Введение
"Судовые навигационные приборы" - так звучит тема моего курсового проекта. Моя специальность предполагает ознакомление и работу с современными устройствами определения координации, но мне также показалось важным осветить и ту часть эпохи, когда моряки определяли свое местонахождение по расположению небесных светил, без компьютеров и сложной техники GPS – и радионавигаторов.
Я постаралась провести черту и сравнить насколько высоко развились системы и приборы современной навигации и приборы на первых парусных кораблях.
1. О навигации в судовождении
История морской навигации
Навигация (Navigation от лат.Navis - корабль) - основной раздел судовождения, в котором:
- разрабатываются теоретические обоснования и практические приемы вождения судов;
- рассматриваются вопросы выбора кратчайшего и безопасного пути следования судна в море и удержания судна на выбранном пути.
Морская навигация зародилась в глубокой древности. Простейшие приёмы вождения судов были известны не только древним египтянам и финикийцам, но и народам, стоявшим на более низкой ступени развития.
Основы современной навигации были заложены применением магнитной стрелки для определения курса судна [см. компас], относимым к XI веку, составлением карт в прямой равноугольной цилиндрической проекции (Г. Меркатор, 1569), изобретением в XIX веке механического лага.
В конце XIX — начале XX веков успехи в развитии физики послужили основой создания электронавигационных приборов и радиотехнических средств судовождения.
Задачи современной навигации
Морская навигация имеет своизадачи:
· выбор безопасного и наиболее выгодного пути судна;
· определение направления движения и пройденного судном расстояния в море при помощи навигационных инструментов и приборов (в том числе определение поправок показаний этих приборов);
· изучение и выбор наиболее удобных для судовождения картографических проекций и решение на них аналитическими и графическими способами навигационных задач;
· учёт влияния внешних факторов, вызывающих отклонение судна от выбранного пути;
· определение места судна по наземным ориентирам и навигационным искусственным спутникам и оценка точности этих определений.
Ряд навигационных задач решается с использованием методов геодезии, картографии, гидрографии, океанологии и метеорологии.
Расчет курса и судовождение
Плавание судна между заданными пунктами требует расчёта и нанесения его пути на морские навигационные карты, а также определения курса, обеспечивающего перемещение судна по намеченному пути с учётом воздействия внешних возмущающих факторов — ветра и течения. В качестве основной единицы измерения расстояний в море принята морская миля, а направлений — градус.
Кратчайшим расстоянием между двумя данными точками на поверхности Земли, принятой за шар, является меньшая из дуг большой окружности, проходящей через эти точки (Ортодромия). Кроме случая следования судна по меридиану или экватору, ортодромия пересекает меридианы под разными углами. Поэтому судно, следующее по такой кривой, должно всё время изменять свой курс. Практически удобнее следовать по курсу, составляющему постоянный угол с меридианами и изображаемому на карте в проекции Меркатора прямой линией — локсодромией. Однако на больших расстояниях различие в длине ортодромии и локсодромии достигает значительной величины. Поэтому в таких случаях рассчитывают ортодромию и намечают на ней промежуточные точки, между которыми совершают плавание по локсодромии.
Графическое изображение пути судна на морской карте называется прокладкой.
Во время плавания судоводитель ведёт непрерывный учёт положения судна по направлению его движения и пройденному расстоянию на основе показаний компаса судового и лага, а также данных о течении и дрейфе судна. Метод учёта положения судна по элементам его движения называется счислением, а место судна на карте, полученное этим методом — счислимым местом судна.
Однако как бы тщательно ни велось счисление, оно всегда расходится с действительным местом судна из-за ошибок в принятых поправках показаний компаса и лага, неточностей учёта элементов течения и дрейфа, а также отклонений судна от курса под влиянием других факторов. Поэтому во время плавания для исключения ошибок постоянно корректируют счисление посредством периодических определений места судна (обсерваций) по наземным ориентирам (то есть навигационными способами) или небесным светилам, применяя способы мореходной астрономии.
Навигационные способы основаны на измерении расстояний и направлений (или их комбинаций) до объектов, координаты которых известны, или углов между ними. Каждое измерение даёт одну линию положения. Пересечение 2 линий положения определяет обсервованное место судна. При 3 и более линиях можно не только определить место судна, но и найти вероятные значения ошибок наблюдений. Ориентирами для навигационных определений вблизи берега служат нанесённые на карту естественные приметные места или искусственные сооружения (преимущественно средства навигационного оборудования — маяки, знаки, створы и др.), наблюдаемые визуально или при помощи радиолокатора, сигналы круговых или створных радиомаяков, звуковые сигналы, а также отличительные глубины. На значительных расстояниях от берега используются импульсные, импульсно-фазовые и фазовые радионавигационные системы или секторные радиомаяки.
