Измерение широты и долготы (инструменты, хронометры)

Широта — это мера расстояния к северу или югу от экватора, который является воображаемой горизонтальной линией, проходящей на равном расстоянии от полюсов. Вся Земля разделена 180 широтными линиями, расположенными с обеих сторон от экватора, которые называются параллелями. Параллели идут параллельно экватору, на карте они обычно горизонтальны. 90 из них к северу от экватора, еще 90 -– к югу.

Долгота — это мера расстояния к востоку или западу от воображаемой линии, проходящей по поверхности земного шара от Северного полюса к Южному, называемой нулевым меридианом. Линии долготы — это серия линий, идущих от Северного полюса к Южному, которые называются меридианами; на картах они обычно вертикальны. Во всех точках, через которые проходит один меридиан, полдень наступает в одно и то же время. На Земле 360 меридианов, из которых 180 расположены к востоку от нулевого меридиана, а другие 180 — к западу.

Меридиан на противоположной стороне Земли относительно нулевого меридиана называется антимеридианом.

Широта и долгота обычно измеряются в градусах (°), минутах (′), и секундах (″). Полное расстояние от одной параллели до другой или от одного меридиана до другого составляет 1°. Чтобы производить более точные измерения, каждый градус можно разделить на 60 минут, а каждую минуту — на 60 секунд (таким образом, в градусе будет 3600 секунд).^[4]

Широта и долгота измеряются в градусах, а не в абсолютных единицах измерения длины (например в километрах), потому что Земля имеет форму шара. В то время как расстояние между градусами широты постоянно (60 морских миль или 111,12 км), расстояние между градусами долготы уменьшается по мере приближения к полюсам из-за формы Земли.

При измерении широты в качестве начальной линии рассматривается экватор, который имеет широту 0°. Аналогично нулевой меридиан является начальной линией для измерения долготы, имея долготу 0°. Любое значение широты или долготы выражено тем, насколько далеко данная точка от начальной линии и в каком направлении от нее она находится.

Хронометр (от др.-греч. χρόνος — «время» и μετρέω — «измеряю») — часы с особо точным ходом (механические либо кварцевые). Разработка первых хронометров началась в Великобритании в эпоху конца царствования королевы Анны.

Корпус морского хронометра подвешивается при помощи карданова подвеса внутри деревянного футляра, который помещается во внешний футляр, снабженный мягкой внутренней обивкой и ремнем для перевозки хронометра.

В центре циферблата, разбитого на 12 часов, укреплены часовая и минутная стрелки, движущиеся по общему циферблату. Ниже располагается секундная стрелка, перемещающаяся по секундному циферблату скачками через 0,5 секунд. В верхней части циферблата хронометра расположен циферблат завода, разделенный штрихами на семь частей по 8 часов каждый. Оцифровка интервалов дана от 0 до 56^ч, т.е. максимальный завод рассчитан на 56 часов работы хронометра.

По циферблату завода движется стрелка, которая показывает количество часов, протекшее с момента завода хронометра.

Хронометр следует заводить ежесуточно в одно и то же время (например, в 8^ч утра), чтобы в течение каждых суток действовала одна и та же часть пружины, что обеспечивает постоянство суточного хода. Обычно заводят хронометр так, чтобы он мог идти двое суток, т.е. после завода стрелка завода должна указывать на деление 8^ч.

А перед заводом при условии регулярного завода в одно и тоже время стрелка циферблата завода должна указывать на деление с цифрой 32^ч.

При заводе хронометр медленно поворачивают в кардановом подвесе на бок, и придерживая его левой рукой, правой рукой поворачивают по часовой стрелку заслонку.

Вставляют заводной ключ и аккуратно делают 7-7,5 полуоборотов ключа против часовой стрелки. Если заводить непроворачивающимся ключом по часовой стрелке, то можно испортить механизм хронометра. Затем вытаскивают ключ из отверстия и осторожно возвращают хронометр в прежнее положение.

