Sprzęt nawigacyjny jest różnych typów i modyfikacji. Istnieją systemy przeznaczone do użytku na otwartym morzu, inne są przystosowane dla ogółu społeczeństwa, wykorzystując pod wieloma względami nawigatory do celów rozrywkowych. Co to są systemy nawigacyjne?
Co to jest nawigacja?
Termin „nawigacja” ma pochodzenie łacińskie. Słowo navigo oznacza „płynę statkiem”. Oznacza to, że początkowo był to właściwie synonim żeglugi lub nawigacji. Jednak wraz z rozwojem technologii ułatwiających statkom poruszanie się po oceanach, wraz z pojawieniem się lotnictwa, technologii kosmicznej, termin ten znacznie rozszerzył zakres możliwych interpretacji.
Dzisiaj nawigacja oznacza proces, w którym osoba kontroluje obiekt na podstawie jego współrzędnych przestrzennych. Oznacza to, że nawigacja składa się z dwóch procedur - jest to bezpośrednia kontrola, a także błędne obliczenie optymalnej ścieżki obiektu.
Typy nawigacji
Klasyfikacja typów nawigacji jest bardzo obszerna. Współcześni eksperci wyróżniają następujące główne odmiany:
- motoryzacja;
- astronomiczne;
- bionawigacja;
- powietrze;
- spacja;
- morski;
- radionawigacja;
- satelita;
- pod ziemią;
- informacyjny;
- inercja.
Niektóre z powyższych rodzajów nawigacji są ze sobą ściśle powiązane - głównie ze względu na powszechność stosowanych technologii. Na przykład nawigacja samochodowa często wykorzystuje narzędzia specyficzne dla satelitów.
Istnieją typy mieszane, w ramach których jednocześnie używanych jest kilka zasobów technologicznych, takich jak na przykład systemy nawigacyjne i informacyjne. W związku z tym zasoby komunikacji satelitarnej mogą być w nich kluczowe. Jednak ostatecznym celem ich zaangażowania będzie dostarczenie grupom docelowym niezbędnych informacji.
Systemy nawigacyjne
Odpowiadający typ form nawigacji, z reguły system o tej samej nazwie. Istnieje zatem system nawigacji samochodowej, morskiej, kosmicznej itp. Definicja tego terminu jest również obecna w środowisku eksperckim. System nawigacji, zgodnie z potoczną interpretacją, to połączenie różnego rodzaju sprzętu (i ewentualnie oprogramowania), które pozwala określić położenie obiektu, a także wyznaczyć jego trasę. Zestaw narzędzi tutaj może być inny. Jednak w większości przypadków systemy charakteryzują się obecnością następujących podstawowych elementów, takich jak:
- karty (zwykle w formie elektronicznej);
- czujniki, satelity iinne agregaty do obliczania współrzędnych;
- obiekty niesystemowe, które dostarczają informacji o położeniu geograficznym celu;
- sprzętowo-programowa jednostka analityczna, która zapewnia wprowadzanie i wyprowadzanie danych, a także łączy pierwsze trzy komponenty.
Z reguły struktura niektórych systemów jest dostosowana do potrzeb użytkowników końcowych. Niektóre rodzaje rozwiązań można zaakcentować w stosunku do części oprogramowania lub odwrotnie, części sprzętowej. Na przykład popularny w Rosji system nawigacji Navitel to głównie oprogramowanie. Przeznaczony jest do użytku przez szerokie grono obywateli posiadających różnego rodzaju urządzenia mobilne - laptopy, tablety, smartfony.
Nawigacja przez satelitę
Każdy system nawigacyjny polega przede wszystkim na określeniu współrzędnych obiektu - zwykle geograficznego. Historycznie, ludzkie narzędzia w tym zakresie były stale ulepszane. Obecnie najbardziej zaawansowanymi systemami nawigacji są satelity. Ich strukturę reprezentuje zestaw precyzyjnego sprzętu, którego część znajduje się na Ziemi, a druga część obraca się na orbicie. Nowoczesne systemy nawigacji satelitarnej są w stanie obliczyć nie tylko współrzędne geograficzne, ale także prędkość obiektu, a także kierunek jego ruchu.
