Навигационното оборудване е от различни видове и модификации. Има системи, предназначени за използване в открито море, други са адаптирани за широката публика, използвайки навигатори в много отношения за развлекателни цели. Какво представляват навигационните системи?
Какво е навигация?
Терминът "навигация" е от латински произход. Думата навиго означава "плавам на кораб". Тоест, първоначално всъщност беше синоним на корабоплаване или навигация. Но с развитието на технологиите, които улесняват корабите да се движат в океаните, с навлизането на авиацията, космическите технологии, терминът значително разшири диапазона от възможни интерпретации.
Днес навигация означава процес, при който човек управлява обект въз основа на неговите пространствени координати. Тоест, навигацията се състои от две процедури - това е директно управление, както и погрешно изчисление на оптималния път на обекта.
Типове навигация
Класификацията на видовете навигация е много обширна. Съвременните експерти разграничават следните основни разновидности:
- автомобилостроене;
- астрономически;
- бионавигация;
- въздух;
- интервал;
- морски;
- радионавигация;
- сателит;
- под земята;
- информационен;
- инерционно.
Някои от горните типове навигация са тясно свързани - главно поради сходството на използваните технологии. Например, автомобилната навигация често използва инструменти, специфични за сателитите.
Съществуват смесени типове, в рамките на които се използват едновременно няколко технологични ресурса, като например навигационни и информационни системи. Като такива, сателитните комуникационни ресурси могат да бъдат ключови в тях. Въпреки това, крайната цел на тяхното участие ще бъде да предоставят на целевите потребителски групи необходимата информация.
Навигационни системи
Съответният тип навигационни форми, като правило, е система със същото име. Следователно има система за автомобилна навигация, морска, космическа и т.н. Дефиницията на този термин присъства и в експертната общност. Навигационната система, в съответствие с общоприетото тълкуване, е комбинация от различни видове оборудване (и, ако е приложимо, софтуер), които ви позволяват да определите позицията на обект, както и да изчислите неговия маршрут. Тук инструментариумът може да е различен. Но в повечето случаи системите се характеризират с наличието на следните основни компоненти, като:
- карти (обикновено в електронна форма);
- сензори, сателити идруги агрегати за изчисляване на координати;
- несистемни обекти, които предоставят информация за географското местоположение на целта;
- хардуерно-софтуерно аналитично устройство, което осигурява въвеждане и извеждане на данни, както и свързване на първите три компонента.
По правило структурата на определени системи е адаптирана към нуждите на крайните потребители. Някои видове решения могат да бъдат насочени към софтуерната част или, обратно, към хардуерната част. Например, популярната в Русия навигационна система Navitel е предимно софтуерна. Предназначен е за използване от широк кръг граждани, които притежават различни видове мобилни устройства - лаптопи, таблети, смартфони.
Навигация през сателит
Всяка навигационна система включва преди всичко определяне на координатите на обект - обикновено географски. Исторически погледнато, човешките инструменти в това отношение непрекъснато се подобряват. Днес най-модерните навигационни системи са сателитни. Тяхната структура е представена от набор от високоточно оборудване, част от което се намира на Земята, а другата част се върти в орбита. Съвременните сателитни навигационни системи са в състояние да изчисляват не само географските координати, но и скоростта на обекта, както и посоката на неговото движение.
Елементи за сателитна навигация
Съответните системи включват следните основни елементи: съзвездие от спътници, наземни устройства за измерване на координацията на орбитални обекти и обмен на информация с тях, устройства за крайния потребител(навигатори), оборудвани с необходимия софтуер, в някои случаи - допълнително оборудване за уточняване на географски координати (GSM кули, интернет канали, радиомаяци и др.).
Как работи сателитната навигация
Как работи сателитната навигационна система? В основата на работата му е алгоритъм за измерване на разстоянието от обект до спътници. Последните са разположени в орбита практически без да променят позицията си и затова техните координати спрямо Земята винаги са постоянни. В навигаторите са посочени съответните числа. Намирането на сателит и свързването към него (или към няколко наведнъж), устройството от своя страна определя неговото географско положение. Основният метод тук е да се изчисли разстоянието до сателитите въз основа на скоростта на радиовълните. Обект в орбита изпраща заявка до Земята с изключителна точност на времето - за това се използват атомни часовници. След като получи отговор от навигатора, спътникът (или група от тях) определя колко далеч е изминала радиовълната за такъв и такъв период от време. Скоростта на движение на обект се измерва по подобен начин - само измерването тук е малко по-сложно.
