Прибор для определения места где находится корабль. Определение места корабля в море. Астрономия на морской службе
Определение местоположения судна
Поговорим о нескольких простейших, но очень нужных, способах определения местоположения яхты в море. Задача простая, но крайне важная для вашей безопасности. Ее можно условно разделить на два случая:
1. Вы ведете яхту в видимости берегов и навигационных знаков, которые обозначены на вашей карте.
2. Вы ведете яхту в открытом море в отсутствии всяких ориентиров.
К слову, если курс проходит вблизи берега, но в условиях ограниченной видимости (например, ночью или в плотном тумане), то способ определения местоположения будет относиться скорее ко второму случаю.
Итак, мы совершаем прибрежное плавание и яхта не теряет из виду сушу (или знаки навигационной обстановки). Для нас важно, что в момент определения нашего местоположения мы видим необходимое количество ориентиров, которые можем идентифицировать на карте.
И еще вопрос, который необходимо обсудить. Мы живем в XXI в., и развитие электронных средств навигации достигло фантастических высот. И если полагаться только на электронику, то судовождение оказывается не сложнее компьютерной игры – требуется лишь изучение прилагаемой к прибору инструкции.
Но обратите внимание на одно обстоятельство: по законам любой страны все суда, выходящие в море, – торговые, военные и спортивные, парусные и моторные – обязаны иметь на борту полный комплект традиционных средств навигации: комплект бумажных карт, прокладочный инструмент, секстан, лоции и т.д. Штурманы, шкиперы и капитаны обязаны вести прокладку на традиционных картах во время любого морского перехода. Должен сказать, что я полностью согласен с этим порядком. Необходимо понимать, что море – это враждебная человеку стихия, и он находится с ней один на один.
Неужели можно безоговорочно доверить жизнь людей на борту, жизнь и судьбу яхты небольшой пластиковой коробочке с электронной начинкой?! Морской воздух – это очень агрессивная среда, которая рано или поздно выведет из строя тонкую микроэлектронику; рано или поздно вы забудете взять на борт запасной комплект батарей для нее; на GPS могут попасть морские брызги, дождь; в мачту может ударить молния и вывести из строя всю электронику, – в конце концов, по теории надежности любой прибор может выйти из строя сам по себе – и что делать?
Жизнь показала, что знание навигации и устойчивые навыки в кораблевождении традиционными методами просто необходимы любому человеку, который выходит в море как штурман, шкипер или капитан.
Поэтому перейдем, собственно, к способам определения местоположения судна традиционными методами.
1. Счисление, или Dead Reconing
Представьте себе, что яхта идет в открытом море и нет никаких видимых ориентиров. Чтобы понять принцип метода, предположим, что в 10.00 наша яхта находилась в точке А, которую мы нанесли на карту. Скорость яхты 7 узлов (мы ее прочитали с судового лага), истинный курс 045ºТ (считали с путевого компаса и учли магнитное склонение). Мы хотим определить, где будет находиться яхта в 11.30. Естественно, по условиям нашей задачи с 10.00 до 11.30 яхта идет, не меняя курса (045ºТ) (см. рис. 1
), с постоянной скоростью (7knt
). Пройденный путь вычисляем по элементарной формуле:
D
= S
х t
, где
D
– путь, пройденный в милях;
S
– скорость лодки в узлах;
t
– время в часах.
D
= 7knt
х 1,5 = 10,5 n.m.
Рис. 2
Это и есть в простейшем случае счисленное местоположение нашей яхты (обозначается знаком + и буквами DR с указанием времени).
Рис. 3
Но этот способ можно применять в том случае, когда точно известны предыдущие координаты яхты (fix ), ее скорость и курс, а также отсутствует дрейф, связанный с ветром и течениями.
2. Estimate Position (EP)
В случае если известны направление и скорость течения, мы можем простым графическим методом нанести точку местоположения яхты на карту. Допустим, при вычислении DR в п.1 (см. рис. 4 ) мы узнали из атласа приливных течений, что с 10.00 до 11.30 в районе плавания существовало течение скоростью 3 узла и направлением 110ºТ. Пожалуйста, запомните, что течение всегда течет «в» указанном направлении, в отличие от ветра, который всегда дует «из» указанного направления.
Рис. 4
Итак, используя принцип независимости движений, известный из школьного курса физики (он говорит о том, что любое движение тела можно представить как векторную сумму простых прямолинейных перемещений), из точки DR 11.30 отложим с помощью прокладчика направление 110ºТ (см. рис. 5 ). Обратите внимание, что вектор течения обозначается именно так, как на рисунке.
Рис. 5
Затем вычислим длину вектора, время движения яхты: 1,5 часа = 90 min, скорость течения – 3 узла (knts ). Значит, за время движения с 10.00 до 11.30 яхта сместилась в направлении 110ºТ под влиянием течения на: 3 узла х 1,5 часа = 4,5 морских мили. Откладываем на отрезке измерителем 4,5 n.m. и получим точку EP 11.30 (стандартный символ) (см. рис. 6 ). Это и есть вычисленное положение нашей яхты в 11.30, которая с 10.00 из точки А двигалась курсом 045ºТ со скоростью 7 knt под влиянием течения направлением 110ºТ и скоростью 3 knt . Дальнейшую прокладку курса мы должны делать уже из точки EP 11.30. Также мы выполнили задачу – мы знаем, где находится яхта.
Рис. 6
3. FIX
Определенное местоположение судна в данный момент времени обозначается английским термином FIX . Существует много способов его определения. Мы рассмотрим наиболее широко применяемый и общий способ: нахождение FIX – A по двум и более компасным пеленгам (лучше трем).
Допустим, наша яхта идет курсом 0ºЕ (360º) со скоростью 7 knots . Вы проходите участок берега, где ясно и отчетливо видите маяк А , маяк В и небольшой остров С . Время 10.15, а последняя EP была определена в 9.30 (см. рис. 7 ).
Рис. 7
Обратившись к карте района, вы должны абсолютно безошибочно идентифицировать выбранные ориентиры А, В и С с их изображением на карте. (Все наземные объекты, изображенные на навигационной карте, ясно видны с моря (днем и ночью) и могут использоваться для навигации.) На картах всегда изображаются видимые с моря маяки, водонапорные башни, высокие, отдельно стоящие здания, радиомачты и т.д.
