ציוד הניווט הוא מסוגים ושינויים שונים. ישנן מערכות המיועדות לשימוש בים הפתוח, אחרות מותאמות לקהל הרחב, תוך שימוש במובנים רבים בנווטים למטרות בידור. מהן מערכות ניווט?
מה זה ניווט?
המונח "ניווט" הוא ממקור לטיני. משמעות המילה נאוויגו היא "אני שט על ספינה". כלומר, בהתחלה זה היה למעשה מילה נרדפת למשלוח או ניווט. אבל עם התפתחותן של טכנולוגיות המקלות על ספינות לנווט באוקיינוסים, עם הופעת התעופה, טכנולוגיית החלל, המונח הרחיב משמעותית את מגוון הפרשנויות האפשריות.
היום, ניווט פירושו תהליך שבו אדם שולט באובייקט על סמך הקואורדינטות המרחביות שלו. כלומר, ניווט מורכב משני פרוצדורות - זוהי שליטה ישירה, כמו גם חישוב שגוי של הנתיב האופטימלי של האובייקט.
סוגי ניווט
סיווג סוגי הניווט נרחב מאוד. מומחים מודרניים מבחינים בין הזנים העיקריים הבאים:
- רכב;
- אסטרונומי;
- ניווט ביולוגי;
- אוויר;
- רווח;
- ימית;
- ניווט רדיו;
- לווין;
- רכבת תחתית;
- מידע;
- אינרציאלי.
חלק מסוגי הניווט לעיל קשורים קשר הדוק - בעיקר בשל המשותף של הטכנולוגיות המעורבות. לדוגמה, ניווט במכוניות משתמש לעתים קרובות בכלים ספציפיים ללוויין.
ישנם סוגים מעורבים, שבתוכם נעשה שימוש בכמה משאבים טכנולוגיים במקביל, כמו למשל מערכות ניווט ומידע. ככזה, משאבי תקשורת לוויינים יכולים להיות המפתח בהם. עם זאת, המטרה הסופית של מעורבותם תהיה לספק לקבוצות משתמשי היעד את המידע הדרוש.
מערכות ניווט
סוג הניווט המתאים יוצר, ככלל, מערכת בעלת אותו שם. יש, אם כן, מערכת ניווט לרכב, ימית, חלל וכו'. ההגדרה של מונח זה קיימת גם בקהילת המומחים. מערכת הניווט, בהתאם לפרשנות המקובלת, היא שילוב של סוגים שונים של ציוד (ואם ישים, תוכנה) המאפשרים לקבוע את מיקומו של עצם, וכן לחשב את מסלולו. ערכת הכלים כאן עשויה להיות שונה. אבל ברוב המקרים, מערכות מאופיינות בנוכחות של הרכיבים הבסיסיים הבאים, כגון:
- כרטיסים (בדרך כלל בצורה אלקטרונית);
- חיישנים, לוויינים ואגרגטים אחרים לחישוב קואורדינטות;
- אובייקטים שאינם מערכתיים המספקים מידע על המיקום הגיאוגרפי של היעד;
- יחידה אנליטית חומרה-תוכנה המספקת קלט ופלט של נתונים, וכן מקשרת בין שלושת הרכיבים הראשונים.
ככלל, המבנה של מערכות מסוימות מותאם לצרכי משתמשי הקצה. סוגים מסוימים של פתרונות יכולים להיות מודגשים לחלק התוכנה, או להיפך, לחלק החומרה. לדוגמה, מערכת הניווט Navitel, הפופולרית ברוסיה, היא בעיקר תוכנה. הוא מיועד לשימוש על ידי מגוון רחב של אזרחים שבבעלותם סוגים שונים של מכשירים ניידים - מחשבים ניידים, טאבלטים, סמארטפונים.
ניווט באמצעות לווין
כל מערכת ניווט כוללת, קודם כל, קביעת הקואורדינטות של אובייקט - בדרך כלל גיאוגרפית. מבחינה היסטורית, הכלים האנושיים בהקשר זה שופרו ללא הרף. כיום, מערכות הניווט המתקדמות ביותר הן לווין. המבנה שלהם מיוצג על ידי קבוצה של ציוד בעל דיוק גבוה, שחלקו ממוקם על כדור הארץ, בעוד החלק השני מסתובב במסלול. מערכות ניווט לווייניות מודרניות מסוגלות לחשב לא רק קואורדינטות גיאוגרפיות, אלא גם את המהירות של עצם, כמו גם את כיוון התנועה שלו.