Для пуска остановившегося хронометра надо предварительно завести хронометр, сообщая ему двухсуточную порцию завода (14-15 полуоборотов ключа), и не слишком резко повернуть ящик с механизмом хронометра вокруг вертикальной оси на 45⁰-50⁰.

Перед пуском желательно (первоначально) установить стрелки так, чтобы он показывал гринвичское время на несколько минут больше текущего гринвичского времени. При переводе и установок стрелок на требуемый отсчет хронометра предварительно надо взять его на стопор, затем отвинтить стеклянную крышку.

Надеть ключ на квадратную головку оси минутной стрелки и, вращая ключ по часовой стрелке установить минутную и часовую стрелки на гринвичское время.

При перестановке стрелок надо следить за их согласованием. Когда минутная стрелка стоит на штрихе своего циферблата, секундная должна быть на нуле. Т.к. секундную стрелку трогать нельзя, а она, например как в этом примере остановилась на 31-ой секунде, то минутная стрелка должна быть установлена на половине минутного деления.

Завинтив на место стекло, пускают заведенный хронометр толчком, как указано выше, по возможности к установленному гринвичскому времени.

Поправку хронометра в современное время определяют при помощи приемоиндикатора спутниковой радионавигационной системы (ПИ СРНС) и секундомера.
Пускают заведенный секундомер в момент времени, когда ПИ показывает целую минуту. В данном примере Тгр. пуска сек. = 3^ч52^м00^с.

Подойдя к штурманскому хронометру с хронометром, останавливают секундомер в удобный момент времени, когда показания секундной стрелки хронометра соответствуют 30 или 60 секундам.
В данном примере Тхр. ост. сек. = 3^ч49^м00^с.

С точностью до 0,1^с записывают показания секундомера. Тсек = 0^м30^с.

Радионавигация

Радионавигация - это совокупность операций по обеспечению вождения движущихся объектов (летательных аппаратов, судов и пр.), а также по наведению управляемых объектов с помощью радиотехнических средств. Как научно-техническая дисциплина, рассматривающая принципы построения радиотехнических средств и разрабатывающая методы их использования для обеспечения движения объектов по определённой траектории и вывода их в заданную точку в заданное время.

При решении основной задачи навигации - определения местоположения объектов и элементов их движения - в радионавигации используют как специальные радиотехнические средства, так и средства, применяемые в других областях техники, например в радиолокации, радиовещании.

Действие радионавигационных средств основано на использовании распространения радиоволн над поверхностью Земли по кратчайшему (ортодромическому) расстоянию между пунктами излучения и приёма с постоянной скоростью.

Радионавигация прошла длинный путь развития от первых наблюдений А. С. Попова до создания необходимых средств морской, воздушной и космической навигации, картографии и геодезической съёмки. Радионавигационные методы позволяют определять положение и скорость объектов наблюдения с относительной погрешностью до ^{1 и 1 1}.

Различают пассивные методы радионавигации, когда на подвижном объекте имеются лишь устройства, принимающие сигналы опорных наземных радиостанций, и активные, использующие радиолокацию. В практику вошли преимущественно пассивные и комбинированные радионавигационные системы.

Однако, например, посадка космических аппаратов на Луну и планеты Солнечной системы обеспечивается автономными активными системами, получающими с Земли лишь исходные команды.

Простейшим устройством навигации является радиокомпас. Первоначально направление определялось с его помощью вручную. Затем появился автоматический радиокомпас - самолётный радиопеленгатор для автоматической пеленгации наземных передающих радиостанций. Он состоял из радиоприёмника с двумя антеннами (направленной - рамочной и ненаправленной - штыревой) и индикаторного устройства. Автоматическая следящая система поворачивает рамку в положение минимума сигнала, совпадающее с направлением на пеленгуемую радиостанцию. Угол поворота рамки посредством электромеханической дистанционной передачи сообщается стрелочному индикатору, Для функционирования радиокомпасов строились радиомаяки - передающие радиостанции, установленные в известном месте на земной поверхности или на движущемся объекте (например, самолёте-заправщике), которые передавали специальные радиосигналы, параметры которых связаны с координатами радиомаяка.

