Небесная навигация - Celestial navigation

Для использования в других целях см. Небесная навигация (значения).
Схема морского секстант, инструмент, используемый в астрономической навигации

Небесная навигация, также известен как астронавигация, это древняя и современная практика определение положения который позволяет навигатору перемещаться по пространству, не полагаясь на оценочные вычисления, или счисление, чтобы узнать их позицию. Небесный навигация использует "прицелы" или угловые измерения, сделанные между небесное тело (например, солнце, то Луна, а планета, или звезда ) и видимое горизонт. Чаще всего используется Солнце, но навигаторы также могут использовать Луну, планету, Полярная звезда, или один из 57 других навигационные звезды координаты которых указаны в таблице морской альманах и воздух альманахи.

Небесная навигация - это использование угловых измерений (визирования) между небесными телами и видимым горизонтом для определения своего местоположения в Мир, как на суше, так и на море. В данный момент любое небесное тело находится прямо над одной точкой на поверхности Земли. В широта и долгота этой точки известен как небесное тело географическое положение (ВП), местоположение которого можно определить по таблицам в морском или воздушном альманахе за этот год. Измеренный угол между небесным телом и видимым горизонтом напрямую связан с расстоянием между ВП небесного тела и положением наблюдателя. После некоторых вычислений, обозначенных как снижение зрения, это измерение используется для построения линия позиции (LOP) на навигационная карта или рабочий лист, где позиция наблюдателя находится где-то на этой линии. (LOP на самом деле короткий сегмент очень большого круга на Земле, который окружает ВП наблюдаемого небесного тела. Наблюдатель, находящийся где-либо на окружности этого круга на Земле, измеряя угол того же небесного тела над горизонтом в этот момент времени, заметил бы, что это тело находится под тем же углом над горизонтом.) Виды на два небесных тела обозначьте на карте две такие линии, пересекающиеся в позиции наблюдателя (на самом деле, два круга приведут к двум точкам пересечения, возникающим при взглядах на две звезды, описанные выше, но одну можно отбросить, поскольку она будет далеко от предполагаемого положения - см. рисунок на пример ниже). Большинство навигаторов будут использовать прицелы от трех до пяти звезд, если они доступны, так как это приведет только к одному общему перекрестку и минимизирует вероятность ошибки. Эта предпосылка является основой для наиболее часто используемого метода астрономической навигации, называемого «методом пересечения высоты». Должно быть нанесено не менее трех точек. На пересечении графика обычно образуется треугольник, точное положение которого находится внутри него. Точность прицела обозначается размером треугольника.

Есть несколько других методов астрономической навигации, которые также обеспечивают определение местоположения с использованием секстант наблюдения, такие как полдень, и более архаичные метод лунного расстояния. Джошуа Слокум применил метод лунного расстояния во время первого зарегистрированного кругосветного плавания в одиночку. В отличие от метода перехвата высоты, методы полуденного визирования и лунного расстояния не требуют точного знания времени. Метод определения высоты полета небесной навигации требует, чтобы наблюдатель знал точное время по Гринвичу (GMT) в момент наблюдения за небесным телом с точностью до секунды, поскольку каждые четыре секунды источник времени (обычно хронометр или в самолетах точный "взломать часы ") ошибочно, позиция будет отклонена примерно на одну морскую милю.

пример

Солнце и Луна (с комментариями) .gif

Пример, иллюстрирующий концепцию, лежащую в основе метод перехвата для определения своей позиции показан справа. (Два других распространенных метода определения своего местоположения с помощью астрономической навигации - это долгота по хронометру и экс-меридиан методы.) На соседнем изображении два круга на карте представляют линии положения Солнца и Луны в 1200 время по Гринвичу 29 октября 2005 года. В это время штурман на корабле в море измерил, что Луна находится на 56 градусах над горизонтом, используя секстант. Десять минут спустя было замечено, что Солнце находилось на 40 градусах выше горизонта. Затем были рассчитаны и нанесены линии положения для каждого из этих наблюдений. Поскольку и Солнце, и Луна наблюдались под соответствующими углами из одного и того же места, навигатор должен быть расположен в одном из двух мест, где пересекаются круги.

