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导航

导航是一个研究领域,重点是监测和控制工艺或车辆从一个地方移动到另一个地方的过程。 导航领域包括四个一般类别:陆地导航,海洋导航,航空导航和空间导航。这也是用于导航员执行导航任务所使用的专业知识的艺术术语。 所有导航技术都涉及定位与已知位置或模式相比较的导航仪的位置。在更广泛的意义上,导航可以指涉及确定位置和方向的任何技能或研究。在这个意义上,导航包括定向运动和行人导航。

在欧洲中世纪的时期,航行被认为是七个机械艺术的一部分,其中没有一个被用于远洋开放的长途航行。波利尼西亚导航可能是开放海洋航行的最早形式,它是基于记录和观察记录在科学仪器,如马绍尔群岛海图波斯图。早期的太平洋波利尼西亚人利用星星的运动,天气,某些野生动物物种的位置,或波浪的大小来找到从一个岛屿到另一个岛屿的路径。

使用诸如水手星座之类的科学仪器的海上航行首先发生在中世纪的地中海地区。虽然地平线星座是在希腊文化时期发明的,存在于古典古代和伊斯兰黄金时代,但是海洋星座的最大纪录是1295年以前的Majorcan天文学家Ramon Llull。这种导航仪器的完善归功于葡萄牙导航员在发现时代的早期葡萄牙发现。最早知道如何制作和使用海洋星座的描述来自西班牙宇宙学家梅尔文梅尔(Melvin Mel)的优点Cespedes的Arte de Navegar(导航艺术),出版于1551年,基于构建埃及金字塔的构建原理。

在十五世纪的“发现时代”期间开始使用星光轮和指南针的海洋航行。葡萄牙人从1418年开始系统地探索非洲大西洋海岸,由亨利王子赞助。在1488年,Bartolomeu Dias通过这条路线到达了印度洋。在1492年,西班牙君主资助了克里斯托弗哥伦布的远征,通过穿过大西洋,从而向西方航行到达印度,导致了美国的发现。 1498年,瓦斯科达伽马指挥的葡萄牙远征队通过在非洲各地航行达成印度,开放与亚洲的直接贸易。不久之后,葡萄牙在1512年进一步向东进入了香料岛,一年后登陆中国。

地球的第一次环游行于1522年完成,与麦哲伦 - 埃尔卡诺考察队,由葡萄牙探险家费迪南麦哲伦(Ferdinand Magellan)率领的西班牙探险之旅,由西班牙导航员胡安塞巴斯蒂安埃尔卡诺(JuanSebastiánElcano)于1521年在菲律宾去世后完成。七队船只于1519年从西班牙南部的Sanlúcarde Barrameda航行,穿过大西洋,经过几次中途停留,南美南部的南端。有些船只失踪,但其余的舰队继续横跨太平洋,发现包括关岛和菲律宾在内的一些发现。 那时,原来的七只只剩下两艘大帆船。由Elcano领导的维多利亚沿着非洲海岸的印度洋和北部航行,终于在1522年抵达西班牙,离开后三年。特立尼达从菲律宾东部航行,试图找到一条回到美洲的航道,但没有成功。跨越太平洋的东线,也被称为tornaviaje(回程)仅在四十年后才发现,西班牙宇航员安德烈斯德乌尔丹内塔(Andrésde Urdaneta)从菲律宾北部平行39度,并向东走向黑潮,横跨太平洋。他于1565年10月8日抵达阿卡普尔科。

该术语源于1530年代,从拉丁语navematio(navigatio),navigatus,navigare的“帆船,海上航行,引导船”,从navis“船”和agere的根“ 驾车”。

大体上,地球上的一个地方的纬度是赤道北或南的角度。 纬度通常用度数(标记为°)表示,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°。[8] 水手通过用六分仪瞄准北极北极星并使用视力减小表来校正眼睛的高度和大气折射,计算北半球的纬度。 在地平线以上的北极星座的高度是观察者的纬度,在一定程度以内。

与纬度类似,地球上的一个地方的经度是原始子午线或格林威治子午线的东西或以西的角距。经度通常以从格林威治子午线0°到东西方向180°的度数(标记为°)表示。例如,悉尼东部的经度约为151度。纽约市西经74度。对于绝大多数的历史,海员们努力确定经度。如果瞄准的精确时间已知,可以计算经度。缺乏这一点,人们可以使用六分仪来测量月球距离(也称为月球观测,或简称“月球”),使用航海年历可以用于计算零经度时间(见格林尼治标准时间) 。可靠的海洋计时器直到十八世纪末都不可用,直到19世纪才能承受。大约一百年,从大约1767年到大约1850年,缺少一个计时码表的水手使用月球距离的方法来确定格林威治时间找到他们的经度。带有计时器的水手可以使用格林威治时间的月球测定来检查其阅读。