רכיבי ניווט בלוויין
המערכות המתאימות כוללות את המרכיבים העיקריים הבאים: קונסטלציה של לוויינים, יחידות קרקעיות למדידת תיאום עצמים מסלוליים והחלפת מידע איתם, מכשירים למשתמש הקצה(נווטים) מצוידים בתוכנה הדרושה, במקרים מסוימים - ציוד נוסף לציון קואורדינטות גיאוגרפיות (מגדלי GSM, ערוצי אינטרנט, משואות רדיו וכו').
איך פועל ניווט לווייני
איך פועלת מערכת ניווט לוויינית? בלב עבודתו עומד אלגוריתם למדידת המרחק מעצם ללוויינים. האחרונים ממוקמים במסלול כמעט מבלי לשנות את מיקומם, ולכן הקואורדינטות שלהם ביחס לכדור הארץ תמיד קבועות. בנווטים מונחים המספרים המתאימים. מציאת לוויין ומתחבר אליו (או לכמה בו זמנית), המכשיר קובע, בתורו, את מיקומו הגיאוגרפי. השיטה העיקרית כאן היא לחשב את המרחק ללוויינים על סמך מהירות גלי הרדיו. עצם הסובב שולח בקשה לכדור הארץ בדיוק זמן יוצא דופן - לשם כך משתמשים בשעונים אטומיים. לאחר קבלת תגובה מהנווט, הלוויין (או קבוצה מהם) קובע כמה רחוק עבר גל הרדיו במשך פרק זמן כזה ואחר. מהירות התנועה של עצם נמדדת בצורה דומה - רק המדידה כאן קצת יותר מסובכת.
קשיים טכניים
קבענו שניווט לווייני הוא השיטה המתקדמת ביותר לקביעת קואורדינטות גיאוגרפיות כיום. עם זאת, השימוש המעשי בטכנולוגיה זו מלווה במספר קשיים טכניים. מה לדוגמה? קודם כל, זוהי חוסר ההומוגניות של התפלגות שדה הכבידה של כוכב הלכת - זה משפיע על מיקומו של הלוויין ביחס לכדור הארץ. אותו נכס מאופיין גם באַטמוֹספֵרָה. חוסר ההומוגניות שלו עשוי להשפיע על מהירות גלי הרדיו, עקב כך ייתכנו אי דיוקים במדידות המתאימות.
קושי טכני נוסף - האות הנשלח מהלוויין לנווט נחסם לרוב על ידי עצמים קרקעיים אחרים. כתוצאה מכך, השימוש המלא של המערכת בערים עם בניינים גבוהים קשה.
שימוש מעשי בלוויינים
מערכות ניווט לווייניות מוצאות את מגוון היישומים הרחב ביותר. במובנים רבים - כמרכיב של פתרונות מסחריים שונים בעלי אוריינטציה אזרחית. זה יכול להיות גם מכשירים ביתיים וגם, למשל, מערכת ניווט רב תכליתית. מלבד שימוש אזרחי, משאבי לוויין משמשים מודדים, קרטוגרפים, חברות תחבורה ושירותים ממשלתיים שונים. לוויינים נמצאים בשימוש פעיל על ידי גיאולוגים. בפרט, הם יכולים לשמש כדי לחשב את הדינמיקה של התנועה של לוחות אדמה טקטוניים. נווטים לווייניים משמשים גם ככלי שיווקי - בעזרת אנליטיקה, הכוללת שיטות מיצוב גיאו, חברות עורכות מחקר על מאגר הלקוחות שלהן, וגם למשל שולחות פרסום ממוקד. כמובן שגם מבנים צבאיים משתמשים בניווטים - הם, למעשה, פיתחו את מערכות הניווט הגדולות ביותר כיום, GPS ו-GLONASS - לצרכי צבא ארה ב ורוסיה, בהתאמה. וזו אינה רשימה ממצה של אזורים שבהם ניתן להשתמש בלוויינים.
