Астрономическая навигация

Астрономическая навигация (лат. navigo — плыть по морю) — позволяет ориентироваться на местности. Реализуется на основе сведений о положениях светил на небе. Ночью широту можно узнать, измерив высоту Полярной звезды над горизонтом. Долготу определяют по времени восхода, кульминации или захода небесных тел. Днём широту вычисляют по высоте Солнца над горизонтом в момент его наивысшего положения.

Использование секстанта для определения возвышения солнца над горизонтом

Определение координат по одновременно наблюдаемым Солнцу и Луне: синий — круг равных высот Луны, красный — Солнца

История

В 1530 году астроном Гемма Фризус написал такой труд «Принципы астрономической космографии». В нём он предложил метод, как определить долготу, используя хронометр. В те времена часы далеко не всегда могли идти без остановки на протяжении суток, а их колебания превышали 12-15 минут за сутки. В итоге вплоть до 17-го века песочные часы оставались единственным средством, с помощью которого можно было измерить время в море. Они представляли собой пару сосудов из стекла, которые соединены тонким отверстием. Ёмкости наполнены песком, запаены. За час песок целиком пересыпался из одной ёмкости в другую. Потом часы переворачивали. Если изменить количество песка, то можно менять тот промежуток времени, за который песок пересыпается из сосуда в сосуд. Такие часы с использованием песка рассчитаны на час, полчаса и полминуты.

На судах песочные часы на 1 час применяли для того, чтобы измерить время суток. Часы на 30 минут применяли для того, чтобы замерять промежутки для записей сведений в бортовой журнал. А песочные часы на 30 секунд служили для того, чтобы измерять скорости судна лаглинем. Некий капитан Джон Смит на собственном судне установил традицию звонить в судовой колокол. Это нужно для того, чтобы члены команды знали, когда начинается их вахта и когда она подошла к концу. Один удар колокола означал 30 минутам, два удара — один час и так далее. Максимальные — восемь ударов, которые означали четыре часа. Очень быстро данный метод оповещения стал общепринятым. Его соблюдали в разных странах на всех кораблях. Потом появились и механические часы. Все морские суда стали оснащаться ими. Прибор считался очень важным для навигации. Его даже запрещали забирать для корректировки с корабля. Человек, отвечающий за навигацию, брал на берег небольшие переносные часы. Он выставлял на них точное местное время. И только после этого по показаниям данных часов вносили коррективы в часы корабельные.

Методы навигации

Астрономические методы навигации предполагают определение текущего местоположения путём соотнесения положений хорошо изученных небесных объектов с конкретной системой координат. Реализация этого подхода требует применения специализированного оборудования — астрономических приборов, использующих оптику и оптическую электронику.

Такие инструменты обладают способностью к самостоятельному измерению, ограниченному лишь видимостью звёзд (на уровне земной поверхности), а также демонстрируют высокую точность определения географических координат, которая не зависит от продолжительности измерений, расстояния до объекта, его высоты или скорости перемещения. Ключевая цель навигации состоит в обеспечении следования объекта по заранее установленной траектории в запланированное время, поэтому контроль за течением времени является неотъемлемой частью процесса навигационного определения.

Небесная сфера

Расположение небесных тел описывается схожим образом, как и положение точек на земле — посредством долготы и широты. Для удобства используется концепция небесной сферы, имеющей центр в центре нашей планеты, на которую проецируются изображения всех светил. Предполагается, что все объекты во Вселенной находятся на этой гипотетической сфере, вращающейся вместе с Землей. Небесный экватор представляет собой проекцию земного экватора на эту сферу, подобно тому, как образуются Северный и Южный полюса небесной сферы — как проекции соответствующих полюсов Земли.

Аналогично земной широте, на небесной сфере существует склонение, которое может быть положительным (северным) или отрицательным (южным) относительно небесного экватора. Небесную долготу определяют разными способами, используя такие показатели, как звездный часовой угол, гринвичский часовой угол или местный часовой угол объекта.

Небесные часовые углы

Небесный меридиан, пересекающий точку весеннего равноденствия — известную также как первая точка зодиакального знака Овен, — принят за нулевой и служит отправной точкой для измерений. Звёздные часовые углы объектов отсчитываются против часовой стрелки от этого нулевого меридиана, охватывая диапазон от 0 до 360 градусов. Так как небесная сфера совершает равномерное вращение вокруг Земли с востока на запад, любая навигационная задача требует сопоставления часового угла видимого объекта с нулевым, то есть гринвичским, меридианом на Земле. Угол между гринвичским меридианом и объектом называется гринвичским часовым углом, который также измеряется против часовой стрелки от 0 до 360 градусов.

Местный часовой угол представляет собой угол между небесным меридианом наблюдателя и положением объекта; он всегда измеряется в градусах к западу от меридиана наблюдателя. Для определения местного часового угла необходимо вычесть гринвичский угол наблюдателя из гринвичского часового угла объекта. Если результат оказывается отрицательным, то нужно абсолютную величину этого результата вычесть из 360 градусов. Следует учитывать, что долгота на Земле измеряется также к востоку от гринвичского меридиана до 180 градусов.

