Навигация

Навига́ция — область знаний и практики, сосредоточенная на процессах наблюдения и управления движением транспортного средства или объекта из одного места в другое[1][2]. В навигацию традиционно включают четыре основных направления: наземная навигация[3], морская навигация, аэронавигация и космическая навигация[1]. Термин также обозначает совокупность специальных знаний, применяемых навигаторами для решения задач навигации[4]. Все навигационные методы связаны с определением положения навигатора относительно известных точек или ориентиров в пространстве. В более широком смысле навигация охватывает любые умения и дисциплины, связанные с определением положения и направления движения[1]. В таком значении навигация включает ориентирование и пешеходную навигацию[1]

В морской навигации основная задача — безопасное перемещение судов, лодок и иных плавсредств по поверхности или под водой с использованием навигационного оборудования, соответствующих морских карт (электронных либо бумажных).[4] Требуемый набор оборудования согласно Конвенции СОЛАС зависит от размеров судна[5]. Для наземной навигации речь идёт о передвижении людей, животных и техники с помощью карт, навигационных приборов (например, компаса или ГНСС-приёмников) и видимых ориентиров[6][7]. Аэронавигация включает пилотирование воздушных судов по заданному маршруту с постоянным контролем положения[8].

Этимология

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].

История

undefined

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].

undefined

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].

undefined

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].

Базовые понятия

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

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

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

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

Методы навигации

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:
Cruising sailor navigating.jpg 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.
SplitPointLighthouse.jpg Пилотаж — навигация в ограниченных/прибрежных водах с частыми уточнениями положения по ориентирам[44]. При движении возле суши.
Orienteering map.jpg Наземная навигация — преодоление маршрутов по местности пешком или на транспорте с использованием карты, компаса, визуальных ориентиров. Используется всегда.
Moon-Mdf-2005.jpg 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:
Decca Navigator Mk 12.jpg Радионавигация использует радиоволны — по пеленгам или временным задержкам (Decca, Omega, LORAN-C). Cовременное распространение уменьшилось из-за ГНСС.
Radar screen.JPG Радарная навигация — определение расстояния или пеленга до известных объектов с помощью радара. Обычно вблизи берега.
GPS Satellite NASA art-iif.jpg Спутниковая навигация (ГНСС) — глобальные системы координат по спутникам. Во всех ситуациях.

Как правило, навигатор комбинирует эти методы.[44]

Ментальные контрольные проверки

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

Пилотаж

undefined

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].

Астрономическая навигация

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].

Морской хронометр

undefined

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].

Морской секстант

undefined

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].

Баббл-октанты

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

Инерциальная навигация

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].

Гравитационная навигация

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

Космическая навигация

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

Электронная навигация

undefined

Радарная навигация

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].

Радионавигация

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.

Спутниковая навигация

[[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].

Акустическая навигация

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].

Навигационные процессы

Планирование перехода

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].

Интегрированные навигационные мостики

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

Традиционная навигация на судах

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/пешеходная навигация

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.

Подводная навигация

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

Искусственный интеллект

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

Стандарты, обучение и организации

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].

Публикации

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 и пространственное восприятие

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].

