Морская навигация что это такое
Морская навигация: как мы находили путь раньше и как мы делаем это сейчас
Как определить свое положение в море? А как это делали мореплаватели до нашей эры и в эпоху колонизации?
Определение своего местоположения в открытом море — непростая задача, а без необходимых знаний и инструментов — так почти невозможная. Морской индустрии известны случаи, когда корабельные компьютерные системы выходили из строя на неделю и более из-за вирусов. В некоторых случаях суда были вынуждены дрейфовать в море неделями, так как на борту не было ИТ-специалистов, которые могли бы справиться с проблемой.
Тем не менее задолго до прихода эры навигации и изобретения компьютеров первые мореплаватели — викинги и полинезийцы — отправлялись в далекие путешествия, во время которых совершили множество открытий. Да и Колумб открыл Америку без компьютеров. Как же им удавалось найти путь в океане?
Древнее древнего: как первые мореходы находили дорогу?
Полинезийцы были прекрасными навигаторами. За сотни лет до того, как Христофор Колумб пересек Атлантику, они уже бороздили Тихий океан на своих деревянных каноэ, преодолевая расстояния в тысячи километров между островами Полинезийского треугольника. Солнце, звезды, луна, ветры и течения — вот все, что полинезийцы использовали в качестве ориентиров. Еще они создавали своеобразные карты из палочек и ракушек.
This is a rebbelib stick chart by the Marshallese to navigate the Pacific Ocean by canoe. https://t.co/6sQVUbYjBi pic.twitter.com/JSrWn0LIV8
Викинги также преодолевали тысячи километров, путешествуя межу Северной Европой, Британскими островами, Исландией, Гренландией и даже Северной Америкой. Помогали им в этом расчеты и необыкновенная наблюдательность. Древние мореходы плыли по течению, следили за китами, брали на борт специально обученных воронов, чтобы те летали на разведку и подсказывали, в какой стороне берег.
По разным версиям, они определяли свое местоположение в океане с помощью солнечных часов, вели учет дням, проведенным в море, примерно рассчитывали скорость корабля, ориентировались по солнцу и звездам. Предположительно викинги даже использовали поляризацию света, чтобы найти дорогу в плохую погоду, когда не видно ни солнца, ни звезд. Во многом все их способы были интуитивными и неточными. В легендах викингов часто говорится о походах, во время которых мореходы терялись в море из-за плохой погоды, отсутствия ветра и туманов.
Битва за долготу
Первые представления о координатах, по крайней мере те, о которых известно сейчас, появились в Древней Греции за 200 лет до нашей эры. Полвека спустя, в 90–160 годах нашей эры, Клавдий Птолемей первым предложил математически точную концепцию географической широты и долготы.
С помощью координат и подробной карты земли и неба моряки могли приблизительно определить свое местоположение. Однако вычислить свои координаты было непросто. Если широту еще можно было найти по солнцу, луне и звездам (и то приблизительно), то с долготой дела обстояли значительно сложнее.
Определить долготу можно лишь как разницу между временем в точке, где вы находитесь, и временем в некой референсной точке в тот же момент. Проблема состояла в том, чтобы, во-первых, как-то узнать точное местное время, а во-вторых, точно знать время в другой фиксированной точке (например, в пункте отправления или на Гринвичском меридиане). Точность измерений была критическим фактором: на экваторе отклонение в один градус долготы равно 109,5 километра, или 68 милям.
Время на борту судна можно было вычислить по солнцу и звездам, но задача определения времени в порту отправления долго казалась трудноразрешимой. Эта проблема стояла так остро, что Людовик XVI однажды заявил, будто из-за плохой работы астрономов Франция потеряла больше земель, чем из-за неудачных военных кампаний.
В XVI–XVIII веках Испания, Голландия, Португалия, Венеция и Англия — все ведущие морские державы — предлагали огромные премии за разработку метода надежного определения долготы. Приз Англии в XVIII веке составлял 20 тысяч фунтов стерлингов — целое состояние. Большую часть награды в итоге получил изобретатель хронометра — лондонский часовщик Джон Гаррисон, творение которого поступило на службу мореходам в 1760 году.
