导航

导航(Navigation)是一个研究领域,侧重于监视和控制船舶或车辆从一个地方到另一个地方的运动过程。 导航领域包括四大类:陆地导航,海上导航,航空导航和空间导航。

它也是用于导航员用于执行导航任务的专业知识的艺术术语。 所有导航技术都涉及定位导航器与已知位置或模式相比的位置。

从更广泛的意义上讲,导航可以指涉及确定位置和方向的任何技能或研究。 从这个意义上讲,导航包括定向越野和行人导航。

简单的导航
导航起源于史前史。 波利尼西亚人在太平洋实行了所谓的波利尼西亚航行。 波利尼西亚人使用周围不同的东西在大片的公海上找到他们的路。 其他古代人也学会了使用自然界的参考旅行。 例如:

很久以前(现在还是今天)人们看着星星,太阳和月亮。 从这里他们会知道北方在哪里。 通过图形,他们可以找到离赤道有多远。 这称为天体导航。 直到他们有精确的时钟,他们不知道他们的长度(他们东边或西边多远)没有看到参考点。

陆地上形成了一些类型的云,波浪可以从岸边反弹并前往大海。
到达一个地方所需的时间。 当他们在陆地上旅行时,他们知道需要他们,例如两天从一个地方到另一个地方。 这一次很可能保持不变。 从这里他们可以旅行两天,并知道他们已经接近他们想要的地方。
他们发现的动物也有帮助。 在不同的地方,人们会发现不同类型的鱼类,鲸鱼或鸟类只能生活在一个地方或地球附近。 从那里他们可以说他们离他们需要的地方很近或很远。

使用星星的人的一个例子是维京人。 他们知道这颗名为Polaris(北极星)的恒星并没有改变它的位置并指向北方。 然后他们就会知道纬度(距赤道的距离),测量北极星和地平线之间的角度。 他们还使用动物,尤其是鸟类来了解附近是否有土地。 他们还知道地球附近形成了一种特定类型的云,并且地面附近的波浪不同于公海。

中世纪的导航
随着时间的推移,他们继续发明或发现更好的导航方法。 其中一些方法是:

拍卖的死亡。 一艘船可以扔掉一个日志。 在树干上有一根绳子,绳子在规则的距离上打结。 当计算在将后备箱放回原点之前经过多少个节点时,他们知道它们的速度有多快。 他们每天写这篇文章,然后他们发现那天他们旅行了多少。 这就是为什么船的速度以节为单位测量的原因。

指南针。 人们发现地球有两极(北极和南极),这些极具有不同的磁荷(正极和负极)。 在销的尖端上放置一条磁铁条,发现条带将旋转直到它与地球的磁场重合。 从这里你可以拿一个地址并按照路径。 指南针是中国首次发明的。 它后来在12世纪在法国发明。

精确的时钟。 有了手表,终于可以知道一个人的长度是多少。 长度是东或西的位置。 在此之前,只能使用参考点和死计算。

引航是当船只寻找人造的特殊信标或标记时,表明它们在哪里或者它们注意像珊瑚礁这样的某些障碍物。
人们将罗盘分成360度。 然后,他们可以给出船只必须遵循的确切数量的地址(“航线”)到达港口。 第一个航海航海图表,称为“航海图”,显示了从一个港口到另一个港口的必要方向。

基本概念

纬度
粗略地说,地球上一个地方的纬度是它在赤道北或南的角距离。 纬度通常以度数(以°标记)表示,范围从赤道0°到北极和南极90°。 北极的纬度为90°N,南极的纬度为90°S。水手通过用六分仪观察北极星北极星并使用视线缩小表来校正眼睛的高度来计算北半球的纬度和大气折射。 Polaris在地平线以上的高度是观察者的纬度,在一定程度左右。