在导航中,一条垂直线(或变态曲线)是以相同角度穿过所有经度的经线,即从定义的初始方位得到的路径。 也就是说,在采取初始方位时,沿着相同的方位进行,而不改变相对于真或北极测量的方向。

大多数现代导航主要依靠从卫星收集信息的接收机以电子方式确定。大多数其他现代技术依赖于交叉路线或LOP。一行位置可以指两种不同的东西,一种是图表上的一行,也可以是观察者和现实生活中的物体之间的一条线。如果导航仪测量现实生活中的方向,则可以在航海图上绘制角度,导航仪将在图表上的该线上。

导航仪还经常测量与物体的距离。在图表上,距离产生一个圆或圆弧的位置。圆圈,圆弧和位置的双曲线通常被称为位置线。如果导航员画两条线,他们相交就必须在那个位置。一个修复是两个或更多个LOP的交集。如果只有一行位置可用,则可以针对航位推算位置进行评估,以建立估计位置。位置的线(或圆)可以从各种来源得出:

天体观测(等高的圆的短段,但一般表示为一条线)

当两个图形点被观察到彼此相符时,地球范围(自然或人造)

指南针到一个图表对象

雷达范围到一个图表对象

在某些海岸线上,从回声测深仪或手引线发出的深度。

今天很少有一些方法,例如“蘸光”来计算从观察者到灯塔的地理范围,历史上导航方法发生了变化,每种新方法都提高了船员完成航程的能力。导航员必须做出的最重要的判断之一是最好的使用方法。表中列出了某些类型的导航。

通过精神导航检查,飞行员或导航员估计轨道,距离和高度,从而帮助他或她避免导航错误。

试点(也称为引航)涉及通过视觉参考地标航行飞机,或限制水域的水船,并且尽可能频繁地固定其位置。比其他导航阶段更为重要,正确的准备和对细节的关注很重要。程序从船只到船只,军事,商业和私人船只之间有所不同。

军事导航队几乎总是由几个人组成。一名军事导航员可能会承担着驻扎在桥梁上的陀螺仪中继器,以便采取同时进行的方位,而民用航空器必须经常采取和绘制自己。虽然军事导航员将有一本轴承书,有人记录每个固定的条目,但民用导航员只会在图表上进行轴承试验,而不是完全记录。

如果船舶配备了ECDIS,导航员只需在选定的轨道上监视船舶的进度是合理的,视觉上确保船舶正在按要求进行,只能偶尔检查指南针,发声器和其他指示器。如果一个飞行员在船上,在最受限制的水域通常是这样,他的判断一般可以依靠,进一步减轻工作量。但是,如果ECDIS失败,导航员将不得不依靠他的手册和经过时间考验的程序的技能。

天体导航系统是基于观察太阳,月球,行星和导航星的位置。这种系统也用于陆地导航,如星际导航。通过知道旋转地球上的哪一个天体物体位于上方,并测量其高度在观测者的地平线以上,导航员可以确定与该子点的距离。使用航海年历和海洋计时器来计算地球上的一个天体已经结束的子点,并且使用六分仪来测量身体在地平线上方的角高度。然后,该高度可用于计算从子点的距离以创建圆形的位置线。导航员连续拍摄了一些星星,以提供一系列重叠的位置。它们相交的地方是天体修复。也可以使用月亮和太阳。太阳也可以自己使用,以拍摄一连串的位置(最好在当地中午完成)来确定一个位置。

(1)海洋计时表

为了准确测量经度,必须记录六分仪瞄准的精确时间(如果可能,至少二分之一)。误差的每秒相当于经度误差的15秒,在赤道处是海洋位置误差为.25,大约是人工天文导航的精度极限。

弹簧式海洋计时器是船上使用的精密时计,为天文观测提供准确的时间。计时器与弹簧驱动的手表不同,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,以及设计用于补偿温度变化的特殊平衡。

弹簧驱动的计时器大约设置为格林尼治标准时间(GMT),并且在仪器进行大修和清洁(通常为三年间隔)之前不会重置。GMT和计时器时间之间的差异被仔细地确定并应用于所有计时器读数的校正。春天驱动的计时器必须每天大约在同一时间伤口。

石英晶体海洋计时器由于其更高的精度,已经在许多船上更换了弹簧驱动的计时表。他们被保持在格林尼治标准时间直接从无线电时间信号。这消除了计时器误差和观察误差校正。如果秒针误差可读,则可以电复位。