Приборы

Координаты местности объекта устанавливаются путём измерения углов возвышения двух небесных тел над горизонтом. Расчёт этих координат может производиться вручную оператором либо автоматически с помощью специализированных астронавигационных систем. Измерение высоты небесного тела выполняется с помощью секстана. Авиационные секстанты оборудованы искусственным горизонтом, реализованным посредством жидкостного уровня или гироскопа. После получения значения высоты объекта по шкале секстана вносятся корректировки для учёта погрешностей инструмента и влияния параллакса — преломления света в атмосфере. Современные авиационные секстанты обеспечивают автоматическую запись результатов измерений и их усреднение при быстром повторном измерении. Секстанты космического назначения значительно превосходят морские и авиационные по точности измерений, достигая разницы в несколько порядков величин.

Линии положения

Навигатор, визируя небесное тело, определяет линию, потенциально содержащую его местоположение. Для определения своих координат требуется визирование второго небесного тела и установление второй линии, определяющей местоположение. Точка пересечения этих линий и отображает приблизительное местоположение навигатора. Однако эти измерения не предоставляют абсолютно точных координат, так как включают субъективную оценку координат самого навигатора.

Определив местный часовой угол визированного небесного тела и учитывая его склонение и часовой угол, навигатор использует специальные таблицы для расчёта теоретической высоты этого тела, предполагая своё местоположение верным. Разница между расчётной и фактической высотами, полученными с помощью секстана, указывает на расстояние и направление отклонения реального местоположения от предполагаемого. Эта разница в угловой мере (одна минутная дуга) соответствует одной морской миле смещения.

Способы определения координат

Спутниковое определение местоположения подразумевает вычисление координат объектов или изменений в координатах между ними, основываясь на данных, собранных со спутников глобальных навигационных систем. Этот процесс включает сбор измерительных данных со спутников с помощью специализированного оборудования и последующую обработку этих данных.

Первичная обработка включает приём и предварительную обработку сигналов спутников. Постобработка включает математический анализ результатов наблюдений по установленному алгоритму для вычисления координат или разностей в координатах. Существуют различные подходы к спутниковым измерениям, классифицируемые как абсолютные и относительные, а также применяемые в разных режимах измерений.

Абсолютные методы

Автономный метод определений — метод пространственной линейной засечки. Основан на измерениях кодов сигналов ГНСС и вычислении псевдодальностей до спутников (обычно в навигационном режиме). Он позволяет получать координаты в реальном времени, используя данные о положении спутников и времени. Средняя точность такого метода составляет 5-10 метров.

Метод определения поправок предполагает использование поправок к данным об эфемеридах, времени, а также компенсацию атмосферных искажений сигналов ГНСС и ошибок в измерениях. Это достигается благодаря использованию систем дифференциальной коррекции, таких как СДКМ, WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN. Точность определения координат таким образом повышается до 0,5—2 метров.

Precise Point Positioning (PPP) — метод абсолютного определения местоположения, использующий спутниковые корректирующие данные, включая поправки к орбитам спутников, времени их внутренних часов и атмосферные параметры в определённой области. Благодаря этому методу возможно достичь высокой точности определения координат, варьирующейся от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров на момент проведения измерений. PPP применяется в различных режимах: статический, кинематический в реальном времени и с последующей постобраработкой данных.

Относительные методы

Выделяют 4 вида относительных метода:

1. DGPS/DGNSS: Основан на вычислении псевдодальностей по измерениям кодов сигналов ГНСС с использованием региональных дифференциальных систем. Обеспечивает точность около 0,5 метров.
2. RTK (Real-Time Kinematic): Использует вычисление псевдодальностей по фазе несущих сигналов в реальном времени с локальными дифференциальными геодезическими станциями. Достигает точности 1—5 см.
3. Разностные измерения кода: Постпроцессинг данных одновременных сеансов измерений кода сигналов ГНСС обеспечивает точность до 0,2-0,5 метров.
4. Разностные измерения фазы: Постпроцессинг данных одновременных сеансов измерений фазы несущих сигналов ГНСС позволяет достичь точности до 0,1 мм.

Режимы измерений

Выделяют следующие режимы измерений:

1. Navigation mode (навигационный режим) — автономный режим спутниковых определений.
2. Differential mode (DGPS, DGNSS) — дифференциальный режим спутниковых определений c использованием кодовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной станции в реальном времени.
3. Static (статический режим) — режим спутниковых определений с использованием неподвижной спутниковой геодезической аппаратуры.
4. Kinematic mode (кинематический режим) — режим спутниковых определений с использованием подвижной спутниковой геодезической аппаратуры.
5. Real Time Kinematic (RTK) — режим спутниковых определений c использованием фазовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной геодезической станции в реальном времени.
6. Network RTK — режим спутниковых определений c использованием интегрированной спутниковой корректирующей информации сети дифференциальных геодезических станций в реальном времени.
7. Postprocessing mode (режим с постобработкой) — режим спутниковых определений с вычислением координат или приращений координат в процессе последующей обработки.
8. FastStatic (быстрый статический режим) — режим спутниковых определений аналогичный статическому и с постобработкой, но с использованием двухчастотной спутниковой геодезической аппаратуры на ограниченном расстоянии между точками спутниковых наблюдений.
9. Reoccupation (Реоккупация) — режим спутниковых определений с повторными статическими спутниковыми наблюдениями на точках в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.
10. Stop&Go («Стой и иди») — режим спутниковых определений с статическими спутниковыми наблюдениями на точках в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.
11. Continuous kinematic («Непрерывная кинематика») — режим спутниковых определений нескольких точек (траектории движения) в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры.