nawigacja

nawigacja

[łac. navigatio ‘żegluga’],

prowadzenie obiektu ruchomego (statku wodnego, powietrznego lub kosmicznego, pojazdu lądowego); także nauka o sposobach, metodach i środkach technicznych prowadzenia obiektów ruchomych według wyznaczonej trasy, wyboru trasy, wyznaczania pozycji obiektów ruchomych i nieruchomych (wspomaganie geodezji) oraz wyznaczania błędów pomiarów pozycji.

Ze względu na środki stosowane do rozwiązywania zadań nawigacyjnych wyróżnia się nawigację: terrestryczną (wykorzystanie obiektów naziemnych), astronomiczną, czyli astronawigację, polegającą na określaniu pozycji obiektu na podstawie pomiaru współrzędnych ciał niebieskich, radiową, czyli radionawigację (w tym GPS), wykorzystującą fale radiowe, inercjalną (bezwładnościową) — wykorzystanie pomiaru przyspieszeń do określania przemieszczania się obiektu. Najbardziej powszechne zastosowanie znajduje nawigacja lotnicza i nawigacja morska.

Nawigacja lotnicza.

Proces, a także wiedza o procesie kierowania lotem statku powietrznego w przestrzeni w taki sposób, aby zrealizować zaprogramowaną trajektorię lotu od punktu startu do punktu lądowania w określonym obszarze (korytarzu) powietrznym, z zachowaniem odpowiednich odległości (w odniesieniu do innych statków), zgodnie z przepisami międzynarodowymi. Istnieje wiele sposobów uzyskiwania informacji nawigacyjnej i jej wykorzystywania przy użyciu różnych przyrządów i układów pomiarowych. Każdy z nich sprowadza się do nawigacji zliczeniowej lub nawigacji według namiaru pozycji. Nawigacja zliczeniowa polega na ekstrapolacji drogi (kursu) do znanej pozycji w określonym momencie w przeszłości (np. pozycji startowej). Wymaga pomiaru kierunku ruchu statku powietrznego i jego prędkości lub przyspieszenia. W najprostszym przypadku pilot — odczytując kurs na busoli magnetycznej, prędkość lotu na prędkościomierzu lotniczym i czas lotu na zegarze pokładowym — może obliczyć przebytą drogę, przenieść te dane na mapę i wyznaczyć aktualne współrzędne położenia statku. W latach 40. XX w. rozpoczęto automatyzację procesów obliczeniowych za pomocą przeliczników analogowych (całkowanie prędkości i obliczenia trygonometryczne na podstawie sygnału z busoli żyroskopowej lotniczej oraz wprowadzonej przez pilota wartości kąta znoszenia; na wyjściu otrzymuje się bieżące współrzędne pozycji statku). Obecnie podstawowym urządzeniem lotniczej nawigacji zliczeniowej jest radar dopplerowski (radar), umożliwiający dokładny pomiar prędkości rzeczywistej względem powierzchni Ziemi i kąta znoszenia. Rozwój obliczeniowej techniki cyfrowej i pojawienie się dokładnych żyroskopowych platform stabilizowanych pionu i kierunku spowodowało rozpowszechnienie stosunkowo prostych i skutecznych dopplerowskich układów nawigacyjnych. Centralnym ogniwem takiego układu jest komputer nawigacyjny, na którego wejściu są podawane sygnały składowych prędkości rzeczywistej z radaru dopplerowskiego oraz kursu, przechylenia i pochylenia z platformy żyroskopowej. Rezerwowym źródłem pomiaru prędkości jest centrala danych aerodynamicznych; sygnały tej centrali są akceptowane przez komputer w przypadku zaniku sygnałów dopplerowskich. Komputer wypracowuje sygnały analogowe do sterowania wskaźnikiem mapowym i wskaźnikiem odchylenia od zaprogramowanej trasy oraz sygnały cyfrowe współrzędnych bieżących statku i innych wielkości, np. odległości do wybranego punktu kontrolnego, czasu dolotu, prędkości względem powietrza, kąta znoszenia, składowych prędkości dopplerowskich, kursu. Dokładność takiego układu nawigacyjnego jest oceniana na 1,85–2,8 km/h lotu.