Чуть раньше, в 1757 году, человечество получило секстант (над ним одновременно работали несколько ученых: Исаак Ньютон, Джон Хэдли, Томас Годфри и другие), и вместе с хронометром он позволил решить проблему определения долготы.
Как работали эти два инструмента? Штурман измерял высоту солнца над горизонтом с помощью секстанта, чтобы вычислить точное местное время, и сравнивал его со временем по Гринвичу, которое показывал хронометр. Так определялась долгота — то, насколько западнее или восточнее относительно нулевого меридиана находится судно.
А что сегодня?
Сейчас все больше судов полагаются исключительно на электронную картографическую навигационную систему (ECDIS) и систему глобального позиционирования (GPS).
GPS использует сеть более чем из 30 спутников, чтобы помочь нам с вами определить наше точное местоположение. Изначально систему GPS разрабатывали для военных целей, но теперь ею пользуются практически все: от моряков и пилотов самолетов до туристов.
Также суда массово переходят на электронные карты, которые значительно облегчают прокладку и корректировку курса. Электронная картография позволяет тратить минуты на операции, которые раньше требовали нескольких часов. Например, внесение поправок курса вручную — это долгое и кропотливое дело. В ECDIS все проще — нужно лишь загрузить с носителя нужный раздел, ввести необходимые поправки и проложить курс.
В результате офицер на вахте может уделить максимум времени наблюдению за окружающей обстановкой (погодой, скоростью хода судна и другими вещами) и принять верные решения. Автоматизация работы штурмана делает судоходство безопаснее, а это один из важнейших факторов для судовладельцев, заказчиков, доверяющих им свои грузы, и страховых компаний, рассчитывающих ставки по страховке.
Как и в авиации, в морской индустрии навигационная система ECDIS должна дублироваться. Если судно хочет полностью отказаться от бумажных карт и перейти на электронные, то на нем должно быть установлено минимум два независимых друг от друга ECDIS-компьютера, каждый с отдельным дисплеем и своей базой данных.
Что будет, если вдруг все сломается?
Существует вероятность, что обе системы ECDIS откажут: из-за программных ошибок или направленной атаки хакера. Кроме того, любой компьютерной системе приходится делать перерыв в работе, чтобы установить обновления. Периодически исследователи обнаруживают уязвимости в критически важных для судоходства технологиях: GPS, ECDIS, AIS (системе автоматической идентификации). Их латают, но появляются новые.
Сбой навигационных систем где-нибудь в проливе или у берега не так страшен, так как необходимые ориентиры видны невооруженным глазом, к тому же у моряков работают Интернет и мобильная связь. Случись такое на небезопасном участке, судно может связаться с ответственным лицом на берегу и получить от него карту в формате PDF, на которой будут указаны все мели, течения и другие опасности. А вот если такое случится вдали от берегов, то команде придется несладко.
Система GPS тоже несовершенна. Спутники страдают от вспышек электромагнитного излучения, вызванных солнечной активностью. Кроме того, злоумышленники (скажем, пираты или террористы) могут заблокировать сигнал простым устройством, которое можно довольно дешево приобрести в Интернете.
Направленная атака на GPS легко может сбить судно с пути, а все приборы при этом будут показывать верный курс. В лучшем случае такое событие приведет к задержкам, в худшем — к столкновениям или посадке на мель. Чтобы избежать подобных ситуаций, в мореходных академиях США курсантов учат определять местонахождение судна не только по GPS, но и по солнцу и звездам.
Потеря связи со спутником или блокировка GPS посреди океана — это, пожалуй, самая очевидная угроза, которая способна заставить современных штурманов освежить навыки классической астронавигации.
Можно ли взломать GPS? Учитывая, что в «бытовой» версии навигации шифрование не используется, хак вполне реален: http://t.co/YBrNkZfoe0
Впрочем, у моряков есть свои «народные» методы определения собственного местоположения: например, они могут загрузить GPS-координаты на свой смартфон. Так поступают современные мореходы, когда им нужно определить свое местоположение, а из каюты выходить лень.
Современному судну с рабочими двигателем и электрогенератором сложно потеряться в океане. Два года назад произошел случай, который доказывает, что человечество далеко продвинулось в искусстве мореходства и навигации в последние несколько сотен лет.
