Эратосфен Киренский, живший в Ш веке до н .э., может считаться первым геодезистом, определившим длину земного меридиана. В 225 г. до н. э.
НОВГОРОДСКАЯ ПРОГРАММА.
ТЕМА – НАВИГАЦИЯ.
НАВИГАЦИЯ в переводе с латинского ОЗНАЧАЕТ «МОРЕПЛАВАНИЕ, судоходство». Это составная часть комплекса морских наук, которая выделилась из них в процессе развития мореходства.
Сюда входит Лоция – делающая акцент на навигационных пособиях.
Мореходная астрономия – которая изучает методы определения координат судна по небесным светилам; и средства судовождения, с помощью которых ведется счисление пути и определение местоположения судна.
Дисциплина «Навигация и лоция» являются основным разделом прикладной науки судовождения, решающей, в конечном итоге, задачу выбора безопасного пути судна и обеспечения плавания по выбранному маршруту с учётом влияния внешней среды.
НАВИГАЦИЯ И ЛОЦИЯ ИЗУЧАЮТ:
- методы определения направлений в море
- теорию картографических проекций
- навигационные карты
- пособия и руководства для плавания, их корректуру
- методы определения места судна по наземным ориентирам и с помощью радиотехнических систем
- условия безопасного плавания по морям, океанам и внутренним водным путям, во льдах
- средства навигационного оборудования морей и внутренних водных путей
- навигационные инструменты и приборы
- организацию штурманской службы на судах.
В последние десятилетия произошло качественное изменение в методах и средствах судовождения. В сложных условиях плавания судоводитель физически не в состоянии обрабатывать всю исходную информацию, получаемую как от технических средств навигации, так и в результате визуального наблюдения.
|
|
|
Оценка ситуации и принятие решения зачастую происходит на основе интуиции с использованием личного опыта.
СОЗДАНИЕ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ (ГНСС) и электронных картографических навигационных систем, интегрированных навигационных мостиков, применение компьютерной техники ПОЗВОЛИЛО ПОВЫСИТЬ БЕЗОПАСНОСТЬ ПЛАВАНИЯ, СНИЗИТЬ ВЛИЯНИЕ «ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ФАКТОРА» НА ОБЩЕЕ ЧИСЛО АВАРИЙ СУДОВ.
Однако традиционные методы навигации, известные с древних времён, не потеряли своей актуальности и в настоящее время.
Безаварийное плавание предполагает проведение контрольных наблюдений и вычислений альтернативными методами. Тем более, что В СЛУЧАЕ ОТКАЗА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАВИГАЦИИ ТРАДИЦИОННЫЕ ПРИЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТА СУДНА ОСТАЮТСЯ ЕДИНСТВЕННЫМ СРЕДСТВОМ, ПОЗВОЛЯЮЩИМ ОБЕСПЕЧИТЬ БЕЗОПАСНОЕ ПЛАВНИЕ в самых сложных условиях.
Использование новейших технических средств совместно с традиционными методами навигации будет способствовать совершенствованию искусства судовождения.
|
|
|
До настоящего времени дошло мало достоверных сведений о зарождении и первых шагах развития навигации. Очевидно, что до появления специальных навигационных приборов в основном применялось визуальное ориентирование: на суше и в прибрежных зонах – по характерным элементам рельефа местности, тех или иных сооружений и предметов, ночью в качестве ориентиров использовались костры. ПРИ ПЛАВАНИИ В ОТКРЫТОМ МОРЕ ОРИЕНТИРАМИ СЛУЖИЛИ НЕБЕСНЫЕ СВЕТИЛА, что положило начало астронавигации. Точно указать, когда и где появились первые навигационные приборы, невозможно.
