Про наші координати
Географічні координати, широта та довгота, що визначають положення точки на земній поверхні, були відомі ще в Стародавній Греції. Однак у еллінів ці поняття суттєво відрізнялися від наших, сучасних.
Зараз ми відраховуємо широту в градусах від екватора, а довготу від певного умовно обраного меридіана, наприклад, від Грінвіча.
Давні не мали ще поняття про градусну сітку і визначали широту або за висотою Полярної, або за тривалістю найдовшого світлового дня в році, або за довжиною найкоротшої тіні. Складніше було з довготою чи різницею довгот, яку можна визначити лише як різницю місцевих часів, відрахованих у двох точках за один і той самий фізичний момент. Проблема полягала в тому, щоб якось доставити час одного пункту в інший, або зареєструвати деяке явище, що одночасно спостерігається з двох пунктів. Як таке явище Гіппарх запропонував використовувати затемнення Місяця, але, на жаль, не вказав способів вимірювання місцевого часу. Безпосередньо використовувати для цієї мети сонячний годинник було неможливо, тому що під час затемнення Місяця Сонце знаходиться нижче за горизонт. Точність визначення однакової фази затемнення також була дуже невисокою.
Пройшло близько тисячоліття, перш ніж люди навчилися визначати широту та довготу з досить високою точністю.
Особливо гостро ця проблема постала в епоху великих географічних відкриттів, коли мореплавцям знання координат своїх кораблів було необхідним.
У 1567 р. іспанський король Філіп II призначив винагороду за вирішення проблеми визначення довготи у відкритому морі. У 1598 р. Філіп III обіцяв 6 тис. дукатів як постійний внесок, 2 тис. дукатів як довічна рента і 1 тис. дукатів для надання допомогибудь-кому, хто зможе «відкрити довготу».
Сполучені провінції Голландії призначили приз 30 тис. флоринів. Винагороду обіцяли також Португалія та Венеція.
Одним із найвідоміших претендентів на довготривалі призи був Галілео Галілей. Використовуючи сконструйований ним телескоп, Галілей спостерігав затемнення супутників Юпітера, склав таблиці, що передбачають ці затемнення і запропонував використати моменти затемнення визначення довготи спостерігача.
Мореплавці, маючи свій місцевий час, скажімо, за спостереженнями Сонця, і знаючи з таблиць час, коли відбуваються затемнення супутників Юпітера на деякому опорному меридіані, могли визначити різницю часів, тобто довготу свого корабля від опорного меридіана.
Було запропоновано й інший, також астрономічний, метод визначення довготи: за спостереженнями положення Місяця серед зірок. Це метод, у принципі, аналогічний методу Галілея, лише у ньому спостерігалися не затемнення супутників Юпітера, а визначалися відстані місячного диска від опорних, добре відомих, зірок. Були складені таблиці, що дають місце Місяця серед зірок на меридіані для певного моменту часу.
На жаль, обидва астрономічні методи не знайшли широкого застосування в морській навігації.
По-перше, вони можливі лише у ясні ночі.
По-друге, вони вимагають гарної теорії руху супутників Юпітера та Місяця; теорії, особливо для Місяця, світила дуже примхливого, у XVII-XVIII століттях були відсутні.
По-третє, моменти затемнення супутників із борту корабля визначаються з великими помилками. Це також стосується і положень Місяця серед зірок.
По-четверте, астрономічні спостереження вимагають високої підготовки навігатора, що теж мало місце.
Тому вчені старанно шукали інший, простіший спосіб.визначення довготи. Ідея такого способу була очевидною - треба створити годинник, за допомогою якого час опорного меридіана можна возити за собою на кораблі.
Годинник з маятником для цієї мети був непридатний, він не переносив качки.
У 1714 році парламент Англії прийняв Білл, який передбачає нагороду людині або групі осіб, які зможуть визначити довготу на морі. Нагорода в сумі 10 тис. фунтів стерлінгів пропонувалася у разі, якщо метод дозволить визначати довготу з точністю до одного градуса великого кола, або шістдесяти географічних миль. У разі підвищення точності вдвічі сума подвоювалася та становила 20 тис. фунтів стерлінгів. Це був справді королівський приз!
Приз цей, хоч і не повністю, отримав винахідник хронометра лондонський годинникар Джон Гаррісон. Його перший хронометр був виготовлений у 1735 р., потім кілька десятилінь Гаррісон удосконалював своє дітище.
З появою хронометра проблему перевезення точного часу було вирішено.
Вирушаючи в плавання, штурман корабля звіряв свої хронометри, а їх зазвичай було кілька, з годинником обсерваторії, довгота якої була добре відома. Місцевий час і широта корабля визначалися за допомогою секстанту Сонцем або зірок.
Цей метод визначення координат дозволяв знаходити положення корабля з точністю до секунд часу, що становило на екваторі відстань близько 1 км.
Така точність цілком влаштовувала мореплавців у відкритому морі, але була недостатня поблизу берегів, і тут їм допомагали маяки, забезпечені світловими і звуковими сигналами.
