Звездные каталоги и карты необходимы в морской и воздушной навигации для чего
Астрономическая навигация
Астрономи́ческая навига́ция — комплекс методов определения навигационных параметров объекта, основанный на использовании электромагнитного излучения астрономических объектов. Применяется для определения курса и навигационных координат у наземных объектов, а также для определения ориентации космических летательных аппаратов в составе астроинерциальной навигационной системы.
Простейшие методы астрономической навигации широко используются людьми на Земле для ориентирования на неизвестной местности, поскольку для их использования не требуется каких-либо приспособлений. Например, для того, чтобы определить направление на географический север [1] достаточно узнать на небосклоне Полярную звезду, а по положению Солнца в полдень всегда можно приближённо определить направление на географический юг. Один из главных недостатков астрономической наземной навигации — зависимость от облачности.
Ранее астрономическая навигация являлась основным способом определения координат и курса морских судов, с использованием показаний таких приборов как секстант и хронометр. Сейчас, в морской и воздушной навигации практически полностью вытеснена спутниковыми навигационными системами, но из-за высокой степени автономности является резервной.
В недалёком будущем, разработчики космических летательных аппаратов собираются использовать методы спутниковых навигационных систем в астрономической навигации, принимая рентгеновское излучение от пульсаров.
Содержание
Принцип определения координат
Проводятся измерения высоты двух разных светил (в сумерках — двух звёзд/планет или одной звезды/планеты и Луны; днём — Солнца и Луны). Для каждого измерения записывается его время. Точки земной поверхности, которым соответствуют измеренные высо́ты этих двух светил в моменты измерения, образуют две окружности (по одной для каждого светила), называемые линиями положения. Точки пересечения линий положения и являются искомым местонахождением наблюдателя (этих точек две, но обычно они достаточно далеки друг от друга, так что неопределённости не возникает).
Если днём видно только Солнце, то можно провести два замера его высоты через некоторый промежуток времени. Поскольку Солнце перемещается по небу, то эти два замера будут эквивалентны замерам высоты двух разных светил.
Если нужно провести определение координат движущегося судна, то нужно вводить поправки на предполагаемое смещение судна за время между двумя замерами высот светил (вычисляются на основании скорости и курса судна).
В практическом смысле, для определения координат наблюдателя средствами астронавигации необходим следующий набор инструментов и справочников: 1) точный хронометр для измерения времени 2)секстант для измерения углов на небесной сфере 3) альманах, или справочник астрономических эфемерид с координатами небесных тел, предвычисленными на будущее время 4)счетные редукционные таблицы для упрощения расчета высоты и азимута светила, сводящие все действия к сложению и вычитанию 5) географическая карта. Именно таким набором средств пользовались навигаторы морских судов вплоть до развития радионавигации и спутниковой навигации; у опытного навигатора весь процесс, включая астрономические наблюдения и расчеты, занимал несколько минут. В настоящее время вместо печатного справочника астрономических эфемерид могут использоваться компьютерные программы, а вместо редукционных таблиц- компьютер или калькулятор.
Навигационный треугольник
Одним из методов определения координат является решение навигационного треугольника, называемого также параллактическим треугольником или PZX-треугольником. При известных в один момент времени направлениях на полюс (P), на Зенит (Z) и на какое-либо светило (X) поиск соответствующих координат точки на земном шаре даёт единственный ответ.
Астровизирование
Астровизи́рование — процесс наблюдения картины звездного неба, с помощью астровизира, обычно установленного на гироплатформе, сравнения полученной картины с программно ожидаемой и вычисления поправок компенсирующих накапливаемые ошибки основных средств измерения (гироплатформы, БИНС).
Астровизи́рование — один из способов компенсации собственных ошибок системы управления ракетой. Астровизирование обычно производится на пассивном участке полета, так как работающие ракетные двигатели дают сильные возмущения, понижающие точность измерения.
Звездный атлас: зачем нужны карты космоса и почему они могут спасти человечество
В июне аспирантка кафедры биологии Вашингтонского университета Элеонора Лутц составила самую подробную карту орбит всех планет и космических тел в Солнечной системе — помимо восьми планет, в нее вошли орбиты 18 тыс. астероидов. Картографирование космоса — распространенное увлечение среди ученых и астрономов-любителей: за последние 400 лет появилось более 2 тыс. таких карт. «Хайтек» рассказывает о самых амбициозных проектах картографирования Вселенной и объясняет, как карты помогают обеспечить Земле безопасность, а науке — развитие.
Читайте «Хайтек» в
Первым шагом в открытии новой границы, будь то ранее неизвестный остров, оконечность тектонической плиты или новые астрономические объекты, является ее фиксация на бумаге, камне, дереве или ином носителе.