经度
与纬度类似,地球上一个地方的经度是本初子午线或格林威治子午线的东或西的角距离。 经度通常以度数(用°标记)表示,范围从格林威治子午线0°到东西180°。 例如,悉尼的东经大约151°。 纽约市西经74°。 在历史的大部分时间里,水手都在努力确定经度。 如果已知瞄准的精确时间,则可以计算经度。 缺乏这一点,可以使用六分仪拍摄月球距离(也称为月球观测,或简称“月球”),用航海历书可以用来计算零经度的时间(见格林威治标准时间) 。 直到18世纪末才能获得可靠的航海计时器,直到19世纪才能买得起。 大约一百年,从大约1767年到大约1850年,缺乏计时器的水手使用月球距离的方法来确定格林威治时间以找到它们的经度。 有计时器的水手可以使用月球确定的格林威治时间检查其读数。

恒向线
在导航中,垂直线(或loxodrome)是以相同角度穿过所有经度子午线的线,即从定义的初始方位角导出的路径。 也就是说,在进行初始轴承时,沿着相同的轴承前进,而不改变相对于真实或磁北的测量方向。

现代技术
大多数现代导航主要依赖于从卫星收集信息的接收器以电子方式确定的位置。 大多数其他现代技术依赖于交叉线或LOP。 一条位置线可以指两种不同的东西,图表上的线条或观察者与现实生活中的物体之间的线条。 轴承是对物体方向的度量。 如果导航器测量现实生活中的方向,则可以在海图上绘制角度,导航器将位于图表上的该线上。

除了轴承,导航仪还经常测量到物体的距离。 在图表上,距离产生圆形或圆弧形位置。 圆的,圆弧和位置的双曲线通常被称为位置线。

如果导航器绘制两条线的位置,并且它们相交,则它必须位于该位置。 修复是两个或更多LOP的交集。

如果只有一条位置可用,则可以根据航位推算位置对其进行评估,以建立估计位置。

位置的线(或圆)可以从各种来源获得:

天体观测(等高度圆的一小部分,但通常表示为一条直线),
当两个图表点相互一致时,陆地范围(自然或人造),
罗盘轴承到图表对象,
雷达范围到图表对象,
在某些海岸线上,从回声测深仪或手动引线听到的深度。
今天很少使用一些方法,例如“蘸光”来计算从观察者到灯塔的地理范围

基本方法
大多数导航方法都来自航海,因此船舶的位置和控制。 经典的定位工具本质上是几何的(角度测量和方向测量)以及空速和距离的确定。 它们已在以下几组方法中使用了几个世纪:

视觉导航:基于记忆和简单的沿海或航海图表(“Portolane”)在海岸找到自己的方式
地面导航:基于地标(陆地上的点)和分散的灯塔,靠近海岸的位置。 声音(球道的深度确定)也包括在内。 这些经过验证的方法现在由密集的港口入口,各种导航信标和无线电信标补充。
航位推算(Engl.Ann Reckoning):当前位置确定的价格和速度。 该课程可以通过太阳,星星和(自中世纪以来)与指南针,乘坐估计或中继日志确定。 日志中的条目通过以图形方式添加海图中的方式来补充到今天。 以这种方式确定的位置称为“gegisster”或耦合位置,并且 – 取决于天气条件 – 精确百分之几。
如果可能,在耦合中考虑风漂移; 课程计算器(用于风三角,信标等)和多普勒雷达等现代工具将精度提高到距离的约0.5%,再次增加惯性导航。
天文导航:通过高程测量到太阳,导航恒星或行星的位置。 它补充了上述三种长途航线的方法。 Jakobsstab可实现的精确度约为20公里,现代性别为1-2公里。
这些方法经过几个世纪的尝试和测试,最初用于1899年的无线电导航和1964年的卫星导航(见下一章)。
在很大程度上失去了波利尼西亚航行的导航基于星际路径和Zenitsternnavigation。 在波浪,风,动物和云层的观察中,波利尼西亚人能够找到遥远的浅海环礁。

长途导航
作为远程导航(英语:Long-Range Navigation-LRN)在航海和航空(长途飞行)中被称为必要的100公里定位和车辆控制方法。

由于GNSS卫星技术如GPS和GLONASS的优势,特殊的远程导航方法现在已经退居二线,但仍需要冗余的GPS独立导航。 直到1995年左右,当航地导航(在更广阔的海岸或岛屿视野中)不再足够并且目标必须比50公里左右更精确地转向时,可以说航海需要长距离导航。