Повышение интенсивности движения на морских путях, увеличение размеров и скорости хода морских судов требуют совершенствования технических средств и методов навигации.
Одним из путей увеличения точности счисления является использование эффекта Доплера в гидроакустических лагах, позволяющее измерять скорость судна относительно грунта.
На подходах к портам и при плавании по стеснённым фарватерам необходимая точность проводки судов обеспечивается применением прецизионных радионавигационных систем ближнего действия или береговыми радиолокационным станциями. Для навигации в открытом море разрабатываются глобальные радионавигационные системы, позволяющие определять место судна в любой точке. Весьма перспективна для этой цели система навигационных искусственных спутников Земли.
Развитие техники судовождения позволяет автоматизировать получение и обработку навигационной информации и выдавать данные непосредственно на систему управления для решения задачи стабилизации судна на заданной траектории. Перспективным направлением является развитие и применение на транспортных судах автономных систем инерциальной навигации.
2. Навигационные приборы
Навигационные приборы - компасы, гироазимуты, автопрокладчики, высотомеры, лаги, лоты, эхолоты, секстаны и другие устройства, предназначенные:
- для измерения отдельных элементов движения судна, летательного аппарата и других подвижных объектов;
- для определения их местоположения; и
- для получения исходных данных для применения оружия.
Компас [сс1]
Ко́мпас (в профессиональной речи моряков: компа́с) — это устройство, облегчающее ориентирование на местности. Существуют три принципиально различных вида компаса: магнитный компас, гирокомпас и электронный компас.
Магнитный компас
История создания. Дорожный компас XVIII век.
Предположительно, компас был изобретён в Китае за 2000 лет до н.э. и использовался для указания направлении движения по пустыням. В Европе изобретение компаса относят к XII—XIII вв., однако устройство его оставалось очень простым — магнитная стрелка, укрепленная на пробке и опущенная в сосуд с водой. В воде пробка со стрелкой ориентировалась нужным образом. В начале XIVв. итальянец Ф. Джойя значительно усовершенствовал компас. Магнитную стрелку он надел на вертикальную шпильку, а к стрелке прикрепил лёгкий круг — катушку, разбитую по окружности на 16 румбов. В XVI в. ввели деление катушки на 32 румба и коробку со стрелкой стали помещать в карданном подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. В XVII в. компас снабдили пеленгатором — вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укрепленной своим центром на крышке коробки над стрелкой.
Для примера будет рассмотрен компас Адрианова. Компас Адрианова состоит из корпуса 1, в центре которого на острие иглы помещена магнитная стрелка 3. При незаторможенном состоянии стрелки ее северный конец устанавливается в направлении на Северный магнитный полюс, а южный — на Южный магнитный полюс. В нерабочем состоянии стрелка закрепляется тормозом 6. Внутри корпуса компаса помещена круговая шкала (лимб) 2, разделенная на 120 делений. Цена одного деления составляет 3°, или 50 малых делений угломера (0-50). Шкала имеет двойную оцифровку. Внутренняя оцифровка нанесена по ходу часовой стрелки от 0 до 360° через 15° (5 делений шкалы). Внешняя оцифровка шкалы нанесена против хода часовой стрелки через 5 больших делений угломера (10 делений шкалы). Для визирования на местные предметы (ориентиры) и снятия отсчетов по шкале компаса на вращающемся кольце компаса закреплено визирное приспособление (мушка и целик) 4 и указатель отсчетов 5.
Принцип действия компаса основан на взаимодействии магнитного поля постоянных магнитов компаса с горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Свободно вращающаяся магнитная стрелка поворачивается вокруг оси, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля. Таким образом, стрелка всегда указывает одним из концов в направлении линии магнитного поля, которая идет к Северному магнитному полюсу.
Гирокомпас
Гирокомпас — прибор, указывающий направление на земной поверхности; в его состав входит один или несколько гироскопов. Используется почти повсеместно в системах навигации и управления крупных морских судов; в отличие от магнитного компаса его показания связаны с направлением на истинный географический (а не магнитный) Северный полюс. Обычно гирокомпас применяется как опорное навигационное устройство в судовых рулевых системах с ручным или автоматическим управлением, а также при решении различных задач иного рода, например, для определения точного направления при наводке орудия боевого корабля. Морской гирокомпас, как правило, очень тяжел; в некоторых конструкциях вес гироскопического ротора превышает 25 кг. Для нормальной работы гирокомпаса необходимо устойчивое основание, не испытывающее ускорений и фиксированное относительно земной поверхности, причем скорость его перемещения должна быть пренебрежимо мала по сравнению со скоростью суточного вращения Земли на данной широте.