Elementy nawigacji satelitarnej
Odpowiadające systemy obejmują następujące główne elementy: konstelację satelitów, jednostki naziemne do pomiaru koordynacji obiektów orbitalnych i wymiany z nimi informacji, urządzenia dla użytkownika końcowego(nawigatorzy) wyposażony w niezbędne oprogramowanie, w niektórych przypadkach - dodatkowy sprzęt do określania współrzędnych geograficznych (wieże GSM, kanały internetowe, radiolatarnie itp.).
Jak działa nawigacja satelitarna
Jak działa system nawigacji satelitarnej? Sercem jego pracy jest algorytm pomiaru odległości od obiektu do satelitów. Te ostatnie znajdują się na orbicie praktycznie bez zmiany swojej pozycji, dlatego ich współrzędne względem Ziemi są zawsze stałe. W nawigatorach określone są odpowiednie liczby. Znajdując satelitę i łącząc się z nim (lub z kilkoma naraz), urządzenie określa z kolei jego położenie geograficzne. Główną metodą jest tutaj obliczenie odległości do satelitów na podstawie prędkości fal radiowych. Orbitujący obiekt wysyła na Ziemię żądanie z wyjątkową dokładnością czasową - służą do tego zegary atomowe. Po otrzymaniu odpowiedzi od nawigatora satelita (lub ich grupa) określa, jak daleko przebyła fala radiowa przez taki a taki okres czasu. W podobny sposób mierzy się prędkość ruchu obiektu – tylko tutaj pomiar jest nieco bardziej skomplikowany.
Problemy techniczne
Stwierdziliśmy, że nawigacja satelitarna jest obecnie najbardziej zaawansowaną metodą określania współrzędnych geograficznych. Praktycznemu wykorzystaniu tej technologii towarzyszy jednak szereg trudności technicznych. Co na przykład? Przede wszystkim jest to niejednorodność rozkładu pola grawitacyjnego planety - wpływa to na położenie satelity względem Ziemi. Ta sama nieruchomość charakteryzuje się równieżatmosfera. Jego niejednorodność może wpływać na prędkość fal radiowych, przez co mogą wystąpić niedokładności w odpowiednich pomiarach.
Kolejna trudność techniczna - sygnał wysyłany z satelity do nawigatora jest często blokowany przez inne obiekty naziemne. W rezultacie pełne wykorzystanie systemu w miastach o wysokiej zabudowie jest utrudnione.
Praktyczne wykorzystanie satelitów
Systemy nawigacji satelitarnej znajdują najszerszy zakres zastosowań. Pod wieloma względami - jako element różnych rozwiązań komercyjnych o orientacji cywilnej. Mogą to być zarówno urządzenia gospodarstwa domowego, jak i np. wielofunkcyjny system multimedialny do nawigacji. Oprócz użytku cywilnego zasoby satelitarne są wykorzystywane przez geodetów, kartografów, firmy transportowe i różne służby rządowe. Satelity są aktywnie wykorzystywane przez geologów. W szczególności mogą służyć do obliczania dynamiki ruchu tektonicznych płyt ziemskich. Nawigatory satelitarne są również wykorzystywane jako narzędzie marketingowe - za pomocą analityki, która obejmuje metody lokalizacji, firmy przeprowadzają badania swojej bazy klientów, a także np. wysyłają ukierunkowane reklamy. Oczywiście struktury wojskowe wykorzystują również nawigatorów - to oni w rzeczywistości opracowali największe dziś systemy nawigacyjne GPS i GLONASS - odpowiednio na potrzeby armii amerykańskiej i Rosji. A to nie jest wyczerpująca lista obszarów, w których można używać satelitów.