宇航
对于太阳和明亮的恒星进行时间和角度测量的天体导航手段是经典的方法,因为波利尼西亚人和其他海洋民族的航行经历所有划船者 – 听到 – 并且直到今天进行训练。 直到大约1970年,它才是整个南半球长距离航行的基础,但在北方国家也使用了大约10-20%的局部测定。 自20世纪70年代以来,南方的无线电和卫星技术也越来越多地被取代(见下文),但今天仍然需要小型船舶和紧急情况(停电等)。

无线电导航
在无线电导航中很重要

要提到的LORAN(长距离导航)(在较旧的LORAN-A(中波)旁边,特别是Loran-C(在基于传输时间测量的基于长波的双曲线上))。 虽然它经常受到偏远地区覆盖率低的影响,但在过去十年中,它通过技术现代化和信号处理再次变得重要。 1994年的联邦无线电导航计划和欧盟已经考虑逐步淘汰LORAN,但其作为备用的重要性以及GPS或伽利略失败的情况得到了及时的认可。
在大约1975年和1995年之间,还有全球OMEGA系统,其中使用仅有8个发射器的纵波,但是尽管进行了国际合作,但它们的操作太昂贵,而且新兴的GPS也没有必要。
其他 – 更多区域性的程序,如俄罗斯阿尔法(LORAN等效),英国Decca,第二次世界大战后建造的NavaRho等。

卫星导航
从大约1960年开始,美国海军的过境NNSS系统(5-6极轨道导航卫星)于1963/1964年发布,用于所有民用用途,直到20世纪90年代末才可用,
自1990年左右开始,美国国防部全球定位系统(GPS)。 其民用版本(CA代码)从一开始就一直在使用,足以满足99%的远程定位任务。 卫星数量(20,200公里高)随着时间的推移从5-10上升到大约30,并在全球覆盖5-8个可同时测量的卫星(4个是必要的)。
此外,仍然由苏联GLONASS(俄罗斯/类似GLObal NAvigation卫星系统)开发,这类似于GPS
从2012年至2015年,欧洲伽利略系统,显着改善和拓宽了GPS方法的使用。

特别程序
最后但并非最不重要的是长途特殊程序的特殊任务z。 如气象导航,磁力学,极地导航或深度测量(回声测深仪等)提及。 在古代和伟大的“发现时期”(14-16世纪)的开始,月球视差和观察鸟类飞行,驱赶草,枯木,海藻等自然现象的方法也很重要。 对于横跨大西洋或太平洋航行而言,有用的还有众所周知的洋流或风力系统(帕萨特!)

心理导航检查
通过心理导航检查,飞行员或导航员可以估计轨道,距离和高度,从而帮助飞行员避免严重导航错误。

试点
驾驶(也称为引航)涉及通过视觉参考地标或限制水域中的水船来导航飞机并且以频繁的间隔尽可能精确地固定其位置。 比其他导航阶段更重要的是,正确的准备和对细节的关注非常重要。 程序因船只,军用,商用和私人船只而异。

天体导航
天体导航系统基于观察太阳,月亮,行星和导航恒星的位置。 这种系统也用于地面导航以及星际导航。 通过知道旋转地球上的哪个点上方天体并测量其高于观察者地平线的高度,导航器可以确定他与该子点的距离。 航海年历和航海计时器用于计算天体结束的地球上的子点,并且六分仪用于测量身体在地平线上方的角度高度。 然后可以使用该高度来计算距子点的距离以创建圆形位置线。 导航仪连续拍摄了许多星星,以提供一系列重叠的位置线。 他们相交的地方是天体修复。 也可以使用月亮和太阳。 太阳也可以单独使用来拍摄连续的一系列位置(最好在当地中午左右)来确定位置。

海洋天文台
为了准确地测量经度,必须记录六分仪瞄准的精确时间(如果可能的话,下降到第二个)。 误差的每一秒相当于15秒的经度误差,其在赤道处是海里.25的位置误差,大约是手动天文导航的精度极限。

