Судовые навигационные приборы

Введение

"Судовые навигационные приборы" - так звучит тема моего курсового проекта. Моя специальность предполагает ознакомление и работу с современными устройствами определения координации, но мне также показалось важным осветить и ту часть эпохи, когда моряки определяли свое местонахождение по расположению небесных светил, без компьютеров и сложной техники GPS - и радионавигаторов.

Я постаралась провести черту и сравнить насколько высоко развились системы и приборы современной навигации и приборы на первых парусных кораблях.

1.  О навигации в судовождении

История морской навигации

Навигация (Navigation от лат.Navis - корабль) - основной раздел судовождения, в котором:

- разрабатываются теоретические обоснования и практические приемы вождения судов;

- рассматриваются вопросы выбора кратчайшего и безопасного пути следования судна в море и удержания судна на выбранном пути.

Морская навигация зародилась в глубокой древности. Простейшие приёмы вождения судов были известны не только древним египтянам и финикийцам, но и народам, стоявшим на более низкой ступени развития.

Основы современной навигации были заложены применением магнитной стрелки для определения курса судна [см. компас], относимым к XI веку, составлением карт в прямой равноугольной цилиндрической проекции (Г. Меркатор, 1569), изобретением в XIX веке механического лага.

В конце XIX -- начале XX веков успехи в развитии физики послужили основой создания электронавигационных приборов и радиотехнических средств судовождения.

Задачи современной навигации

Морская навигация имеет свои задачи:

· выбор безопасного и наиболее выгодного пути судна;

· определение направления движения и пройденного судном расстояния в море при помощи навигационных инструментов и приборов (в том числе определение поправок показаний этих приборов);

· изучение и выбор наиболее удобных для судовождения картографических проекций и решение на них аналитическими и графическими способами навигационных задач;

· учёт влияния внешних факторов, вызывающих отклонение судна от выбранного пути;

· определение места судна по наземным ориентирам и навигационным искусственным спутникам и оценка точности этих определений.

Ряд навигационных задач решается с использованием методов геодезии, картографии, гидрографии, океанологии и метеорологии.

Расчет курса и судовождение

Плавание судна между заданными пунктами требует расчёта и нанесения его пути на морские навигационные карты, а также определения курса, обеспечивающего перемещение судна по намеченному пути с учётом воздействия внешних возмущающих факторов -- ветра и течения. В качестве основной единицы измерения расстояний в море принята морская миля, а направлений -- градус.

Кратчайшим расстоянием между двумя данными точками на поверхности Земли, принятой за шар, является меньшая из дуг большой окружности, проходящей через эти точки (Ортодромия). Кроме случая следования судна по меридиану или экватору, ортодромия пересекает меридианы под разными углами. Поэтому судно, следующее по такой кривой, должно всё время изменять свой курс. Практически удобнее следовать по курсу, составляющему постоянный угол с меридианами и изображаемому на карте в проекции Меркатора прямой линией -- локсодромией. Однако на больших расстояниях различие в длине ортодромии и локсодромии достигает значительной величины. Поэтому в таких случаях рассчитывают ортодромию и намечают на ней промежуточные точки, между которыми совершают плавание по локсодромии.

Графическое изображение пути судна на морской карте называется прокладкой.

Во время плавания судоводитель ведёт непрерывный учёт положения судна по направлению его движения и пройденному расстоянию на основе показаний компаса судового и лага, а также данных о течении и дрейфе судна. Метод учёта положения судна по элементам его движения называется счислением, а место судна на карте, полученное этим методом -- счислимым местом судна.

Однако как бы тщательно ни велось счисление, оно всегда расходится с действительным местом судна из-за ошибок в принятых поправках показаний компаса и лага, неточностей учёта элементов течения и дрейфа, а также отклонений судна от курса под влиянием других факторов. Поэтому во время плавания для исключения ошибок постоянно корректируют счисление посредством периодических определений места судна (обсерваций) по наземным ориентирам (то есть навигационными способами) или небесным светилам, применяя способы мореходной астрономии.