С помощью ручного компаса-пеленгатора возьмем магнитные пеленги на выбранные ориентиры А, В и С (см. рис. 8 ). Мы понимаем, что, для того, чтобы нанести на карту магнитный пеленг, мы должны преобразовать его в истинный, используя поправку на магнитное склонение.
Рис. 8
Напомним правило: при переходе от магнитного пеленга к истинному западное склонение вычитается, а восточное прибавляется.
Давайте положим, что после того, как мы взяли пеленги поочередно на маяк А , маяк В и остров и пересчитали их в истинные пеленги, мы получили следующие значения:
Истинный пеленг на маяк А
– 045ºТ
Истинный пеленг на маяк В
– 90ºТ
Истинный пеленг на остров С
– 135ºТ
С помощью прокладчика отложим эти истинные пеленги от наших объектов А, В, С, как показано на рис. 9 .
Рис. 9
Как мы видим, пеленги пересеклись не в одной точке, а образовали некий треугольник (hat
). Это произошло из-за небольших ошибок во взятии пеленгов. Зато можно сказать, что яхта находится в 10.15 где-то внутри этого треугольника. Для наших целей такой точности вполне достаточно – мы нашли FIX
. Запомните, пожалуйста, несколько правил, которые необходимо соблюдать для того, чтобы FIX
вашей яхты было как можно точнее:
1. выбирайте для взятия пеленгов ближайшие, более отчетливо видимые объекты;
2. старайтесь, чтобы углы между объектами были не слишком острыми или слишком тупыми (оптимальные углы лежат в диапазоне 30–110º);
3. берите пеленги как можно точнее;
4. если скорость яхты большая (например, моторная яхта), то старайтесь взять пеленги за как можно меньший промежуток времени, чтобы уменьшить ошибку, вызванную перемещением яхты за это время.
Конечно, существуют еще много способов определения FIX , например, с помощью радара, с использованием створных объектов, измеренной секстаном высоты объектов, астрономические методы и т.д. Эти способы выходят за рамки нашего курса для «чайников».
Пожалуй, необходимо упомянуть о наиболее простом способе взятия FIX с помощью GPS – ваш GPS просто покажет вам координаты судна – нанесите их правильно на карту и поставьте время.
Навигация для "чайников". (Урок 4)
Спасительный крюйс-пеленг
Один очень опытный яхтсмен как-то рассказывал мне, что много лет назад на небольшой яхте он попал в пятидневный шторм в Средиземном море. Электрооборудование яхты вышло из строя на второй день шторма из-за удара молнии, батареи карманногоGPS исчерпали свой ресурс чуть позже, небо было затянуто тучами, так что возможности получить фикс, используя астронавигацию, не предоставлялось, да и как использовать секстан на маленькой яхте (32 фута) при высоте волны 5-6 метров?! Пять дней и ночей ветер силой 8-9 баллов свирепствовал и несколько раз менял свое направление, и о местоположении яхты можно было с уверенностью сказать только то, что она где-то в Средиземном море.
И вот на пятый вечер сквозь дождь и брызги волн шкипер заметил поблескивающий красный огонь. Заметив период огня, по справочнику огней шкипер определил маяк, а затем, несмотря на сильное волнение, используя метод крюйс-пеленга, определил свое местоположение с точностью до одной морской мили!
Итак, мы имеем только один видимый объект, который можем надежно идентифицировать на карте. В пределах нашей видимости, например, один маяк или знак навигационной обстановки, или маленький остров, мыс, скала, радиомачта.
В этом случае для определения местоположения яхты мы можем использовать метод, который называется running fix, или крюйс-пеленг. Метод основан на том, что мы берем два пеленга на один объект в разные моменты времени. Необходимым условием применения этого метода является сохранение скорости и курса яхты по крайней мере в течение промежутка времени между взятием первого и второго пеленга на этот объект.
Давайте посмотрим, как это выглядит на практике. Предположим, наша яхта идет истинным курсом 080°Т со скоростью 8 узлов. Мы ясно и четко видим скалу (rock ), обозначенную на нашей карте. С помощью компаса пеленгатора (hand bearing compass ) в 0900 берем пеленг на эту скалу и, учитывая магнитное склонение, пересчитываем его в истинный и наносим на карту. Обратите внимание, что курс (080°Т) мы прокладываем на карте в произвольном месте, так как мы пока не знаем, где находится яхта.
Допустим, первый пеленг, взятый нами в 0900 равен 45°М. Магнитное склонение положим равным 07°30"W . Пересчитываем магнитный пеленг в истинный: 045°М - 07°30"W = 37°30"T. Наносим его на карту. Продолжаем идти, скажем, 30 минут, стараясь как можно точнее держать курс 080°Т и сохраняя скорость 8 узлов. В 0930 берем второй пеленг на эту скалу. Положим, он равен 015°М. Пересчитываем его в истинный: 015° - 07°30"= 07°30"Т и наносим на карту –см. рис 1 .
Рис. 1
За 30 минут (время между взятием первого и второго пеленга) наша яхта прошла 4 морские мили курсом 80°Т. На линии курса от точки ее пересечения с первым пеленгом откладываем пройденное расстояние (4 морские мили). Переносим первый пеленг параллельно самому себе в эту точку. Точка пересечения пеленга, взятого в 0930, и перенесенного пеленга и есть местоположение нашей яхты в 0930, или RF 0930 (running fix ), --см. рис. 2 ирис. 3 .
Рис. 2
Рис. 3
Точность этого метода зависит от того, насколько точно вы можете держать курс, скорость и, естественно, насколько точно возьмете два пеленга. На относительно спокойной воде и при хорошо выверенном лаге этим методом можно получить фикс практически с точностьюGPS .
Еще два столетия назад работа со сложными навигационными приборами была уделом высоких профессионалов. В наши дни любой обладатель продвинутого мобильного телефона может в считанные секунды определить свое место на поверхности земли.
На первом этапе мореплавания лодки и суда от берега далеко не отходили. Пересечь реку или озеро, сократив путь, или обойти занятый враждебным племенем край по морю вдоль берега - дело практическое и понятное, но вот пуститься в плавание по неведомому морю-океану - это уже другой коленкор, согласитесь.
Первыми навигационными ориентирами стали заметные с воды знаки: поморы, например, ставили каменные кресты, поперечные перекладины которых были ориентированы в направлении север - юг. А ночью можно использовать простейшие маяки - сигнальные костры, зажигавшиеся для облегчения ориентирования или предупреждения об опасности (мель, риф, сильное течение и пр.).