См. также

Примечания

  1. 1 2 3 4 Rell Pros-Wellenhof, Bernhard. Navigation: Principles of Positioning and Guidances. — Springer, 2007. — P. 5–6. — ISBN 978-3-211-00828-7.
  2. Bowditch, 2003:799.
  3. The Handbook Of The SAS And Elite Forces. How The Professionals Fight And Win. Edited by Jon E. Lewis. с. 363 — тактика, личные навыки и техники. Robinson Publishing Ltd 1997. ISBN 1-85487-675-9
  4. 1 2 Safe Nav Watch. — Witherby Publishing Group, 2023. — P. iii. — ISBN 978-1-914993-46-6.
  5. Safe Nav Watch. — Witherby Publishing Group, 2023. — P. 4. — ISBN 978-1-914993-46-6.
  6. Abbott, E.; Powell, D. (31 января 1999). “Land-vehicle navigation using GPS”. Proceedings of the IEEE. 87: 145—162. DOI:10.1109/5.736347.
  7. Hawkins, Pete. Navigation. — Cicerone Press Limited, 13 мая 2024. — ISBN 978-1-78362-788-2.
  8. Navigation. Federal Aviation Administration. Дата обращения: 24 февраля 2025.
  9. Etymonline - Online Etymology Dictionary (англ.). www.etymonline.com. Дата обращения: 24 февраля 2025.
  10. The history and mystery of Polynesian navigation (англ.). Phys.org (25 марта 2019). Дата обращения: 18 апреля 2025.
  11. Martins, Kim Polynesian Navigation & Settlement of the Pacific (англ.). World History Encyclopedia (7 августа 2020). Дата обращения: 18 апреля 2025.
  12. Li Shu-hua, с. 176
  13. Kreutz, с. 367
  14. Needham, Joseph, 1986, Science and civilisation in China, Vol. 4, Pt.1, с. 252
  15. Li Shu-hua, с. 182f.
  16. Schmidl, Petra G. (2014), Compass, in Ibrahim Kalin, The Oxford Encyclopedia..., Oxford University Press, pp. 144–146, ISBN 978-0-19-981257-8. 
  17. The Ty Pros Companion to Ships and the Sea, 1976.
  18. Comandante Estácio dos Reis. Astrolábios Náuticos. — INAPA, 2002. — ISBN 978-972-797-037-7.
  19. Archived copy. Дата обращения: 2 апреля 2013. Архивировано 22 ноября 2012 года.
  20. Swanick, Lois Ann. An Analysis Of Navigational Instruments In The Age Of Exploration…, 2005
  21. 1 2 Williams, 1992:37
  22. Williams, 1992:28
  23. Andrews, John Harwood. Maps in Those Days. — Four Courts press, 2009. — ISBN 978-1-84682-188-2.
  24. Williams, 1992:30
  25. Williams, 1992:96-97
  26. Williams, 1992:41
  27. Evolution of surveying and surveying technology (англ.). Intergovernmental Committee on Surveying and Mapping. Дата обращения: 18 апреля 2025.
  28. Tyrrell, Rachel Surveying the past – the origins of surveying (англ.). The Survey Association (16 августа 2023). Дата обращения: 18 апреля 2025.
  29. Williams, 1992:81
  30. 1 2 Williams, 1992:98
  31. Williams, 1992:110-114
  32. Williams, 1992:132-135
  33. Williams, 1992:198
  34. Release date history (англ.). GPS Training (19 июля 2024). Дата обращения: 18 апреля 2025.
  35. Yohannes, Samraweet Smartphones may be our greatest tool for outdoor and indoor navigation (англ.). CBC (24 февраля 2023). Дата обращения: 18 апреля 2025.
  36. Smith, Philip M. Terrestrial Navigation. — Routledge, 16 октября 2017. — P. 1. — ISBN 978-1-317-20046-8.
  37. navigation (англ.). Cambridge Dictionary (19 февраля 2025). Дата обращения: 24 февраля 2025.
  38. Smith, Philip M. Terrestrial Navigation. — Routledge, 16 октября 2017. — P. 24. — ISBN 978-1-317-20046-8.
  39. 1 2 3 Bowditch, 2003:4.
  40. Norie, J.W. New and Complete Epitome of Practical Navigation. — London, 1828. — P. 222.
  41. Britten, Frederick James. Former Clock & Watchmakers and Their Work. — New York : Spon & Chamberlain, 1894. — P. 230.
  42. Maloney, 2003:615.
  43. Maloney, 2003:614
  44. 1 2 3 4 5 6 Bowditch, 2002:1.
  45. The Handbook of the SAS and Elite Forces (см. выше), с. 370.
  46. 1 2 3 Bowditch, 2002:105.
  47. Celestial Navigation (англ.). Time and Navigation. Дата обращения: 24 февраля 2025.
  48. Cunliffe, Tom. Celestial Navigation. — Wiley Nautical, 28 сентября 2010. — ISBN 978-0-470-66633-3.
  49. Karl, John. Celestial navigation in the GPS age. — Paradiese Cay Publ, 2007. — ISBN 978-0-939837-75-5.