Навигационные способы основаны на измерении расстояний и направлений (или их комбинаций) до объектов, координаты которых известны, или углов между ними. Каждое измерение даёт одну линию положения. Пересечение 2 линий положения определяет обсервованное место судна. При 3 и более линиях можно не только определить место судна, но и найти вероятные значения ошибок наблюдений. Ориентирами для навигационных определений вблизи берега служат нанесённые на карту естественные приметные места или искусственные сооружения (преимущественно средства навигационного оборудования -- маяки, знаки, створы и др.), наблюдаемые визуально или при помощи радиолокатора, сигналы круговых или створных радиомаяков, звуковые сигналы, а также отличительные глубины. На значительных расстояниях от берега используются импульсные, импульсно-фазовые и фазовые радионавигационные системы или секторные радиомаяки.

Повышение интенсивности движения на морских путях, увеличение размеров и скорости хода морских судов требуют совершенствования технических средств и методов навигации.

Одним из путей увеличения точности счисления является использование эффекта Доплера в гидроакустических лагах, позволяющее измерять скорость судна относительно грунта.

На подходах к портам и при плавании по стеснённым фарватерам необходимая точность проводки судов обеспечивается применением прецизионных радионавигационных систем ближнего действия или береговыми радиолокационным станциями. Для навигации в открытом море разрабатываются глобальные радионавигационные системы, позволяющие определять место судна в любой точке. Весьма перспективна для этой цели система навигационных искусственных спутников Земли.

Развитие техники судовождения позволяет автоматизировать получение и обработку навигационной информации и выдавать данные непосредственно на систему управления для решения задачи стабилизации судна на заданной траектории. Перспективным направлением является развитие и применение на транспортных судах автономных систем инерциальной навигации.

2. Навигационные приборы

Навигационные приборы - компасы, гироазимуты, автопрокладчики, высотомеры, лаги, лоты, эхолоты, секстаны и другие устройства, предназначенные:

- для измерения отдельных элементов движения судна, летательного аппарата и других подвижных объектов;

- для определения их местоположения; и

- для получения исходных данных для применения оружия.

Компас [сс1]

Коммпас (в профессиональной речи моряков: компамс) -- это устройство, облегчающее ориентирование на местности. Существуют три принципиально различных вида компаса: магнитный компас, гирокомпас и электронный компас.

Магнитный компас

История создания. Дорожный компас XVIII век.

Предположительно, компас был изобретён в Китае за 2000 лет до н.э. и использовался для указания направлении движения по пустыням. В Европе изобретение компаса относят к XII--XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым -- магнитная стрелка, укрепленная на пробке и опущенная в сосуд с водой. В воде пробка со стрелкой ориентировалась нужным образом. В начале XIVв. итальянец Ф. Джойя значительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг -- катушку, разбитую по окружности на 16 румбов. В XVI в. ввели деление катушки на 32 румба и коробку со стрелкой стали помещать в карданном подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором -- вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укрепленной своим центром на крышке коробки над стрелкой.

Для примера будет рассмотрен компас Адрианова. Компас Адрианова состоит из корпуса 1, в центре которого на острие иглы помещена магнитная стрелка 3. При незаторможенном состоянии стрелки ее северный конец устанавливается в направлении на Северный магнитный полюс, а южный -- на Южный магнитный полюс. В нерабочем состоянии стрелка закрепляется тормозом 6. Внутри корпуса компаса помещена круговая шкала (лимб) 2, разделенная на 120 делений. Цена одного деления составляет 3°, или 50 малых делений угломера (0-50). Шкала имеет двойную оцифровку. Внутренняя оцифровка нанесена по ходу часовой стрелки от 0 до 360° через 15° (5 делений шкалы). Внешняя оцифровка шкалы нанесена против хода часовой стрелки через 5 больших делений угломера (10 делений шкалы). Для визирования на местные предметы (ориентиры) и снятия отсчетов по шкале компаса на вращающемся кольце компаса закреплено визирное приспособление (мушка и целик) 4 и указатель отсчетов 5.