Древнекитайские источники повествуют об одном навигационном устройстве – чи-нане – «указателе юга». Согласно этим источникам, в Древнем Китае уже около 2600 г. до н. э. были известны конные двухколесные повозки с установленными на них фигурками человека из «вечного камня» — нефрита, с вытянутой вперед рукой. Стоящая на поворотной площадке в передней части колесницы, фигурка, благодаря якобы встроенному в нее магниту, всегда обращалась лицом к югу. Такие колесницы с «указателем юга», согласно древнекитайским источникам, в 2364 г. до н. э. помогли императору Хуангти в густом тумане и облаках пыли одержать победу над своим противником Чжису.
|
|
|
Однако современные исследования доказали, что «путеводная повозка» древних китайцев никакого отношения к магнитному компасу не имела.
По древнекитайским документам удалось установить, что механизм действия фигурки основан на системе зубчатых передач (или рычагов), с помощью которых поворотная площадка под фигуркой связывалась с колесами повозки.
Перед отправлением в путь фигурку выставляли так, чтобы вытянутая рука указывала на юг. При поворотах повозки фигурка сохраняла свое положение и по отклонению колес от начального направления определяли его изменение. Говоря современным языком, в данном устройстве была реализована идея дифференциального одометра.
Около 2000 г. до н. э. в Древнем Китае стали использовать первые карты морских побережий и рек с указанием направлений движения судов.
С I века до н. э. до конца V века н. э. Для этого отрезка времени характерно быстрое развитие астрономии и математики, что оказало существенное влияние на прогресс методов и средств навигации и картографии.
Отметим вклад греческих астрономов в развитие представлений о Солнечной системе. В IV веке до н. э. Гераклид Понтийский предположил, что внутренние (по отношению к Земле) планеты вращаются вокруг Солнца, и что Земля вращается вокруг своей оси.
|
|
|
Через 100 лет греческий астроном Аристарх Самосский заявил, что Земля вращается не только вокруг своей оси, но и вокруг Солнца, как и другие планеты. Очевидно, что такая гелиоцентрическая модель Солнечной системы весьма близкая к модели, предложенной на 2000 лет позже Николаем Коперником.
Эратосфен Киренский, живший в Ш веке до н .э., может считаться первым геодезистом, определившим длину земного меридиана. В 225 г. до н. э.
Эратосфен составил карту, в которой он использовал результаты наблюдений греческого мореплавателя, астронома, математика и географа Пифея из Массалии, разработавшего метод определения географической широты.
Метод был основан на измерении длины тени гномона – древнего астрономического инструмента, представляющего собой вертикальный шест.
Следует отметить, что уже в III веке до н. э. древним астрономам был известен и использовался для измерений на небесной сфере КВАДРАНТ—угломерный астрономический инструмент для измерения высоты небесных светил и угловых расстояний между ними.
К III веку до н. э. относится первое упоминание об использовании в прибрежной навигации специально созданных для этого сооружений – маяков.
Входивший в список «Семи чудес света», ПЕРВЫЙ В МИРЕ МАЯК БЫЛ ПОСТРОЕН У БЕРЕГОВОСНОВАННОГО АЛЕКСАНДРОМ МАКЕДОНСКИМ В ДЕЛЬТЕ НИЛА египетского порта Александрия, на маленьком острове Фарос (отсюда названия маяка – Александрийский или Фаросский).
Высота маяка составляла 120—140 м, поэтому судоводители, направлявшиеся в александрийский порт, уже на расстоянии порядка 60 км могли видеть ночью свет пламени, отраженный в сторону моря бронзовыми зеркалами, а днём - столб дыма.
В 796 г. н. э. (спустя, без малого, тысячу лет с момента строительства) Александрийский маяк был разрушен землетрясением. Фрагменты гигантского сооружения были использованы при строительстве на его месте крепости, сохранившейся до наших дней.
Во П веке до н. э. Гиппа́рх Нике́йский- древнегреческий астроном, географ и математик, часто называемый величайшим астрономом античности, предложил систему параллелей с постоянной широтой и меридианов с постоянной долготой.