О маяках упоминается уже в «Илиаде» Гомера, а самый знаменитый маяк - Александрийский - появился в III веке до н. э. на острове Фарос, в устье Нила на подходе к Александрии. Его высота составляла 120 м. На верхней площадке круглосуточно горел громадный костер, свет которого отражался сложной системой зеркал и был виден, по данным историков, на расстоянии 30 миль (около 55 км). Другой пример навигационного знака древности - статуя Афины, установленная в V веке до н. э. на Акрополе: она была выполнена из бронзы, и в лучах солнца была далеко видна с моря.
С ростом масштабов мореплавания возникла необходимость систематизировать и передавать навигационные знания. И вот уже древние греки создают периплы - описания прибрежных плаваний в разных районах, куда заносилось все, начиная от погоды и заканчивая описанием береговой линии и нравов туземных племен. Самый древний дошедший до нас перипл - карфагенянина Ганнона, он датируется рубежом VI–V веков до н. э. Фактически перипл - это древний вариант современной лоции. Своя лоция была и у неграмотных народов: такие знания они передавали в виде устных сказаний и даже песен. Лишь в XIII веке появились более точные карты-портоланы с нанесенными компасными линиями, расходившимися из отдельных точек, так называемые розы ветров, применявшиеся для прокладки курсов.
Сколько футов под килем?
Для определения, а точнее, опознания места корабля можно использовать и полученную с помощью эхолота глубину. Применяют такой способ, когда во время плавания длительное время нет возможности выполнить обсервацию - скажем, плохая видимость или неисправен приемник спутниковой навигационной системы - и существуют сомнения в правильности счисления.
В этом случае как только на берегу открывается хоть один известный и нанесенный на карту ориентир, на него тут же берут пеленг и одновременно эхолотом замеряют глубину. После исправления компасного пеленга поправкой компаса на карте откладывают обратный истинный пеленг и затем смотрят, где в пределах проведенной линии окажется глубина, полученная по эхолоту. Можно также замерить глубину ручным лотом - в этом случае будет получен еще и образец грунта, что облегчит опознание места. Там, где глубина и тип грунта совпадут с пеленгом, - текущее место корабля.
Первые документальные подтверждения использования замеров глубины для определения места относятся ко времени Геродота - древнегреческие мореплаватели знали, что если при плавании в Египет по Средиземному морю глубина под килем уменьшается до определенного значения, то до Александрии остается день пути.
Углы и расстояния
Координаты корабля могут быть двух типов: относительные (относительно какого-либо хорошо известного ориентира) и абсолютные (географические широта и долгота). Вторыми стали пользоваться не так давно, а относительные координаты применяли уже в незапамятные времена, потому как они просто необходимы даже в ходе непродолжительного плавания вдоль берега - они позволяют прийти в нужное место и сделать это безопасно, не сев на мель или рифы и не пропустив «нужный мыс». Способы определения места, использовавшиеся древними мореходами, в ряде случаев дошли до наших дней без каких-либо изменений.
Самым простым и древним способом являются визуальные определения: по пеленгам (это направление по компасу, или румб, в котором виден от нас некий объект), расстояниям и горизонтальным углам между направлениями на береговые ориентиры. Есть несколько вариантов подобного способа определять свое местоположение.
По двум пеленгам. Простой способ определения местонахождения по надежно опознаваемым и нанесенным на используемую при плавании карту ориентирам (их подбирают с помощью карты, лоции и пособия «Огни и знаки»). При этом необходимо выбирать ориентиры с разностью пеленгов не менее 30° и не более 150°, чтобы не получать пересечения пеленгов под острыми углами (это увеличивает погрешность). Пеленгование выполняют быстро, начиная с ориентиров, расположенных прямо по курсу или близко к тому (пеленг на них меняется медленнее), а ночью - с огней (маяков), имеющих больший период. Измеренные пеленги исправляют до истинных поправкой используемого для измерений компаса (поправка представляет собой алгебраическую сумму склонения и магнитной девиации) и в обратном направлении прокладывают на карте (так называемый обратный истинный пеленг, отличающийся от истинного на 180°). В месте их пересечения и находится навигатор.
По трем пеленгам. Способ схож с предыдущим, но дает большую надежность и точность - примерно на 10–15%. Обычно откладываемые в таком случае обратные пеленги не пересекаются в одной точке, а образуют треугольник. Если он небольшой, со сторонами менее полумили (около 0,9 км), то считают, что судно находится в его центре или ближе к наименьшей стороне, а если большой - измерения необходимо повторить.
По двум разновременно измеренным пеленгам на один ориентир (крюйс-пеленг). Применяемые в этом случае вычисления выходят за рамки данной статьи, но их подробное объяснение можно найти в любом доступном учебнике по навигации.
По расстояниям. В этом случае на карте от ориентиров проводят окружности с радиусом, равным расстоянию до ориентира. В месте пересечения кругов и находится наблюдатель. Если виден от основания или уреза воды ориентир с известной высотой, то расстояние до него определяют специальной формулой по вертикальному углу, измеряемому секстаном, а высотой глаза наблюдателя над уровнем воды пренебрегают. Естественно, что точность измерений повышается при наличии трех ориентиров.
Сегодня в качестве ориентиров для определения местоположения применяются и радиолокационные станции - здесь чаще всего определяют место по измеряемым радиолокатором расстояниям, это точнее, чем измерение радиолокационных пеленгов. В целом нет никаких принципиальных отличий у обычных визуальных и радиолокационных способов обсервации. Просто нужно хорошо уметь «читать» изображение на экране радиолокатора, чтобы как можно более точно идентифицировать используемые для обсервации ориентиры. Ведь обычная карта «рисуется» как бы с видом сверху, а карта на экране радиолокатора - при помощи радиолокационного луча, «рисующего» карту на уровне моря. Одна ошибка в опознании берегового ориентира может привести (и приводила) к серьезным авариям.