В этом случае навигатор находится либо в Атлантическом океане, примерно в 350 морских милях (650 км) к западу от Мадейры, либо в Южной Америке, примерно в 90 морских милях (170 км) к юго-западу от Асунсьона, Парагвай. В большинстве случаев определение того, какое из двух пересечений является правильным, очевидно для наблюдателя, поскольку они часто находятся на расстоянии тысяч миль друг от друга. Поскольку маловероятно, что корабль пересекает Южную Америку, позиция в Атлантике правильная. Обратите внимание, что линии положения на рисунке искажены из-за проекции карты; если бы они были нанесены на глобус, они были бы круглыми.

Наблюдатель на Гран Чако точка будет видеть Луну слева от Солнца, а наблюдатель в точке Мадейры будет видеть Луну справа от Солнца.

Угловое измерение

Использование морского секстанта для измерения высоты солнца над горизонтом

Точное измерение углов развивалось с годами. Один из простых способов - держать руку над горизонтом с вытянутой рукой. Ширина мизинца представляет собой угол чуть более 1,5 градуса возвышения на вытянутой руке и может использоваться для оценки высоты солнца от плоскости горизонта и, следовательно, оценки времени до захода солнца. Потребность в более точных измерениях привела к разработке ряда все более точных инструментов, включая Камал, астролябия, октант и секстант. Секстант и октант являются наиболее точными, потому что они измеряют углы от горизонта, устраняя ошибки, вызванные размещением указателей инструмента, а также потому, что их система двойных зеркал отменяет относительные движения инструмента, показывая устойчивый вид объекта и горизонта.

Навигаторы измеряют расстояние на земном шаре в градусы, угловые минуты и угловые секунды. А морская миля определяется как 1852 метра, но это также (не случайно) одна угловая минута по меридиану на Земле. Секстанты можно считывать с точностью до 0,2 угловой минуты, поэтому положение наблюдателя можно определить в пределах (теоретически) 0,2 мили, примерно 400 ярдов (370 м). Большинство океанских мореплавателей, стреляющих с движущейся платформы, могут достичь практической точности в 1,5 мили (2,8 км), что достаточно для безопасного плавания вне поля зрения суши.[нужна цитата ]

Практическая навигация

Практическая астрономическая навигация обычно требует морской хронометр для измерения времени секстант для измерения углов альманах предоставление графиков координат небесных объектов, набор таблиц уменьшения видимости, помогающих выполнить высоту и азимут расчеты и карта региона.

Два офицера морского корабля "стреляют" за одно утро секстантом, высота солнца

При использовании таблиц уменьшения прицела единственные необходимые вычисления - это сложение и вычитание. Небольшие карманные компьютеры, портативные компьютеры и даже научные калькуляторы позволяют современным навигаторам «уменьшить» секстантные взгляды за считанные минуты, автоматизируя все этапы вычислений и / или поиска данных. Большинство людей могут освоить более простые процедуры астрономической навигации после дня или двух инструкций и практики, даже используя ручные методы расчета.

Современные практические навигаторы обычно используют астрономическую навигацию в сочетании с спутниковая навигация исправить счисление трек, то есть курс, рассчитанный на основе местоположения, курса и скорости судна. Использование нескольких методов помогает навигатору обнаруживать ошибки и упрощает процедуры. При использовании этого способа навигатор будет время от времени измерять высоту солнца с помощью секстанта, а затем сравнивать ее с предварительно рассчитанной высотой, основанной на точном времени и предполагаемом местоположении наблюдения. На диаграмме можно использовать линейку плоттера, чтобы отметить каждую линию положения. Если линия местоположения указывает местоположение более чем в нескольких милях от расчетного местоположения, можно провести больше наблюдений, чтобы перезапустить путь точного счисления.

В случае отказа оборудования или электроснабжения несколько раз в день пересечение солнечных линий и продвижение по ним по точному счёту позволяет судну получить грубую исправную работу, достаточную для возвращения в порт. Можно также использовать Луну, планету, Полярная звезда, или один из 57 других навигационные звезды отслеживать астрономическое положение.