Через 350 лет древнегреческий ученый, Клавдий Птолемей, сочинения которого оказали большое влияние на развитие астрономии, географии и оптики, используя идеи Гиппарха, создал подобие карты мира.
СРЕДНИЕ ВЕКА.
По современной классификации начало периода Средних веков относится к VI веку, окончание к ХIV - ХV векам.
Активное развития мореплавания и сухопутной международной торговли способствовало тому, что уже к периоду между VШ и Х веками на карту были нанесены направления навигации от Кореи до Восточной Африки.
Огромным шагом вперед явилось изобретение магнитного компаса, которое дало толчок развитию не только навигации, но и учения о магнитном поле Земли, способствовало открытию взаимосвязи магнитного и электрического полей, и многих других отраслей науки. Честь изобретения компаса оспаривают китайцы и индийцы, арабы и итальянцы, французы и англичане. Нет единства и в определении даты изобретения компаса.
Большего доверия заслуживают литературные источники, в которых сообщается о ПОЯВЛЕНИИ НА КИТАЙСКИХ СУДАХ КОМПАСОВ В I—III ВЕКАХ н. э.
Компасы того времени представляли собой СОСУД С ВОДОЙ ИЛИ МАСЛОМ, В КОТОРОМ ПЛАВАЛ МАГНИТ В ВИДЕ ИГЛЫ на стебле камыша. На сосуде было обозначено 24 знака, характеризующие 24 направления.
Описание такого компаса обнаружено в сочинениях китайского ученого XI века Шэнь-Гуа (1030—1094). Он же впервые сообщил о том, что магнитная стрелка несколько отклоняется от направления север — юг, т. е. магнитный и географический меридианы не совпадают. Однако тогда на открытие явления магнитного склонения мало кто обратил внимание.
Со временем конструкции компаса в Китае стали более разнообразными.
Авторы книг по истории Арабского Востока полагают, что компас появился в странах западной части Индийского океана в VII веке, когда укрепились торговые отношения между арабскими странами и Китаем.
В подтверждение приводится тот факт, что арабские суда, возвращаясь из Китая и пройдя Маллакский пролив, шли, как правило, не вдоль берега, а напрямую, пересекая Бенгальский залив через открытое море.
По поводу появления компаса в Европе существует несколько версий, из которых наиболее реальны две: либо компас попал в Европу через арабских мореплавателей Средиземного моря, либо был изобретен в Европе самостоятельно в результате развития науки и техники.
Некоторые учёные склоняются к тому, что о секретах компаса европейцы узнали от мусульманских моряков и ученых.
В XIII веке была обнаружена книга, которую приписывают древнегреческому ученому и философу Аристотелю (384—322 до н. э.). В ней есть слова, позволяющие предположить, что уже тогда европейские мореплаватели использовали компас: «Один угол магнита имеет силу обращать железо к северу и сим пользуются мореходы. Другой же угол магнита, тому противоположный, смотрит к югу».
В пользу предположения о независимом изобретении компаса в Европе говорит и тот факт, что в китайском компасе за нулевое принималось направление на юг, а в европейском – на север.
Как бы то ни было, во время крестовых походов европейских феодалов на Ближний Восток (1096—1270) компас был уже достаточно хорошо известен средиземноморским мореходам.
С XII века в Западной Европе становится известна астролябия – астрономический прибор, изобретенный еще в Древней Греции. В основе прибора лежит открытый в III веке до н. э. Аполлонием Пергским принцип стереографической проекции, переводящей окружности на сфере в окружности на плоскости.
С помощью астролябии можно получить стереографическое изображение звездного неба на момент наблюдения и определить азимут светила и время.
Первым прибором для измерения высоты (т.е. угла места) объектов звездного неба, которым пользовались моряки, стал квадрант.
Это устройство было известно уже в III веке до н. э., было «заново открыто» в Европе в XШ веке выдающимся математиком Леонардо Фибоначчи.