В поисках Гринвича
До конца XIX века точкой отсчета долготы служили разные места, например, остров Родос, Канарские острова, острова Зеленого Мыса. После утверждения в 1493 году папой Александром VI линии раздела сфер влияния Испании и Португалии, проходившей в 100 лигах западнее Азорских островов, многие картографы отсчитывали долготу от нее. А испанский король Филипп II в 1573 году повелел на всех испанских картах вести отсчет долготы от меридиана города Толедо. Попытка установить для Европы единую точку отсчета долготы была предпринята в 1634 году, но потерпела фиаско. В 1676-м начала работу Гринвичская обсерватория, а в 1767-м в Британии был издан «Морской альманах» (с отсчетом меридианов от Гринвича), которым пользовались моряки из разных стран. К началу 1880-х годов «гринвичскую» систему на своих морских картах применяли уже 12 европейских государств. Наконец, по результатам Международной меридианной конференции 1884 года было принято решение вести всем отсчет от Гринвича. Кстати, на конференции предлагались и другие варианты начальной точки - острова Ферро и Тенерифе, пирамида Хеопса или один из храмов Иерусалима.
Путеводные звезды
Береговые ориентиры бесполезны в открытом море. Но уже в древние времена мореплаватели путешествовали по Индийскому океану, а затем и пересекали Атлантический и Тихий с одного континента на другой. Такие плавания стали возможны благодаря новой науке - мореходной астрономии. Осознав, что Солнце совершает постоянное движение по небосводу, а звезды разбросаны по небу отнюдь не в беспорядке, мореплаватели вскоре научились ориентироваться по ним.
Их особое внимание привлекала примечательная звезда в созвездии Малой Медведицы. Ее положение на небе было практически неизменным, это был своего рода небесный маяк, по которому можно было ориентироваться в ночное время. В древние времена звезду называли Финикийской (считается, что именно финикийцы первыми научились ориентироваться по звездам), Путеводной, а затем она стала Полярной. Причем в древности научились не только определять направление по Полярной звезде, но и исходя из ее высоты над горизонтом рассчитывать оставшееся до конца плавания время.
Примерно в VI–V веках до н. э. на кораблях стали применять гномон - вертикальный шест, по соотношению длины и отбрасываемой тени которого определяли время и вычисляли угловую высоту Солнца над горизонтом, что позволяло вычислить широту (но сначала, разумеется, надо вычислить «полдень» - кратчайшую длину тени за солнечный день, то есть при использовании гномона его нельзя перемещать хотя бы день). Предполагают, что для навигационных целей его впервые использовал греческий купец Пифей из Массилии (нынешний Марсель), который в IV веке до н. э. нарушил запрет и вышел за Геркулесовы столбы, отправившись на север. Поскольку на ходу гномон бесполезен, он высаживался на берег и там определял с его помощью широту с точностью до нескольких минут. Аналогичным способом контролировали свое местонахождение на нужной параллели в море и викинги.
Примерно в III–II веках до н. э. появляется астролябия (от греческих слов άστρου - «звезда» и λαβή - «взятие, схватывание»), пока в сухопутном, весьма громоздком и сложном варианте. Настоящая морская, или, как ее еще называют, «новая», астролябия была изобретен а лишь на рубеже 1000 года н. э. Она представляла собой кольцо с приспособлением для подвешивания, где отвес от точки подвеса фиксировал вертикальную линию - по ней определяли горизонтальную линию и центр. Вокруг центральной оси вращался поворотный визир-алидада с диоптрами (маленькими отверстиями) на концах, на кольце со стороны алидады наносились градусные деления. Наблюдения вели втроем: один держал инструмент за кольцо, второй измерял высоту светила, становясь при этом к Солнцу спиной и поворачивая алидаду так, чтобы верхняя визирная нить бросала тень на нижнюю (это означало, что визир точно направлен на Солнце), а третий моряк снимал отсчет. Ночью по астролябии определяли высоту Полярной звезды.
В XV–XVI веках появились новые навигационные инструменты - астрономическое кольцо и градшток. Первое (одна из разновидностей астролябии) вместо алидады имело коническое отверстие, попадавшие в него солнечные лучи отражались в виде зайчика на градусной шкале, помещенной на внутренней стороне кольца - место зайчика соответствовало высоте Солнца. Градшток (посох Иакова, астрономический луч, золотой жезл, геометрический крест и пр.) - наиболее удобный при качке инструмент - два взаимно перпендикулярных стержня: длинный (80 см, шток) и короткий (брусок), последний плотно прилегал к длинному под прямым углом и мог свободно скользить вдоль него. На штоке наносились деления, на концах бруска - диоптры, а на конце штока - мушка для глаза. Определить высоту звезды можно было, глядя в глазную мушку, передвигая брусок и добиваясь такого положения, чтобы в верхнем диоптре была видна звезда, а в нижнем - горизонт. Для наблюдения за Солнцем навигатор вставал к нему спиной и передвигал брусок, пока тень его верхнего конца не падала на маленький экран, устанавливаемый вместо мушки на конец длинного штока (середина экрана направлялась на линию видимого горизонта). С помощью одного короткого бруска нельзя было измерить все высоты светил, поэтому к градштоку прилагалось несколько брусков, обычно три, для измерения высот: 10–30°, 30–60° и более 60°. Применяли градшток только в море, точность была не
выше 1–2°.
Наконец, в XVIII веке появляется один из самых известных навигационных приборов - секстан, наследник градштока. После ряда последовательных «мутаций» - квадрант Дэвиса (1594), октант Джона Хэдли (1731), дававший погрешность всего 2–3 минуты, - на свет появился (1757) прибор Джона Кэмпбелла, увеличившего в октанте Хэдли сектор с 45 до 60°: так октант стал секстантом, или секстаном (от латинского sexstans, шестая часть окружности). В секстане центральный диоптр заменен зеркалом, которое позволяет визировать сразу два предмета, расположенных по разным направлениям, скажем, горизонт и Солнце (звезду). Секстан благодаря большей точности измерений более 200 лет назад вытеснил на судах другие угломерные инструменты и продолжает службу в качестве основного ручного прибора.
«Убийственная» долгота
Если с широтой мореплаватели разобрались еще в древние времена, то проблема определения в море долготы места оказалась более серьезной, и ее сколько-нибудь удовлетворительного решения не удавалось найти вплоть до конца XVIII века. Скажем, возвратившийся домой после открытия Америки Колумб обнаружил, что ошибка в измерениях на его корабле долготы составила целых 400 миль. Не избежал ошибки и французский гидрограф Ив-Жозеф де Кергелен. Он отправился в январе 1772 года из Порт-Луи на Маврикии без хронометра, а потому открытый и названный в его честь архипелаг был нанесен на карту с ошибкой в 240 миль (около 450 км)! Определить же долготу по небесным светилам (как в случае с широтой) не представлялось возможным: при движении на запад или восток картина звездного неба практически не меняется.
