Навигация

Слово «навигация» восходит к латинскому navigationem (им. п. navigatio), от navigare — «плавать, ходить по морю» (буквально: вести корабль), корни — navis (корабль) и agere (вести, двигать)^[9].

Самая ранняя форма навигации в открытом океане — полинезийская навигация; основывалась на наблюдениях и памяти, отражённых в инструментах, подобных картам океанских волн. Древние полинезийцы ориентировались по звёздам, погоде, животным, размерам волн для переходов между островами^[10][11]. Одним из первых точных навигационных инструментов был компас, изобретённый в Китае в эпоху Хань (206 г. до н. э.)^[12]. В морской навигации компас стал применяться при династии Сун (XI век)^[13][14][15]. Первое отражённое использование компаса в Западной Европе и исламском мире — около 1190 года^[16].

На Средиземноморье в Средние века использовали астролябии для определения координат. Наземные астролябии возникли в эллинистическую эпоху, но первая морская астролябия известна по описанию Раймунда Луллия в 1295 году^[17]. Португальцы усовершенствовали морскую астролябию во время эпохи великих географических открытий^[18][19]. Первое подробное описание использования морской астролябии дал Мартин Кортес де Альбакар в «Искусстве навигации» (1551 год)^[20]. На море было популярно определение высоты светила при помощи квадранта; первый такой способ зафиксирован в 1461 году у Диогу Гомеша.

С XIV века используются также посох Якоба, возникший, вероятно, у арабских мореходов^[21], однако он был неудобен и неточен до изобретения обратного квадранта Джоном Дэвисом в 1595^[21].

Массовое распространение морской навигации с помощью астролябии, квадранта и компаса начинается с XV века — с открытия португальцами побережья Африки с 1418 года. Диаш достиг Индийского океана (1488), Колумб пересёк Атлантику (1492), да Гама обогнул Африку до Индии (1498). Путешествие Магеллана — Элькано завершило первое кругосветное плавание в 1522.

Для навигации парусных судов требовались морские карты; одна из старейших, Пизанская карта, датируется 1275 годом^[22]. На суше развитие картографии способствовало более точной навигации армий и торговцев^[23]. В море курс корабля рассчитывали по бумажным картам, дедвейдингу, а для снижения износа дорогих чертёжных материалов — с помощью специальных плат и таблиц^[24]. Квадрант развили такие учёные, как Роберт Гук, Исаак Ньютон, Джон Хэдли, что привело к изобретению октанта^[25].

Развитие математики — расчёт меридиональных частей, сферическая тригонометрия, логарифмы — позволило значительно повысить точность навигации с XVIII века^[26]. Наземные измерения, новые устройства и методы дали толчок геодезии и триангуляции, что улучшило карты и инфраструктуру^[27][28]. Изобретение морского хронометра (Джон Гаррисон и др.) обеспечило определение долготы^[29]. В 1757 был создан первый секстант; методы вычисления с его помощью развивались до конца XIX века^[30][31]. Значимыми были и улучшения в компасе (Мэтью Флиндерс, лорд Кельвин и др.)^[32].

Секстант, хронометр, компас и астрономические вычисления являлись основными инструментами навигации вплоть до XX века, когда появились радионавигация и гирокомпас^[30]. В конце XX века электронные вычисления и спутниковая навигация изменили навигационную практику^[33]. На суше развитие ГНСС и, впоследствии, смартфонов с компасом и ГНСС-приёмниками сделали навигацию доступной повсеместно^[34][35].

В наземной навигации местоположение объекта (человека, судна, самолёта и др.) определяется относительно заданной точки или координат. Координаты можно задать широтой и долготой либо как расстояние и направление (азимут) от известной точки^[36]. Линии положения определяются различными способами и приборами. Отслеживание положения позволяет научно обоснованно перемещать объект из одной точки в другую^[37]. Для этого часто используют карты или морские карты, а маршрут рассчитывают/следуют по нему в зависимости от используемой проекции или метода (локсодромия, ортодромия и др.)^[38].

Широта — это угол между экваториальной плоскостью и направлением на объект (точку) на поверхности Земли^[39]. Измеряется в градусах, от 0° на экваторе до 90° на полюсах. Северный полюс — 90° с. ш., Южный полюс — 90° ю.ш^[39]. В Северном полушарии широту определяют по высоте Полярной звезды над горизонтом с помощью секстанта, делая поправки по таблицам.

Долгота — угол между плоскостью главного (гринвичского) меридиана и плоскостью меридиана данной точки^[39]. Измеряется в градусах от 0° до 180° восточной либо западной долготы. Для точного определения долготы необходима точная фиксация времени астрономического измерения, либо использование методов (например, лунные дистанции)^[40]. Массово доступные морские хронометры появились лишь к XIX веку^[41].

Локсодромия (или румб-линия) — линия на глобусе, пересекающая все меридианы под одним и тем же углом, то есть линия движения с постоянным азимутом.

Для большинства современных методов навигации положения определяются электронными способами, обычно — с помощью ГНСС. Классические методы основаны на построении и пересечении линий положения (ЛП)^[42].

Линия положения — линия, на которой может находиться наблюдатель, определённая по направлению (азимуту) на ориентир или измеренным расстояниям^[43]. Пересечение двух и более ЛП даёт определённую позицию (фикс). Если доступна только одна ЛП, её сравнивают с расчётной (по пути) позицией для уточнения местоположения.

Источниками ЛП могут быть:

• астрономические наблюдения (короткая дуга круга одинаковой высоты),
• визирная линия на два ориентира,
• пеленг по компасу,
• дальность по радару,
• глубиномер (эхолот, ручная лоция).

Постоянное развитие методов приводило к расширению возможностей навигации^[44]. Классические виды представлены в таблице.

Иллюстрация	Описание	Применение
Традиционные методы навигации:
	В морской навигации — дедвейдинг, когда новая позиция определяется из предыдущей по курсу и скорости. Корректируя положение на ветер, течение и ошибки, получают уточнённую позицию (EP). Усовершенствованный вариант — инерциальная навигация[44].	Используется всегда.
	Пилотаж — навигация в ограниченных/прибрежных водах с частыми уточнениями положения по ориентирам[44].	При движении возле суши.
	Наземная навигация — преодоление маршрутов по местности пешком или на транспорте с использованием карты, компаса, визуальных ориентиров.	Используется всегда.
	Астрономическая навигация — определение координат по светилам с помощью тригонометрии, специальных таблиц и альманахов. Применяется на море и суше.	В основном резервная система в навигации по открытым водам[44]
Электронная навигация — любые методы позиционирования с использованием электроники:
	Радионавигация использует радиоволны — по пеленгам или временным задержкам (Decca, Omega, LORAN-C).	Cовременное распространение уменьшилось из-за ГНСС.
	Радарная навигация — определение расстояния или пеленга до известных объектов с помощью радара.	Обычно вблизи берега.
	Спутниковая навигация (ГНСС) — глобальные системы координат по спутникам.	Во всех ситуациях.

Как правило, навигатор комбинирует эти методы.^[44]

Навигатор или пилот мысленно оценивает маршруты, расстояния и высоты, чтобы избегать серьёзных ошибок при навигации.^[45]

Пилотаж — визуальная навигация по объектам местности (для воздушных и морских судов — в ограниченных и прибрежных водах), требует максимально точных определений местоположения и внимательной подготовки^[46]. Для военного экипажа характерна разделённая навигация с распределением обязанностей, а для гражданских — самостоятельная работа с поддержкой электроники или с использованием ECDIS (электронной навигационной карты)^[46]. При провале электронных систем используется классический ручной метод^[46].

Астрономические системы навигации основываются на определении положения Солнца, Луны, планет и ярких звёзд с помощью секстанта или аналогичного прибора^[47]. Используя навигационный альманах, знание точного времени (хронометр) и измеряя угол светила над горизонтом, навигатор получает дугу положения^[48]. Пересечение двух и более дуг определяет позицию (фикс). С появлением ГНСС астрономическая навигация преимущественно используется как резервная^[49][50].

Точный счёт времени для астрономических навигационных измерений обеспечивают морские хронометры. Точность замера времени влияет на точность определения долготы. Современные хронометры — на кварцевых осцилляторах, поддерживаются внешними радиосигналами времени, что полностью исключает ошибки пружинных механизмов^[51].

Секстант — основной инструмент измерения угла между светилом и горизонтом. Он состоит из жёсткой рамы с лимбом, индекса с зеркалом и оптики^[52]. Пользователь наводит отражённое светило на горизонт и считывает угол. Перед каждым измерением требуется проверка и юстировка секстанта^[52].

До распространения спутниковых и инерциальных систем в авиации использовались специальные баббл-октанты для определения высоты светил^[53].

Инерциальная навигационная система (ИНС) — система дедвейдинга, вычисляющая позицию по данным собственных акселерометров и гироскопов^[54]. Достоинство — независимость от внешних сигналов; недостаток — постепенное накопление ошибки. Применяют на подводных лодках, ракетах, когда другие системы позиционирования недоступны^[55].

Основана на сравнении измеряемого гравитационного поля платформы с гравитационными картами местности^[56].

Навигация космических аппаратов традиционно базируется на инерциальных системах, введённых векторных наблюдениях (по звёздам, пульсарам и пр.)^[57].

Радар широко используется для навигации на море, особенно вблизи суши. Он позволяет оперативно получать расстояния и пеленги до видимых объектов и строить радиолокационные линии положения^[58][59]. С помощью наложения изображения радара на ECDIS система обеспечивает точное позиционирование^[60].

Радиопеленгатор (РПД) определяет направление на радиостанцию-ориентир. Использование радионавигационных систем (Decca, Omega, LORAN-C, ЧАЙКА и др.) позволяло определять координаты за счёт времени или разности фаз приёма сигналов. В 1990-х использование большинства подобных систем было прекращено из-за повсеместного внедрения более точных ГНСС.

[[Файл:Furuno Electric GPS Navigator GP-80 at Greenpeace's Rainbow Warrior II 20110108.jpg|мини|right|Корабельный приёмник GNSS (Furuno, GPS)] Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) — электронная система позиционирования по сигналам спутников. Самой распространённой системой является американская GPS (NAVSTAR). Существуют также ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и региональные ГНСС. Современные гражданские смартфоны оснащены соответствующими чипами^[61].

Метод акустической или звуковой навигации — определение позиции с помощью эхолотов, гидроакустики и других технологий (акустические системы позиционирования). Применяется в основном на подводных лодках, РОВ (ДКА) и у водолазов^[62].

Планирование перехода — разработка полного маршрута судна с учётом перехода, входа/выхода из порта, а также водных условий, рисков и законов^[63][64].

План перехода состоит из четырёх этапов: анализ, разработка, исполнение и мониторинг^[64]. Человеческий фактор по-прежнему является причиной большинства навигационных аварий^[64].

Современное развитие электронных навигационных комплексов базируется на концепции интегрированных мозговых систем, объединяющих данные всех датчиков и управляющих систем на борту судна^[44]

В традиционной морской навигации «дневная работа» включает постоянное ведение пробного пути (дедвейдинг), астрономические наблюдения утром и вечером, разовые определения положения (фикс), контроль ошибок компаса и др.^[65] В настоящее время большая часть процессов автоматизирована благодаря ГНСС и современным системам.

Наземная навигация (автомобили, пешие маршруты) базируется на использованных карт, визуальных ориентиров, а с развитием технологий — компьютерных навигаторов, решающих задачу кратчайшего пути. Ориентирование по местности входит в состав военно-полевой и спортивной подготовки.

На подводных объектах в навигации используются ГНСС (на поверхности), компасы, акустические системы, радар и специальные методы фиксации^[66].

Искусственный интеллект применяется для автоматизации планирования маршрутов, решения задач движения и принятия решений в навигационных системах (в транспорте, ГНСС и др.)^[67][68].

Профессиональные стандарты зависят от способа навигации и страны. Для морских офицеров действуют международные требования ПДНВ (STCW)^[69]. Военные, судоводители и любители проходят специализированную подготовку. Возможна неформальная подготовка через военно-патриотические и спортивные организации (ориентирование, скауты и др.).

Крупнейшими организациями являются Королевский институт навигации в Великобритании и Институт навигации США^[70].

Ведущие англоязычные и международные справочники: Bowditch’s American Practical Navigator, Admiralty Manual of Navigation (Великобритания), Navigation Publications (Witherbys). В большинстве стран действуют национальные коллективы по публикации карт и инструкций^[71][72].

Навигация — ключевая функция, обеспечивающая человеку и животным нахождение, отслеживание и прохождение маршрута к цели^[73]. В пространственном мышлении навигация предполагает построение когнитивных карт среды, координацию эгоцентрических и аллоцентрических систем отсчёта^[74].

Навигацию иногда делят на два пространства: локомоция (перемещение) и поиск пути (wayfinding)^[75]. Для эффективной навигации важны формирование и использование внутренних репрезентаций маршрутов, среды и целей^[76].