Широта

Широта был измерен в прошлом либо путем измерения высоты Солнца в полдень («полуденный взгляд»), либо путем измерения высоты любого другого небесного тела при пересечении меридиана (достижение максимальной высоты при движении на север или юг), и часто измеряя высоту Полярная звезда, северная звезда (при условии, что она достаточно видна над горизонтом, а не на Южное полушарие ). Полярная звезда всегда находится в пределах 1 градуса от небесный северный полюс. Если навигатор измеряет угол до Полярной звезды и обнаруживает, что он составляет 10 градусов от горизонта, то он находится примерно в 10 градусах к северу от экватора. Затем эта приблизительная широта корректируется с использованием простых таблиц или поправок в альманах для определения широты с теоретической точностью до долей мили. Углы измеряются от горизонта, потому что расположение точки прямо над головой зенит, как правило, невозможно. Когда дымка закрывает горизонт, навигаторы используют искусственные горизонты, которые представляют собой горизонтальные зеркала или поддоны с отражающей жидкостью, особенно исторически сложившейся ртутью. В последнем случае угол между отраженным изображением в зеркале и реальным изображением объекта в небе ровно в два раза превышает требуемую высоту.

Долгота

Долгота можно измерить таким же образом. Если угол к Полярной звезде может быть точно измерен, долгота будет получена аналогично измерению звезды около восточного или западного горизонта. Проблема в том, что Земля вращается на 15 градусов в час, поэтому такие измерения зависят от времени. Измерение за несколько минут до или после того же измерения накануне создает серьезные навигационные ошибки. До хорошего хронометры были доступны, измерения долготы были основаны на прохождении Луны или положениях лун Юпитера. По большей части, их было слишком сложно использовать кому-либо, кроме профессиональных астрономов. Изобретение современного хронометра Джон Харрисон в 1761 г. значительно упрощен продольный расчет.

На решение проблемы долготы потребовались столетия, и она зависела от конструкции немаятниковых часов (поскольку маятниковые часы не могут точно работать на качающемся корабле или даже на движущемся транспортном средстве любого типа). Два полезных метода развились в 18 веке и практикуются до сих пор: лунное расстояние, который не предполагает использование хронометра, а также использование точных часов или хронометра.

В настоящее время неспециалисты могут рассчитывать долготу, отмечая точное местное время (без привязки к летнему времени), когда солнце находится в самой высокой точке неба. Расчет полудня может быть выполнен более легко и точно с помощью небольшой, точно вертикальной рейки, вбитой в ровную поверхность - считайте время, когда тень указывает строго на север (в северном полушарии). Затем возьмите ваше местное время и вычтите его из GMT (Время по Гринвичу ) или время в Лондоне, Англия. Например, полдень (1200 часов) вблизи центральной части Канады или США будет происходить примерно в 18:00 (18:00) в Лондоне. Шестичасовой дифференциал составляет одну четверть 24-часового дня или 90 градусов 360-градусного круга (Земля). Расчет также можно произвести, умножив количество часов (используйте десятичные дроби для долей часа) на 15, то есть количество градусов в часе. В любом случае, можно продемонстрировать, что большая часть центральной части Северной Америки находится на или около 90 градусов западной долготы. Восточные долготы можно определить, прибавив местное время к Гринвичу с помощью аналогичных вычислений.

Лунное расстояние

Основная статья: Лунное расстояние

Старый метод под названием "лунные расстояния", был усовершенствован в 18 веке и использовался с уменьшающейся регулярностью в море в середине 19 века. Сегодня он используется только любителями секстантов и историками, но этот метод теоретически надежен и может использоваться, когда часы не работают. или его точность сомнительна во время длительного морского путешествия. Навигатор точно измеряет угол между луной и солнцем или между луной и одной из нескольких звезд рядом с эклиптика. Наблюдаемый угол должен быть скорректирован с учетом эффектов рефракции и параллакса, как и в любом небесном прицеле. Чтобы внести эту поправку, навигатор должен был измерить высоту Луны и Солнца (или звезды) примерно в то же время, что и угол лунного расстояния. Требовались только приблизительные значения высоты. Затем расчет с логарифмами или графическими таблицами, требующий от десяти до пятнадцати минут работы, преобразует наблюдаемый угол в геоцентрическое лунное расстояние. Навигатор будет сравнивать скорректированный угол с указанным в альманахе для каждых трех часов гринвичского времени и интерполировать между этими значениями, чтобы получить фактическое время по Гринвичу на борту корабля. Зная время по Гринвичу и сравнивая с местным временем с обычного высотного прицела, навигатор может определить свою долготу.

