Navigačné zariadenia sú rôznych typov a modifikácií. Existujú systémy určené na použitie na otvorenom mori, iné sú prispôsobené pre širokú verejnosť, využívajúce navigátory v mnohých ohľadoch na zábavné účely. Čo sú navigačné systémy?
Čo je navigácia?
Výraz „navigácia“je latinského pôvodu. Slovo navigo znamená „plavím sa na lodi“. To znamená, že spočiatku to bolo vlastne synonymum pre lodnú dopravu alebo navigáciu. Ale s rozvojom technológií, ktoré uľahčujú lodiam plaviť sa po oceánoch, s príchodom letectva, vesmírnych technológií, tento pojem výrazne rozšíril rozsah možných interpretácií.
Navigácia dnes znamená proces, v ktorom osoba ovláda objekt na základe jeho priestorových súradníc. To znamená, že navigácia pozostáva z dvoch procedúr - toto je priame ovládanie, ako aj nesprávny výpočet optimálnej cesty objektu.
Typy navigácie
Klasifikácia typov navigácie je veľmi rozsiahla. Moderní odborníci rozlišujú tieto hlavné odrody:
- automobilový priemysel;
- astronomický;
- bionavigácia;
- vzduch;
- medzera;
- námorná;
- rádiová navigácia;
- satelit;
- pod zemou;
- informačné;
- inerciálna.
Niektoré z vyššie uvedených typov navigácie spolu úzko súvisia – najmä kvôli podobnosti použitých technológií. Napríklad automobilová navigácia často používa satelitné špecifické nástroje.
Existujú zmiešané typy, v rámci ktorých sa súčasne využíva viacero technologických zdrojov, akými sú napríklad navigačné a informačné systémy. Ako také v nich môžu byť kľúčové zdroje satelitnej komunikácie. Konečným cieľom ich zapojenia však bude poskytnúť cieľovým skupinám používateľov potrebné informácie.
Navigačné systémy
Zodpovedajúci typ navigácie tvorí spravidla systém s rovnakým názvom. Existuje teda automobilový navigačný systém, námorný, vesmírny atď. Definícia tohto pojmu je prítomná aj v odbornej verejnosti. Navigačný systém je v súlade s bežnou interpretáciou kombináciou rôznych typov zariadení (a prípadne softvéru), ktoré vám umožňujú určiť polohu objektu, ako aj vypočítať jeho trasu. Súbor nástrojov tu môže byť iný. Ale vo väčšine prípadov sú systémy charakterizované prítomnosťou nasledujúcich základných komponentov, ako sú:
- karty (zvyčajne v elektronickej forme);
- senzory, satelity ainé agregáty na výpočet súradníc;
- nesystémové objekty, ktoré poskytujú informácie o geografickej polohe cieľa;
- hardvérovo-softvérová analytická jednotka, ktorá zabezpečuje vstup a výstup dát, ako aj prepojenie prvých troch komponentov.
Štruktúra určitých systémov sa spravidla prispôsobuje potrebám koncových používateľov. Určité typy riešení možno akcentovať smerom k softvérovej časti, alebo naopak k hardvérovej časti. Napríklad navigačný systém Navitel, ktorý je populárny v Rusku, je väčšinou softvérový. Je určený pre široké spektrum občanov, ktorí vlastnia rôzne druhy mobilných zariadení – notebooky, tablety, smartfóny.
Navigácia cez satelit
Akýkoľvek navigačný systém zahŕňa predovšetkým určenie súradníc objektu – zvyčajne geografického. Historicky sa ľudské nástroje v tomto smere neustále zdokonaľovali. Dnes sú najpokročilejšie navigačné systémy satelitné. Ich štruktúru predstavuje súbor vysoko presných zariadení, ktorých časť sa nachádza na Zemi, zatiaľ čo druhá časť rotuje na obežnej dráhe. Moderné satelitné navigačné systémy sú schopné vypočítať nielen geografické súradnice, ale aj rýchlosť objektu, ako aj smer jeho pohybu.
Prvky satelitnej navigácie
Zodpovedajúce systémy zahŕňajú tieto hlavné prvky: konšteláciu satelitov, pozemné jednotky na meranie koordinácie orbitálnych objektov a výmenu informácií s nimi, zariadenia pre koncového užívateľa(navigátory) vybavené potrebným softvérom, v niektorých prípadoch - dodatočným vybavením na špecifikáciu geografických súradníc (GSM veže, internetové kanály, rádiové majáky atď.).
Ako funguje satelitná navigácia
Ako funguje satelitný navigačný systém? Základom jeho práce je algoritmus na meranie vzdialenosti od objektu k satelitom. Tie sa nachádzajú na obežnej dráhe prakticky bez zmeny ich polohy, a preto sú ich súradnice vzhľadom na Zem vždy konštantné. V navigátoroch sú stanovené zodpovedajúce čísla. Vyhľadaním satelitu a pripojením k nemu (alebo k niekoľkým naraz) zariadenie určí svoju geografickú polohu. Hlavnou metódou je výpočet vzdialenosti k satelitom na základe rýchlosti rádiových vĺn. Objekt obiehajúci na obežnej dráhe vyšle požiadavku na Zem s výnimočnou presnosťou času – na to slúžia atómové hodiny. Po prijatí odpovede od navigátora satelit (alebo ich skupina) určí, ako ďaleko prešla rádiová vlna za také a také časové obdobie. Rýchlosť pohybu objektu sa meria podobným spôsobom - len meranie je tu o niečo komplikovanejšie.