В 2014 году американский энтузиаст Реза Балучи попытался добежать от Флориды до Бермуд в гидропоне (гидропон — это такое надувное плавсредство, похожее на беговое колесо для мелких грызунов; оно приводится в движение бегущим внутри него человеком), попал в Гольфстрим и сбился с пути. В результате бедняга три дня скитался по морю и был вынужден притормозить проходящий мимо катер, чтобы спросить дорогу до Бермудских островов.
Основные понятия навигации
Содержание
Дисциплина «Навигация и лоция» решает задачу выбора безопасного и выгодного пути судна и обеспечения плавания по выбранному маршруту с учетом преобладающих гидрометеоусловий.
Навигация и лоция изучает:
Географические координаты
Положение судна на поверхности Земли определяется с помощью географических координат. Формой Земли является геоид – неправильное геометрическое тело, но для простоты принимаем форму Земли за шар (рис. 3.18).
Воображаемая прямая, вокруг которой происходит вращение Земли, называется земной осью. Точки пересечения ее с поверхностью Земли называются географическими или истинными полюсами –Северным PN и Южным PS.
Окружность большого круга EQ, плоскость которого перпендикулярна земной оси и проходящая через центр Земли, называется экватором. Он делит земной шар на Северное и Южное полушария.
Окружности малых кругов, плоскости которых параллельны плоскости экватора, называются параллелями. Окружности больших кругов, плоскости которых проходят через ось Земли, называются меридианами.
Меридиан, проходящий через астрономическую обсерваторию в Гринвиче (Англия), называется Гринвичским или нулевым меридианом. Гринвичский меридиан вместе с противоположным ему меридианом делит земной шар на Восточное и Западное полушария.
Меридианы и параллели на земной поверхности образуют сетку географических координат. Главные направления – четыре взаимно перпендикулярных направления в плоскости истинного горизонта: N (норд), S (зюйд), E (ост), W (вест). Относительно этих направлений и осуществляется ориентирование на поверхности Земли.
Начало координат – в точке пересечения экватора с Гринвичским меридианом. Координатными линиями являются параллели и меридианы, а координатами – географическая широта и географическая долгота.
Географической широтой какой-либо точки (например, точки М – местоположение нашего судна) называется угол при центре Земли (угол МОК), составленный земным радиусом, проведенным через данную точку (линия МО), и плоскостью экватора EQ. Широта измеряется дугой меридиана от экватора до параллели данной точки (дуга КМ). Она отсчитывается к северу или югу от экватора и лежит в пределах от 0° до 90°. Если точка находится в Северном полушарии, ее широте дается наименование N (северная), если в южном – S (южная).
Географической долготой какой-либо точки называется угол между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью меридиана данной точки (угол GOK). Долгота отсчитывается от Гринвичского меридиана к востоку или западу и лежит в пределах от 0° до 180°. Если точка находится в Восточном полушарии, то долготе приписывается наименование Е (восточная), если в западном – W (западная).
За единицу длины в море принята морская миля. Морской милей называется значение 1 минуты дуги земного меридиана. Принято среднее значение величины морской мили, равное 1852 метра. Кабельтов – единица длины, равная 1/10 мили, или 185,2 метра.
Дальность видимости предметов
В открытом море наблюдатель видит вокруг судна водную поверхность, ограниченную кругом, называемым видимым горизонтом. Расстояние De от места наблюдателя до линии видимого горизонта называется дальностью видимого горизонта и определяется формулой:
где е – высота глаза наблюдателя над уровнем моря, измеряемая в метрах.
Эта формула позволяет определить дальность до предметов, находящихся на уровне моря. Если предмет имеет собственную высоту над уровнем моря, то наблюдатель обнаружит значительно раньше. При дожде, снегопаде, тумане, мгле дальность видимости сокращается. Наоборот, при определенном состоянии атмосферы рефракция может быть большой, вследствие чего дальность видимости предметов оказывается значительно больше рассчитанной.
Явление преломления световых лучей в атмосфере называется земной рефракцией, которая зависит от атмосферного давления, температуры и влажности воздуха.