Он первым в Европе использовал арабскую нумерацию, ввел понятие отрицательных чисел.
Квадрант использовался, в основном, для определения угла возвышения Солнца в полдень, что позволяло вычислить географическую широту судна.
В 1590 г. Джон Дэвис изобрел бэк-стафф (квадрант Дэвиса), в котором был устранен эффект ослепления наблюдателя солнечным светом. Различные модификации квадрантов использовались в навигации на протяжении 300 лет, пока не были заменены секстаном.
Для определения скорости судна издревле использовался большой кусок дерева (бревно), который выбрасывали с носа судна за борт. Зная длину судна (расстояние от носа до кормы) и измерив время, за которое судно преодолело это расстояние (бревно поравнялось с кормой), вычисляли скорость судна.
С тех пор термин «ЛАГ» (БРЕВНО) ПРОЧНО ЗАКРЕПИЛОСЬ В ЖАРГОНЕ МОРЕПЛАВАТЕЛЕЙ ДЛЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ И СКОРОСТИ.
Позже для более точного определения скорости к бревну стали привязывать веревку (линь), на которой через равные расстояния были завязаны узлы.
Скорость судна рассчитывали как число узлов на лине, прошедших через руку измеряющего за определенное время (обычно 15 с или 1 мин.). При этом расстояние между соседними узлами на лине и время измерения подбирали с таким расчетом, что количество узлов за время измерения численно равнялось скорости судна, выраженной в морских милях в час. Так появилась единица измерения скорости узел, равная одной морской миле в час.
Период времени, охватывающий XV-VXII века, недаром получил название «Эпоха великих географических открытий». Начало этой эпохи обычно связывают с открытием экспедицией Христофора Колумба американского континента (12 октября 1492 г.).
В том же году немецкий географ Мартин Бехайм создал первый Земной глобус (Земное яблоко).
С 1907 года экспонируется в Германском национальном музее Нюрнберга.
В 1519 г. португалец Фернан Магеллан начал свой путь в Южную Америку. В 1520 г. МАГЕЛЛАН ЧЕРЕЗ ПРОЛИВ, НАЗВАННЫЙ ПОЗЖЕ ЕГО ИМЕНЕМ, ВЫШЕЛ ИЗ АТЛАНТИКИ В ТИХИЙ ОКЕАН. Несмотря на то, что сам Магеллан во время путешествия погиб, его судно «Виктория», совершив первое в истории человечества кругосветное путешествие, вернулось в Испанию.
Один из вождей острова Мактан Лапу-Лапу (Силапулапу, Филиппины) противился новым порядкам и не собирался отдаваться под власть Хумабона. Магеллан организовал против него военную экспедицию. Он хотел наглядно продемонстрировать местным жителям мощь Испании. Сражение оказалось неподготовленным. Из-за отмели суда и лодки не смогли подойти на близкое расстояние, чтобы эффективно поддержать десантный отряд огнём. Во время нахождения европейцев на Себу местные жители имели возможность изучить европейское оружие и его слабые стороны. Они быстро двигались, не давая европейцам прицелиться, и атаковали моряков в незащищённые доспехами ноги. Когда испанцы начали отступать, Магеллан был убит.
Испанская экспедиция под командованием португальского мореплавателя Магеллана, открыв 16 марта 1521 года Филиппинский архипелаг, заключила вассальный договор с верховным вождём острова Себу раджой Хумабоном.
Вожди окружающих племён должны были платить дань королю Испании Карлу I.
Великие географические открытия, совершенные в период перехода от средневековья к Новому времени, дали мощный толчок развитию науки и техники, в том числе, совершенствованию навигационных приборов и картографии. Так, согласно данным американского Национального агентства по аэрофотосъемке и картографии, экспедиция Магеллана была экипирована морскими картами, глобусом Земли, деревянными и металлическими теодолитами, деревянными и деревянно-бронзовыми квадрантами, компасами, магнитными стрелками, песочными часами и лагом, устанавливаемым на палубе.