Technické problémy
Zistili sme, že satelitná navigácia je dnes najpokročilejšou metódou na určovanie zemepisných súradníc. Praktické využitie tejto technológie však sprevádza množstvo technických ťažkostí. Čo napríklad? V prvom rade ide o nehomogenitu rozloženia gravitačného poľa planéty – to ovplyvňuje polohu satelitu voči Zemi. Rovnaká vlastnosť sa vyznačuje ajatmosféru. Jeho nehomogenita môže ovplyvniť rýchlosť rádiových vĺn, v dôsledku čoho môže dochádzať k nepresnostiam v zodpovedajúcich meraniach.
Ďalší technický problém – signál odosielaný zo satelitu do navigátora je často blokovaný inými pozemnými objektmi. Výsledkom je, že plné využitie systému v mestách s vysokými budovami je zložité.
Praktické využitie satelitov
Satelitné navigačné systémy nachádzajú najširšiu škálu aplikácií. V mnohých smeroch - ako prvok rôznych komerčných riešení občianskeho zamerania. Môže ísť ako o zariadenia pre domácnosť, tak aj napríklad o multifunkčný navigačný mediálny systém. Okrem civilného využitia satelitné zdroje využívajú geodeti, kartografi, dopravné spoločnosti a rôzne vládne služby. Satelity aktívne využívajú geológovia. Najmä ich možno použiť na výpočet dynamiky pohybu tektonických zemských platní. Satelitné navigátory sa používajú aj ako marketingový nástroj – pomocou analytiky, ktorá zahŕňa metódy geopozičného určovania polohy, si firmy robia prieskum na svojej zákazníckej základni a tiež napríklad posielajú cielenú reklamu. Vojenské štruktúry samozrejme využívajú aj navigátorov – boli to práve oni, ktorí v skutočnosti vyvinuli najväčšie navigačné systémy súčasnosti GPS a GLONASS – pre potreby americkej armády, respektíve Ruska. A toto nie je úplný zoznam oblastí, kde je možné použiť satelity.
Moderná navigáciasystémy
Ktoré navigačné systémy sú momentálne v prevádzke alebo sa nasadzujú? Začnime tým, ktorý sa objavil na globálnom verejnom trhu pred inými navigačnými systémami – GPS. Jeho vývojárom a vlastníkom je americké ministerstvo obrany. Zariadenia, ktoré komunikujú cez satelity GPS, sú najrozšírenejšie na svete. Predovšetkým preto, že, ako sme už povedali vyššie, tento americký navigačný systém bol uvedený na trh skôr ako jeho novodobí konkurenti.
GLONASS si aktívne získava na popularite. Toto je ruský navigačný systém. Tá patrí zase Ministerstvu obrany Ruskej federácie. Podľa jednej verzie bol vyvinutý približne v rovnakých rokoch ako GPS - koncom 80-tych a začiatkom 90-tych rokov. Na verejný trh bol však uvedený len nedávno, v roku 2011. Stále viac výrobcov hardvérových riešení pre navigáciu implementuje podporu GLONASS do svojich zariadení.
Predpokladá sa, že globálny navigačný systém „Beidou“, vyvinutý v Číne, môže vážne konkurovať GLONASS a GPS. Pravda, momentálne funguje len ako národný. Podľa niektorých analytikov môže získať globálny štatút do roku 2020, keď bude na obežnú dráhu vypustený dostatočný počet satelitov – asi 35. Program vývoja systému Beidou je relatívne mladý – začal sa len v roku 2000 a prvý satelit vyvinul Čínski vývojárispustený v roku 2007.
Európania sa tiež snažia držať krok. Navigačný systém GLONASS a jeho americký náprotivok môžu v dohľadnej budúcnosti konkurovať systému GALILEO. Európania plánujú do roku 2020 rozmiestniť konšteláciu satelitov v požadovanom počte jednotiek orbitálnych objektov.
Medzi ďalšie sľubné projekty pre vývoj navigačných systémov patrí indický IRNSS, ako aj japonský QZSS. Pokiaľ ide o prvé široko propagované verejné informácie o zámeroch vývojárov vytvoriť globálny systém, zatiaľ nie sú k dispozícii. Predpokladá sa, že IRNSS bude slúžiť len na území Indie. Program je tiež pomerne mladý - prvý satelit bol uvedený na obežnú dráhu v roku 2008. Očakáva sa tiež, že japonský satelitný systém bude primárne používaný v rámci alebo v susedstve národných území rozvojovej krajiny.