Определение направлений в море
Истинным курсом ИК называется горизонтальный угол между направлением на Северный полюс (Pn) и диаметральной плоскостью (ДП) судна по направлению его движения, измеренный по ходу часовой стрелки.
Истинный пеленг ИП – горизонтальный угол между направлением на Северный полюс (Pn) и направлением на ориентир (О), измеряемый по часовой стрелке.
Курсовым углом КУ называется угол между носовой частью диаметральной плоскости судна и линией пеленга. В основном курсовые углы измеряют в полукруговой системе (от 0° до 180°) и им придают наименования, указывающие, в сторону какого борта судна (правого или левого) вели счет. Например: КУ= 10° л/б, КУ= 45° п/б.
М ежду ИК, ИП и КУ существует следующая зависимость:
Земля представляет собой гигантский магнит. Магнитные полюсы Земли сравнительно недалеко располагаются от географических, но с ними не совпадают. Кроме этого, они постоянно постепенно изменяют свое положение. В результате стрелка магнитного компаса оказывается отклоненной на некоторый угол от плоскости истинного меридиана. Этот угол называется магнитным склонением d и отсчитывается от северной части истинного меридиана (Pn) к Е или к W. Если стрелка отклонена к Е, то склонение имеет наименование восточное и ему присваивается знак плюс (+), если к западу – западное со знаком минус (–).
На навигационные карты наносят значение и наименование склонения в районе плавания (рис. 3.19). Надписи о значении склонения помещают в центре картушки, нанесенной на карте. Установлено, что значение склонения ежегодно изменяется, поэтому на картах указывают год, к которому относится склонение, и значение его годового изменения. Годовое изменение необходимо учитывать при расчете поправки компаса. Для этого к значению склонения прибавляют или вычитают из него годовое изменение склонения, умноженное на разность лет между годом на данный момент и годом, к которому относится склонение на карте.
На направление стрелки магнитного компаса оказывает также влияние судовое железо. Горизонтальный угол, на который отклоняется стрелка компаса под действием магнитного поля судна, называется девиацией магнитного компаса δ.
На каждом курсе девиация у судовых компаса различна, поэтому ее периодически определяют и заносят в специальную таблицу (рис. 3.20).
Таким образом, поправка магнитного компаса равна:
Между ИК, МК и МП существуют следующие зависимости, при этом необходимо учитывать знак магнитной поправки ΔМК:
Главная ось гирокомпаса под действием направляющей силы должна устанавливаться в плоскости истинного меридиана, но в результате различных причин полное совпадение не происходит. Вследствие этого гирокомпас и картушки репитеров имеют свою поправку ΔГК. Поправка отсчитывается от Pn к востоку Е (+) или к W (–).
Курсы и пеленги, определяемые относительно гирокомпасного меридиана, называются гирокомпасными. Существует следующая зависимость:
Неверные показания компасов или неправильный учет их поправок – основные причины навигационных ошибок. При приемке вахты необходимо сличать показания гиро- и магнитного компасов, а также в начале каждого часа и при изменении курса судна. В течение рейса поправки компасов систематически уточняют.
Литература
Яхтинг. Морская навигация. Основные понятия.
Данная статья является, в своём роде, обобщающей. Здесь мы повторим и систематизируем некоторые понятия морской навигации, с которыми уже сталкивались в предыдущих статьях и узнаем кое-что новое.
Земная ось — ясно из названия. Это воображаемая ось (или линия, кому как нравится), вокруг которой вращается Земной шар.Географические полюса (северный и южный) — места пересечения земной оси с поверхностью Земного шара.
Долгота и широта в морской навигации.
Меридианы — большие круги, проходящие через географические полюса.
Гринвичский меридиан (Гринвич) — меридиан, проходящий через Гринвичскую обсерваторию, принятый в морской навигации, как начало отсчета меридианов, нулевой меридиан.
Меридиан наблюдателя — меридиан, проходящий через наблюдателя (нашу яхту) в точке нахождения последнего на земной поверхности.
Экватор — большой круг, плоскость которого перпендикулярна земной оси.
Параллель — малый круг, плоскость которого параллельна плоскости экватора.