Технически затруднения
Определихме, че сателитната навигация е най-модерният метод за определяне на географски координати днес. Практическото използване на тази технология обаче е съпроводено от редица технически трудности. Какво, например? На първо място, това е нехомогенността на разпределението на гравитационното поле на планетата - това се отразява на положението на спътника спрямо Земята. Същото свойство се характеризира и сатмосфера. Нейната нехомогенност може да повлияе на скоростта на радиовълните, поради което може да има неточности в съответните измервания.
Друга техническа трудност - сигналът, изпратен от спътника към навигатора, често е блокиран от други наземни обекти. В резултат на това пълното използване на системата в градове с високи сгради е трудно.
Практическо използване на сателити
Сателитните навигационни системи намират най-широката гама от приложения. В много отношения - като елемент от различни търговски решения с гражданска ориентация. Това може да бъде както домакински устройства, така и, например, мултифункционална навигационна медийна система. Освен за гражданска употреба, сателитните ресурси се използват от геодезисти, картографи, транспортни компании и различни държавни служби. Сателитите се използват активно от геолозите. По-специално, те могат да се използват за изчисляване на динамиката на движението на тектоничните земни плочи. Сателитните навигатори се използват и като маркетингов инструмент - с помощта на анализи, които включват методи за геопозициониране, компаниите провеждат проучвания върху своята клиентска база, а също така, например, изпращат насочена реклама. Разбира се, военните структури също използват навигатори - те всъщност разработиха най-големите днес навигационни системи GPS и GLONASS - съответно за нуждите на американската армия и Русия. И това не е изчерпателен списък на областите, където могат да се използват сателити.
Модерна навигациясистеми
Кои навигационни системи в момента работят или се разгръщат? Нека започнем с тази, която се появи на световния публичен пазар преди други навигационни системи - GPS. Негов разработчик и собственик е Министерството на отбраната на САЩ. Устройствата, които комуникират чрез GPS сателити, са най-разпространените в света. Основно защото, както казахме по-горе, тази американска навигационна система беше представена на пазара преди съвременните си конкуренти.
ГЛОНАСС активно набира популярност. Това е руска навигационна система. Той от своя страна принадлежи на Министерството на отбраната на Руската федерация. Според една версия той е разработен около същите години като GPS - в края на 80-те - началото на 90-те. Въпреки това, той беше въведен на публичния пазар едва наскоро, през 2011 г. Все повече производители на хардуерни решения за навигация внедряват поддръжка на GLONASS в своите устройства.
Предполага се, че глобалната навигационна система "Beidou", разработена в Китай, може сериозно да се конкурира с ГЛОНАСС и GPS. Вярно е, че в момента той функционира само като национален. Според някои анализатори тя може да получи глобален статут до 2020 г., когато в орбита ще бъдат изведени достатъчен брой спътници - около 35. Програмата за развитие на системата Beidou е сравнително млада - започна едва през 2000 г., а първият спътник е разработен от китайски разработчицистартира през 2007 г.
Европейците също се опитват да се справят. Навигационната система ГЛОНАСС и нейният американски аналог може да се конкурират с GALILEO в обозримо бъдеще. Европейците планират да разположат съзвездие от спътници в необходимия брой единици орбитални обекти до 2020 г.
Сред другите обещаващи проекти за разработване на навигационни системи може да се отбележи индийската IRNSS, както и японската QZSS. По отношение на първата широко рекламирана публично информация за намеренията на разработчиците да създадат глобална система все още не е налична. Предполага се, че IRNSS ще обслужва само територията на Индия. Програмата също е доста млада – първият спътник беше пуснат в орбита през 2008 г. Японската сателитна система също се очаква да се използва предимно в рамките на или в съседство с националните територии на развиващата се страна.
