Navigatsiooniseadmeid on erinevat tüüpi ja modifikatsioone. On süsteeme, mis on mõeldud kasutamiseks avamerel, teised on kohandatud laiemale avalikkusele, kasutades navigaatoreid paljuski meelelahutuslikel eesmärkidel. Mis on navigatsioonisüsteemid?
Mis on navigeerimine?
Termina "navigatsioon" on ladina päritolu. Sõna navigo tähendab "Ma sõidan laeval". See tähendab, et algselt oli see tegelikult laevanduse või navigatsiooni sünonüüm. Kuid tehnoloogiate arenedes, mis muudavad laevade jaoks ookeanidel navigeerimise lihtsamaks, ning lennunduse ja kosmosetehnoloogia tulekuga on see termin märkimisväärselt laiendanud võimalike tõlgenduste valikut.
Tänapäeval tähendab navigeerimine protsessi, mille käigus inimene juhib objekti selle ruumiliste koordinaatide alusel. See tähendab, et navigeerimine koosneb kahest protseduurist – see on otsene juhtimine, aga ka objekti optimaalse tee valearvestus.
Navigeerimistüübid
Navigatsioonitüüpide klassifikatsioon on väga ulatuslik. Kaasaegsed eksperdid eristavad järgmisi peamisi sorte:
- autotööstus;
- astronoomiline;
- bionavigatsioon;
- õhk;
- tühik;
- merendus;
- raadionavigatsioon;
- satelliit;
- maa-alune;
- informatiivne;
- inertsiaalne.
Mõned ül altoodud navigatsioonitüübid on omavahel tihed alt seotud – peamiselt kaasatud tehnoloogiate ühisuse tõttu. Näiteks autonavigatsioonis kasutatakse sageli satelliidipõhiseid tööriistu.
On segatüüpe, mille raames kasutatakse samaaegselt mitut tehnoloogilist ressurssi, nagu näiteks navigatsiooni- ja infosüsteemid. Sellisena võivad satelliitside ressursid olla nendes võtmetähtsusega. Nende kaasamise lõppeesmärk on aga anda sihtkasutajarühmadele vajalikku teavet.
Navigatsioonisüsteemid
Vastav navigeerimistüüp moodustab reeglina samanimelise süsteemi. Seega on olemas auto-navigatsioonisüsteem, mere-, kosmose- jne. Selle mõiste määratlus on olemas ka ekspertide kogukonnas. Navigatsioonisüsteem on ühise tõlgenduse kohaselt erinevat tüüpi seadmete (ja vajaduse korral tarkvara) kombinatsioon, mis võimaldab teil määrata objekti asukohta ja arvutada selle marsruuti. Siinne tööriistakomplekt võib olla erinev. Kuid enamikul juhtudel iseloomustab süsteeme järgmiste põhikomponentide olemasolu, näiteks:
- kaardid (tavaliselt elektroonilisel kujul);
- andurid, satelliidid jamuud agregaadid koordinaatide arvutamiseks;
– süsteemivälised objektid, mis annavad teavet sihtmärgi geograafilise asukoha kohta;
– riistvara-tarkvara analüütiline üksus, mis pakub andmete sisendit ja väljundit ning ühendab kolm esimest komponenti.
Reeglina on teatud süsteemide struktuur kohandatud lõppkasutajate vajadustele. Teatud tüüpi lahendusi saab rõhutada tarkvaraosa või, vastupidi, riistvara osas. Näiteks Venemaal populaarne navigatsioonisüsteem Navitel on enamasti tarkvaraline. See on mõeldud kasutamiseks paljudele kodanikele, kellel on mitmesuguseid mobiilseadmeid – sülearvuteid, tahvelarvuteid, nutitelefone.