Nowoczesna nawigacjasystemy
Które systemy nawigacyjne są obecnie używane lub wdrażane? Zacznijmy od tego, który pojawił się na światowym rynku publicznym przed innymi systemami nawigacji – GPS. Jego twórcą i właścicielem jest Departament Obrony USA. Urządzenia komunikujące się za pośrednictwem satelitów GPS są najpowszechniejsze na świecie. Głównie dlatego, że, jak powiedzieliśmy powyżej, ten amerykański system nawigacyjny został wprowadzony na rynek przed jego współczesnymi konkurentami.
GLONASS aktywnie zyskuje na popularności. To jest rosyjski system nawigacji. Należy z kolei do Ministerstwa Obrony Federacji Rosyjskiej. Został opracowany, według jednej wersji, mniej więcej w tym samym czasie co GPS – w późnych latach 80-tych i wczesnych 90-tych. Jednak na rynek publiczny został wprowadzony dopiero niedawno, bo w 2011 roku. Coraz więcej producentów rozwiązań sprzętowych do nawigacji wdraża obsługę GLONASS w swoich urządzeniach.
Zakłada się, że globalny system nawigacyjny „Beidou”, opracowany w Chinach, może poważnie konkurować z GLONASS i GPS. To prawda, że w tej chwili funkcjonuje tylko jako ogólnokrajowy. Według niektórych analityków może uzyskać status globalny do 2020 roku, kiedy na orbitę zostanie wystrzelona wystarczająca liczba satelitów – około 35. Program rozwoju systemu Beidou jest stosunkowo młody – rozpoczął się dopiero w 2000 roku, a pierwszy satelita został opracowany przez Chińscy programiściwprowadzony na rynek w 2007 roku.
Europejczycy również starają się nadążyć. System nawigacji GLONASS i jego amerykański odpowiednik mogą z powodzeniem konkurować z GALILEO w dającej się przewidzieć przyszłości. Europejczycy planują rozmieścić konstelację satelitów w wymaganej liczbie jednostek obiektów orbitalnych do 2020 roku.
Wśród innych obiecujących projektów rozwoju systemów nawigacji można wymienić indyjski IRNSS, a także japoński QZSS. Jeśli chodzi o pierwsze szeroko rozreklamowane informacje publiczne o zamiarach twórców stworzenia globalnego systemu nie są jeszcze dostępne. Zakłada się, że IRNSS będzie obsługiwać tylko terytorium Indii. Program jest również dość młody – pierwszy satelita został wyniesiony na orbitę w 2008 roku. Oczekuje się również, że japoński system satelitarny będzie używany głównie w obrębie lub w sąsiedztwie terytoriów kraju rozwijającego się.
Dokładność pozycjonowania
Powyżej zauważyliśmy szereg trudności, które są istotne dla funkcjonowania systemów nawigacji satelitarnej. Wśród głównych, które wymieniliśmy - położenie satelitów na orbicie, czy ich ruch po danej trajektorii, nie zawsze cechuje się absolutną stabilnością z wielu powodów. To z góry określa niedokładności w obliczaniu współrzędnych geograficznych w nawigatorach. Nie jest to jednak jedyny czynnik wpływający na poprawność pozycjonowania za pomocą satelity. Co jeszcze wpływa na dokładność obliczeń współrzędnych?
Przede wszystkim warto zauważyć, że same zegary atomowe zainstalowane na satelitach nie zawsze są absolutnie dokładne. Są możliwe, choć dośćmałe, ale wciąż wpływające na jakość błędów systemów nawigacyjnych. Na przykład, jeśli popełnimy błąd na poziomie kilkudziesięciu nanosekund przy obliczaniu czasu, w którym porusza się fala radiowa, to niedokładność w określeniu współrzędnych obiektu naziemnego może wynosić kilka metrów. Jednocześnie nowoczesne satelity posiadają sprzęt, który umożliwia prowadzenie obliczeń nawet z uwzględnieniem ewentualnych błędów w działaniu zegarów atomowych.
