Nawigacja - opis znanych metod

Umiejętności sprawnej nawigacji jest niezwykle istotna. Nie mam tutaj na myśli tylko ludzi, gdyż przecież zwierzęta, które również wędrują, muszą posiadać niezwykle rozwinięty zmysł orientacji. My ludzi posługujemy się różnymi przyrządami, które mają nam celu usprawnić nawigację. Jednak na początku do lokalizacji wykorzystywaliśmy tylko otaczającą nas przyrodę.

Krótka historia nawigacji

Naturalnymi obiektami wspierającymi nawigację od zawsze były ciała niebieskie - Słońce, Księżyc, gwiazdy. Natomiast jednym z pierwszych i obecnie najbardziej znanym przyrządem nawigacyjnym jest kompas.

Kolejnym wydarzeniem, które zdecydowanie usprawniła nawigację, było opracowanie map nawigacyjnych. Pierwsze mapy tego typu pochodzą z około XIII wieku.

Istotnym momentem na drodze do usprawnienia określania swojej pozycji było wynalezienie tzw. Laski Jakuba. Przyrząd ten umożliwiał pomiar wysokości ciał niebieskich nad horyzontem. Laska Jakuba umożliwiała również wyznaczenie kątów pionowych oraz poziomych pomiędzy ciałami, które oczywiście były widoczne z Ziemi.

Ważnym rokiem dla rozwoju nawigacji był rok 1781.W roku tym wynaleziono sekstant. Był to optyczny przyrząd nawigacyjny, który umożliwiał pomiar wysokości ciał niebieskich nad horyzontem.Przy pomocy tego przyrządu możliwy był również pomiar kątów pionowych oraz poziomych pomiędzy ciałami niebieskimi.Najczęstszym wykorzystaniem sekstantu było określenie szerokości geograficznej obserwatora, dzięki pomiarowi wysokości Słońca w momencie kulminacji (godz. 12:00). Do tego celo wykorzystywano również gwiazdy.

Kolejne etapy w rozwoju nawigacji noszą miana prawdziwej rewolucji. Mam tutaj na myśli systemy nawigacyjne wykorzystujące fale radiowe. Tego rodzaju nawigacje usprawniły wyznaczanie pozycji jak żadne inne metody w przeszłości.

Metody nawigacji

Astronawigacja

Ta metoda umożliwia nawigację dzięki pomiarowi astronomicznej wysokości (kąt, który tworzy się pomiędzy płaszczyzną horyzontu astronomicznego, a obserwowanym ciałem niebieskim) oraz azymutów ciał niebieskich. W astronawigacji wysokość astronomiczną możemy wyznaczyć za pomocą sekstantu.

• Podczas pomiarów pozycji obserwatora stosujemy następującą hierarchię ciał niebieskich:
  
  1. Słońce – 95% wszystkich dokonywanych obserwacji
  2. Księżyc – 4 % wszystkich dokonywanych obserwacji
  3. Wenus – poniżej 1% wszystkich obserwacji
  4. Jowisz – poniżej 1% wszystkich obserwacji
  5. Mars – poniżej 1% wszystkich obserwacji
  6. Saturn – poniżej 1% wszystkich obserwacji
  7. 57 innych gwiazd – poniżej 1% wszystkich obserwacji

Astronawigacja to jedna z pierwszych metod nawigacji. Początkowo Słońce oraz gwiazdy wykorzystywane był tylko to do wyznaczenia kierunków przemieszczania się.

Jednym ze sposobów wykorzystania ciał niebieskich do wyznaczenia pozycji (dokładniej szerokości geograficznej) było wykorzystanie tzw. kwadrantu, mierząc kont pomiędzy horyzontem, a Gwiazdą Polarną.

Pomiar długości geograficznej umożliwił dopiero chronometr, czyli bardzo precyzyjny zegar, charakteryzujący się dużą odporności na trudne warunki pracy.

Bardzo ważnym momentem w rozwoju astronawigacji było wynalezieni sekstantu.

Inercyjna metoda nawigacji

Wykorzystuje skomplikowane systemy żyroskopowe. Nawigację inercyjną wykorzystuje się przede wszystkim w okrętach podwodnych.