时间生成的基本要素是石英晶体振荡器,石英晶体进行温度补偿,并密封在真空的外壳中。提供校准的调整能力来调整晶体的老化。

计时器设计为在一套电池上运行至少1年。观察时间可能是时间,船时钟设置了一个比较表,设置为计时器时间,并被带到桥翼记录视线时间。实际上,使用计时表与最近的秒钟配合的手表将是足够的。

一个秒表,无论是弹簧还是数字,也可以用于天体观察。这种情况下,手表以已知的GMT由天文台启动,并且每个视线的经过时间被添加到此以获得视线的GMT。

应使用无线电时间信号定期检查所有计时表和手表。无线电时代信号的时间和频率列在诸如Radio Navigational Aids的出版物中。

(2)海洋六分仪

天体导航的第二个重要组成部分是测量观测者在天体和敏感视野之间形成的角度。六分仪,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,在底部具有称为“弧”的圆弧的刻度段。第二个部件是分度臂,它连接在框架顶部的枢轴上。底部是一个无尽的游标,夹在“弧”底部的牙齿上。光学系统由两个镜子组成,一般由低功率望远镜组成。称为“折射镜”的一个镜子固定在索引臂的顶部,在枢轴上。当分度臂移动时,此镜子旋转,圆弧上的刻度刻度表示测量角度(“高度”)。

被称为“地平线玻璃”的第二个镜子被固定在框架的前面。一半的地平线玻璃被镀银,另一半是透明的。来自天体的光撞击分光镜,并被反射到地平线玻璃的镀银部分,然后通过望远镜回到观察者的眼睛。观察者操纵索引臂,使得地平玻璃中的身体的反射图像正好靠在视野水平线上,通过地平线玻璃的透明侧看。

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,都应使用地平线或更优选星号进行索引校正。通过云层和朦胧的地平线,从滚动船的甲板上采集天文观测的做法,迄今为止是天文导航中最具挑战性的部分。

惯性导航系统是基于运动传感器计算其位置的航位推算型导航系统。一旦建立初始纬度和经度,系统将从运动检测器接收脉冲,测量沿三个或更多轴的加速度,使其能够连续准确地计算当前纬度和经度。与其他导航系统相比,其优点是,一旦设置了起始位置,就不需要外部信息,不会受到恶劣天气条件的影响,不能被检测到或卡住。其缺点在于,由于当前位置仅由先前位置计算,所以其误差是累积的,以与初始位置输入以来的时间大致成比例的速率增加。因此,惯性导航系统必须经常用其他类型的导航系统的位置“修复”进行纠正。美国海军在北极星导弹计划期间开发了船舶惯性导航系统(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GPS接收或其他固定源在潜水时不可能。

(1)无线电导航

无线电取向器或RDF是用于找到无线电源的方向的设备。由于无线电能够“远离地平线”旅行很长的距离,因此可能会在距离陆地飞行的船只和飞机上形成一个特别好的导航系统。

RDF通过旋转定向天线并监听来自已知站的信号最强烈地通过的方向来工作。这种制度在20世纪30年代和40年代被广泛使用。 RDF天线很容易发现在德国二战飞机上,作为机身后部的环路,而大多数美国飞机将天线封闭在一个小泪珠状整流罩上。

在导航应用中,RDF信号以无线电信标的形式提供,这是无线电版本的灯塔。信号通常是莫尔斯码系列字母的简单的AM广播,RDF可以调谐以查看信标是否“空中”。大多数现代探测器也可以调谐任何商业广播电台,这是特别有用的,因为它们在主要城市附近的高功率和位置。

Decca,OMEGA和LORAN-C是三个类似的双曲线导航系统。 Decca是一个双曲线的低频无线电导航系统(也称为多边),这是在二战期间首次部署的,当盟军需要一个可用于实现准确着陆的系统时。与罗兰C的情况一样,其主要用途是沿海水域航行。渔船是战后的主要用户,但也被用于飞机,包括早期(1949年)的移动地图显示应用。该系统部署在北海,由直升机用于石油平台。

欧米茄导航系统是第一个真正的全球无线电导航系统,由美国与六个合作伙伴国家合作运营。欧米茄是美国海军为军事航空用户开发的。它于1968年获得批准用于发展,并承诺在全球范围内提供真正的海洋覆盖能力,只有八台变送器,并且能够在固定位置时达到四英里(6公里)的精度。最初,该系统将用于将北极的核轰炸机导航到俄罗斯。后来发现对潜艇有用由于全球定位系统的成功,欧米茄在二十世纪九十年代的使用量下降至欧米茄经营成本无法证明。欧米茄于1997年9月30日终止,所有车站停止运行。