ניווט מודרניsystems
אילו מערכות ניווט פועלות או נפרסות כעת? נתחיל בזה שהופיע בשוק הציבורי העולמי לפני מערכות ניווט אחרות - GPS. היזם והבעלים שלו הוא משרד ההגנה האמריקאי. מכשירים המתקשרים באמצעות לווייני GPS הם הנפוצים ביותר בעולם. בעיקר משום שכפי שאמרנו לעיל, מערכת הניווט האמריקאית הזו הוצגה לשוק לפני מתחרותיה המודרניות.
GLONASS צובר פופולריות באופן פעיל. זוהי מערכת ניווט רוסית. זה שייך, בתורו, למשרד ההגנה של הפדרציה הרוסית. הוא פותח, לפי גרסה אחת, בסביבות אותן שנים כמו GPS - בסוף שנות ה-80 - תחילת שנות ה-90. עם זאת, הוא הוצג לשוק הציבורי רק לאחרונה, ב-2011. יותר ויותר יצרנים של פתרונות חומרה לניווט מיישמים תמיכה ב-GLONASS במכשירים שלהם.
ההנחה היא שמערכת הניווט העולמית "Beidou", שפותחה בסין, יכולה להתחרות ברצינות עם GLONASS ו-GPS. נכון, כרגע הוא מתפקד רק כאומי. לדברי חלק מהאנליסטים, הוא יכול לקבל מעמד עולמי עד שנת 2020, אז ישוגר מספר מספיק של לוויינים למסלול - כ-35. תוכנית פיתוח מערכת Beidou צעירה יחסית - היא החלה רק בשנת 2000, והלוויין הראשון פותח על ידי מפתחים סינייםהושק ב-2007.
האירופים גם מנסים לעמוד בקצב. מערכת הניווט GLONASS ומקבילתה האמריקאית עשויות בהחלט להתחרות ב-GALILEO בעתיד הנראה לעין. האירופים מתכננים לפרוס קבוצת לוויינים במספר הדרוש של יחידות של עצמים מסלוליים עד 2020.
בין שאר הפרויקטים המבטיחים לפיתוח מערכות ניווט, אפשר לציין את IRNSS ההודי, כמו גם את ה-QZSS היפנית. לגבי המידע הציבורי הראשון שפורסם ברבים על כוונות המפתחים ליצור מערכת גלובלית עדיין לא זמין. ההנחה היא כי IRNSS ישרת רק את שטחה של הודו. התוכנית גם די צעירה - הלוויין הראשון הוכנס למסלול ב-2008. מערכת הלוויין היפנית צפויה לשמש בעיקר בתוך או בסמוך לשטחים הלאומיים של המדינה המתפתחת.
דיוק מיקום
לעיל, ציינו מספר קשיים שרלוונטיים לתפקוד מערכות ניווט לווייניות. בין העיקריים שמנינו - מיקומם של לוויינים במסלול, או תנועתם לאורך מסלול נתון, לא תמיד מתאפיין ביציבות מוחלטת בשל מספר סיבות. זה קובע מראש אי דיוקים בחישוב הקואורדינטות הגיאוגרפיות בנווטים. עם זאת, זה לא הגורם היחיד המשפיע על נכונות המיקום באמצעות לוויין. מה עוד משפיע על הדיוק של חישובי קואורדינטות?
קודם כל, ראוי לציין שעצם השעונים האטומיים המותקנים בלוויינים לא תמיד מדויקים לחלוטין. הם אפשריים, אם כי דיקטן, אך עדיין משפיע על איכות שגיאות מערכות הניווט. לדוגמה, אם נעשתה שגיאה ברמה של עשרות ננו-שניות בעת חישוב הזמן שבמהלכו זז גל רדיו, אזי חוסר הדיוק בקביעת הקואורדינטות של עצם קרקע יכול להיות כמה מטרים. יחד עם זאת, לוויינים מודרניים יש ציוד המאפשר לבצע חישובים גם תוך התחשבות בשגיאות אפשריות בפעולת השעונים האטומיים.
