Umiejętność nawigacji w terenie była człowiekowi potrzebna od zawsze, zresztą nie tylko nam. Również zwierzęta wędrując, przemierzają wiele kilometrów. Na przykład bociany lecąc do Afryki pokonują dystans 9 tyś. kilometrów, a potem są w stanie wrócić dokładnie w to samo miejsce. My ludzie nie posiadamy niestety tak dobrego zmysłu orientacji. Potrafimy jednak obserwować przyrodę, patrzeć w gwiazdy, szukać różnych punktów odniesienia na Ziemi, jednak czasami i to jest niewystarczające, więc korzystamy z naszego intelektu i tworzymy mniej lub bardziej zaawansowane urządzenia oraz techniki, które pomagają nam w nawigacji.
Krótka historia nawigacji, czyli metody jakie stosowano kiedyś
Naturalnymi obiektami wspierającymi nawigację od zawsze były ciała niebieskie - Słońce, Księżyc, gwiazdy. Jednak nieuzbrojone oka ma ograniczone możliwości wykorzystania tych obiektów w określaniu swojego położenia. Dlatego bardzo pomocne były w przeszłości różnego rodzaju przyrządy.
Prawdopodobnie w II wieku p.n.e. powstało tzw. astrolabium. W IX i X wieku przyrząd ten został udoskonalony przez arabskich uczonych. Od X wieku astrolabium wykorzystywane było w Europie. Przyrząd ten odwzorowywał sferę niebieską na swojej powierzchni. Składa się z płaskiej tarczy, na którą nałożone były elementy nieruchome oraz ruchome, które można było obracać. Astrolabium służył np. do określania wschodów i zachodów gwiazd w tym Słońca, określania azymutu oraz wysokości i odchylenia gwiazd. Wymagał trzech osób do obsługi.
Astrolabium
Jednym z najbardziej przydatnych przyrządów nawigacyjnych był kompas. Jego budowa jest stosunkowo prosta. Kompas wyposażony jest w swobodnie zawieszoną igłę magnetyczną, która ustawia się wzdłuż biegunów magnetycznych (nie geograficznych, które są nieco przesunięte). Pierwsze kompasy prawdopodobnie zaczęły powstawać w Chinach, o czym wiemy z książki Mengxi Bitan z 1088 roku napisanej przez Shen Kuo. Z kolei pierwsze wzmianki o kompasie w Europie pochodzą mniej więcej z roku 1190.
Kompas
W nawigacji niezwykle pomocne okazały się mapy. Co prawda pierwsze z nich zaczęły powstawać już w 600 p.n.e. w Babilonii, jednak aż do końca wczesnego średniowiecze miały one charakter bardzo ogólni i nadawały się do wykorzystania w nawigacji. Dopiero mniej więcej od XIII wieku zaczęły się pojawiać bardziej dokładne mapy, z coraz lepiej zarysowanymi liniami brzegowymi, wyspami, głębokością wody itp.
Mapa z 1569 roku
W 1325 roku Levi Ben Gerson skonstruował tzw. Laskę Jakuba. Przyrząd ten umożliwiał pomiar wysokości ciał niebieskich nad horyzontem. Laska Jakuba pozwalała również wyznaczyć kąty pionowe oraz poziome między ciałami. Przyrząd ten składał się z długiego pręta, który przykładano do oka oraz poprzeczki, której położeni było zmieniane w zależności od położenia obiektu na niebie.
W 1730 roku Johna Hadleya opracował przyrząd nawigacyjny, który pozwalał na pomiar kątów poziomych oraz pionowych między obiektami na niebie, a także umożliwiał pomiar wysokości ciał niebieskich nad horyzontem. Przyrząd ten nazwano oktantem.
Ważnym rokiem dla rozwoju nawigacji był rok 1731. Wtedy to John Hadley wynalazł sekstant. Był to optyczny przyrząd nawigacyjny, który umożliwiał pomiar wysokości ciał niebieskich nad horyzontem, a także kątów poziomych i pionowych między obiektami. Najczęstszym zastosowaniem sekstantu było określenie szerokości geograficznej obserwatora, dzięki np. pomiarowi wysokości Słońca w momencie kulminacji (godz. 12:00). Teoretycznie za pomocą sekstantu można było wyznaczyć pozycję z dokładnością nawet do 0,1 minuty kątowej.
Sekstant
W 1759 roku Johna Harrisona zbudował chronometr, czyli zegar o bardzo dużej precyzji. Chronometr wraz z oktantem pozwalał na stosunkowo dokładne jak na tamte czasy, wyznaczanie pozycji (nawet do 0,5°).
Kolejne etapy w rozwoju nawigacji wiążą się już z czasami współczesnymi, kiedy to zaczęły powstawać metody, które opierały się o wykorzystanie fal radiowych. W przypadku nawigacji satelitarnej pozwoliło to na uzyskanie dokładności w pozycjonowaniu, sięgającej nawet kilku centymetrów.
Metody nawigacji stosowane w czasach współczesnych
Astronawigacja
Ta metoda umożliwia nawigację dzięki pomiarowi astronomicznej wysokości (kąt między płaszczyzną horyzontu astronomicznego, a obserwowanym obiektem) oraz azymutów (kąt między północną częścią południka, a konkretnym kierunkiem poziomym) ciał niebieskich. W astronawigacji wysokość astronomiczną możemy wyznaczyć za pomocą sekstantu.
- Podczas pomiarów pozycji obserwatora stosujemy następującą hierarchię ciał niebieskich:
- Słońce – 95% wszystkich dokonywanych obserwacji
- Księżyc – 4 % wszystkich dokonywanych obserwacji
- Wenus – poniżej 1% wszystkich obserwacji
- Jowisz – poniżej 1% wszystkich obserwacji
- Mars – poniżej 1% wszystkich obserwacji
- Saturn – poniżej 1% wszystkich obserwacji
- 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.
W astronawigacji wykorzystywano różnego rodzaju przyrządy, o których wspomniano powyżej, np. sekstant, Laskę Jakuba oraz astrolabium.
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, który dzięki falom radiowym umożliwia np. identyfikację 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 dodatkowo jego parametry, 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 istnieją dwa liczące się systemy nawigacji satelitarnej, system GPS oraz GLONASS. Europejski system Galileo jest w trakcie budowy, a prace nad nim mają zakończyć się w 2020 roku. Chiński system Beidou (Compass) pokrywa swoim zasięgiem jedynie obszar Chin.
Każdy system nawigacji satelitarnej posiada podobną strukturę, którą tworzą 3 segmenty:
- Segment kosmiczny
Tworzy go sieć satelitów. Ilość zależna jest od konkretnego systemu, ale zwykle potrzeba minimum 24 satelitów, aby możliwe było wyznaczanie pozycji w dowolnym miejscu na świecie - Segment użytkownika
To wszelkie odbiorniki sygnału satelitarnego. Odebrany sygnał satelitarny jest następnie przetwarzany przez urządzenie do pozycjonowania, co z kolei umożliwia wyznaczenie aktualnej lokalizacji - Segment kontroli (naziemny)
To stacje nadzorujące pracą całego systemu pozycjonowania satelitarnego
Radionawigacja
Ta metoda do nawigacji wykorzystuje fale radiowe emitowane przez specjalnie do tego celu zaprojektowane nadajniki. Możemy wymienić dwa rodzaje radionawigacji.
Dokładność poszczególnych rodzajów nawigacji
Autor: Johannes Rössel
Zwykłe radiolatarnie
Wykorzystują 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 hiperboli, 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.
Nawigacja terestryczna
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.