Większą dokładność nawigacji zliczeniowej (ale przy znacznie większych kosztach) można uzyskiwać w komputerowym systemie nawigacji inercjalnej, wykorzystującym żyroskopową platformę inercjalną, która zapewnia bardzo dokładny pomiar 3 składowych przyspieszenia obiektu. W chwili włączenia systemu platforma powinna być prawidłowo zorientowana w stosunku do ziemskiego układu odniesienia, a komputer powinien mieć wprowadzone warunki początkowe. Przyspieszenia, jakich doznaje obiekt, są przeliczane na prędkość i przebytą drogę. Dokładność systemu inercjalnego ocenia się na poniżej 1,85 km/h lotu.

Nawigacja według namiaru pozycji polega na wyznaczeniu pozycji statku powietrznego przez określenie co najmniej 2 nierównoległych linii pozycyjnych i ich punktu przecięcia. Linie pozycyjne mogą być określane różnymi metodami, np.: przelot nad linią dającą się jednoznacznie zidentyfikować (rzeka, autostrada, tor kolejowy), mierzenie kierunku lub odległości do rozpoznanego punktu naziemnego o znanej lokacji, obserwacja astronomicznej wysokości ciała niebieskiego, prowadzenie radionamiarów za pomocą odbiorników pokładowych układów radionawigacyjnych i innych. Współczesne wyposażenie transportowych i wojskowych statków powietrznych pozwala na wykorzystywanie zalet obu metod w systemie nawigacji kompleksowej.

Nawigacja morska.

Proces prowadzenia statku morskiego bezpieczną i możliwie najszybszą trasą do punktu przeznaczenia, co wymaga umiejętności określania pozycji statku i wytyczania właściwego kursu statku; w znaczeniu pierwotnym: żegluga lub kierowanie statkiem wodnym. Zależnie od stosowanych środków i metod nawigację morską dzieli się na: nawigację pilotową (określanie pozycji i wytyczanie kursu według mijanych pław, staw, nabieżników wyznaczających tory wodne), nawigację terrestryczną (określanie pozycji na podstawie wzrokowej obserwacji rozpoznawanych obiektów lądowych, np. latarni morskiej), astronawigację, nawigację zliczeniową (określanie pozycji statku na podstawie znajomości jego kursu, wyznaczonego za pomocą kompasu magnetycznego lub żyrokompasu, oraz przebytej drogi, mierzonej logiem), nawigację inercjalną (automatyczne określanie pozycji statku na podstawie pomiaru parametrów jego ruchu za pomocą systemu przyspieszeniomierzy liniowych i kątowych oraz żyrokompasu, sprzężonych z kursografem; stosowana jedynie na okrętach podwodnych) oraz radionawigację. Można również wyodrębnić nawigację meteorologiczną, polegającą na prowadzeniu statku szlakiem sprzyjającej pogody.

Początek rozwoju nawigacji przypada na czasy Henryka Żeglarza (XV w.) i jest nierozłącznie związany z rejsami oceanicznymi epoki odkryć geograficznych. Były one możliwe m.in. dzięki wynalezieniu kompasu magnetycznego. Dotychczasowa żegluga bez kompasu odbywała się na ogół tylko wzdłuż wybrzeży, aczkolwiek wikingowie, Arabowie i mieszkańcy wysp Oceanu Spokojnego podejmowali dalekie podróże oceaniczne, nawigując dzięki obserwacji ciał niebieskich, lotu ptaków, kierunku wiatrów itp. Mapy morskie powstały już w XII w., ale dopiero w XVI w. Merkator opracował mapę równokątną, umożliwiającą łatwe wykreślenie drogi statku i prosty pomiar odległości. W tym czasie potrafiono już określać szerokość geograficzną na podstawie kąta wzniesienia ciał niebieskich (zwłaszcza Gwiazdy Polarnej i Słońca w czasie jego kulminacji), który mierzono początkowo za pomocą prostej przeziernicy (tzw. laski Jakuba), a później używano astrolabium, kwadrantu, a od XVIII w. oktantu i sekstantu. Skonstruowanie w XVIII w. odpornego na wstrząsy chronometru umożliwiło wyznaczanie długości geograficznej. Współczesna nawigacja opiera się głównie na metodach radionawigacyjnych.