Конечно, принцип определения долготы был известен еще Гиппарху - разность долгот двух точек на земной поверхности соответствует разнице местного времени при одновременном наблюдении момента какого-либо одного события в двух данных точках. Гиппарх предлагал считать таким событием затмение Луны, происходившее в один и тот же момент времени для всех его наблюдателей на Земле. Но затмения случаются редко, фиксация затмения тоже дело непростое, поскольку границы тени очень нечетки.
Нельзя было реализовать на судах в открытом море и принцип определения долготы по методу «лунных расстояний», предложенному в середине XV века профессором Венского университета Иоганном Мюллером, более известным под псевдонимом Региомонтан. Он издал знаменитые «Эфемериды», содержащие полные и точные астрономические сведения, в том числе и данные для определения широты и долготы в море по методу «лунных расстояний». По составленным им таблицам для любого угла, измеренного в градусах и минутах, можно было непосредственно получить значение синуса. Это означало, что, измерив угол светила с точностью до 1", можно было определить широту с точностью до двух километров. Однако известные тогда угломерные инструменты такой точности не давали, да и теми, что были, нельзя было пользоваться при морской качке. Наконец, в 1530 году астроном и математик Гемма Фризий предложил метод определения долготы, основанный на использовании часов: надлежало брать с собой из пункта отправления часы с местным временем и «хранить» это время во время плавания, а при необходимости вычислять долготу - астрономическим способом определить местное время и, сравнив его с «хранимым», получить искомую долготу. Совет всем хорош, но точных механических часов тогда попросту не было, а ошибка часов на широте экватора всего в минуту давала ошибку по долготе в 15 миль.
Например, в 1707 году также в результате штурманской ошибки на камнях вблизи островов Силли погиб 21 корабль эскадры адмирала Клаудисли Шовела - вместе с адмиралом утонули около 2000 человек! Одной из причин этого было неумение определять долготу. 8 июля 1714 года британский парламент принял постановление, которое в том числе гарантировало вознаграждение тому, кто решит проблему определения долготы в море: с точностью не менее 0,5° или 30 миль - 20 000 фунтов (на сегодня это более полумиллиона фунтов). Два года спустя специальный приз «определителю долготы» был установлен и во Франции.
В британский совет «по вопросам долготы» поступила масса заявок - разбогатеть мечтали многие, но ни одна одобрена не была. Были и курьезы. Математики Хамфри Диттон и Уильям Уистон еще в 1713 году предложили такой способ: на наиболее оживленных морских путях установить через определенные интервалы на якорях суда, измерив их географические координаты. Ровно в полночь по местному времени острова Тенерифе суда должны были производить залп из мортир вверх с таким расчетом, чтобы снаряды взрывались точно на высоте 2000 м. Проплывавшие мимо суда должны были измерять пеленг на такой сигнал и дальность, определяя тем самым свое место. Охотников «освоить бюджет» было вдоволь и в те годы.
А получил большую часть суммы, причитающейся за решение проблемы долготы, в 1735–1765 годах 72-летний механик, сын сельского плотника Джон Харрисон, прозванный Джон Долгота, который создал высокоточные часы-хронометр, позволявшие надежно «хранить время» (в них уже не было маятника, а были балансиры, и они могли работать на борту корабля) и, соответственно, достаточно точно измерять долготу. Во Франции королевский приз «за хронометр» был вручен Пьеру Леруа, королевскому часовщику. Хронометры даже получили второе название - «долготные часы». Их массовый выпуск был начат только на рубеже XVIII–XIX веков, что и можно считать временем решения «долготной» проблемы.
С тех пор как корабли - творения рук человеческих - начали бороздить моря и океаны, перед навигаторами стояла задача определения собственного местонахождения. Огромные волны, шквалы и необходимость маневрировать галсами, держа встречный ветру курс, усложняли многодневные плавания, и одного лишь компаса стародавним мореходам не хватало. Сегодня, когда определение местоположения судна производится автоматически благодаря ГЛОНАСС, трудно представить себе положение капитана, имеющего в своем распоряжении только нехитрые приспособления для ориентации по звездам. Тем не менее и сегодня выпускники профильных средних и высших специализированных учебных заведений владеют всеми этими приборами.
Основные методы морской локации
Двухкоординатное определение судна в (локация) производится семью видами способов, в числе которых:
- Самый древний - визуальный.
- Более поздний, но ненамного - астрономический.
- Топографическо-вычислительный, то есть метод нанесения на карту полного пути судна с указанием точек изменения курса и расчета пройденного расстояния через перемножение скорости на время. Изобретен примерно в то же время, что и астрономический способ, и часто применяется вместе с двумя предыдущими. Сегодня рутинную работу выполняют автоматические счислители;
- Радиолокационный, позволяющий совмещать картину на экране радара с морской картой.
- Радиопеленговый. Доступен в тех случаях, когда на берегу есть источники сигнала.
- Радионавигационный, с использованием средств связи, по которым штурман получает нужную ему информацию.
- Спутнико-навигационный метод.
Все методы, кроме первых трех, стали следствием технологической революции, произошедшей в XX веке. Они были бы невозможны без открытий и изобретений, сделанных человечеством в области радиотехники, электроники, кибернетики и прорыва в космической сфере. Сейчас совсем несложно вычислить точку в океане, в которой находится судно, определение его координат занимает считанные секунды, и, как правило, они отслеживаются в непрерывном режиме. Примерно эти же технологии применяются в авиационной навигации и даже в такой «приземленной» области, как вождение автомобиля.
Широта
Как известно, земля не плоская, она имеет форму несколько сплюснутого шара. Точки на объемной фигуре, казалось бы, должны описываться тремя эвклидовыми координатами, но географам и штурманам вполне хватает и двух. Для того чтобы произвести топографическое определение судна, нужно назвать всего две цифры, сопровождаемые словами «северной» (или «южной») широты (сокращенно с.ш. или ю.ш.) и западной или «восточной» долготы (иначе - з.д. или в.д.). Значения эти измеряются в градусах. Все очень просто. Широты считаются от экватора (0°) до полюсов (90°) с указанием, в какую сторону: если ближе к Антарктиде, то указывается южная широта, а если к Арктике, то северная. Точки одной и той же широты образуют окружности, называемые параллелями. Каждая из них имеет разный диаметр - от самого большого на экваторе (примерно 40 тыс. километров) до нулевого на полюсе.