Navigeerimine satelliidi kaudu
Iga navigatsioonisüsteem hõlmab ennekõike objekti – tavaliselt geograafiliste – koordinaatide määramist. Ajalooliselt on inimtööriistu selles osas pidev alt täiustatud. Tänapäeval on kõige arenenumad navigatsioonisüsteemid satelliidid. Nende struktuuri esindab ülitäpsete seadmete komplekt, millest osa asub Maal, teine osa aga pöörleb orbiidil. Kaasaegsed satelliitnavigatsioonisüsteemid suudavad arvutada mitte ainult geograafilisi koordinaate, vaid ka objekti kiirust ja selle liikumissuunda.
Satelliidi navigatsioonielemendid
Vastavad süsteemid sisaldavad järgmisi põhielemente: satelliitide konstellatsioon, maapealsed seadmed orbiidiobjektide koordinatsiooni mõõtmiseks ja nendega teabe vahetamiseks, seadmed lõppkasutajale(navigaatorid), mis on varustatud vajaliku tarkvaraga, mõnel juhul - lisaseadmed geograafiliste koordinaatide määramiseks (GSM-tornid, Interneti-kanalid, raadiomajakad jne).
Kuidas satelliitnavigatsioon töötab
Kuidas satelliitnavigatsioonisüsteem töötab? Selle töö keskmes on algoritm kauguse mõõtmiseks objektist satelliitideni. Viimased asuvad orbiidil praktiliselt oma asukohta muutmata ja seetõttu on nende koordinaadid Maa suhtes alati konstantsed. Navigaatorites on vastavad numbrid paika pandud. Satelliidi leidmisel ja sellega (või mitmega korraga) ühenduse loomisel määrab seade omakorda selle geograafilise asukoha. Peamine meetod on siin satelliitide kauguse arvutamine raadiolainete kiiruse alusel. Orbiidil olev objekt saadab Maale päringu erakordse aja täpsusega – selleks kasutatakse aatomkellasid. Pärast navigaatorilt vastuse saamist määrab satelliit (või nende rühm), kui kaugele on raadiolaine sellise ja sellise aja jooksul liikunud. Sarnaselt mõõdetakse ka objekti liikumiskiirust – ainult siin on mõõtmine mõnevõrra keerulisem.
Tehnilised raskused
Oleme kindlaks teinud, et satelliitnavigatsioon on tänapäeval kõige arenenum meetod geograafiliste koordinaatide määramiseks. Selle tehnoloogia praktilise kasutamisega kaasnevad aga mitmed tehnilised raskused. Mida näiteks? Esiteks on see planeedi gravitatsioonivälja jaotuse ebahomogeensus - see mõjutab satelliidi asukohta Maa suhtes. Sama omadust iseloomustab kaõhkkond. Selle ebahomogeensus võib mõjutada raadiolainete kiirust, mistõttu vastavates mõõtmistes võib esineda ebatäpsusi.
Teine tehniline probleem – satelliidilt navigaatorisse saadetud signaal blokeeritakse sageli teiste maapealsete objektide poolt. Seetõttu on kõrgete hoonetega linnades süsteemi täielik kasutamine keeruline.
Satelliitide praktiline kasutamine
Satelliitnavigatsioonisüsteemid leiavad kõige laiemas valikus rakendusi. Paljuski - erinevate tsiviilsuunaliste kommertslahenduste elemendina. See võib olla nii kodumasinate kui ka näiteks multifunktsionaalne navigatsioonimeediumisüsteem. Lisaks tsiviilkasutusele kasutavad satelliidiressursse geodeedid, kartograafid, transpordiettevõtted ja erinevad valitsusasutused. Geoloogid kasutavad satelliite aktiivselt. Eelkõige saab neid kasutada tektooniliste maaplaatide liikumise dünaamika arvutamiseks. Satelliitnavigaatoreid kasutatakse ka turundusvahendina - geopositsioneerimismeetodeid sisaldava analüütika abil viivad ettevõtted läbi oma kliendibaasi uuringuid ning saadavad ka näiteks suunatud reklaami. Loomulikult kasutavad ka sõjalised struktuurid navigaatoreid – just nemad töötasid välja tänapäeva suurimad navigatsioonisüsteemid GPS ja GLONASS – vastav alt USA armee ja Venemaa vajadustele. Ja see ei ole ammendav loetelu piirkondadest, kus satelliite saab kasutada.