Важнейшими математическими открытиями того времени стали тригонометрия, в том числе – сферическая, а также проекция МЕРКАТОРА и логарифмы.
Фламандский картограф Герард Кремер, латинизированное имя которого звучит как МЕРКАТОР, при составлении навигационной карты мира на 18 листах (1569 год) ПРИМЕНИЛ РАВНОУГОЛЬНУЮ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ ПРОЕКЦИЮ МОРСКОЙ КАРТЫ. Хотя в результате современных исследований установлено, что такая проекция была известна ещё в 1511 году, широкое применение она получила лишь благодаря МЕРКАТОРУ.
Проекция МЕРКАТОРА - одна из основных картографических проекций, широко используемых в современной морской и аэронавигации.
Слово «равноугольная» в названии подчёркивает то, что проекция не искажает углы между направлениями. Все локсодромии (линии на сфере, пересекающие все меридианы под одним и тем же углом), в ней изображаются прямыми.
Меридианы в проекции Меркатора представляются параллельными равноотстоящими линиями, в то время как расстояние между параллелями зависит от широты: вблизи экватора оно равно расстоянию между меридианами, и быстро (как обратный косинус широты) увеличивается при приближении к полюсам.
Масштаб на карте в этой проекции также увеличивается от экватора к полюсам, поэтому на картах всегда указывается, к какой параллели относится основной масштаб карты.
При этом масштабы по вертикали и по горизонтали всегда равны, между собой, чем, собственно, и достигается равноугольность проекции.
Однако, поскольку масштаб зависит от широты, имеют место искажения площади объектов, также нарастающие с приближением к полюсам: на карте площадь Гренландии выглядит сравнимой с площадью Южной Америки, хотя в реальности она в 8 раз меньше. Поэтому обычно карту в проекции Меркатора ограничивают областями до 80-85° градусов северной и южной широты.
Труды Галилея и Ньютона заложили основу для решения одной из важнейших проблем навигации, остававшейся нерешенной в течение многих столетий. Речь идет об определении географической долготы и связанной с ней проблеме точного измерения времени. С развитием мореплавания актуальность этой проблемы нарастала и в конце XVII века во Франции и Англии она приобрела характер государственной.
Долгота́ - угол между плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, и плоскостью начального (нулевого) меридиана, от которого ведется отсчет долготы. (Выбор нулевого меридиана произволен и зависит только от соглашения). С учетом суточного вращения Земли, долгота может измеряться в единицах времени: 1 час = 15°, 1 мин. = 15', 1 с. = 15 ".
Отсюда следует основной способ определения географической долготы при помощи часов, показания которых соответствуют отсчету времени на нулевом меридиане.
Необходимо с помощью секстанта, квадранта, гномона и т. п. определить момент наступления местного полдня, в этот момент зафиксировать показания часов, а затем перевести эти показания (с соответствующим знаком) в градусную меру.
Проблема была в том, что часов, способных длительно, с высокой точностью «хранить» время нулевого меридиана, в ту эпоху не существовало.
Известные примерно с ХШ века часы с колесами, приводимыми в движение гирями, не обеспечивали точности, необходимой для научных экспериментов. Поэтому, например, Галилей, при изучении законов падения измерял интервалы времени, считая удары собственного пульса.
Изобретенный им маятник вначале использовали как устройство для точного измерения небольших промежутков времени путем подсчета числа качаний. В последние годы жизни Галилей работал над лежащей в основе всех часовых механизмов идеей соединении высокостабильного источника колебаний (маятника) со счетчиком, но ему помешала прогрессирующая слепота.
Дальнейшее развития методов определения времени и долготы связано с именем голландского математика, физика и астронома Христиана Гюйгенса.
В 1657 г. Гюйгенс получил голландский патент на конструкцию изобретенных им часов, в которых маятник выполнял функцию регулятора хода и обеспечивал превосходную для того времени точность.