Использование времени

Основная статья: Морской хронометр сегодня

Значительно более популярным методом было (и остается) использование точных часов для прямого измерения времени секстантного взгляда. Потребность в точной навигации привела к развитию все более точных хронометров в 18 веке (см. Джон Харрисон ). Сегодня время измеряется хронометром, кварцевые часы, а коротковолновый радиосигнал времени трансляция из атомные часы, или время, отображаемое на GPS.[1] А кварцевые наручные часы обычно держит время в пределах полсекунды в день. Если его постоянно носить и держать близко к теплу, скорость его дрейфа можно измерить с помощью радио, и, компенсируя это дрейф, навигатор может отсчитывать время лучше секунды в месяц. Традиционно навигатор проверял свой хронометр по секстанту на географической отметке, которую исследовал профессиональный астроном. Сейчас это редкий навык, и большинство капитаны порта не могут найти маркер своей гавани.

По традиции три хронометра хранились в подвесы в сухом помещении недалеко от центра корабля. Они использовались, чтобы установить взломать часы для реального прицела, так что ни один хронометр никогда не подвергался воздействию ветра и соленой воды на палубе. Заводить и сравнивать хронометры было важнейшей обязанностью штурмана. Даже сегодня он все еще ежедневно регистрируется в судовом бортовом журнале и передается капитану. восемь колоколов в утреннюю вахту (полдень на корабле). Штурманы также устанавливают судовые часы и календарь.

Современная астрономическая навигация

Концепция небесной линии положения была открыта в 1837 г. Томас Хаббард Самнер когда после одного наблюдения он вычислил и нанес на карту свою долготу на нескольких пробных широтах в непосредственной близости от него - и заметил, что позиции лежат вдоль линии. Используя этот метод с двумя телами, навигаторы, наконец, смогли пересечь две позиционные линии и получить их положение - по сути, определяя как широту, так и долготу. Позже, в 19 веке, пришло развитие модерн (Марк Сен-Илер). метод перехвата; с помощью этого метода высота тела и азимут рассчитываются для удобного пробного положения и сравниваются с наблюдаемой высотой. Разница в угловых минутах - это расстояние «пересечения» морской мили, на которое линия положения должна быть смещена в направлении или от направления подпункта тела. (В методе перехвата используется концепция, проиллюстрированная в примере в разделе «Как это работает» выше.) Два других метода уменьшения прицела - это долгота по хронометру и экс-меридиан метод.

В то время как астрономическая навигация становится все более излишней с появлением недорогих и высокоточных спутниковых навигационных приемников (GPS ), он широко использовался в авиации до 1960-х годов, а морское судоходство до недавнего времени. Однако; Поскольку благоразумный моряк никогда не полагается на какие-либо единственные средства определения своего местоположения, многие национальные морские власти по-прежнему требуют, чтобы палубные офицеры продемонстрировали знание астрономической навигации на экзаменах, в первую очередь в качестве запасного средства для электронной / спутниковой навигации. Одним из наиболее распространенных в настоящее время способов использования астрономической навигации на борту больших торговых судов является калибровка компаса и проверка ошибок в море, когда нет доступных наземных ориентиров.

В ВВС США и ВМС США продолжал инструктировать военных летчиков по использованию астрономической навигации до 1997 года, потому что:

  • небесная навигация может использоваться независимо от наземных средств
  • небесная навигация имеет глобальный охват
  • небесная навигация не может быть заглушена (хотя может быть закрыта облаками)
  • астрономическая навигация не дает никаких сигналов, которые могут быть обнаружены противником [2]

В Военно-морская академия США объявил, что прекращает курс по астрономической навигации (который считается одним из самых сложных неинженерных курсов) из формальной учебной программы весной 1998 года.[3] В октябре 2015 г., ссылаясь на озабоченность по поводу надежности систем GPS перед лицом потенциально враждебных взлом, USNA возобновила обучение астронавигации в 2015–16 учебном году.[4][5]

В другой академии федеральной службы, Академии торгового флота США, не было перерывов в обучении астрономической навигации, поскольку для поступления в нее необходимо сдать экзамен на получение лицензии береговой охраны США. Торговый флот. Его также преподают в Гарвард, последний раз как Astronomy 2.[6]

Небесная навигация по-прежнему используется частными яхтсменами, особенно на дальних круизных яхтах по всему миру. Для небольших экипажей крейсерских лодок астрономическая навигация обычно считается важным навыком при выходе за пределы видимого диапазона суши. Хотя технология GPS (Global Positioning System) является надежной, оффшорные яхтсмены используют астрономическую навигацию либо как основной навигационный инструмент, либо как резервный.

Небесная навигация использовалась в коммерческой авиации вплоть до начала эры реактивных двигателей; рано Боинг 747 имел «порт для секстанта» в крыше кабины.[7] Его сняли с производства только в 1960-х годах с появлением инерциальная навигация и доплеровские навигационные системы, а также современные спутниковые системы, которые могут определять местоположение самолета с точностью до 3-метровой сферы с несколькими обновлениями в секунду.

Вариант наземной астрономической навигации использовался, чтобы помочь сориентировать Космический корабль Аполлон по пути к Луне и обратно. По сей день космические миссии, такие как Марсоход для исследования Марса использовать звездные трекеры определить отношение космического корабля.

Уже в середине 1960-х годов были разработаны передовые электронные и компьютерные системы, позволяющие навигаторам получать автоматические корректировки небесного обзора. Эти системы использовались как на борту кораблей, так и на самолетах ВВС США и были очень точными, могли фиксировать до 11 звезд (даже в дневное время) и определять положение корабля до менее 300 футов (91 м). В СР-71 высокоскоростной самолет-разведчик был одним из примеров самолета, в котором использовалась комбинация автоматизированная астрономическая и инерциальная навигация. Однако эти редкие системы были дорогими, и те немногие, которые используются сегодня, рассматриваются как резервные копии более надежных спутниковых систем позиционирования.

Межконтинентальные баллистические ракеты использовать астрономическую навигацию для проверки и корректировки своего курса (первоначально установленного с помощью внутренних гироскопов) при полете за пределами Земли атмосфера. Невосприимчивость к заглушающим сигналам - главный двигатель этой, казалось бы, архаичной техники.

Навигация и хронометраж на основе рентгеновских пульсаров (XNAV) - это экспериментальный метод навигации, при котором периодические Рентгеновский сигналы, испускаемые из пульсары используются для определения местоположения транспортного средства, например космического корабля в глубоком космосе. Транспортное средство, использующее XNAV, будет сравнивать полученные рентгеновские сигналы с базой данных известных частот и местоположений пульсаров. Подобно GPS, это сравнение позволит транспортному средству точно определить свое местоположение (± 5 км). Преимущество использования рентгеновских сигналов перед радиоволны в том, что Рентгеновские телескопы можно сделать меньше и легче.[8][9][10] 9 ноября 2016 г. Китайская Академия Наук запустил экспериментальный навигационный спутник "Пульсар", названный XPNAV 1.[11][12] SEXTANT (Station Explorer для рентгеновской синхронизации и навигационных технологий) - это НАСА проект, разработанный на базе Центр космических полетов Годдарда это тестирует XNAV на орбите на борту Международная космическая станция в связи с НИЦЕР проект, запущенный 3 июня 2017 г. SpaceX CRS-11 Миссия по снабжению МКС.[13]

Подготовка

Учебно-тренировочное оборудование для экипажей самолетов сочетает в себе простую симулятор полета с планетарий.

Ранним примером является Связь с тренером по небесной навигации, используемый в Вторая мировая война.[14][15] Размещенный в здании высотой 45 футов (14 м), он имел кабина размещение целого бомбардировщик экипаж (пилот, штурман и бомбардир). В кабине предлагался полный набор инструменты который пилот использовался для управления имитируемым самолетом. Зафиксировано на купол над кабиной было расположение огней, некоторые коллимированный, моделирующий созвездия по которому штурман определил положение самолета. Движение купола имитировало изменение положения звезд с течением времени и движение самолета вокруг Земли. Штурман также принимал моделируемые радиосигналы с различных позиций на земле. Под кабиной были перемещены «пластины местности» - большие подвижные аэрофотоснимки земли внизу - которые создавали у экипажа впечатление полета и позволяли бомбардировщику практиковаться в выстреле бомбовых целей. Группа операторов сидела за пультом управления на земле под машиной, из которого они могли моделировать Погода такие условия, как ветер или облако. Эта группа также отслеживала положение самолета, перемещая «краба» (маркер) на бумажной карте.

