Космическая навигация

Начав путешествовать по воде, человек сначала делал это так же, как на суше: он видел, куда ему надо попасть, и направлялся в ту сторону. Это был процесс «прицеливания». До сегодняшнего дня в условиях хорошей видимости и достаточной глубины данный метод все еще практикуется и называется визуальным пилотированием. Со временем было изобретено множество навигационных приборов — компасы, глубиномеры, буи, маяки. С помощью этих приспособлений лоцман определяет свое местоположение и направляет судно к нужному месту, будь то рыбацкая гавань, невидимая с моря, или док на мелководье.

Со временем корабли становились надежнее, позволяя человеку отплывать все дальше от берега. Но даже если при хорошей погоде держать курс прямо, судно все равно будет «вилять» под воздействием ветра и океанских течений. Поэтому человек разработал астронавигацию, использующую движение Солнца, Луны и звезд с востока на запад, которые, тем не менее, можно было наблюдать только в условиях хорошей видимости.

На земле, в море или в воздухе есть только один способ добраться до намеченной цели в том случае, если она невидима, — знать свое местоположение в данный момент и координаты заданной цели. Владея этой информацией, надо всего лишь направить средство передвижения в нужном направлении и двигаться вперед, строго придерживаясь выбранного курса.

Древние полинезийцы стали ориентироваться по звездам, обнаружив, что те каждую ночь пересекают небосклон почти по одной и той же траектории. Отклонения от этого курса меняются очень незначительно от ночи к ночи в течение всего года и повторяются из года в год. Нужно было только запомнить, какие звезды находятся над островом в зените, то есть в высшей точке. Поскольку звезда не меняет своего положения в течение многих тысяч лет, она становится сигнальным огнем самого высокого в мире маяка, чье основание находится в конкретной географической точке. Двигаясь на запад от восходящей звезды, полинезийцы могли плыть к цели без компаса и секстанта, безошибочно ориентируясь в огромном Тихом океане. Европейцы же в те времена редко осмеливались покидать пределы зоны видимости берега. Азиатские моряки, видимо, использовали аналогичную астронавигацию, поскольку, по некоторым данным, китайцы сумели достичь западного побережья как Северной, так и Южной Америки.

Постепенно европейские астрономы разработали астрономические таблицы Солнца, показывающие широту его местоположения на каждый день. Поскольку Солнце меняет свою широту менее чем на четверть градуса в день, наблюдатель, измерив высоту расположения светила в полдень, по этим таблицам мог вычислить широту своего местоположения. Требовалось лишь вычесть угол возвышения Солнца в полдень (в наивысшей точке) из 90 град. и прибавить к известной широте Солнца на день расчета. Европа, наконец, начала использовать звезды для навигации, но сначала изобрела точные морские часы и астрономические справочники.

Где я?

Прежде чем мы займемся навигацией в космосе, немного освежим знания в области земной навигации. Угол возвышения первоначально измерялся с помощью веревок с узелками, которые держали в руках, затем стали применять нивелир, октант и, наконец, секстант. Широта — естественный показатель, определяемый экватором и полюсами. Долгота же является величиной искусственной, ее отсчет ведется от произвольно выбранной точки.

Географическое положение (ГП) любого небесного тела — это точка на земной поверхности прямо под этим телом в момент его нахождения в зените (рис. 18).

Рис. 18. Географическое положение тела

Для определения ГП необходим секстант, чтобы измерить угол возвышения небесного тела (Солнца, планет, звезд, Луны) над горизонтом. Кроме того, требуется знать точное время измерения. На основании этих данных с помощью справочника можно вычислить географическое положение тела.

Справочник, или альманах, представляет собой ряд астрономических таблиц, где указаны положения Солнца, Луны, планет и навигационных звезд в каждый час любого дня года. Если наблюдение произведено в дробную часть часа (например, в 7 часов 15 минут), ГП также легко вычисляется.

Электронные навигационные системы тоже основаны на измерении расстояния от известной географической точки до земных передатчиков. Каждая из них задействует измерения от трех различных объектов. Исключение из этого правила — положение Солнца в полдень. Оно само по себе дает нам широту, а если известно время, то и долготу.