LORAN是使用低频无线电发射机的地面导航系统,其使用从三个或更多个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。当前版本的LORAN通常使用的是LORAN-C,其操作在EM频谱的低频部分,从90到110kHz。许多国家是这个制度的使用者,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完全相同的系统,称为CHAYKA。 LORAN的使用正在急剧下降,GPS是主要的替代品。但是,有增加和重新普及LORAN的尝试。 LORAN信号不易受干扰,并且可以比GPS信号更好地渗入叶子和建筑物。

(2)雷达导航

当船舶在雷达雷达范围内或特殊雷达辅助导航系统时,导航仪可以将距离和角度轴承用于图表对象,并使用它们在图表上确定位置和位置线。由雷达信息组成的固定称为雷达定位。

雷达固定的类型包括“距离和轴承到单个物体”,“两个或更多个轴承”,“切线轴承”和“两个或更多个范围”。

平行索引是William Burger在1957年的“雷达观察者手册”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道的航线,但是偏移到左边或右边一段距离。这条平行线允许导航仪保持一定距离远离危险。

针对特殊情况开发了一些技术。一种称为“轮廓法”的方法是将雷达屏幕上的透明塑料模板标记并移动到图表中以固定位置。

另一种被称为富兰克林连续雷达绘图技术的特殊技术涉及如果船舶停留在计划中的路线上,则应在雷达显示屏上绘制雷达物体应遵循的路径。[28]在过境期间,导航员可以通过检查该点位于绘制线上来检查船舶是否正在轨道上。

(3)卫星导航

全球导航卫星系统或全球导航卫星系统是提供全球覆盖定位的卫星导航系统的术语。 GNSS允许小型电子接收机使用通过无线电从卫星沿视线传输的时间信号来确定它们在几米内的位置(经度,纬度和高度)。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,仅有美国NAVSTAR全球定位系统(GPS)和俄罗斯GLONASS才是全球运行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年投入运行。中国已经表示可能将其北部地区的北斗导航系统扩展到全球系统。

超过二十二颗GPS卫星在中等地球轨道,发射信号,允许GPS接收机确定接收机的位置,速度和方向。

自1978年第一台实验卫星发射以来,GPS已成为世界各地不可或缺的导航辅助工具,也是地图绘制和土地勘测的重要工具。 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由美国国防部发起,正式命名为NAVSTAR GPS(导航卫星定时和远程全球定位系统)。卫星星座由美国空军第50太空飞船管理。维护该系统的费用每年约为7.5亿美元,包括更换老化卫星以及研究与开发。尽管如此,GPS作为公共利益是免费民用的。

导航工作是与谨慎导航一致的一小部分任务。军事和民用船舶以及从船舶到船舶的定义将有所不同,但形式类似于:

(1)维持连续的推算情节。

(2)在早晨暮光中采取两个或更多的星座观察,以进行天文修复(谨慎观察6颗星星)。

(3)早晨的太阳观察。可以在经度垂直或靠近黄金垂直方向,或在任何时候处于一个位置。

(4)通过太阳的方位角观测确定罗盘误差。

(5)间隔时间到中午计算,观察当地明显中午的时间,以及子午线或子午线视野的常数。

(6)中午经纬线上午经络或子午线观察太阳。运行修复或十字架与金星线中午修复。

(7)中午决定一天的运行和一天的设定和漂移。

(8)至少有一个下午的阳光线,以防星星在暮光不见。

(9)通过太阳的方位角观测确定罗盘误差。

(10)在傍晚的黄昏,采取两个或两个以上的星光观察,以进行天文修复(谨慎观察6颗星星)。

通行规划或航程规划是从开始到结束开发船只航行的完整描述的程序。该计划包括离开码头和港区,航程的途中部分,靠近目的地和停泊处。根据国际法,一艘船只的船长对通行规划负有法律责任[31],但是对于较大的船只,任务将被委托给船舶导航员。

研究表明,人为错误是导航事故80%的一个因素,在许多情况下,人为错误可以获得可以预防事故的信息。航行规划的实践从航海图上的铅笔演变为风险管理过程。

通过规划包括四个阶段:评估,规划,执行和监测,这些阶段在国际海事组织决议A.893(21),“航行规划指南”中有所规定,这些准则体现在当地海事组织签署国的法律(例如美国联邦法规第33号)和一些专业书籍或出版物。根据船舶的尺寸和类型,有五十个综合通道计划的要素。

评估阶段处理与拟议航程相关的信息的收集以及确定风险并评估航行的主要特征。在下一阶段,创建了书面计划。第三阶段是执行最终航行计划,考虑到可能出现的任何特殊情况,例如天气变化,可能需要进行审查或更改。通行规划的最后阶段包括监测船舶在计划方面的进展情况,以及应对偏差和不可预见的情况。


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