Link Celestial Navigation Trainer был разработан в ответ на запрос, сделанный королевские воздушные силы (RAF) в 1939 году. Королевские ВВС заказали 60 таких машин, и первая была построена в 1941 году. Королевские ВВС использовали лишь несколько из них, а остальные сдавали в аренду США, где в конечном итоге использовались сотни.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Мехаффи, Джо. "Насколько точен ОТОБРАЖЕНИЕ ВРЕМЕНИ на моем GPS?". gpsinformation.net. В архиве из оригинала 4 августа 2017 г.. Получено 9 мая 2018.
  2. ^ ВВС США Брошюра (AFPAM) 11-216, главы 8–13
  3. ^ Кадеты ВМФ не откажутся от секстантов В архиве 2009-02-13 в Wayback Machine, Нью-Йорк Таймс ДЭВИД У. ЧЕН Опубликовано: 29 мая 1998 г.
  4. ^ Снова увидеть звезды: военно-морская академия восстанавливает астрономическую навигацию В архиве 2015-10-23 на Wayback Machine, Capital Gazette Автор: Тим Пруденте. Опубликовано: 12 октября 2015 г.
  5. ^ Петерсон, Андреа (17 февраля 2016 г.). «Почему студенты Военно-морской академии впервые за десятилетие учатся ходить по звездам». Вашингтон Пост. В архиве из оригинала от 22 февраля 2016 г.
  6. ^ – Астрономия 2 Небесная навигация Филип Сэдлер В архиве 2015-11-22 в Wayback Machine
  7. ^ Кларк, Пилита (17 апреля 2015 г.). «Будущее полетов». Financial Times. В архиве из оригинала 14 июня 2015 г.. Получено 19 апреля 2015.
  8. ^ Наркомат, Тушна (4 июня 2014 г.). «Пульсары указывают путь для космических миссий». Мир физики. В архиве из оригинала 18 октября 2017 г.
  9. ^ "Межпланетная GPS с использованием сигналов пульсара". Обзор технологий MIT. 23 мая 2013 г.
  10. ^ Беккер, Вернер; Бернхардт, Майк Дж .; Джесснер, Аксель (21 мая 2013 г.). «Автономная навигация космических аппаратов с пульсарами». arXiv:1305.4842. Дои:10.2420 / AF07.2013.11. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  11. ^ Кребс, Гюнтер. «XPNAV 1». Страница космоса Гюнтера. В архиве из оригинала на 2016-11-01. Получено 2016-11-01.
  12. ^ «Китайская компания Long March 11 запускает на орбиту первый навигационный спутник Pulsar». Spaceflight101.com. 10 ноября 2016. В архиве с оригинала от 24 августа 2017 года.
  13. ^ "NICER проявлен во время полета по снабжению МКС SpaceX-11". Новости NICER. НАСА. 1 декабря 2015 года. В архиве с оригинала 24 марта 2017 г.. Получено 14 июня, 2017. Ранее запланированный на декабрь 2016 года запуск на SpaceX-12, NICER теперь полетит на Международную космическую станцию ​​с двумя другими полезными грузами на SpaceX Commercial Resupply Services (CRS) -11 в негерметичном багажнике корабля Dragon.
  14. ^ "Вторая Мировая Война". Краткая история моделирования полета самолета. Архивировано из оригинал 9 декабря 2004 г.. Получено 27 января, 2005.
  15. ^ "Капрал Томисита" Томми "Тренер Флемминга-Келли-USM.C. - Небесная навигация - 1943/45". Воспоминания о Второй мировой войне. Архивировано из оригинал на 2005-01-19. Получено 27 января, 2005.

внешние ссылки

СМИ, связанные с Небесная навигация в Wikimedia Commons