Каждая система создает единую круговую линию положения (ЛП), являющуюся окружностью с радиусом, равным расстоянию между объектом и наблюдателем в момент измерения или фиксации радиосигнала. Причем наблюдатель может находиться в любой точке этой окружности.

Предположим, вы находитесь в 35 град. от географического положения передатчика, расположенного в точке с координатами 45 град. северной широты (СШ) и 30 град. западной долготы (ЗД). Расстояние между вами и передатчиком является радиусом окружности с центром-передатчиком. Эта окружность и есть ЛП (рис. 19 слева).

Рис. 19. Определение местоположения объекта с помощью ЛП

Второй передатчик расположен в координатах 30 град. СШ и 30 град. ВД на расстоянии в 15 град. от вас. Мы получаем ЛП-2. Вторая окружность пересекается с ЛП-1 в точках А и В (рис. 19 в центре).

И, наконец, третий передатчик, расположенный в 45 град. ЮШ и 20 град. ВД, находится от вас на расстоянии 50 град. Аналогично получаем ЛП-3. Она пересекает ЛП-1 и ЛП-2 соответственно в точках С и D, образуя небольшой треугольник, который затенен на рис. 19 справа. В этом треугольнике вы и находитесь. Если его размер составляет около 1 град., то погрешность в определении местоположения равна приблизительно 30 морским милям.

В реальных условиях можно добиться лучших результатов и сократить погрешность измерения до нескольких миль. Учитывая размер нашей планеты, это пустяк. Мореплаватели (даже на небольших судах) обычно используют секстанты и специальные таблицы для более точных расчетов.

Вся навигация основана на пересекающихся ЛП. Этот принцип используется, в частности, системой SATNAV (Satellite Navigation — Спутниковая навигация), разработанной в начале 1960-х годов. Ее бортовой набор состоит из радиоприемника и компьютера. Со спутника, движущегося с высокой скоростью по полярной орбите, порциями передаются данные, которые, кроме всего прочего, содержат сигналы времени и координаты спутника. Приемник сравнительно медленно идущего либо стоящего судна получает эти данные и измеряет сдвиг Доплера в череде порций данных, обусловленных движением приемника относительно спутника. Компьютер производит серию вычислений, чертит математические ЛП, находит их пересечение и выдает местоположение объекта, его скорость и другую полезную информацию. Для неподвижного объекта погрешность измерений невелика — до 50 м, для движущегося судна — до 200 м. Однако подобная точность расчетов была достигнута лишь к концу 1971 года (2, с. 1047).

У всех этих систем есть одно общее свойство — все три ЛП нарисованы на поверхности Земли, что, естественно, не учитывает реального положения объекта в трехмерном пространстве. Даже если вы летите в самолете или плывете в подводной лодке, то ваше положение определяется, образно говоря, на поверхности Земли. Разделение поверхности земли на сушу и водное пространство дает нам дополнительные точки отсчета, а магнитное поле Земли позволяет нам отличать север от юга, и все небесные тела для нас «движутся» в течение дня с востока на запад.

Точность космической навигации, или астронавигации, с использованием секстанта зависит от умения наблюдателя «поймать» наиболее яркие звезды, географическое положение которых легко определить. Навигатор ориентируется, выделяя их из известных созвездий, которые меняются настолько медленно, что в течение жизни заметить их смещение с помощью такого грубого инструмента, как секстант, невозможно.

С помощью секстанта можно «подстрелить» определенную звезду, а затем скорректировать угол с учетом механических и прочих погрешностей. Нас интересует угловое удаление звезды от зенита. Поскольку горизонт расположен под углом 90 град. к зениту, можно вычесть измеренный угол и получить расстояние между «своим» зенитом и зенитом этой звезды. Получаем ЛП, как на рис. 19 слева. Повторение расчета с использованием других звезд дает положение, изображенное на рис. 19 справа.

Дата добавления: 2015-09-06