Географическая широта места — угол от 0° до 90°, измеренный между линией, проведённой из места наблюдателя до центра Земли и плоскостью экватора. (Очевидно, что каждому определённому значению в морской навигации такого угла будет соответствовать бесчисленное множество точек на земной поверхности. Эти точки и образуют соответствующую параллель данной определённой широты). Широтам придаются наименования того полушария, в котором они измеряются (северного или южного). Отсюда и сама широта бывает северной или южной. Следует добавить для пущей ясности, что параллели на карте наносятся горизонтальными линиями, и каждая из них соответствует определённой, указанной широте. То есть широта в морской навигации характеризуется параллелью.
Географическая долгота места— угол от 0° до 180°, измеренный между плоскостью Гринвичского меридиана и плоскостью меридиана наблюдателя. Раз это угол между плоскостями, то ясно, что он является двугранным углом. Однако для наглядности морской навигации мы на практике в яхтинге отсчитываем угол между отрезком, проведенным из точки пересечения экватора гринвичским меридианом в центр земного шара и отрезком, проведённым из центра земного шара в точку пересечения экватора меридианом наблюдателя. Ясно также, что значения долготы будут одинаковы в каждой точке данного меридиана наблюдателя. Иными словами — долгота характеризуется меридианом. Долготе в морской навигации также придаются наименования полушарий, но только западного (к западу от Гринвича) и восточного (к востоку от Гринвича). Следовательно, долгота бывает западная и восточная.
Расстояния в морской навигации.
Морская миля — единица длины при измерении расстояний на море. Она равна длине одной минуты дуги меридиана. Здесь необходимо ещё раз обратить внимание, что сама земля имеет неправильную форму, а за дугу меридиана в морской навигации мы принимаем дугу применяемого при построении карт эллипсоида. Поэтому фактическая длина морской мили изменяется на поверхности земли. Ближе к полюсам морская миля «длиннее» (на экваторе она равна 1842,9 м, на широте 45° — 1852,2 м, у полюсов — 1861.6 м). Не забудем также, что в разных странах приняты разные эллипсоиды, следовательно, и у этих стран «другая» морская миля. (Отсюда иногда возникают нестыковки курсов при предварительной прокладке в яхтинге, особенно на картах, изданных в разных странах). На практике в яхтинге длина морской мили принята равной 1852 метра. Просто для удобства. Важно не забывать, что расстояния в морской навигации мы снимаем с вертикальных рамок морской навигационной карты справа и слева, именно как отрезки дуги меридиана. И снимаем примерно на той параллели (горизонтали), где находится объект нашего интереса (яхта, ориентир и т.п.).
Кабельтов — также единица длины при измерении расстояний на море. Кабельтов равен одной десятой части морской мили, соответственно 185,2 м (на практике — 185 м).
Узел — единица измерения скорости на море, равная одной морской миле в час. 
Дальность видимости — расстояние, на котором наблюдатель физически может видеть объект. На этом понятии морской навигации мы остановимся подробнее. Дело в том, что земля-то всё-таки круглая, а значит, неровная. Следовательно, любой объект может за этой неровностью «спрятаться», как, к примеру, за холмом. А что нужно сделать, чтобы увидеть скрытый за холмом объект? Правильно, подняться выше. И чем выше мы поднимаемся, тем больше объектов, скрытых за этим самым холмом, видим. А значит, чем выше мы расположены, тем больше объектов увидим. Отсюда ещё одно понятие морской навигации — высота глаза наблюдателя. Это высота нашего глаза (раз мы наблюдаем, так чьего же ещё?) над уровнем моря. Ну и ясно, что чем выше сам объект, тем раньше он нам из-за холма покажется. Значит, дальность видимости объекта зависит и от его высоты над уровнем моря.
Внимание! Дальность видимости объекта при условии, что глаз наблюдателя находится на уровне моря (как если бы мы просто плыли в воде, купаясь) всегда приводится на морских навигационных картах. Но мы, увидим объект раньше, т.к. наш глаз моряка находится выше горизонта. Вот эту дальность видимости в морской навигации необходимо рассчитывать. Но реально при яхтинге мало кто «заморачивается» такими расчетами. И мы не будем. Можно принять ориентировочную дальность видимости горизонта в 3 мили при высоте глаза яхтсмена-наблюдателя 2 метра при нормальных условиях видимости. А для особо ответственных(что является правильной морской практикой в яхтинге) на рисунке приведены формулы по которым все это можно рассчитать.Собственно ничего сложного в них нет.