Powyżej zauważyliśmy, że jednym z czynników wpływających na dokładność systemów nawigacyjnych jest niejednorodność atmosfery ziemskiej. Przydałoby się uzupełnić ten fakt innymi informacjami dotyczącymi wpływu regionów bliskich Ziemi na pracę satelitów. Faktem jest, że atmosfera naszej planety jest podzielona na kilka stref. Ta, która faktycznie znajduje się na granicy z otwartą przestrzenią – jonosfera – składa się z warstwy cząstek o określonym ładunku. Zderzając się z falami radiowymi wysyłanymi przez satelitę, mogą zmniejszać swoją prędkość, w wyniku czego odległość do obiektu można obliczyć z błędem. Należy zauważyć, że twórcy nawigacji satelitarnej również pracują z tego rodzaju źródłem problemów komunikacyjnych: algorytmy działania sprzętu orbitalnego z reguły obejmują różnego rodzaju scenariusze naprawcze, które uwzględniają specyfikę przejścia fal radiowych przez jonosfera w obliczeniach.
Chmury i inne zjawiska atmosferyczne mogą również wpływać na dokładność systemów nawigacyjnych. Para wodna obecna w odpowiednich warstwach ziemskiej powłoki powietrznej, podobnie jak cząsteczki w jonosferze, wpływa na prędkośćfale radiowe.
Oczywiście, w odniesieniu do użytku domowego GLONASS lub GPS jako części takich jednostek, jak na przykład system mediów nawigacyjnych, których funkcje są w dużej mierze zabawne, wówczas małe niedokładności w obliczaniu współrzędnych są nie krytyczne. Ale w wojskowym użyciu satelitów odpowiednie obliczenia powinny idealnie odpowiadać rzeczywistemu położeniu geograficznemu obiektów.
Funkcje nawigacji morskiej
Po omówieniu najnowocześniejszego typu nawigacji, zróbmy krótką dygresję do historii. Jak wiecie, właśnie ten termin pojawił się po raz pierwszy wśród nawigatorów. Jakie są cechy systemów nawigacji morskiej?
Mówiąc o aspekcie historycznym, można zauważyć ewolucję narzędzi, którymi dysponują marynarze. Jednym z pierwszych „rozwiązań sprzętowych” był kompas, który według niektórych ekspertów został wynaleziony w XI wieku. Udoskonalono również mapowanie, jako kluczowe narzędzie nawigacyjne. W XVI wieku Gerard Mercator zaczął rysować mapy w oparciu o zasadę wykorzystania rzutu cylindrycznego o równych kątach. W XIX wieku wynaleziono dziennik - mechaniczną jednostkę zdolną do pomiaru prędkości statków. W XX wieku w arsenale marynarzy pojawiły się radary, a następnie satelity komunikacji kosmicznej. Obecnie funkcjonują najbardziej zaawansowane systemy nawigacji morskiej, czerpiąc w ten sposób korzyści z eksploracji kosmosu przez człowieka. Jaki jest charakter ich pracy?
Niektórzy eksperci uważają, żeGłówną cechą charakteryzującą nowoczesny system nawigacji morskiej jest to, że standardowe wyposażenie zainstalowane na statku charakteryzuje się bardzo dużą odpornością na zużycie i wodę. Jest to całkiem zrozumiałe - niemożliwe jest, aby statek, który wyruszył w otwarty rejs tysiące kilometrów od lądu, znalazł się w sytuacji, w której sprzęt nagle zawodzi. Na lądzie, gdzie dostępne są zasoby cywilizacji, wszystko można naprawić, ale na morzu jest to problematyczne.
Jakie inne godne uwagi cechy posiada system nawigacji morskiej? Wyposażenie standardowe, oprócz obowiązkowego wymogu - odporności na zużycie, z reguły zawiera moduły przystosowane do ustalenia określonych parametrów środowiskowych (głębokość, temperatura wody itp.). Również prędkość statku w morskich systemach nawigacji w wielu przypadkach jest nadal obliczana nie przez satelity, ale standardowymi metodami.