Самое раннее изображение созвездия создано в позднем палеолите — древние предки человека, эмигрировавшие из Азии в Европу, нанесли изображение Пояса Ориона на бивень мамонта более 32,5 тыс. лет назад.
Спустя тысячи лет первые астрономы попытались зафиксировать на бумаге положение звезд на ночном небе — так появились полные звездные карты. Первая из них датирована 650 годом нашей эры. Звездный атлас нарисован в китайском городе Дуньхуане неизвестным астрономом на листе бумаги, а затем был спрятан в нишу храма. Обнаружить атлас удалось лишь в 1907 году — оригинал хранится в Британской библиотеке до сих пор.
В течение десяти веков после создания атласа из Дуньхуаня принципиально новых карт звездного неба не появлялось — для астрономов того времени космос был ограничен только объектами, видимыми невооруженным глазом, самыми яркими звездами и планетами. Ситуация изменилась с появлением первых телескопов в XVII веке. Они продвинули средневековую астрономию далеко вперед несмотря на то, что могли обеспечить только трех- и четырехкратное увеличение наблюдаемых объектов.
В XVIII–XX веках астрономия быстро развивалась, а границы карты звездного неба существенно расширялись. В 1785 году музыкант Уильям Гершель с помощью самодельного телескопа определил границы и форму Млечного пути, а принятие Астрономической шкалы расстояний, спектроскопия (анализ звездного света по длине волны) и астрофотография с длительной экспозицией позволили наблюдателям узнать спин, магнитное поле и состав звезд, определить их относительное движение и разглядеть туманности, галактики и тусклые звезды, которые до этого не удавалось увидеть в телескоп.
Астроном Эдвин Хаббл (в честь него назван орбитальный телескоп Hubble — «Хайтек») в 1923 году с помощью астрофотографии определил, что галактика Андромеда расположена отдельно от Млечного пути. Это подтвердило гипотезу о существовании во Вселенной множества галактик. Снимки Хаббла существенно изменили существующую на тот момент карту звездного неба и дали пространство для ее расширения и доработки.
Для чего нужны карты звездного неба?
Картографирование космоса помогает решить множество вопросов — многие из них так или иначе касаются безопасности Земли. Речь идет об отслеживании траектории астероидов и определении вероятности столкновения с нашей планетой; поиске новых миров на случай, если изменения климата, космические события или другие факторы заставят людей покинуть Землю; о глобальном экономическом кризисе, к которому приведет истощение полезных ископаемых на нашей планете.
Чтобы определить траекторию астероида, нужно знать, где он находится и по какой орбите вращается. Для высадки на потенциально пригодные для жизни планеты нужно знать, сколько и куда лететь. Чтобы найти внеземной источник ресурсов, нужно знать, где находятся подходящие астероиды для их добычи и какие планеты лучше превратить в космический заповедник.
Расположение и траектория движения галактик также важны — например, моделирование, основанное на положении Млечного пути и Большого Магелланова облака, показало, что через 2 млрд лет эти галактики столкнутся. Это событие разбудит огромную черную дыру в центре Млечного пути, которая разрушит всю галактику, а вместе с ней уничтожит Землю.
Положение на карте и состояние звездных систем в периферийных областях позволяет определить, какие события произошли с самой галактикой в прошлом. Как в случае с гигантским гало Млечного пути из газа и пыли, которое возникло в результате столкновения нашей галактики с компактным соседом около 10 млрд лет назад.
Другая задача картографирования — получение научных знаний о процессах, происходящих во Вселенной. Расположение галактик, звездных систем и других объектов в пространстве не позволит ориентироваться в далеком космосе, зато может ответить на вопрос, сколько темной материи и темной энергии находится во Вселенной — и даже понять, как она развивалась на ранних этапах своего существования.
Самая большая 3D-карта Вселенной и взгляд через темную материю
Создатели первых карт звездного неба пытались понять, как работают физические законы на Земле и какое влияние на нашу планету оказывают другие космические тела. Современные астрофизики пытаются понять законы существования Вселенной. Технический прогресс позволяет им ставить более амбициозные задачи, чем точечное наблюдение за астрономическими объектами через наземные и орбитальные телескопы.
В мае 2017 года астрономы из объединения Sloan Digital Sky Survey (SDSS) объявили о создании самой большой трехмерной карты Вселенной, используя в качестве ориентира квазары, молодые галактики со сверхмассивными черными дырами в центре. Когда сверхмассивная черная дыра поглощает материю из окружающей его галактики, температура в ее аккреционном диске увеличивается, создавая квазар, который является чрезвычайно ярким.