Долгота и меры длины
Определение места судна невозможно по одной координате, поэтому есть и вторая. Долгота представляет собой условный номер меридиана с указанием опять же стороны, в которую ведется отсчет. Круг делится на 360°, две его половины, соответственно, равны 180. Нулевым считается Гринвичский меридиан, проходящий через знаменитую британскую обсерваторию. С другой стороны планеты расположен его антипод - 180-й. Обе эти координаты (0° и 180°) указываются без названия направления долготы.
Кроме градусов есть еще и минуты - они указывают положение предметов с большей в 60 раз точностью. Так как все меридианы имеют равную длину, именно они стали мерой длины у моряков. Одна соответствует одной минуте любого меридиана и равна 1,852 км. Метрическую систему ввели намного позже, поэтому штурманы судов используют старую добрую английскую милю. Также применимы такие единицы, как кабельтов - он равен 1/10 мили. Что удивительно, ведь раньше англичане чаще считали дюжинами, чем десятками.
Визуальный способ
Как ясно из названия, метод основан на том, что видят штурман и капитан, а также другие члены команды, находящиеся на палубе или снастях. Раньше, во времена парусных флотов, была должность вперед смотрящего, пост этого матроса размещался на самом верху, в специально отгороженном месте грот-мачты - клотике. Оттуда видно было лучше. Определение места судна по береговым предметам подобно самому простому методу пешехода, знающего, что нужен ему, например, дом по улице Старопортофранковской под номером 12, а для точности есть еще один критерий поиска - аптека, расположенная напротив. У моряков, правда, ориентирами служат другие объекты: маяки, горы, острова или какие-либо другие заметные детали ландшафта, но принцип тот же. Нужно замерить два или более азимута (это угол между стрелкой компаса и направлением на ориентир), нанести их на карту и в точке их пересечения получить свои координаты. Ясное дело, такое судна, а вернее его местоположения, применимо только в зоне прибрежной видимости, и то в ясную погоду. В туман можно ориентироваться по звуку сирены маяка, а за неимением надводных примет - обратиться к мелям на мелководье, замеряя лотом глубину.
Астрономия на морской службе
Самый романтический метод локации. Примерно в XVIII веке моряки вместе с астрономами изобрели секстан (иногда его называют секстантом, так тоже правильно) - прибор, с помощью которого можно производить довольно точное двухкоординатное определение судна по положению на небе светил. Устройство его на первый взгляд сложное, но на деле научиться пользоваться им можно довольно быстро. В его конструкции есть оптическая система, которую следует навести на Солнце или какую-либо звезду, предварительно установив прибор строго горизонтально. Для точного наведения предусмотрены два зеркала (большое и малое), а по шкалам определяется угловое возвышение светила. Направление прибора задается компасом.
Создатели прибора учли многовековой опыт древних судоводителей, ориентировавшихся только на свет звезд, луны и солнца, но создали систему, упрощающую как обучение навигации, так и сам процесс локации.
Вычисление
Зная координаты исходной точки (порта выхода), время движения и скорость, можно прокладывать на карте всю траекторию, отмечая, когда и на сколько градусов был изменен курс. Этот метод мог бы быть идеальным в случае, когда направление и скорость не зависят от течения и ветра. Неравномерность хода и погрешности показателя лага также влияют на точность получаемых координат. В распоряжении штурмана находится особая линейка для прокладки параллельных линий на карте. Определение маневренных элементов морского судна производится с помощью компаса. Обычно в точке смены направления определяется истинное положение с применением других доступных методов, а так как оно, как правило, не совпадает с вычисленным, то между двумя точками рисуется своеобразная закорючка, отдаленно напоминающая улитку и называемая «невязкой».
В настоящее время на борту большинства судов установлены автоматические приборы-вычислители, которые с учетом вводимой скорости и направления производят интегрирование по переменной времени.
С использованием радара
Сейчас на морских картах белых пятен не осталось, и опытный штурман, видя очертания берега, может сразу сказать, где находится вверенное его заботе плавсредство. Например, заметив на горизонте даже в туман свет маяка и услышав приглушенный звук его сирены, он тут же скажет что-нибудь вроде: «Мы на траверсе огня Воронцовский, дистанция две мили». Это означает, что судно находится на указанном расстоянии на линии, соединяющей под прямым углом курс и перпендикулярное направление на маяк, координаты которого известны.
Но часто бывает, что до берега далеко, и видимых ориентиров нет. Раньше, во времена парусного флота, корабль «клали в дрейф», собирая паруса, иногда, если был известен капризный характер доминирующих ветров и непредсказуемость дна (рифы, мели и т. д.), то ставили на якорь и «ждали в море погоды», то есть прояснения. Сейчас нет необходимости в такой потере времени, а береговую линию штурман может увидеть, глядя на экран локатора. Определение судна с помощью РЛС - задача несложная при наличии квалификации. Достаточно совместить изображение на навигационном приборе и карту соответствующего района, и сразу все станет ясно.
Пеленгование и радионавигационный метод
Есть такая радиолюбительская игра - «Охота на лис». С помощью самодельных приборов ее участники ищут спрятавшуюся в кустах или за деревьями «лису» - игрока, у которого есть работающая радиостанция малой мощности. Таким же образом, т. е. пеленгуя, контрразведывательные службы вычисляют резидентов иностранных разведок (по крайней мере, раньше так было) в момент отправки ими шпионских донесений. Для локации требуется не менее двух направлений, пересекающихся в точке местоположения, но чаще всего их больше. Так как всегда существуют некоторые разбросы показаний, и абсолютной точности добиться невозможно, пеленги сходятся не в одной точке, а образуют некую многостороннюю фигуру, в геометрическом центре которой и следует с высокой степенью вероятности предполагать свое местоположение. Ориентирами могут служить специально создаваемые на берегу лоцманские сигналы (например, на маяках) или излучения радиостанций, координаты которых известны (они нанесены на карту).
Также широко применима береговая корректировка курса с использованием средств радиосвязи.