У минулому столітті виникла нагальна потреба у точних координатах і поверхні Землі. Це було пов'язано переважно зі складанням карт. Принцип визначення точнихкоординат був той же, що і на морі, але замість секстанта використовувалися універсальний інструмент і теодоліт - прилади, що дозволяють визначати за спостереженнями зірок широту та місцевий час з великою точністю. Основну складність, як і раніше, становила проблема зберігання Грінвічського часу. Навіть хороші хронометри без контролю досить швидко йшли вперед чи відставали, а помилка, скажімо, за одну секунду часу у визначенні довготи була непридатна при точних геодезичних роботах.
Справжню революцію у визначенні координат справило винахід телеграфу, та був і радіо. Тепер сигнали точного часу з Грінвіча або з пункту з відомою довготою можна було прийняти в будь-якій точці Землі. Все залежало від потужності передавача та чутливості приймача.
Проблема визначення довготи була вирішена багато десятиліть.
Однак у цієї проблеми залишалося одне слабке місце – астрономія.
Виробляти астрономічні спостереження можна далеко не завжди, вони вимагають спеціальних навичок, їх дуже незручно виробляти з борту літака, з корабля, що гойдається, а на Землі без стаціонарних стовпів теж не можна отримати хороші результати.
У другій половині ХХ століття виникла принципово нова ідея визначення координат лежить на поверхні Землі. Суть цієї ідеї така.
Три радіостанції передають сигнали точного часу в той самий фізичний момент. Допустимо, наприклад, що ці станції знаходяться на різних континентах. Одна в Європі та дві в Північній та Південній Америках. Тоді, штурман корабля, приймаючи ці сигнали на свій годинник, який синхронізований з годинником станцій, що подають, знаходить тимчасові затримки сигналів t1, t2, t3, тобто часи, за які радіохвилі треба пробігти від передавачів станцій до приймача.Помноживши потім величини t швидкість світла, штурман знаходить відстань l1, l2, l3 від усіх трьох станцій. Провівши на карті кола навколо станції з радіусами l1, l2, l3, штурман на їхньому перетині визначає своє місце на карті. Це лише принцип. Насправді справа набагато складніша. Треба враховувати кривизну Земної кулі, особливості швидкості поширення радіохвиль, помилки приймальної апаратури та багато іншого. Особливо складно синхронізувати корабельний годинник і утримувати цю синхронізацію на певному інтервалі часу.
Однак з появою ЕОМ та атомних стандартів, що зберігають час зі стабільністю секунди з точністю 10 -12 с, всі ці завдання були вирішені. Якщо точність синхронізації годинника та помилки прийому сигналів становили 3-5 мікросекунд, то бортова ЕОМ могла визначати положення корабля або літака з помилкою близько 1 км. Ці дані, за наявності великої кількості спеціальних радіостанцій, могли видаватися безперервно.
Такі системи, як американська Лоран та радянська РНЗ, повністю вирішили навігаційні завдання з точністю в кілька сотень метрів.
Великий внесок у завдання визначення координат зробили штучні супутники Землі. Якщо на супутник поставити атомний стандарт частоти, він може виконувати завдання станції, що передає. Переваги очевидні - вплив атмосфери прийому сигналів із супутника мінімально, помилки прийому малі.
Є й складнощі - супутник рухливий, а отже, його координати безперервно змінюються. Але ці складності переборні.
У бортову ЕОМ супутника закладаються дані про його траєкторію, тобто його координати, які він безперервно передає разом із сигналами часу у спеціальному коді. Код потрібний для того, щоб було відомо, від якого супутника йде інформація.
Будь-який споживач цихсигналів, приймаючи їх на свій годинник, визначає тимчасову затримку t і, отже, відстань до супутника, в деякий момент дорівнює l = tc, де c - швидкість радіохвиль. Тобто принцип той самий, що й у системі Лоран, але є вдосконалення. Помилка синхронізації годинника споживача розглядається як невідома величина, тому визначається не l=tc, а l 1 =t+t 1 c, де t 1 - помилка синхронізації годинника споживача. Розмір l 1 називається псевдодальністю. Якщо приймати сигнали не з одного, а з чотирьох або більше навігаційних супутників, можна отримати систему рівнянь, з яких на ЕОМ визначають координати місця спостереження та окремо помилку синхронізації місцевого годинника. Враховуючи, що стабільність сучасних атомних годинників різко зросла (стабільність секунди становить зараз близько 5*10 -14 ), можна отримувати за допомогою навігаційних супутників положення на земній поверхні з точністю до декількох метрів, і це не межа. Спеціальна, більш досконала апаратура дозволяє говорити і про сантиметрову точність. І, нарешті, останнє питання – звідки брати координати супутників? Для цього необхідні спеціальні траєкторні вимірювання, а також центр їх обробки. У США існує радіонавігаційна система GPS, у нас в Україні така система теж є, вона називається ГЛОНАСС.
Ця система повинна складатися з 24 супутників, розташованих на різних орбітах так, щоб з кожного місця земної поверхні, що обслуговується, було видно не менше чотирьох супутників.
Приймальна апаратура компактна, її можна вбудувати, скажімо, в передню панель автомобіля. Водій такого автомобіля буде бачити на дисплеї своєї ЕОМ карту місцевості і на ній точку, що світиться, - свій автомобіль. Проблема дорожніх покажчиків та розпитувань про шлях, таким чином, відпадає.
Проте вартість системи досить висока – вища, ніж вартість автомобіля середнього класу.