弹簧驱动的航海天文台是船上使用的精密时计,为天体观测提供准确的时间。 计时器与弹簧驱动表的不同之处主要在于它包含一个可变杠杆装置,以保持主发条上的均匀压力,以及一个专门用于补偿温度变化的平衡装置。

弹簧驱动的计时器大约设置为格林威治标准时间(GMT),并且在仪器进行大修和清洁之前不会复位,通常每隔三年进行一次。 GMT和计时器时间之间的差异经过仔细确定,并作为所有计时器读数的校正应用。 弹簧驱动的计时器必须每天大约在同一时间缠绕。

石英晶体航海计时器因其更高的精度而取代了许多船上的弹簧驱动计时器。 它们直接通过无线电时间信号保持在GMT上。 这消除了计时器错误并观察错误修正。 如果秒针的可读量是错误的,则可以通过电子方式重置。

时间产生的基本要素是石英晶体振荡器。 石英晶体经过温度补偿,并密封在真空密封的外壳中。 提供校准的调节能力以调节晶体的老化。

计时器设计为在一组电池上运行至少1年。 可以对观测结果进行定时,并使用比较手表设置船舶的时钟,该比较手表设置为天文钟时间并被带到桥翼以记录视线时间。 在实践中,与计时器协调到最近的秒表的腕表就足够了。

无论是弹簧缠绕还是数字,秒表也可用于天体观测。 在这种情况下,手表由计时器以已知的GMT启动,并且每个视线的经过时间加到其上以获得视线的GMT。

所有计时器和手表应定期检查无线电时间信号。 无线电时间信号的时间和频率列在诸如Radio Navigational Aids等出版物中。

海洋六分仪
天体导航的第二个关键组成部分是测量观测者在天体和感知地平线之间形成的角度。 六分仪是一种光学仪器,用于执行此功能。 六分仪由两个主要组件组成。 框架是刚性三角形结构,在顶部具有枢轴,在底部具有圆的渐变部分,称为“弧”。 第二个部件是索引臂,它连接在框架顶部的枢轴上。 在底部是一个无尽的游标,它夹在“弧形”底部的牙齿上。 光学系统由两个镜子组成,通常是一个低功率望远镜。 一个镜子,称为“索引镜”,固定在索引臂的顶部,在枢轴上方。 当索引臂移动时,该镜子旋转,弧上的刻度尺表示测量的角度(“高度”)。

第二个镜子,称为“地平线玻璃”,固定在框架的前部。 地平线玻璃的一半是镀银的,另一半是透明的。 来自天体的光照射到指示镜上,并被反射到地平线玻璃的银色部分,然后通过望远镜回到观察者的眼睛。 观察者操纵索引臂,因此地平线玻璃中的身体反射图像正好停留在视觉范围内,从地平线玻璃的透明侧看到。

六分仪的调整包括检查和对齐所有光学元件以消除“指数校正”。 每次使用六分仪时,应使用地平线或更优选星形来检查指数校正。 从滚动船的甲板上进行天体观测的做法,通常是通过云层和朦胧的地平线,是迄今为止天体导航中最具挑战性的部分。

惯性导航
惯性导航系统是一种航位推算类型的导航系统,它根据运动传感器计算其位置。 一旦建立了初始纬度和经度,系统就会从运动检测器接收脉冲,这些脉冲沿三个或更多轴测量加速度,使其能够连续准确地计算当前的纬度和经度。 其优于其他导航系统的优点在于,一旦设定了起始位置,它就不需要外部信息,不受恶劣天气条件的影响,不会被检测到或卡住。 它的缺点在于,由于当前位置仅由先前位置计算,因此其误差是累积的,以与输入初始位置以来的时间大致成比例的速率增加。 因此,必须经常使用来自某种其他类型的导航系统的位置“修复”来校正惯性导航系统。 美国海军在北极星导弹计划期间开发了一种船舶惯性导航系统(SINS),以确保其导弹潜艇的安全,可靠和准确的导航系统。 惯性导航系统广泛使用,直到卫星导航系统(GPS)可用。 惯性导航系统仍然在潜艇上普遍使用,因为在淹没时不可能使用GPS接收或其他固定源。