Центральным элементом конструкции был придуманный Гюйгенсом якорь, который периодически подталкивал маятник и поддерживал незатухающие колебания. Точные и недорогие часы с маятником быстро получили широкое распространение по всему миру.
Именно по такому принципу почти через 100 лет в Англии был построен первый действующий морской хронометр, и по сей день строятся все механические часы.
Для Англии, претендовавшей на роль «владычицы морей», задача определения долготы на море имела первостепенное значение. В 1675 г., согласно королевскому указу, была создана Гринвичская обсерватория «для того, чтобы научиться определять такую необходимую долготу с целью совершенствования искусства навигации».
В 1714 г. английский парламент заслушал доклад Ньютона о проблеме морских часов. Ученый закончил свою речь словами: «Часы, на ход которых не должны влиять ни качка корабля, ни изменения температуры и влажности, ни различия в силе гравитации на разных широтах, – такие часы еще не созданы».
Парламент решает: выплатить мастеру, сделавшему часы, пригодные для определения долготы в море, 20 тыс. фунтов стерлингов (почти 150 килограммов золота), если часы, «будучи испытаны в пути до Вест-Индии, дадут ошибку не более 30 миль» (т. е. 30 секунд по времени).
За решение этой задачи взялся часовщик-самоучка из Йоркшира Джон Гаррисон, которому в то время шел двадцать первый год. В 1735 г. Гаррисон представил комиссии Адмиралтейства первый образец созданных им морских часов.
Часы весили около 35 кг и содержали несколько балансиров, качавшихся в разных плоскостях, что должно было компенсировать влияние морской качки на точность хода. В них был также использован новый, изобретенный Гаррисоном, анкерный механизм.
Испытания часов прошли не вполне удачно, но мастер понял: он на верном пути. Прошел год, и комиссии был представлен новый вариант механизма, еще через восемь лет – третий.
Четвертый вариант ХРОНОМЕТРА ДЖОНА ГАРРИСОНА, законченный в 1761 г., через 36 лет после первого, ничем не напоминал его: законченность внешнего облика и небольшие размеры часов говорили о масштабах проделанной работы.
Результаты испытаний этих часов поразили всех: за время перехода корабля от Портсмута до Ямайки, занявшего 81 сутки, накопленное расхождение между показаниями хронометра и временем, измеренным астрономическими методами, составило менее 2 секунд.
Моряки поверили в хронометр: знаменитый мореплаватель Джеймс Кук взял с собой часы в плавание, продолжавшееся 3 года. За это время хронометр отстал всего на 7 минут 45 секунд, что подтверждало – «хранитель времени» действительно был создан.
Заслуженную премию мастер получил только в самом конце жизни, после многочисленных бюрократических проволочек.
Практически одновременно с морским хронометром был изобретен секстант (в морской терминологии – «секстан») – навигационный измерительный инструмент, используемый для измерения высоты светила над горизонтом с целью определения географических координат.
Например, измерив высоту Солнца в астрономический полдень, можно, зная дату измерения, вычислить широту местности.
Строго говоря, секстант позволяет точно измерять угол между любыми двумя направлениями. Поэтому, ЗНАЯ ВЫСОТУ МАЯКА (с карты) И ИЗМЕРИВ УГОЛ МЕЖДУ НАПРАВЛЕНИЯМИ НА ОСНОВАНИЕ МАЯКА И НА ЕГО ВЕРХНЮЮ ЧАСТЬ и произведя несложный расчет МОЖНО УЗНАТЬ ДИСТАНЦИЮ ДО НЕГО.
Также можно измерять горизонтальный угол между направлениями на разные объекты. В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения одного из них. Этот принцип изобретен Исааком Ньютоном в 1699 г., но не был опубликован.
Секстан в 1730 г. независимо изобрели два человека – английский математик Джон Хадли и американский изобретатель Томас Годфри.