Moodne navigeeriminesüsteemid
Millised navigatsioonisüsteemid praegu töötavad või kasutusele võetakse? Alustame sellest, mis ilmus ülemaailmsele avalikule turule enne teisi navigatsioonisüsteeme - GPS. Selle arendaja ja omanik on USA kaitseministeerium. GPS-satelliitide kaudu suhtlevad seadmed on maailmas kõige levinumad. Peamiselt seetõttu, et nagu me eespool ütlesime, toodi see Ameerika navigatsioonisüsteem turule enne selle kaasaegseid konkurente.
GLONASS kogub aktiivselt populaarsust. See on vene navigatsioonisüsteem. See kuulub omakorda Vene Föderatsiooni kaitseministeeriumile. Ühe versiooni kohaselt töötati see välja umbes samadel aastatel kui GPS - 80ndate lõpus - 90ndate alguses. Avalikule turule toodi see aga alles hiljuti, 2011. aastal. Üha enam navigatsiooni riistvaralahenduste tootjaid rakendavad oma seadmetes GLONASSi tuge.
Eeldatakse, et Hiinas välja töötatud ülemaailmne navigatsioonisüsteem "Beidou" suudab tõsiselt konkureerida GLONASSi ja GPS-iga. Tõsi, hetkel toimib see vaid riiklikuna. Mõnede analüütikute hinnangul võib see globaalse staatuse saada aastaks 2020, mil orbiidile saadetakse piisav arv satelliite – umbes 35. Beidou süsteemi arendusprogramm on suhteliselt noor – see sai alguse alles 2000. aastal ning esimese satelliidi töötas välja 2020. aastal. Hiina arendajadkäivitati 2007.
Eurooplased püüavad samuti sammu pidada. Navigatsioonisüsteem GLONASS ja selle Ameerika analoog võivad lähitulevikus GALILEOga konkureerida. Eurooplased kavatsevad 2020. aastaks kasutusele võtta vajaliku arvu orbitaalobjektide ühikutes satelliitide konstellatsiooni.
Muude paljutõotavate navigatsioonisüsteemide arendamise projektide hulgas võib märkida India IRNSS-i ja Jaapani QZSS-i. Seoses esimese laialdaselt reklaamitud avaliku teabega arendajate kavatsuste kohta luua globaalne süsteem pole veel saadaval. Eeldatakse, et IRNSS teenindab ainult India territooriumi. Programm on ka üsna noor – esimene satelliit lasti orbiidile 2008. aastal. Eeldatakse, et Jaapani satelliidisüsteemi kasutatakse peamiselt arengumaa siseriiklikul territooriumil või nendega naabruses.
Positsioneerimise täpsus
Eespool märkisime mitmeid raskusi, mis on olulised satelliitnavigatsioonisüsteemide toimimisel. Peamiste hulgas, mida oleme nimetanud, - satelliitide asukohta orbiidil või nende liikumist antud trajektooril ei iseloomusta mitmel põhjusel alati absoluutne stabiilsus. See määrab ette ebatäpsused navigaatorite geograafiliste koordinaatide arvutamisel. Kuid see pole ainus tegur, mis mõjutab satelliidi abil positsioneerimise õigsust. Mis veel mõjutab koordinaatide arvutuste täpsust?
Esiteks väärib märkimist, et satelliitidele paigaldatud aatomkellad ei ole alati absoluutselt täpsed. Need on võimalikud, kuigi üsnaväikesed, kuid siiski mõjutavad navigatsioonisüsteemide vigade kvaliteeti. Näiteks kui raadiolaine liikumise aja arvutamisel tehakse viga kümnete nanosekundite tasemel, siis maapealse objekti koordinaatide määramisel võib ebatäpsus olla mitu meetrit. Samas on kaasaegsetel satelliitidel seadmed, mis võimaldavad teha arvutusi isegi aatomkellade töö võimalikke vigu arvesse võttes.