Nawigacja pilotowa

Ta metoda jest stosowane na torach podejściowych do portów, jak i w samych portach.

Nawigacja radarowa

W tej metodzie radar umożliwia obserwację wybrzeży i/lub obiektów nawigacyjnych.

Radar jest urządzeniem, które dzięki falom radiowym umożliwia identyfikację, w tym przypadku zarysów wybrzeża. Nawigacja radarowa daje możliwość określenia kierunku do obiektu, jego odległość, a nawet wielkość. Radary wykorzystujące efekt Dopplera mają również możliwość określenia prędkości przemieszczania się obiektów.

Radar jest w stanie określić położenie obiektu, oraz dodatkowych jego parametrów, dzięki wykorzystaniu zjawiska odbijania się fal radiowych od określonych obiektów.

Nawigacja satelitarna

Każdy system nawigacji satelitarnej działa w oparciu o sieć satelitów znajdujących się na orbitach okołoziemskich. Obecnie istnieje tak naprawdę tylko jeden liczący się system tego typu. Jest nim nawigacja GPS. Chociaż trzeba wspomnieć również o innych systemach pozycjonowania satelitarnego. Są nimi: rosyjski system GLONASS, europejski system Galileo czy chińskim systemie Beidou (Compass).

Niemniej jednak każdy system nawigacji satelitarnej posiada podobną strukturę. Każdy system tego typu składa się z 3 elementów, popularnie znanych segmentami.

• I tak wyróżniamy następujące segmenty:
  • Segment kosmiczny
    Tworzy go sieć satelitów. Ilość zależna jest od konkretnego systemu.
  • Segment użytkownika
    To wszelkie odbiorniki sygnału satelitarnego. Odebrany sygnał satelitarny jest następnie przetwarzany przez urządzenie do pozycjonowania, co z kolei umożliwia wyznaczenie pozycjo.
  • Segment kontroli (naziemny)
    To stacje nadzorujące pracą całego systemu pozycjonowania satelitarnego.

Nawigacja terrestryczna

Ta metoda lokalizacji jest jedną z bardziej prymitywnych metod nawigacji. W tym przypadku do określania pozycji stosuje się pewne charakterystyczne punkty znajdujące się na wybrzeżu – oczywiście obiekty w zasięgu wzroku.

Radionawigacja

Ta metoda do nawigacji stosuje fale radiowe emitowane przez specjalnie do tego celu zaprojektowane nadajniki. Możemy wymienić dwa rodzaje radionawigacji.

Dokładność poszczególnych rodzajów nawigacji
Autor: Johannes Rössel

Zwykłe radiolatarnie

Pierwszy z nich wykorzystuje zwykłe radiolatarnie. Wyposażenie takich radiolatarni w obrotowe anteny, daje możliwość wyznaczenia kierunku kompasowego.Nie każda radiolatarnia ma możliwość obrotu w okół własnej osi. W takim przypadku sygnał nadawany jest przez radiolatarnię tylko w jednym kierunku.

Radionawigacja hiperboliczna

Drugi rodzaj radionawigacji do określania pozycji stosuje nadajniki zsynchronizowane w hiperbolicznym systemie. Ten rodzaj nawigacji jest zdecydowanie dokładniejszy niż powyższy. Wymaga jednak bardziej zaawansowanych urządzeń.

Aby umożliwić nawigację z wykorzystaniem systemów hiperbolicznych, wymagane są przynajmniej 3 radiostacje, które muszą być ze sobą zsynchronizowane! Jeżeli zmierzymy opóźnienie jednego sygnału w stosunku do drugiego, to będziemy w stanie określić jaka jest różnica odległości, między obserwatorem, a źródłem odbieranego sygnału. Takie podejście pozwala nam na wyznaczenie hiperbolę, na której znajduje się obserwator. Takie działanie powtarzamy również dla drugiej pary radiostacji i analogicznie wyznaczamy drugą hiperbolę. Zarówno pierwszą, jak i drugą hiperbolę, nakładamy na mapę. Miejsce przecięcia się tych dwóch hiperboli, to pozycja obserwatora.

Nawigacja z wykorzystaniem systemów hiperbolicznych rozwinęła się podczas II Wojny Światowej.

Nawigacją hiperboliczną jest system Decca, lub Loran.