电子导航

无线电导航
无线电测向仪或RDF是用于找到无线电源方向的设备。 由于无线电能够“在地平线上”长距离行进,因此它可以为远离陆地的船只和飞机提供特别好的导航系统。

RDF通过旋转定向天线并监听来自已知电台的信号最强烈地通过的方向来工作。 这种系统在20世纪30年代和40年代被广泛使用。 RDF天线很容易在德国二战飞机上发现,作为机身后部下方的环路,而大多数美国飞机将天线封闭在一个小型泪滴形整流罩中。

在导航应用中,RDF信号以无线电信标的形式提供,无线电信标是灯塔的无线电版本。 该信号通常是莫尔斯码系列字母的简单AM广播,RDF可以调入该信号以查看信标是否“在空中”。 大多数现代探测器也可以调谐任何商业无线电台,由于它们在主要城市附近的高功率和位置而特别有用。

Decca,OMEGA和LORAN-C是三个类似的双曲线导航系统。 Decca是一种双曲线低频无线电导航系统(也称为多点定位),在第二次世界大战期间首次部署,盟军需要一个可用于实现准确着陆的系统。 与Loran C一样,它的主要用途是沿海水域的船舶航行。 渔船是战后的主要用户,但也用于飞机,包括很早(1949年)的移动地图显示应用。 该系统部署在北海,并由直升机用于石油平台。

OMEGA导航系统是第一个真正的全球飞机无线电导航系统,由美国与六个伙伴国合作运营。 欧米茄是由美国海军为军事航空用户开发的。 它于1968年获得开发批准,并承诺真正的全球海洋覆盖能力,只有8个发射器,并且能够在固定位置时达到4英里(6公里)的精度。 最初,该系统将被用于将北极的核轰炸机导航到俄罗斯。 后来发现它对潜艇很有用。 由于全球定位系统的成功,欧米茄的使用在20世纪90年代有所下降,以至于欧米茄的运营成本已不再合理。 欧米茄于1997年9月30日终止,所有电台都停止运营。

LORAN是一种使用低频无线电发射机的地面导航系统,它使用从三个或更多站接收的无线电信号之间的时间间隔来确定船舶或飞机的位置。 当前使用的LORAN的当前版本是LORAN-C,其在EM频谱的低频部分中工作,从90到110kHz。 许多国家都是该系统的用户,包括美国,日本和几个欧洲国家。 俄罗斯在同一频率范围内使用了几乎精确的系统,称为CHAYKA。 LORAN的使用急剧下降,GPS是主要的替代品。 然而,有人试图加强和重新推广LORAN。 LORAN信号不易受到干扰,并且可以比GPS信号更好地穿透树叶和建筑物。

雷达导航
当船舶在雷达范围内的陆地或特殊雷达辅助导航时,导航仪可以将距离和角度轴承带到图表对象上,并使用它们在图表上建立位置弧和位置线。 仅由雷达信息组成的修正称为雷达修正。

雷达固定的类型包括“范围和对单个物体的支承”,“两个或更多个轴承”,“切线轴承”和“两个或更多范围”。

并行索引是William Burger在1957年出版的“雷达观察者手册”一书中定义的一种技术。 这种技术涉及在屏幕上创建一条平行于船舶航线的线,但向左或向右偏移一段距离。 该平行线允许导航仪与危险保持一定距离。

已经针对特殊情况开发了一些技术。 一种被称为“轮廓方法”,涉及在雷达屏幕上标记透明塑料模板并将其移动到图表以固定位置。

另一种称为富兰克林连续雷达绘图技术的特殊技术涉及绘制雷达物体在雷达显示器上应遵循的路径,如果船只停留在其计划航线上。 在运输过程中,导航员可以通过检查点位于绘制的线上来检查船是否在轨道上。

卫星导航
全球导航卫星系统或全球导航卫星系统是用于提供全球覆盖定位的卫星导航系统的术语。 全球导航卫星系统允许小型电子接收器使用从卫星无线电沿视线传输的时间信号确定其位置(经度,纬度和高度)在几米内。 具有固定位置的地面接收器也可用于计算精确时间作为科学实验的参考。

