Космическая навигация

Косми́ческая навига́ция (лат. navigatio — плыть на корабле[1]) — управление движением космического аппарата[2]. Космическая навигация занимается либо навигацией космических аппаратов, либо навигацией наземных, воздушных, морских и космических объектов по наблюдениям космических аппаратов[1]. В более узком значении навигационная задача заключается в определении местоположения космического аппарата, прогнозировании его движения как материальной точки. Система космической навигации, выполняющая эти функции, в общем случае включает бортовые и наземные измерительные и вычислительные средства. В решении задач космической навигации возможно участие космонавта[3].

Истоки навигации

Китай

Первые обсервации — визуальные, поскольку отсутствовали какие-либо инструменты. Чтобы ходить по морям без карт, моряки вынуждены наблюдать светила, либо использовать каботажное плавание (вблизи берегов), либо плавать по одной координате. Одно из первых навигационных устройств, появившихся в Китае около 2600 лет до н. э., — установленный в экипаже барабан, измеряющий расстояние. Набор передач, соединявших барабан с колёсами, изменял показания примерно через каждые 0,5 км, а через пять км происходил удар гонга. Это практически прототип одометра (греч. hodos — путь, греч. metron — измерение). В Китае также были составлены первые карты побережий и рек около 2000 лет до н. э.[4].

Древняя Греция

Астрономы, математики, философы древней Греции много сделали в познании мира. Аристотель и Птолемей разработали геоцентрическую систему мира. Достоинством этой системы — формулы для расчёта положений планет «работали» адекватно. Птолемей также составил карту мира. Эратосфен определил размер Земли, измерив дугу меридиана. Эратосфен составил одну из первых карт Земли по наблюдениям Пифия, который измерял широту по длине тени гномона (солнечных часов). Герон из Александрии описал устройство одометра[1].

Инструменты навигации

Навигация в средние века, то есть примерно от 500 до 1350 года, и даже 1500 года характеризуется появлением первых навигационных инструментов. Между 700 и 900 годами создавались карты морских путей от Кореи до Восточной Африки. Компас изобретён независимо в Китае и Италии в XII—XIII веках. Китайский инструмент указывал направление на юг, итальянский отыскивал направление на север. Первый инструмент для измерения высоты светил создан Леонардо Пизано, или Леонардо Фибоначчи. Это квадрант с проградуированной дугой в 90 градусов. Астролябия происходит из древней Греции. В XV веке появились упрощённые разновидности астролябии. Скорость измерялась с помощью лага[1].

XV и XVI века являются столетиями кругосветных путешествий. Христофор Колумб открыл Америку в 1492 году. В этом же году немец Мартин Бехайм создал первый глобус. Америго Веспуччи исследовал восточное побережье Южной Америки, названное им Новым Светом. Польский астроном Николай Коперник разработал гелиоцентрическую систему мира, которую описал в изданной в 1543 году в книге «Об обращении небесных сфер». В 1519 году Магеллан отправился в своё кругосветное путешествие, имея при себе «морские карты, земной глобус, деревянный и металлический теодолиты, деревянный и деревянно-бронзовый квадранты, компасы, буссоли, песочные и обычные часы и лаг, волочащийся за кормой». С этими инструментами и величайшим личным искусством он смог оценивать скорость корабля, направление и широту, но не долготу. Прошло почти 250 лет, прежде чем моряки научились определять долготу на море[5].

Задача навигации

Геодезия и навигация решают задачи позиционирования, то есть определение положения точки в пространстве. В навигации эта информация используется для управления движением транспортного средства, включая выбор оптимального пути перемещения, определение местоположения, направления, скорости и других параметров движения. В геодезии позиционирование связано с процессом определения координат точки на момент измерений. В результате получают координаты отдельного пункта относительно других пунктов, образуя плановую или высотную геодезическую сеть[6].

Геодезия и навигация тесно связаны между собой. Геодезия традиционно требует более высокой точности, измерения производятся обычно статично и с постобработкой. Для навигации, как правило, требуется более низкий уровень точности, но в большинстве случаев нужна обработка в реальном времени. Эти различия постепенно исчезают. Появились навигационные приложения, требующие сантиметровой точности в реальном времени (например, управление механизмами и машинами). С другой стороны, методы навигации прочно вошли в геодезию. Самый яркий пример — использование радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС[6].

Элементы космической навигации

Космическая навигационная система включает в себя[7]:

  • средства выведения космических аппаратов;
  • навигационные космические аппараты, оснащённые специальным бортовым комплексом;
  • средства наземного командно-измерительного комплекса, включающие станции для измерения навигационных параметров космических аппаратов, вычислительный центр, средства службы единого времени, аппаратуру линий связи, станции передачи необходимой информации (эфемерид и управляющих команд) на навигационные спутники;
  • специальные средства на объектах, нуждающихся в навигационном определении, для приёма информации с космическими аппаратами, проведения измерений навигационных параметров и вычисления местоположения и скорости движения объекта.

Методы космической навигации

По принятой классификации различают три метода ведения навигации[1]:

  • обзорно-сравнительный метод;
  • метод счисления пути;
  • метод поверхностей и линий положения.

Обзорно-сравнительный метод основан на сравнении заранее подготовленных эталонных изображений местности или изображений ориентиров с текущим изображением. Изображения получают в процессе движения объекта.

Методы счисления пути основаны на измерении компонент вектора скорости или ускорения объекта в некоторой системе отсчёта с последующим интегрированием или двойным интегрированием по времени для вычисления изменений координат объекта по их известным начальным значениям: ; , где  — скорость движения объекта относительно Земли;  — время;  — ускорение движения;  — пройденный путь. Уравнение называют формулами счисления пути. Значения скорости или ускорения получают по показаниям спидометров, датчиков воздушной скорости, доплеровским измерениям и акселерометров. Для получения приращений координат необходимо добавить измерение направления движения[1].

Метод поверхностей и линий положения (позиционный метод) основан на измерении значений некоторых физических величин, определяющих линии или поверхности положения. Пересечение этих линий определяет местоположение объекта (астронавигация)[1].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Антонович К. М. Космическая навигация / отв. ред. Е. Г. Гиенко. — Новосибирск: СГУГиТ, 2015. — 233 с. — ISBN 978-5-87693-865-7.
  2. ↑ Навигация космическая (космическая навигация). Министерство обороны Российской Федерации. Дата обращения: 14 ноября 2025.
  3. ↑ Космическая навигация. Большая советская энциклопедия. Дата обращения: 14 ноября 2025. Архивировано 19 ноября 2025 года.
  4. ↑ Hofmann-Wellenhof B., Legat K., Wieser M. Navigation. Principles of Positioning and Guidance.. — New-York: Springer, 2013. — 427 с.
  5. ↑ Misra P. N., Enge P. Global Positioning System. Signals, Measurements and Performance. — USA: Ganga-Jamuna Press, 2001. — 390 с.
  6. ↑ 6,0 6,1 Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. — Новосибирск: Наука, 2006. — 360 с.
  7. ↑ Хухрянский М. Космические навигационные системы // ФГКОУ «Санкт-петербургский кадетский корпус МО РФ» : сайт. — 2015.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Космическая_навигация&oldid=2155675