  50. Escobar, Lieutenant Juan J.; Navy, Chilean Bring Celestial Navigation into the 21st Century (англ.). U.S. Naval Institute (1 декабря 2021). Дата обращения: 24 февраля 2025.
  51. Bowditch, 2002:269.
  52. 1 2 House, D.J. Seamanship Techniques. — Routledge, 12 ноября 2013. — P. 350-252. — ISBN 978-1-135-08015-0.
  53. United States. Navy Department. Air Navigation: Flying Training. — Air Training Command, 1983. — P. 16-1.
  54. Jekeli, Christopher. Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications. — Walter de Gruyter, 25 октября 2012. — P. 113. — ISBN 978-3-11-080023-4.
  55. Jekeli, Christopher. Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications. — Walter de Gruyter, 25 октября 2012. — P. 296. — ISBN 978-3-11-080023-4.
  56. Li, Wenchao; Gilliam, Christopher; Wang, Xuezhi; Kealy, Allison; Greentree, Andrew D.; Moran, Bill (2024). “Gravity-aided navigation using Viterbi map matching algorithm”. Royal Institute of Navigation Journal of Navigation. Cambridge University Press (CUP). 77 (3): 307—321. DOI:10.1017/s0373463324000250. ISSN 0373-4633.
  57. Chapter 13: Navigation. NASA Science (20 июля 2023). Дата обращения: 24 февраля 2025.
  58. Safe Nav Watch. — Witherby Publishing Group, 2023. — P. 37. — ISBN 978-1-914993-46-6.
  59. Anwar, Nadeem. Navigation Advanced for Mates and Masters. — 2nd. — Edinburgh : Witherby Publishing Group, 2015. — P. 133–139. — ISBN 978-1-85609-627-0.
  60. Victor, Alain. Parallel Index Techniques in Restricted Waters. — 2nd. — Edinburgh : Witherby Publishing Group, 2020. — ISBN 9781856099165.
  61. Safe Nav Watch. — Witherby Publishing Group, 2023. — P. 34-36. — ISBN 978-1-914993-46-6.
  62. Christ, Robert D. Practical Applications // The ROV Manual / Robert D. Christ, Robert L. Wernli. — Elsevier, 2014. — P. 561–599. — ISBN 978-0-08-098288-5. — doi:10.1016/b978-0-08-098288-5.00021-x.
  63. Regulation 34 – Safe Navigation. IMO RESOLUTION A.893(21). Дата обращения: 26 марта 2025. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  64. 1 2 3 ANNEX 24 – MCA Guidance Notes for Voyage Planning. IMO RESOLUTION A.893(21). Дата обращения: 26 марта 2025. Архивировано 27 сентября 2007 года.
  65. Turpin and McEwen, 1980:6-18.
  66. Homeier, Lieutenant Matthew G.; Navy, U.S. Navigate by the Stars—From Beneath the Waves (англ.). U.S. Naval Institute (1 октября 2021). Дата обращения: 24 февраля 2025.
  67. Duffany, Jeffrey L. (2010). “Artificial intelligence in GPS navigation systems”. 2010 2nd International Conference on Software Technology and Engineering. IEEE. DOI:10.1109/icste.2010.5608862.
  68. Jindal, R. Artificial Intelligence: Application and Real-Time Use / R. Jindal, S.K. Mittal. — Codex International Publishers, 2023. — P. 45. — ISBN 978-93-94799-24-0.
  69. Standards of Training and Certification of Watchkeeping' (STCW) Convention. — International Maritime Organization, 2010.
  70. The Institute of Navigation (англ.). Дата обращения: 6 февраля 2020.
  71. The Admiralty Manual of Navigation (англ.). The Nautical Institute. Дата обращения: 6 февраля 2020.
  72. Navigation Publications. Witherby Publishing Group. Дата обращения: 6 февраля 2020. Архивировано 6 февраля 2020 года.
  73. “Focus on spatial cognition”. Nature Neuroscience [англ.]. 20 (11): 1431. ноябрь 2017. DOI:10.1038/nn.4666. PMID 29073640. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  74. Wolbers, Thomas; Hegarty, Mary (март 2010). “What determines our navigational abilities?”. Trends in Cognitive Sciences. 14 (3): 138—146. DOI:10.1016/j.tics.2010.01.001. PMID 20138795. Проверьте дату в |date= (справка на английском)
  75. Montello, Daniel R. Navigation. — 1. — Cambridge University Press, 18 июля 2005. — P. 257–294. — ISBN 978-0-511-61044-8. — doi:10.1017/cbo9780511610448.008.
  76. GOLLEDGE, Reginald G. (декабрь 2000). “Cognitive Maps, Spatial Abilities, and Human Wayfinding”. Geographical Review of Japan. 73: 93—104. Проверьте дату в |date= (справка на английском)

Литература

Категории