По спутникам
Сегодня заблудиться в океане или море практически невозможно. За перемещением движущихся объектов на море, в воздухе и на суше наблюдают российская "Коспас" и международная Sarsat. Работают они по допплеровскому принципу. На судно необходимо установить особый радиобуй, но безопасность и уверенность в благополучном исходе рейса стоят затрачиваемых на него средств. Пеленгаторы размещены на геостационарных («висящих» над фиксированной точкой земной поверхности) спутниках, составляющих систему. Услуга эта предоставляется бесплатно и, помимо спасательной функции, выполняет навигационный поиск точки нахождения судна. Спутнико-навигационный метод дает самые точные координаты, его применение не вызывает сложностей, и штурманы в наш технологический век его используют чаще всего.
Дополнительный параметр - загрузка
На судоходные качества судна и его возможный курс существенно влияет его осадка. Как правило, чем большая часть корпуса погружена в воду, тем выше уровень его гидродинамического сопротивления. Бывают, впрочем, и исключения, например, у атомных субмарин подводный ход превышает надводный, а особая носовая «бульба» в случае ее полной утопленности создает эффект лучшей обтекаемости. Так или иначе, но на скорость движения (ход) влияет масса груза (карго) в трюмах или танках. Для оценки этой величины моряки используют особые метки с рисками на носовой, кормовой и бортовых частях корпуса (шкал не менее шести). Наносятся эти знаки индивидуально, у каждого судна они свои, единого стандарта нет. Методика определения веса груза на борту судна, получившая наименование «драфт сюрвей», основана на использовании «марок осадки» и применяется для многих целей, в частности навигационных. Глубина дна не всегда позволяет кораблю проходить по конкретному фарватеру, и штурман обязан учитывать этот фактор.
Остается лишь пожелать как минимум тем, кто отправляется в плаванье.
Страница 2 из 2
Так были ли достоверными сведения, содержавшиеся в портуланах? Думаю, что это зависело от возлагаемых на них задач. Для решения «местных» прикладных задач - попадания из точки А в точку Б - они вполне подходили. Навигация по Средиземному морю была довольно неплохо изучена, поскольку постоянно поддерживалась крупными лоцманскими школами, такими как генуэзская, венецианская или лагушская. Для познания же всего мира портуланы совершенно не годились, больше путая исследователей, нежели помогая им.
Только с конца XIII века первые попытки океанского плавания, а также более широкое использование компаса выявили необходимость реального отображения на плоском листе бумаги рельефа берегов с указанием ветров и основных координат.
После XIV века портуланы часто сопровождаются приблизительными контурными рисунками средиземноморского побережья и атлантических берегов Западной Европы. Постепенно корабли, уходящие в океанские плавания, начинают включаться в работу по составлению более точных портуланов и рисунков.
Где-то к началу XV века появляются уже настоящие навигационные карты . Они представляют собой уже полный набор сведений для лоцмана: рельеф берегов, перечень расстояний, указания широты и долготы, ориентиры, названия портов и местных обитателей, указываются ветра, течения и морские глубины.
Карта, наследница математических знаний, полученных древними, все более точных сведений об астрономии и тысячелетнего опыта навигации из порта в порт, становится одним из главных плодов научной мысли первооткрывателей: отныне во время длительных плаваний требуется составлять отчеты, необходимые для полного отображения знаний о мире. И более того, появились первые судовые журналы ! Конечно, морские путешествия описывались и ранее, но теперь это начинает носить регулярный характер. Первым ввел обязательный судовой журнал для капитанов своих каравелл. Капитаны должны были ежедневно записывать сведения о берегах с указанием координат - дело чрезвычайно полезное для составления достоверных карт.
Несмотря на стремление уточнять и проверять, двигавшее наиболее знаменитыми картографами (Фра Мауро в 1457 году утверждал, что ему не удалось вместить в свою карту всех сведений, которые ему удалось собрать), фантазии, легенды, вымысел окружали любой картографический труд неким «фольклорным» ореолом: на большинстве карт, датированных до XVII века, мы видим, как на месте малоизвестных или недостаточно исследованных регионов возникают изображения различных чудовищ, почерпнутых из античной и раннехристианской мифологий.
Достаточно часто составитель, описывая обитателей отдаленных уголков, прибегал к домыслам. Районы, исследованные и попавшие под власть европейских королей, отмечались гербами и флагами. Однако великолепно разрисованные обширные розы ветров не могли принести пользы, если они неправильно ориентированы или размечены в ошибочных линиях «ромбов» (примитивная система ориентации, предшествовавшая системе меридианов и параллелей). Часто работа картографа становилась настоящим произведением искусства. При дворах королей разглядывали планисферы, словно полотна, за ними угадывались пустившиеся в дальние путешествия мореплаватели, чудовища вызывали дрожь, пройденные расстояния и интригующие названия завораживали. Потребовалось немало времени, прежде чем обычай делать карту декоративной уступил место действительно полезной картографии, лишенной всяческого вымысла.
Этим объясняется та недоверчивость, с которой великие мореплаватели, и в первую очередь Христофор Колумб , относились к разукрашенным картам XV века. Большинство моряков предпочитало доверяться своему знанию ветров, рельефа дна, течений и наблюдениям за небесной сферой, или отслеживанию движения косяков рыб или птичьих стай, для того чтобы ориентироваться в бескрайних просторах океана.
Несомненно, именно в XV веке благодаря португальским мореплавателям, а затем путешествию Колумба и, наконец, кругосветному путешествию Магеллана в 1522 году человечество смогло на практике проверить расчеты древних греков и представления о сферичности Земли. Многие мореплаватели теперь на практике получали конкретные знания, свидетельствующие о шаровидности нашей планеты. Кривая линия горизонта, перемещение относительной высоты расположения звезд, рост температуры по мере приближений к экватору, смена созвездий в южном полушарии - все это делало очевидной истину, которая противоречила христианской догме: Земля - это шар! Оставалось только измерить расстояния, которые необходимо было преодолеть в открытом море, чтобы добраться до Индии, в южном направлении, как это сделали португальцы в 1498 году, или в западном, как казалось Колумбу, когда он в 1492 году встретил на своем пути непреодолимое препятствие в лице обеих Америк.