Принцип действия компаса основан на взаимодействии магнитного поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, стрелка всегда указывает одним из концов в направлении линии магнитного поля, которая идет к Северному магнитному полюсу.

Гирокомпас

Гирокомпас -- прибор, указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один или несколько гироскопов. Используется почти повсеместно в системах навигации и управления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показания связаны с направлением на истинный географический (а не магнитный) Северный полюс. Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также при решении различных задач иного рода, например, для определения точного направления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, как правило, очень тяжел; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг. Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, не испытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причем скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на данной широте.

История создания

Прототип современного гирокомпаса первым создал Г. Аншюц-Кэмпфе (запатентован в 1908), вскоре подобный прибор построил Э. Сперри (запатентован в 1911). В последующие годы разрабатывалось множество гирокомпасов различных модификаций, но наиболее удачные из них принципиально почти не отличались от устройств Аншюца и Сперри. Приборы современной конструкции значительно усовершенствованы по сравнению с первыми моделями; они отличаются высокой точностью и надежностью и удобнее в эксплуатации.

Простейший гирокомпас состоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.

Предположим, что гирокомпас находится на экваторе, а ось вращения его гироскопа совпадает с направлением запад -- восток; она сохраняет свою ориентацию в пространстве в отсутствие воздействия внешних сил. Но Земля вращается, совершая один оборот в сутки. Так как наблюдатель, находящийся рядом, вращается вместе с планетой, он видит, как восточный конец (E) оси гироскопа поднимается, а западный (W) опускается; при этом центр тяжести шара смещается к востоку и вверх (позиция б). Однако сила земного притяжения препятствует такому смещению центра тяжести, и в результате ее воздействия ось гироскопа поворачивается так, чтобы совпасть с осью суточного вращения Земли, то есть с направлением север -- юг (это вращательное движение оси гироскопа под действием внешней силы называется прецессией). Когда ось гироскопа совпадет с направлением север -- юг (N -- S, позиция в), центр тяжести окажется в нижнем положении на вертикали и причина прецессии исчезнет. Поставив метку "Север" (N) на то место шара, в которое упирается соответствующий конец оси гироскопа, и соотнеся ей шкалу с нужными делениями, получают надежный компас. В реальном гирокомпасе предусмотрены компенсация девиации компаса и поправка на широту места. Действие гирокомпаса зависит от вращения Земли и особенностей взаимодействия ротора гироскопа с его подвесом.

Электронный компас

Электронный компас в системе навигации NAVSTAR

Здесь рассматривается компас, построенный на принципе определения координат через спутниковые системы навигации. Существуют также компасы, использующие в качестве датчика блок магниторезисторов.

История создания электронного компаса тесно связана с системами спутниковой навигации.

Принцип действия такого компаса весьма прост:

1. На основании сигналов со спутников определяются координаты приёмника системы спутниковой навигации (и, соответственно, объекта)

2. Засекается момент времени, в который было сделано определение координат.

3. Выжидается некоторый интервал времени.

4. Повторно определяется местоположение объекта.

5. На основании координат двух точек и размера временного интервала вычисляется вектор скорости движения и из него:

направление движения

скорость движения

Осуществляется переход к шагу 2.

Ограничения:

Естественно, если объект не перемещается, направление движения узнать не получится. Исключение составляют достаточно большие объекты (например, самолёты), где есть возможность установить 2 приёмника (например, на концах крыльев). При этом координаты двух точек можно получить сразу, даже если объект неподвижен, и перейти к пункту 5.

Ещё одно ограничение обусловлено точностью определения координат спутниковыми системами позиционирования и влияет, главным образом, на тихоходные объекты (пешеходов).

Гироазимут

Гироазимут - навигационное гироскопическое устройство, предназначенное

- для сохранения заданного направления в горизонтальной плоскости, по которому первоначально ориентирована главная ось гироскопа; и

- для измерения углов поворота относительно заданного направления (углов рыскания).

