Введение. История навигации от древности до наших дней (1151916), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

В Россию навигация, как самостоятельная наука, пришла в эпоху

Петра I, указом которого 14 января 1701 г. в Москве была создана «Навигацкая школа» — первое в России и второе в Европе специализированное техническое учебное заведение с базовой математической подготовкой. Царским указом в школу велено было принимать детей всех сословий; в 1706 г. в ней было около 500 учащихся. С 1702 г. школа размещалась в Сухаревой башне (см. рис. В.15), где находились учебные классы, лаборатории, а также обсерватория.

Рис. В.15 Сухарева башня (построена в 1692—1695 г., не сохранилась)

В школе преподавали А.Д. Фарварсон, Л.Ф. Магницкий, выпускники лондонской Королевской математической школы С. Гвин и Р. Грейс. Специально для нее были подготовлены печатные учебные пособия: «Арифметика» Магницкого (1703), «Таблицы логарифмов и синусов» Фарварсона, Гвина и Магницкого (1704). Учебный цикл состоял из трех ступеней: арифметики, высшей математики и практической навигации. Для дальнейшей специализации выпускников отправляли на флот, на геодезические и архитектурно-строительные работы, а с 1714 г. – учителями в «цифирные школы». Школа действовала до 1752 г., но период ее наиболее активной деятельности закончился в 1715 г., когда все мореходное образование сосредоточилось в Морской Академии, открытой в Петербурге.
Для своего времени школа сослужила большую службу, Петр I говорил, что «не токмо к морскому ходу нужна сия наука».

В.5 XIX и XX века

XIX век принято называть веком пара и электричества. Оснащение судов паровыми двигателями означало революцию в мореплавании, которое приобрело глобальный характер. Появилась насущная потребность в совершенствовании и развитии средств навигации, а также в систематизации знаний, накопленных в этой области. В 1840 г. Анри Рапер опубликовал свою знаменитую книгу «Практическое пособие по навигации и морской астрономии».

В 1820-30 г.г. немецкий математик Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) разработал равноугольную поперечно-цилиндрическую проекцию, названную его именем. В настоящее время эту проекцию широко используют для построения топографических карт средних и крупных масштабов (1:25 000 — 1:1 000 000) и называют проекцией Гаусса – Крюгера (Иоганн Крюгер (1857 – 1923) – немецкий математик, переработавший и усовершенствовавший в ХХ веке математический аппарат гауссовой проекции).

Одновременно все большее значение приобретало познание законов магнетизма и электричества. Итальянский физик Алессандро Вольта создал первый в мире химический источник тока – электрическую батарею.

Е го работы, наряду с работами английского физика Майкла Фарадея, французского физика Андре Мари Ампера и других ученых заложили фундамент современной науки об электричестве и магнетизме.

Джеймс Клерк Максвелл открыл фундаментальные уравнения, описывающие характер электрического и магнитного полей и их взаимодействия.

Основываясь на результатах работ Максвелла, немецкий физик Генрих Рудольф Герц изобрел устройство, которое генерировало радиоволны.

Научные открытия в области электричества и магнетизма быстро находили практическое применение, в том числе и в навигации. Так, девиация, т.е. отклонение стрелки магнитного компаса от направления магнитного меридиана под воздействием металлосодержащих деталей корабля впервые была замечена навигатором XVI века Жоао де Кастро. В XIX веке математик Джордж Айри (1801 – 1891) заинтересовался этим явлением и сделал заключение, что вклад в девиацию судового компаса могут вносить как магнитные поля, обусловленные остаточные намагниченностью корпуса и других конструкций судна, так и электромагнитные поля, возникающие в результате протекания электрического тока в проводниках, расположенных вблизи компаса.

После того, как причины девиации были изучены, были разработаны устройства, создающие электрические токи, магнитное поле которых компенсировало поля, порождающие девиацию.

Огромный вклад в развитие навигации внесло изобретение гироскопа и создание на его основе гироскопического компаса (гирокомпаса). Основу механический гироскопа составляет быстро вращающееся тело – ротор, обладающий свойством сохранять в пространстве неизменное направление оси вращения при отсутствии воздействия на нее моментов внешних сил. Для того чтобы положение оси ротора оставалась неизменным при любых изменениях пространственной ориентации носителя, ротор устанавливается в карданный подвес (шарнир).

И зобретатель механического гироскопа Иоганн Боненбергер опубликовал описание своего изобретения в 1817 году. Главной частью гироскопа Боненбергера был вращающийся массивный шар в карданном подвесе.

Ф ранцузский учёный Жан Фуко выяснил, что ось гироскопа, установленного в карданный подвес с двумя степенями свободы, указывает фиксированное направление в пространстве. Усовершенствованный таким образом гироскоп (рис. В.16) Фуко впервые использовал в 1852 году для демонстрации вращения Земли. Именно благодаря этой демонстрации гироскоп и получил своё название от греческих слов «вращение», «наблюдаю».

Рис. В.16. Гироскоп Фуко (1852 г.)

Во второй половине XIX века было предложено использовать электродвигатель для разгона и поддержания длительного вращения ротора гироскопа. Впервые на практике гироскоп был применен в 1880-х годах инженером Обри для стабилизации курса торпеды.