Главное достоинство секстана, по сравнению с астролябией и квадрантом, состоит в том, что высота светила измеряется не относительно самого инструмента, а относительно горизонта, что дает бо́льшую точность.
При наблюдении через секстан горизонт и светило совмещаются в одном поле зрения и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на плывущем корабле. Это достигается благодаря тому, что секстант показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект - сквозь два противоположных зеркала.
Астрономическая навигация получила значительные преимущества от изобретения хронометра и секстанта; вместе с компасом они стали основными инструментами судоводителя и не потеряли своего значения до настоящего времени.
РОССИЯ.
Петра I, указом которого 14 января 1701 г. в Москве была создана «Навигацкая школа» — первое в России и второе в Европе специализированное техническое учебное заведение с базовой математической подготовкой.
Царским указом в школу велено было принимать детей всех сословий; в 1706 г. в ней было около 500 учащихся. С 1702 г. школа размещалась в Сухаревой башне, где находились учебные классы, лаборатории, а также обсерватория.
Учебный цикл состоял из трех ступеней: арифметики, высшей математики и практической навигации. Для дальнейшей специализации выпускников отправляли на флот, на геодезические и архитектурно-строительные работы, а с 1714 г. – учителями в «цифирные школы».
Школа действовала до 1752 г., но период ее наиболее активной деятельности закончился в 1715 г., когда все мореходное образование сосредоточилось в Морской Академии, открытой в Петербурге. Для своего времени школа сослужила большую службу, Петр I говорил, что «не токмо к морскому ходу нужна сия наука».
XIX век принято называть веком пара и электричества. Оснащение судов паровыми двигателями означало революцию в мореплавании, которое приобрело глобальный характер.
Появилась насущная потребность в совершенствовании и развитии средств навигации, а также в систематизации знаний, накопленных в этой области.
В 1840 г. Анри Рапер опубликовал свою знаменитую книгу «Практическое пособие по навигации и морской астрономии».
Джеймс Клерк Максвелл открыл фундаментальные уравнения, описывающие характер электрического и магнитного полей и их взаимодействия.
Основываясь на результатах работ Максвелла, немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрел устройство, которое генерировало радиоволны.
Научные открытия в области электричества и магнетизма быстро находили практическое применение, в том числе и в навигации. Так, девиация, т. е. отклонение стрелки магнитного компаса от направления магнитного меридиана под воздействием металлосодержащих деталей корабля впервые была замечена навигатором XVI века Жоао де Кастро.
В XIX веке математик Джордж Айри (1801 – 1891) заинтересовался этим явлением и сделал заключение, что вклад в девиацию судового компаса могут вносить как магнитные поля, обусловленные остаточные намагниченностью корпуса и других конструкций судна, так и электромагнитные поля, возникающие в результате протекания электрического тока в проводниках, расположенных вблизи компаса.
После того, как причины девиации были изучены, были разработаны устройства, создающие электрические токи, магнитное поле которых компенсировало поля, порождающие девиацию.
Огромный вклад в развитие навигации внесло изобретение гироскопа и создание на его основе гироскопического компаса (гирокомпаса).
Основу механический гироскопа составляет быстро вращающееся тело – ротор, обладающий свойством сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на нее моментов внешних сил. Для того чтобы положение оси ротора оставалась неизменным при любых изменениях пространственной ориентации носителя, ротор устанавливается в карданный подвес (шарнир).
Французский учёный Жан Фуко выяснил, что ось гироскопа, установленного в карданный подвес с двумя степенями свободы, указывает фиксированное направление в пространстве.
Усовершенствованный таким образом гироскоп Фуко впервые использовал в 1852 году для демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».
Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания длительного вращения ротора гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применен в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды.
Прототип современного гирокомпаса первым запатентовал в 1908г. германский инженер Герман Антшютц-Кэмпфе, вскоре, в 1911 г., подобный прибор запатентовал американец Элмер Сперри.