Eespool märkisime, et navigatsioonisüsteemide täpsust mõjutavate tegurite hulgas on Maa atmosfääri heterogeensus. Seda fakti oleks kasulik täiendada muu teabega, mis käsitleb Maa-lähedaste piirkondade mõju satelliitide toimimisele. Fakt on see, et meie planeedi atmosfäär on jagatud mitmeks tsooniks. See, mis asub tegelikult avatud ruumi piiril – ionosfäär – koosneb osakeste kihist, millel on teatud laeng. Need, põrkudes kokku satelliidi saadetud raadiolainetega, võivad oma kiirust vähendada, mille tulemusena saab kaugust objektini arvutada veaga. Pange tähele, et satelliitnavigatsiooni arendajad töötavad ka seda tüüpi sideprobleemide allikaga: orbitaalseadmete töö algoritmid sisaldavad reeglina mitmesuguseid parandusstsenaariume, mis võtavad arvesse raadiolainete läbimise iseärasusi. ionosfäär arvutustes.
Pilved ja muud atmosfäärinähtused võivad samuti mõjutada navigatsioonisüsteemide täpsust. Maa õhuümbrise vastavates kihtides olev veeaur, nagu ka ionosfääri osakesed, mõjutab kiirustraadiolained.
Muidugi, mis puudutab GLONASSi või GPSi kodumaist kasutamist sellistes seadmetes nagu näiteks navigatsioonimeediasüsteem, mille funktsioonid on suures osas meelelahutuslikud, siis on koordinaatide arvutamisel väikesed ebatäpsused. ei ole kriitiline. Kuid satelliitide sõjalisel kasutamisel peaksid vastavad arvutused ideaalis vastama objektide tegelikule geograafilisele asukohale.
Merenavigatsiooni omadused
Pärast kõige kaasaegsemast navigatsioonitüübist rääkimist teeme väikese põike ajalukku. Nagu teate, ilmus kõnealune termin esmakordselt navigaatorite seas. Millised on merenavigatsioonisüsteemide omadused?
Ajaloolisest aspektist rääkides võib märkida meremeeste käsutuses olevate tööriistade arengut. Üks esimesi "riistvaralahendusi" oli kompass, mis mõnede ekspertide sõnul leiutati 11. sajandil. Täiustatud on ka kaardistamist kui peamist navigeerimisvahendit. 16. sajandil hakkas Gerard Mercator joonistama kaarte, mis põhinesid võrdsete nurkadega silindrilise projektsiooni kasutamise põhimõttel. 19. sajandil leiutati palk – mehaaniline seade, mis on võimeline mõõtma laevade kiirust. Kahekümnendal sajandil ilmusid meremeeste arsenali radarid ja seejärel kosmoseside satelliidid. Tänapäeval toimivad kõige arenenumad merenavigatsioonisüsteemid, saades seeläbi kasu inimeste kosmoseuuringutest. Milline on nende töö olemus?
Mõned eksperdid usuvad sedaKaasaegset merenavigatsioonisüsteemi iseloomustab põhiline omadus, et laevale paigaldatud standardvarustus on väga kõrge kulumis- ja veekindlusega. See on täiesti arusaadav – tuhandete kilomeetrite kaugusel maisma alt avareisile läinud laeval on võimatu sattuda olukorda, kus seadmed ootamatult üles ütlevad. Maal, kus tsivilisatsiooni ressursid on olemas, saab kõike parandada, kuid merel on see problemaatiline.
Milliseid muid märkimisväärseid funktsioone on merenavigatsioonisüsteemil? Standardvarustus sisaldab lisaks kohustuslikule nõudele - kulumiskindlus reeglina mooduleid, mis on kohandatud teatud keskkonnaparameetrite (sügavus, veetemperatuur jne) fikseerimiseks. Samuti arvutatakse laeva kiirus merenavigatsioonisüsteemides paljudel juhtudel ikkagi mitte satelliitide, vaid standardmeetodite abil.