Точност на позициониране
По-горе отбелязахме редица трудности, които са от значение за функционирането на сателитните навигационни системи. Сред основните, които назовахме – разположението на спътниците в орбита, или тяхното движение по дадена траектория, не винаги се характеризира с абсолютна стабилност поради редица причини. Това предопределя неточности при изчисляването на географските координати в навигаторите. Това обаче не е единственият фактор, влияещ върху правилното позициониране с помощта на сателит. Какво друго влияе върху точността на координатните изчисления?
На първо място, заслужава да се отбележи, че самите атомни часовници, които са инсталирани на сателити, не винаги са абсолютно точни. Възможни са, макар и достамалки, но все пак засягащи качеството на грешките в навигационните системи. Например, ако се направи грешка на ниво от десетки наносекунди при изчисляване на времето, през което се движи радиовълна, тогава неточността при определяне на координатите на наземен обект може да бъде няколко метра. В същото време съвременните спътници разполагат с оборудване, което позволява да се извършват изчисления, дори като се вземат предвид възможни грешки в работата на атомните часовници.
По-горе отбелязахме, че сред факторите, влияещи върху точността на навигационните системи, е хетерогенността на земната атмосфера. Би било полезно този факт да се допълни с друга информация относно влиянието на близките до Земята региони върху работата на спътниците. Факт е, че атмосферата на нашата планета е разделена на няколко зони. Тази, която всъщност е на границата с откритото пространство - йоносферата - се състои от слой от частици, които имат определен заряд. Те, сблъсквайки се с радиовълни, изпратени от спътника, могат да намалят скоростта си, в резултат на което разстоянието до обекта може да се изчисли с грешка. Имайте предвид, че разработчиците на сателитна навигация също работят с този вид източник на комуникационни проблеми: алгоритмите за работа на орбиталното оборудване, като правило, включват различни видове коригиращи сценарии, които отчитат особеностите на преминаването на радиовълни през йоносфера в изчисленията.
Облаците и други атмосферни явления също могат да повлияят на точността на навигационните системи. Водните пари, присъстващи в съответните слоеве на земната въздушна обвивка, точно както частиците в йоносферата, влияят на скоросттарадиовълни.
Разбира се, що се отнася до домашното използване на ГЛОНАСС или GPS като част от такива устройства като например навигационна медийна система, чиито функции са до голяма степен забавни, тогава има малки неточности при изчисляването на координатите не критично. Но при военното използване на спътници съответните изчисления трябва в идеалния случай да съответстват на реалното географско местоположение на обектите.
Характеристики на морската навигация
След като говорим за най-модерния тип навигация, нека направим кратко отклонение в историята. Както знаете, въпросният термин за първи път се появи сред навигаторите. Какви са характеристиките на морските навигационни системи?
Говорейки за исторически аспект, може да се отбележи еволюцията на инструментите, с които разполагат моряците. Едно от първите „хардуерни решения“е компасът, който според някои експерти е изобретен през 11 век. Картографирането, като ключов инструмент за навигация, също е подобрено. През 16-ти век Жерар Меркатор започва да рисува карти, базирани на принципа на използване на цилиндрична проекция с равни ъгли. През 19 век е изобретен дънер - механична единица, способна да измерва скоростта на корабите. През ХХ век радарите се появяват в арсенала на моряците, а след това и космическите комуникационни спътници. Днес функционират най-модерните морски навигационни системи, като по този начин се възползват от ползите от изследването на космоса от човека. Какво е естеството на тяхната работа?
Някои експерти вярват в товаОсновната характеристика, която характеризира съвременната морска навигационна система е, че стандартното оборудване, инсталирано на кораба, има много висока устойчивост на износване и вода. Това е съвсем разбираемо – невъзможно е кораб, който е тръгнал на открито плаване на хиляди километри от сушата, да попадне в ситуация, в която оборудването внезапно откаже. На сушата, където са налични ресурсите на цивилизацията, всичко може да се поправи, но в морето е проблематично.
Какви други забележителни характеристики има морската навигационна система? Стандартното оборудване, в допълнение към задължителното изискване - устойчивост на износване, по правило съдържа модули, пригодени за фиксиране на определени параметри на околната среда (дълбочина, температура на водата и др.). Също така скоростта на кораба в морските навигационни системи в много случаи все още се изчислява не чрез сателити, а по стандартни методи.