Развитие цифровых технологий картографии и микропроцессоров стало основой для создания первых автономных транспортных навигационных систем.
Прототип первой автоматической системы управления маршрутом появился в начале 1970-х гг. В ней использовались цифровые карты, алгоритмы счисления пути, алгоритмы распознавания карт для определения траектории транспортного средства. Кроме того, система поддерживала функцию голосового и визуального сопровождения.
Первые автономные коммерческие системы такого типа появились в начале 1980-х гг., первая автономная система с использованием цифровых карт, хранящихся на CD-ROM и отображающихся на цветном дисплее – в середине 1980-х гг., а первая автономная система с использованием приемника GPS – в 1990-х гг.
Штурманский метод решения задач судовождения требует знания закономерностей движения судна по поверхности Земли. Это возможно лишь при знании формы нашей планеты и ее основных размеров.
Многовековые попытки решить эту научную проблему привели к представлению физической формы Земли в виде геоида - сглаженного тела, размеры которого наиболее близки к размерам нашей планеты.
Геоид - тело, ограниченное невозмущенной поверхностью уровня Мирового океана, мысленно продолженной под материками и островами таким образом, что она в каждой своей точке перпендикулярна отвесной линии.
Геоид получен экспериментально и его поверхность не может быть описана конечным математическим уравнением. Поэтому на поверхности геоида невозможно решать математические задачи судовождения. Возникает необходимость аппроксимации (замены) геоида другим телом - моделью Земли, имеющей простое математическое описание.
При решении навигационных задач судовождения нашли применение две основные модели Земли: эллипсоид вращения (сфероид) и сфера (шар).
Геоид очень близок по форме к эллипсоиду вращения, образованному вращением эллипса вокруг малой оси. Эллипсоид вращения - математически правильная фигура. Именно поэтому для решения задач геодезии, судовождения и картографии с высокой точностью за модель Земли принимают эллипсоид вращения и называют его земным эллипсоидом.
Размеры и форму эллипсоида определяют его элементы: большая полуось а, малая полуось b, сжатие, эксцентриситет.
Для наилучшего представления о геоиде в целом используют земной эллипсоид и определяют его так, чтобы:
- объём эллипсоида был равен объёму геоида;
- Плоскость экватора и малая ось эллипсоида совпадали соответственно с плоскостью экватора и осью вращения Земли;
- Сумма квадратов отклонений геоида от общего земного эллипсоида по всей поверхности была наименьшей.
В 1964 г. на XII конгрессе Международного астрономического союза был принят общий земной эллипсоид, который хорошо согласуется со всей поверхностью геоида. Его размеры: большая полуось = 6378160 м; сжатие = 1: 298,5.
Для наилучшего же представления формы геоида в определенной области земной поверхности (территории отдельной страны) подбирают наиболее подходящий земной эллипсоид.
В наши дни для решения геодезических и навигационных задач широко используются общие земные эллипсоиды, разработанные в разные годы: WGS-72, WGS-84.
В нашей стране с 1946 г. в качестве модели Земли принят эллипсоид, элементы которого были определены под руководством профессора Ф. Н. Красовского. При этом использовались результаты измерений, выполненных на территории России (СССР), стран Западной Европы и США. Этот эллипсоид получил название референц-эллиписоида Красовского.
Положение (ориентировка) эллипсоида Красовского определяется:
- координатами центра круглого зала Пулковской обсерватории (широта 59°46'18,55", долгота 30° 1942,09");
- направлением из этой точки на пункт Бугры (азимут 121° 10'38,79");
- нулевой разностью высот геоида и референц-эллипсоида Красовского в Пулкове.
В различных государствах рассчитаны и используются в качестве моделей Земли референц-эллипсоиды различных размеров.
При решении многих задач навигации, не требующих повышенной точности, Землю принимают за шар определенного радиуса R. При этом для определения размеров земного шара могут быть поставлены различные условия.
Дата добавления: 2021-01-20; просмотров: 143; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!