В 1884 г. на Международной меридианной конференции в Вашингтоне было предложено принять Гринвичский меридиан за нулевой, а Гринвичское время – за начало отсчета времени для всех других временных зон.

В ХХ веке, наряду с дальнейшим развитием методов и средств навигации в интересах мореплавания, появилась новая обширная область их применения – аэронавигация. Уже в первые десятилетия ХХ века, по мере того, как дирижабли и самолеты стали использовать как транспортное и боевое средство, на них начали устанавливать разработанные к тому времени навигационные приборы. В частности, морской секстант использовался также и на самолетах, где при помощи отвеса и уровня с воздушным пузырьком определяли искусственные горизонты. Начиная с 1920 г., уровень с воздушным пузырьком стали использовать в составе пузырькового секстанта, созданного специально для самолетов. Усовершенствование гирокомпаса позволило применить его в авиации. Прототип современного гирокомпаса (рис. В.17) первым запатентовал в 1908г. германский инженер Герман Антшютц-Кэмпфе, вскоре, в 1911 г., подобный прибор запатентовал американец Элмер Сперри.

Рис. В.17. Гирокомпас

В 1914 г. Лоуренс Сперри (сын Элмера Сперри) запатентовал «авиационный стабилизатор», который, по сути, был первым автопилотом.

В 1920г. появились первые системы инерциальной навигации, построенные на основе трех акселерометров, которые устанавливали ортогонально на платформе, стабилизированной при помощи гироскопов. Простейший механический акселерометр представляет собой чувствительную массу, связанную с корпусом упругим элементом, например, пружиной (рис. В.18).

Рисунок В.18 Принцип действия механического акселерометра (Д – демпфер)

При ускоренном движении объекта возникает ньютоновская сила F=ma, которая вызывает отклонение чувствительной массы. Измеряя величину отклонения , можно, при известной жесткости пружины, определить величину этой силы, а, следовательно, и ускорение Дважды интегрируя измеренную величину ускорения по времени, можно определить пройденный путь, и, зная начало отсчета и направление движения, свое текущее местоположение.

Благодаря присущему инерциальным навигационным системам свойству автономности (подробнее см. раздел 1.2), начиная с 50-х годов ХХ века такие системы, нашли широкое применение в авиационной и ракетной технике.

Быстрое развитие в ХХ веке автомобильного транспорта породило еще одну сферу использования традиционной навигации – маршрутную навигацию. Первые механические прототипы навигационных систем, которые кроме измерения расстояния и определения направления могли выполнять функцию навигации по маршруту, появились в начале ХХ века. Например, в США, начиная с 1910 г., было разработано множество механических навигационных систем, предоставляющих информацию по маршруту в режиме реального времени. Наиболее часто используемыми бортовыми механическими устройствами в то время были карта Джонса, автомобильные навигационные системы Chadwick road guide и Rhodes route indicator. В системе Chadwick road guide металлический диск с отверстиями поворачивался пропорционально пройденному пути. Отверстия отмечали перекрестки на маршруте. К дорожкам на диске пружинами прижимались специальные молоточки. При попадании молоточка в отверстие устройство издавало звонок, и специальный рычажок с кодированным символом указывал водителю, какое действие необходимо выполнить. В карте Джонса описание маршрута печаталось на вращающемся бумажном диске, а стрелка указывала правильное направление движения. В обоих устройствах диск необходимо было менять с каждым новым маршрутом, тогда как в системе Rhodes route indicator одновременно могло использоваться несколько носителей цилиндрической формы.

Одним из первых навигационных устройств с электронными компонентами был автомобильный одограф, который автоматически рисовал траекторию транспортного средства на карте в надлежащем масштабе. Разработанный во время Второй мировой войны инженерами США, этот прибор определял местоположение военной машины, совмещая функции одометра и магнитного компаса, в котором положение стрелки считывалось при помощи фотоэлемента.

В конце 1960-х гг. был сделан первый шаг к созданию современных интеллектуальных транспортных систем, базирующихся на достижениях радиоэлектроники и вычислительной техники. Первая такая система была создана в США и представляла собой центр управления трафиком с функцией диспетчеризации. С использованием сети маяков ближнего действия, находящихся на определенных перекрестках, система устанавливала двухстороннюю связь между центром управления и всеми транспортными средствами, оборудованными соответствующими приемо-передатчиками. Вся инфраструктура использовалась для сбора данных, необходимых для выдачи водителям соответствующих инструкций. Таким образом, система предлагала беспроводную навигацию отдельного транспортного средства и одновременно контролировала и распределяла транспортный поток.

Развитие цифровых технологий картографии и микропроцессоров стало основой для создания первых автономных транспортных навигационных систем. Прототип первой автоматической системы управления маршрутом появился в начале 1970-х гг. В ней использовались цифровые карты, алгоритмы счисления пути, алгоритмы распознавания карт для определения траектории транспортного средства. Кроме того, система поддерживала функцию голосового и визуального сопровождения. Первые автономные коммерческие системы такого типа появились в начале 1980-х гг., первая автономная система с использованием цифровых карт, хранящихся на CD-ROM и отображающихся на цветном дисплее – в середине 1980-х гг., а первая автономная система с использованием приемника GPS – в 1990-х гг.

Характеристики

Список файлов лекций