Presnosť polohovania
Vyššie sme zaznamenali množstvo ťažkostí, ktoré sú dôležité pre fungovanie satelitných navigačných systémov. Medzi hlavné, ktoré sme vymenovali - umiestnenie satelitov na obežnej dráhe, alebo ich pohyb po danej trajektórii, sa z viacerých dôvodov nie vždy vyznačuje absolútnou stabilitou. To predurčuje nepresnosti vo výpočte zemepisných súradníc v navigátoroch. Nie je to však jediný faktor ovplyvňujúci správnosť určenia polohy pomocou satelitu. Čo ešte ovplyvňuje presnosť výpočtov súradníc?
V prvom rade stojí za zmienku, že samotné atómové hodiny, ktoré sú nainštalované na satelitoch, nie sú vždy úplne presné. Sú možné, aj keď dosťmalé, ale stále ovplyvňujúce kvalitu chýb navigačných systémov. Ak sa napríklad pri výpočte času, počas ktorého sa rádiová vlna pohybuje, dôjde k chybe na úrovni desiatok nanosekúnd, nepresnosť v určení súradníc pozemného objektu môže byť aj niekoľko metrov. Moderné satelity zároveň disponujú zariadením, ktoré umožňuje vykonávať výpočty aj s prihliadnutím na možné chyby v činnosti atómových hodín.
Vyššie sme poznamenali, že medzi faktory ovplyvňujúce presnosť navigačných systémov patrí heterogenita zemskej atmosféry. Bolo by užitočné doplniť túto skutočnosť o ďalšie informácie týkajúce sa vplyvu blízkozemských oblastí na fungovanie satelitov. Faktom je, že atmosféra našej planéty je rozdelená do niekoľkých zón. Tá, ktorá je v skutočnosti na hranici s otvoreným priestorom – ionosféra – pozostáva z vrstvy častíc, ktoré majú určitý náboj. Pri zrážke s rádiovými vlnami vysielanými satelitom môžu znížiť svoju rýchlosť, v dôsledku čoho možno vzdialenosť k objektu vypočítať s chybou. Všimnite si, že vývojári satelitnej navigácie pracujú aj s týmto druhom zdrojov komunikačných problémov: algoritmy na prevádzku orbitálnych zariadení spravidla zahŕňajú rôzne druhy nápravných scenárov, ktoré zohľadňujú zvláštnosti prechodu rádiových vĺn cez ionosféra vo výpočtoch.
Oblaky a iné atmosférické javy môžu tiež ovplyvniť presnosť navigačných systémov. Vodná para prítomná v zodpovedajúcich vrstvách vzduchového obalu Zeme, rovnako ako častice v ionosfére, ovplyvňuje rýchlosťrádiové vlny.
Samozrejme, pokiaľ ide o domáce použitie GLONASS alebo GPS ako súčasti takých jednotiek, ako je napríklad navigačný mediálny systém, ktorého funkcie sú do značnej miery zábavné, potom sú malé nepresnosti vo výpočte súradníc nie kritické. Ale pri vojenskom použití satelitov by zodpovedajúce výpočty mali v ideálnom prípade zodpovedať skutočnej geografickej polohe objektov.
Funkcie námornej navigácie
Po rozhovore o najmodernejšom type navigácie si urobme krátku odbočku do histórie. Ako viete, tento termín sa prvýkrát objavil medzi navigátormi. Aké sú vlastnosti námorných navigačných systémov?
Keď už hovoríme o historickom aspekte, môžeme si všimnúť vývoj nástrojov, ktoré majú námorníci k dispozícii. Jedným z prvých „hardvérových riešení“bol kompas, ktorý bol podľa niektorých odborníkov vynájdený už v 11. storočí. Zlepšilo sa aj mapovanie ako kľúčový navigačný nástroj. V 16. storočí začal Gerard Mercator kresliť mapy založené na princípe použitia valcovej projekcie s rovnakými uhlami. V 19. storočí bol vynájdený log – mechanická jednotka schopná merať rýchlosť lodí. V dvadsiatom storočí sa vo výzbroji námorníkov objavili radary a potom satelity vesmírnej komunikácie. Dnes fungujú najpokročilejšie námorné navigačné systémy, a tak využívajú výhody ľudského prieskumu vesmíru. Aká je povaha ich práce?
Niektorí odborníci tomu veriaHlavnou črtou, ktorá charakterizuje moderný námorný navigačný systém je, že štandardné vybavenie inštalované na lodi má veľmi vysokú odolnosť voči opotrebovaniu a vode. Je to celkom pochopiteľné – je nemožné, aby sa loď, ktorá sa vydala na otvorenú plavbu tisíce kilometrov od pevniny, ocitla v situácii, keď náhle zlyhá vybavenie. Na súši, kde sú dostupné zdroje civilizácie, sa dá všetko opraviť, ale na mori je to problematické.
Aké ďalšie pozoruhodné funkcie má námorný navigačný systém? Štandardné vybavenie, okrem povinnej požiadavky - odolnosti proti opotrebeniu, spravidla obsahuje moduly prispôsobené na stanovenie určitých parametrov prostredia (hĺbka, teplota vody atď.). Tiež rýchlosť lode v námorných navigačných systémoch v mnohých prípadoch stále nie je vypočítaná satelitmi, ale štandardnými metódami.