Гироазимут: гироскопический прибор, предназначенный для сохранения заданного азимутального направления. В гироазимуте применяется уравновешивающий гироскоп с 3 степенями свободы, у которого центр тяжести совпадает с геометрическим центром (точкой подвеса), поэтому на гироазимут не влияют силы инерции, возникающие при маневрировании и качке судна. Гироазимуты применяют как курсоуказатели. Для превращения гироскопа в гироазимут, указывающий постоянное направление относительно меридиана, следует рассчитать уход (отклонение) главной оси гироскопа относительно плоскости истинного меридиана и компенсировать его. Эту функцию выполняет азимутальный корректор. Гироскоп не имеет устойчивого равновесного положения относительно горизонтальной системы координат в азимуте, поэтому во всех гироазимутах главная ось гироскопа искусственно удерживается в плоскости горизонта с помощью горизонтального корректора.

Автопрокладчик

Автопрокладчик прибор автоматически прокладывающий курс судна на навигационной карте получая показания курса от гирокомпаса, а данные о пройденном расстоянии от лага.

Согласно общепринятому определению, автопрокладчик, прибор, автоматически прокладывающий курс судна на навигационной карте, получая показания курса от гирокомпаса, а данные о пройденном расстоянии от лага или по сигналам радионавигационной системы. Прежде автопрокладчик называли одографом.

Автопрокладчик - навигационный прибор, автоматически ведущий прокладку на навигационной карте при получении:

- показаний курса от гирокомпаса;

- данных о пройденном расстоянии от лага или по сигналам радионавигационной системы; а также

- поправок на дрейф и течение.

Астрономические приборы навигации

Секстан (Октан)

Секстан [сс1] (происхождение: от лат. sextans, sextantis -- шестая часть)-- это измерительный инструмент, используемый для измерения величины угла между двумя видимыми объектами. Обычно секстан используется для измерения возвышения астрономического объекта над горизонтом с целью определения географических координат. Например, измерив угол возвышения Солнца в полдень, можно вычислить широту. С помощью секстана можно измерять углы до 140°.

Длина шкалы секстанта составляет 1/6 от полного круга или 60°, отсюда и название секстана. Октант -- похожий прибор, но с более короткой шкалой (1/8 круга или 45°), который использовался до 1767, пока его не заменил секстан. В 1767 первое издание навигационного альманаха собрало в своих таблицах лунные расстояния, что позволило навигаторам вычислять текущее время, зная угол между солнцем и луной. Однако, этот угол иногда больше 90°, и поэтому не может быть измерен с помощью октанта.

В секстане используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения одного из них. Этот принцип был изобретён Исааком Ньютоном в 1699 году, но не был опубликован. Два человека независимо изобрели секстан в 1730: английский математик Джон Хадли и американский изобретатель Томас Годфри. Секстан вытеснил астролябию как главный навигационный инструмент.

Секстан увековечен на небе астрономом Гевелием в виде одноименного созвездия.

Современный секстант

Главная особенность, которая позволила секстану вытеснить астролябию, заключается в том, что при его использовании положение астрономических объектов измеряются относительно горизонта, а не относительно самого инструмента. Это дает бомльшую точность.

При наблюдении через секстан, горизонт и астрономический объект совмещаются в одном поле зрения, и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на плывущем корабле. Это происходит, потому что секстан показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект -- сквозь два противоположных зеркала.

Использование секстана для определения возвышения солнца над горизонтом

Изображение в секстане совмещает в себя два вида. Первый -- вид неба через зеркала. Второй -- вид горизонта. Секстан используют, регулируя рычаг и установочный винт до тех пор, пока нижний край изображения астрономического тела не коснется горизонта. Точный момент времени, в который проводится измерение, засекает ассистент с часами. Затем угол возвышения считывается со шкалы, верньера и установочного винта, и записывается вместе со временем.

После этого нужно преобразовать данные с помощью некоторых математических процедур. Самый простой метод -- нарисовать равновозвышенный круг используемого астрономического объекта на глобусе. Пересечение этого круга с линией навигационного счисления или другим указателем даёт точное местоположение.

Страницы: 1, 2