截至2011年10月,只有美国的NAVSTAR全球定位系统(GPS)和俄罗斯的GLONASS才是全球运营的全球导航卫星系统。 欧盟的伽利略定位系统是初始部署阶段的下一代GNSS,计划于2013年投入运营。中国已表示可将其区域北斗导航系统扩展为全球系统。

超过24颗GPS卫星处于中地球轨道,发射信号,允许GPS接收器确定接收器的位置,速度和方向。

自1978年发射第一颗实验卫星以来,全球定位系统已成为世界各地航行不可或缺的辅助工具,也是地图制作和土地测量的重要工具。 GPS还提供了许多应用中使用的精确时间参考,包括地震的科学研究和电信网络的同步。

GPS由美国国防部开发,正式命名为NAVSTAR GPS(NAVigation Satellite Timing和Ranging Global Positioning System)。 卫星星座由美国空军第50空间联队管理。 维护该系统的成本每年约为7.5亿美元,包括更换老化的卫星以及研究和开发。 尽管如此,GPS作为公共产品可以免费供民用。

现代智能手机充当拥有它们的平民的个人GPS导航仪。 通常还提供指南针以在不移动时确定方向。

导航过程

船舶和类似船只

一天的导航工作
Day的导航工作是一系列与谨慎导航相一致的最小任务。 该定义因军用和民用船舶以及船舶之间的不同而有所不同,但其形式类似于:

保持连续的航位推算情节。
在黄昏的早晨进行两次或更多的恒星观测以获得天体定位(谨慎观察6颗星)。
早晨的太阳观察。 可以在主要垂直方向或近主要方向上拍摄,也可以在任何时间拍摄一条位置线。
通过方位角观测太阳来确定罗盘误差。
计算间隔到中午,观察当地明显中午的时间,以及经络或前经络景点的常数。
中午经络或前子午线观察中午纬线的太阳。 运行修复或与维纳斯线交叉进行中午修复。
正午时间确定当天的运行和当天的设定和漂移。
至少有一个下午的太阳线,以防在黄昏时看不到星星。
通过方位角观测太阳来确定罗盘误差。
在暮光之城进行两次或更多的恒星观测以获得天体定位(谨慎观察6颗星)。

通道规划
通道规划或航程规划是从始至终对船舶航行进行完整描述的程序。 该计划包括离开码头和港口区域,航程的途中部分,接近目的地和系泊。 根据国际法,船舶的船长在法律上负责通行规划,但是在大型船舶上,任务将被委托给船舶的航海家。

研究表明,人为错误是导致80%导航事故的一个因素,在许多情况下,犯错的人可以获得可以防止事故的信息。 航海规划的实践已经从航海图上的线条标记演变为风险管理过程。

通道规划包括四个阶段:评估,规划,执行和监控,这些都在国际海事组织决议A.893(21),航行计划指南中规定,这些指南反映在IMO签署国的当地法律中(例如,美国联邦法规第33章,以及一些专业书籍或出版物。 根据船只的大小和类型,综合通道计划有五十个要素。
评估阶段涉及收集与拟议航程相关的信息,以及确定风险和评估航行的主要特征。 这将涉及考虑所需的导航类型,例如冰导航,船舶将经过的区域以及路线上的水文信息。 在下一阶段,创建书面计划。第三阶段是执行最终确定的航程计划,同时考虑到可能出现的任何特殊情况,例如天气变化,这可能需要对计划进行审查或修改。通过规划的最后阶段包括监测船舶在计划方面的进展以及应对偏差和不可预见的情况。

陆地导航
汽车和其他陆地旅行的导航通常使用地图,地标,并且最近使用计算机导航(“卫星导航”,卫星导航的简称),以及水上可用的任何手段。

计算机化导航通常依靠GPS来获取当前位置信息,道路和可导航路线的导航地图数据库,并使用与最短路径问题相关的算法来识别最佳路线。

集成桥系统-
电子集成桥概念正在推动未来的导航系统-规划。集成系统从各种船舶传感器获取输入,电子显示定位信息,并提供维持船只在预设路线上所需的控制信号。导航器成为系统管理员,选择系统预设,解释系统输出和监测船只响应。