ציינו לעיל שבין הגורמים המשפיעים על הדיוק של מערכות ניווט היא ההטרוגניות של האטמוספרה של כדור הארץ. זה יהיה שימושי להשלים עובדה זו עם מידע אחר הנוגע להשפעה של אזורים קרובים לכדור הארץ על פעולת לוויינים. העובדה היא שהאטמוספירה של הפלנטה שלנו מחולקת למספר אזורים. זו שנמצאת למעשה על הגבול עם המרחב הפתוח - היונוספירה - מורכבת משכבה של חלקיקים בעלי מטען מסוים. הם, המתנגשים בגלי רדיו שנשלחים על ידי הלוויין, יכולים להפחית את מהירותם, וכתוצאה מכך ניתן לחשב את המרחק לעצם בשגיאה. שימו לב שמפתחי ניווט לווייני עובדים גם עם סוג זה של בעיות תקשורת: האלגוריתמים להפעלת ציוד מסלולי, ככלל, כוללים סוגים שונים של תרחישים מתקינים הלוקחים בחשבון את המוזרויות של מעבר גלי רדיו דרך יונוספירה בחישובים.
עננים ותופעות אטמוספריות אחרות יכולים גם הם להשפיע על הדיוק של מערכות ניווט. אדי מים הנמצאים בשכבות המקבילות של מעטפת האוויר של כדור הארץ, בדיוק כמו חלקיקים ביונוספירה, משפיעים על המהירותגלי רדיו.
כמובן, בכל הנוגע לשימוש ביתי ב-GLONASS או ב-GPS כחלק מיחידות כגון, למשל, מערכת מדיה ניווט, שתפקידיה הם בעיקר משעשעים, אז אי דיוקים קטנים בחישוב הקואורדינטות הם לא קריטי. אבל בשימוש צבאי בלוויינים, החישובים המתאימים צריכים להתאים באופן אידיאלי למיקום הגיאוגרפי האמיתי של עצמים.
תכונות של ניווט ימי
לאחר שדיברנו על סוג הניווט המודרני ביותר, בואו ניקח סטיה קצרה אל ההיסטוריה. כידוע, המונח המדובר הופיע לראשונה בקרב נווטים. מהם המאפיינים של מערכות ניווט ימי?
אם כבר מדברים על ההיבט ההיסטורי, אפשר לציין את האבולוציה של הכלים העומדים לרשותם של יורדי ים. אחד מ"פתרונות החומרה" הראשונים היה המצפן, שלפי כמה מומחים הומצא במאה ה-11. גם המיפוי, ככלי ניווט מרכזי, שופר. במאה ה-16 החל ג'רארד מרקטור לצייר מפות המבוססות על העיקרון של שימוש בהקרנה גלילית בעלת זוויות שוות. במאה ה-19 הומצא בול עץ - יחידה מכנית המסוגלת למדוד את מהירות הספינות. במאה העשרים הופיעו מכ"מים בארסנל המלחים, ולאחר מכן בלווייני תקשורת חלל. מערכות הניווט הימי המתקדמות ביותר פועלות כיום, ובכך קוצרות את היתרונות של חקר החלל האנושי. מה אופי עבודתם?
כמה מומחים מאמינים בכךהמאפיין העיקרי המאפיין מערכת ניווט ימית מודרנית הוא שלציוד הסטנדרטי המותקן על הספינה יש עמידות גבוהה מאוד בפני שחיקה ומים. זה די מובן - לא ייתכן שספינה שיצאה להפלגה פתוחה אלפי קילומטרים מהיבשה תמצא את עצמה במצב שבו הציוד כושל לפתע. ביבשה, היכן שמשאבי הציוויליזציה זמינים, הכל ניתן לתיקון, אבל בים זה בעייתי.
אילו עוד תכונות בולטות יש למערכת ניווט ימית? ציוד סטנדרטי, בנוסף לדרישת החובה - עמידות ללבוש, ככלל, מכיל מודולים המותאמים לתיקון פרמטרים סביבתיים מסוימים (עומק, טמפרטורת מים וכו'). כמו כן, מהירות הספינה במערכות ניווט ימיות במקרים רבים עדיין מחושבת לא על ידי לוויינים, אלא לפי שיטות סטנדרטיות.