В 30-40-х гг. XX в. радиокомпасами были оснащены практически все самолеты. В фильме «Воздушный извозчик» 1, который смотрели ваши бабушки и прабабушки, самолет возвращается домой по сигналу радиостанции, транслирующей из театра оперную арию.

В 40-60-х гг. XX в. создаются фазовые и импульснофазовые радионавигационные системы (РНС) (см. разделы 4.1 и 5.1). Принцип определения местоположения в таких системах основан на измерении разности расстояний от радиостанций с известными координатами. Кривые, у которых разность расстояний от каждой точки до фокусов остается постоянной, в математике известны как гиперболы. Поэтому РНС такого типа называют также гиперболическими РНС.

В РНС, разбросанных на огромной территории, используются сверхмощные передатчики мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт и большие антенны от 250 до 450 метров. Измеряя разность фаз трех радиостанций (взаимное запаздывание сигналов) с точно известными координатами, можно определить местоположение с точностью до нескольких сотен метров

Работа РНС требует синхронизации всех её передатчиков. Для этого одна из станции оснащается квантовым стандартом частоты с относительной стабильностью частоты порядка 10"¹²

В настоящее время РНС LORAN-C (США) и «ЧАЙКА» (СССР/РФ) выступают как компоненты интегрированного радионавигационного поля. Совместное использование систем LORAN-C и «ЧАЙКА» открыло широкие возможности улучшения качества навигационного обеспечения не только в Европе и на Дальнем Востоке, но и в других регионах мира, где работают или могут быть установлены новые сети передающих станций LORAN-C/«4AflKA».

Запуск первого ИСЗ в 1957 г. открыл новую страницу в развитии методов навигации. Навигационные системы постепенно из региональных превратились в глобальные.

В 70-х годах XX в. на орбиту выведены спутники международной системы «КОСПАС/SARSAT» - космической системы обнаружения терпящих бедствие. Аварийный буй пеленгуется спутниками и по каналам связи информация передается в центры поисково-спасательных служб района бедствия.

В конце 70-х годов XX века в США и СССР развернулись работы по созданию спутниковых навигационных систем. По проекту 24 спутника, вращаясь на 3-х взаимно перпендикулярных орбитах в 20 тыс. км от Земли, должны обеспечивать навигацию в любой точки Земли, в любое время суток (система ГЛОНАСС - СССР и система GPS - США)“.

Передатчики излучают сигналы в диапазоне единиц ГГц, что позволяет создавать миниатюрные, а, следовательно, недорогие приборы, обеспечивающих точность определения координат в единицы метров и даже доли метра. Для обеспечения такой точности на спутниках этих систем размещаются высокостабильные квантовые стандарты частоты и времени, которые корректируются с Земли по сигналам государственного эталона частоты и времени.

В мире существует четыре проекта глобальных радионавигационных спутниковых систем: американский GPS (24 спутника, запущены в 1989-1994 гг.), российский ГЛОНАСС (24 спутника) и два развертываемых - европейский «Galileo» (30 спутников, ввод всей группировки ожидается в 2020 г.) и китайский «Compass» (35 спутников, ввод в строй в полном объеме планируется на 2020 г.).

Первый спутник ГЛОНАСС был выведен Советским Союзом на орбиту 12 октября 1982 года. Система была официально принята в эксплуатацию с орбитальной группировкой из 12 спутников 24 сентября 1993 году. В 1995 г. в космическом сегменте системы уже было 24 спутника. Основное отличие системы ГЛОНАСС от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют синхронности с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Поэтому группировка спутников ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. В настоящее время для навигации используется объединенная система GPS/ГЛОНАСС.