Всё сказанное относится к случаям, когда не действуют факторы, снижающие дальность обнаружения — туман, дождь, другие отклонения в состоянии атмосферы. И такая, рассчитанная без учета состояния атмосферы, дальность видимости в морской навигации, называется географической.
И напоследок остановимся на дальности видимости огней. Кроме выше перечисленных факторов на величину этой дальности влияет и сила самого источника света (ну, типа, мощность лампы). Обычно источники света рассчитаны так, чтобы огонь было видно с расстояния равного дальности видимости самого объекта от уровня горизонта.Но случается, что эта дальность видимости или больше или меньше. Об этом всегда нужно помнить в яхтинге, особенно при проработке подходов к берегам. Здесь необходимо отметить, что расчетная дальность видимости на практике в морской навигации всегда отличается от действительной. Это обусловлено не только наличием дождя и т.п., разница будет и в совершенно ясную погоду. Дело в том, что лучи света в атмосфере распространяются по кривым линиям, как полагают, из-за разной плотности в различных слоях атмосферы. Явления преломления лучей света в атмосфере называется рефракцией. Рефракция также зависит от атмосферного давления, влажности воздуха и его температуры (есть предположения о влиянии на рефракцию состояния магнитного поля земли и наличии возмущений на Солнце). Это влияние на расчет дальности видимости можно учесть, для него составлены специальные таблицы и есть расчетные формулы. Но в яхтинге этого почти никто не делает, а поэтому и мы не будем заострять внимание на рефракции.
Локсодромия и ортодромия в морской навигации.
Локсодромия — линия, пересекающая меридианы под одинаковым углом. Все обычные построения на морских навигационных картах производятся именно такими линиями, кроме построения дуги(ортодромии). На меркаторской карте локсодромия выражается прямой линией, но на земной поверхности это — кривая, причём расстояние между двумя точками на Земле по локсодромии не является кратчайшим. Но при яхтинге на относительно небольшие расстояния разница в морской навигации между локсодромией и кратчайшим расстоянием между пунктами относительно невелика, а построения кратчайшего расстояния, выражаемые на меркаторской карте кривой линией, достаточно сложны. Поэтому на практике яхтсмены чаще всего пользуются локсодромией. Только при большом расстоянии между начальной и конечной точками маршрута в морской навигации практикуется плавание по кратчайшему расстоянию (ортодромии, или дуге большого круга). Для общего развития — локсодромия, в переводе с древнегреческого, означает — косой бег. Есть мнение учёных натуралистов, что в природе животные, перемещаясь из одного места в другое, находящееся на прямой видимости (например, при преследовании хищником своей жертвы), бегают именно по локсодромии. Отсюда ещё одно её, сленговое, название — собачья кривая.
Ортодромия — дуга, проходящая через две точки на поверхности земного шара. Она и является кратчайшим расстоянием между такими двумя точками, отсюда и её название, опять же, в переводе с древнегреческого — прямой бег. Ортодромия пересекает меридианы под разными углами и на меркаторской карте изображается кривой, параметры которой в морской навигации рассчитываются. Расчёты эти достаточно сложны и редко применяются в яхтинге, а во время недельного чартера вообще никогда. Поэтому на них мы останавливаться не будем.
Обсервация — определение места судна в море по ориентирам, небесным светилам, линиям положения спутниковых или радионавигационных систем и т.п.
Обсервованное место (или обсервованная точка) — точка местоположения яхты на карте, нанесённая по результатам обсервации.
Счисление — комплекс действий яхтсмена в морской навигации, направленный на определение местоположения своего судна с использованием элементов его движения (курса, скорости), с учётом рассчитанного влияния внешних факторов (например, ветра и течения).
Счислимое место (или счислимая точка) — точка местоположения яхты, полученная только в результате счисления, без проведения обсервации.