

Поговорив о самом современном типе навигации, сделаем небольшой экскурс в историю. Как известно, сам термин, о котором идет речь, впервые появился в среде мореплавателей. Какими особенностями характеризуются морские навигационные системы?

Говоря об историческом аспекте, можно отметить эволюцию инструментария, находящегося в распоряжении моряков. Одним из первых "аппаратных решений" был компас, который, как считают некоторые эксперты, был изобретен в XI веке. Процесс составления карт, как ключевых инструментов навигации, также совершенствовался. В XVI веке Герард Меркатор начал составлять карты, исходя из принципа применения цилиндрической проекции с равными углами. В XIX веке был изобретен лаг - механический агрегат, способный измерять скорость морских судов. В ХХ веке в арсенале мореходов появились радары, а затем и космические спутники связи. Самые современные морские навигационные системы сегодня функционируют, таким образом, пожиная плоды освоения человеком космоса. Какова специфика их работы?

Некоторые эксперты считают, что главная особенность, которой характеризуется современная морская навигационная система - штатная аппаратура, инсталлированная на судне, обладает очень высокой стойкостью к износу и воздействию воды. Это вполне объяснимо - нельзя, чтобы корабль, вышедший в открытое плавание за тысячи километров от суши, оказался в ситуации, когда оборудование неожиданно откажет. На земле, где в доступе - ресурсы цивилизации, все можно починить, в море - проблематично.

Какими еще примечательными характеристиками обладает морская навигационная система? Штатная аппаратура, помимо обязательного требования - износостойкости, как правило, содержит модули, адаптированные к фиксации некоторых параметров окружающей среды (глубины, температуры воды и т.д.). Также скорость судна в морских навигационных системах во многих случаях вычисляется все же не спутниками, а штатными методами.