Аккреционный диск — газовый диск, который образуется вокруг компактных звездных остатков (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр). Этот диск состоит либо из вещества, которое захвачено с поверхности соседних звезд, либо является остатками разорванных звезд или представляет собой межзвездную среду. Аккреционные диски играют ключевую роль в механизме гамма-всплесков, сопровождающих слияние нейтронных звезд и коллапс ядер сверхновых звезд. В результате таких событий диск разогревается и излучает инфракрасные волны, которые могут зафиксировать ученые на Земле.
С помощью телескопа Sloan Foundation исследователи измерили точные трехмерные положения для более чем 147 тыс. квазаров.
На сайте SDSS опубликована часть карты — в полной версии и с возможностью увеличения она доступна только ученым. Слева на рисунке изображена Земля, справа — предел наблюдаемой Вселенной. Временная шкала показывает, сколько свет от объекта шел до нашей планеты.
За два года до этого ученые из объединения «Обзор темной энергии» (DES) на заседании Американского астрофизического общества представили первую карту темной энергии.
С помощью 570-мегапиксельной камеры, прикрепленной к телескопу Victor Blanco в Чили, астрономы на тот момент проанализировали два миллиона галактик, а затем рассчитали, сколько темной энергии должно присутствовать между ними, чтобы вызвать любое наблюдаемое искажение. В результате ученые составили беспрецедентно подробную карту, которая охватывает 0,4% звездного неба.
Эксперимент длился шесть лет и завершился в январе 2019 года. За четыре года после выступления в Американском астрофизическом обществе исследователям удалось собрать данные еще о 280 млн галактик — сейчас участники объединения анализируют данные и в 2020 году представят карту темной материи, которая охватит 8% звездного неба.
Канадский эксперимент по картированию интенсивности водорода (CHIME) вместо квазаров ориентируется на водород. Примерно через миллиард лет после рождения Вселенной после Большого взрыва заполнявший ее нейтральный водород превратился в ионизированный. Этот процесс известен как эпоха реионизации и является ключом к познанию природы Вселенной, какой мы ее видим сейчас.
Хотя ученые в общих чертах представляют себе последовательность событий, они не знают, как Вселенная наполнилась достаточным количеством излучения, чтобы перейти на новый этап своего развития, и что послужило этому причиной.
В CHIME считают, что улавливание ионизированного водорода позволит не только понять механизм устройства Вселенной, но и построить самую масштабную трехмерную карту пространства. Радиотелескоп представляет собой четыре полутрубки, которые вместе занимают территорию, равную футбольному полю. На нем установлено около тысячи антенн, которые улавливают радиоволны, а затем несколько сотен мощных процессоров анализируют данные.
Основная цель проекта — демистификация темной энергии, явления, стимулирующего расширение Вселенной путем создания первой подробной карты ранее непроницаемого для телескопов части Вселенной.
В 1998 году ученые обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Физики не знают, как или почему Вселенная ускоряется наружу, но они дали таинственной силе, стоящей за этим явлением, имя: темная энергия.
Ученые много знают о влиянии темной энергии, но не знают, что это такое. Космологи считают, что 68% всей энергии Вселенной должно быть сделано из материала. Один из способов лучше понять темную энергию и ее эффекты — создать подробные карты Вселенной, которые позволят следить за скоростью ее расширения.
Создать такую карту пытаются ученые из проекта DESI — она должна охватить 11 млрд световых лет и более 35 млн галактик и квазаров. Спектроскопический инструмент темной энергии — так расшифровывается аббревиатура — будет измерять спектры света, исходящего от галактик, чтобы определить их расстояния от Земли.
Навигационные звёзды
По морям и океанам
Злая нас ведет звезда,
Бродим мы по разным странам
И нигде не вьем гнезда!
Навигационные звёзды используются в мореплавании, авиации и космонавтики для определения местоположения корабля, прокладывания курса, а в случае космических кораблей — для ориентации в пространстве.
К навигационным светилам относят так же Солнце, Луну и четыре планеты: Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн, но мы обсудим звезды.
«Навигационные звёзды» понятие условное и строгого их списка нет; ясно, что это должны быть яркие, легко опознаваемые звезды, но в разных учебниках по навигации приводятся разные составы. Для базового использования обычно перечисляют около 20 звезд, в других случаях примерно 40, а в «Морском астрономическом альманахе», выпускаемом Институтом прикладной астрономии РАН указаны т.н. видимые места 160 навигационных звёзд, из которых 77 считаются особенно важными. В аналогичном британском альманахе содержится 57 звезд.
Схемы нахождения
Схемы нахождения навигационных звезд из разных учебников навигации
Таблица навигационных звезд
Таблица навигационных звезд “Морского астрономического альманаха” ИПА РАН
Это НЕ сама таблица альманаха, это только список звезд. В альманахе представлена развернутая навигационная информация, в том числе по датам каждого года.
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.