Колумб был хорошо знаком с космографической литературой того времени. Его брат был картографом в Лиссабоне, и он сам попытался построить глобус на основе имевшихся атласов, современных и античных трактатов по космографии. Он, правда, допустил, вслед за и его «Имаго Мунди» (1410 год), грубую ошибку в оценке расстояния между Португалией и Азией, занизив его (есть гипотеза, что он сделал это преднамеренно). Тем не менее, он внял советам именитых картографов, таких как (который верил в морской путь на запад), (будущий папа Пий II) и (впоследствии автора довольно точного глобуса).
Начиная с 1435 года португальские и итальянские моряки взяли за правило плыть на расстоянии от африканского берега, чтобы избежать опасных зон и переменчивости ветров. Прибрежная зона, изобилующая рифами и отмелями, и впрямь являла собой очевидную опасность кораблекрушения.
Однако столь значительное удаление от берега, что он теряется из виду, предполагает умение ориентироваться в открытом море на плоском однообразном пространстве без маяков, ограниченном лишь линией горизонта. А морякам XV века не хватало теоретических познаний в области математики и геометрии, необходимых для точного определения своего местонахождения. Что же касается измерительных приборов, с ними дела обстояли еще хуже. До XVI-XVII веков ни один из них не был по-настоящему хорош в деле. На картах, хотя и постоянно уточняемых, имелись существенные пробелы.
Чтобы оценить чрезвычайное мужество мореплавателей, которые осваивали ближнюю, а затем и дальнюю Атлантику, надо вспомнить, какими жалкими средствами они располагали для определения своего местонахождения в открытом море. Перечень будет краток: моряки XV века, в том числе и Христофор Колумб, не обладали практически ничем, что помогло бы им решить три главных задачи любого мореплавателя, отправляющегося в дальнее плавание: держать курс, измерять пройденный путь, знать с точностью свое настоящее местоположение.
У моряка XV века в распоряжении имелись всего лишь примитивная буссоль (в различных вариациях), грубые песочные часы, кишащие ошибками карты, приблизительные таблицы склонения светил и, в большинстве случаев, ошибочные представления о размерах и форме Земли! В те времена любая экспедиция по океанским просторам становилась опасной авантюрой, часто со смертельным исходом.
В 1569 году Меркатор составил первую карту в равноугольной цилиндрической проекции , а голландец Лука Вагенер ввел в обиход атлас . Это был крупный шаг в науке навигации и картографии, ведь даже сегодня, в двадцать первом веке, современные морские карты составлены в атласы и выполнены в меркаторской проекции!
В 1530 году голландский астроном Гемма Фризий (1508-1555) в своем труде «Принципы астрономической космографии» предложил способ определения долготы с помощью хронометра, но отсутствие достаточно точных и компактных часов надолго оставили этот метод чисто теоретическим. Этот способ был назван хронометрическим . Почему же способ оставался теоретическим, ведь часы появились много ранее?
Дело в том, что часы в те времена редко могли идти без остановки в течение суток, а их точность не превышала 12-15 минут в сутки. Да и механизмы часов того времени не были приспособлены для работы в условиях морской качки, высокой влажности и резких перепадов температуры. Конечно, кроме механических, в морской практике долгое время использовались песочные и солнечные часы, но точность солнечных часов, время «завода» песочных часов были совершенно недостаточными для реализации хронометрического метода определения долготы.
Сегодня считается, что первые точные часы были собраны в 1735 англичанином Джоном Гаррисоном (1693-1776). Их точность составляла 4-6 секунд в сутки! По тем временам это была просто фантастическая точность! И более того, часы были приспособлены для морских путешествий!
Предки наивно считали, что Земля вращается равномерно, лунные таблицы грешили неточностями, квадранты и астролябии вносили свою погрешность, поэтому итоговые ошибки в вычислениях координат составляли до 2,5 градусов, а это около 150 морских миль, т. е. почти 250 км!
В 1731 году английский оптик усовершенствовал астролябию. Новый прибор, получивший название октант , позволял решить проблему измерения широты на движущемся судне, так как теперь два зеркала позволяли одновременно видеть и линию горизонта и солнце. Но октанту не досталась слава астролябии: за год до этого Хадли сконструировал секстант - прибор, позволявший с очень большой точностью измерять местоположение судна.
Принципиальное устройство секстанта, т. е. прибора, использующего принцип двойного отражения объекта в зеркалах, было разработано еще Ньютоном , но было забыто и только в 1730 году было заново изобретено Хэдли независимо от Ньютона.
Морской секстант состоит из двух зеркал: указательного и неподвижного полупрозрачного зеркала горизонта. Свет от светила (звезды либо планеты) падает на подвижное зеркало, отражается на зеркало горизонта, на котором одновременно видны и светило и горизонт. Угол наклона указательного зеркала и есть высота светила.
Поскольку этот сайт по истории, а не по кораблевождению, то я не буду вдаваться в подробности и особенности различных навигационных приборов, но хочу сказать несколько слов о еще двух приборах. Это лот () и лаг ().
В заключение, мне хотелось бы вкратце остановиться на некоторых исторических датах в истории развития навигации в России.
Тысяча семьсот первый год - это, пожалуй, самая знаменательная дата в отечественной навигации, поскольку в этом году император Петр I издал указ об учреждении «Математических и Навигацких, то есть мореходных хитростно наук учению».Год рождения первой отечественной навигационной школы.
Через два года, в 1703 году, преподаватель этой школы составил учебник «Арифметика». Третья часть книги носит заглавие «Обще о земном размерении, и яже мореплаванию принадлежит».
В 1715 году старшие классы школы преобразовали в Морскую Академию.
1725 год - это год рождения Петербургской Академии Наук, где преподавали такие светила науки, как, Михаил Ломоносов (1711-1765). Например, именно астрономические наблюдения и математическое описание движения планет Эйлера легли в основу высокоточных лунных таблиц для определения долготы. Гидродинамические исследования Бернулли позволили создать совершенные лаги для точного измерения скорости судна. Работы Ломоносова касались вопросов создания ряда новых навигационных приборов, послуживших прообразами приборов, которые используются и в настоящее время: курсопрокладчики, самописцы, лаги, кренометры, барометры, бинокли...
Представьте себе, что корабль находится в открытом море. Его со всех сторон окружают только небо и вода; вокруг не видно ни берега, ни островка. Плыви куда хочешь! , когда не было ни спутников Земли, ни радиосвязи? Если капитан судна не умеет производить астрономические наблюдения, он не сможет определить местоположение своего корабля. Останется один выход - отдаться «на волю волн». Но в этом случае корабль обречён почти на верную гибель.