Какие приборы в прошлом помогали плыть кораблям? Как корабли находят дорогу в море Древние навигационные инструменты.

Искусство вождения судна кратчайшим путем от порта к порту называется навигацией. Другими словами, навигация - это способ прокладки курса судна от места отправления до места назначения, контроля курса, а при необходимости и его корректировка.

На ходовом мостике находятся приборы и устройства, необходимые для управления судном. Навигационные приборы - компасы, гироазимуты, автопрокладчики, лаги, лоты, эхолоты, секстаны и другие устройства, предназначены для определения местоположения судна и измерения отдельных элементов его движения судна.

Компасы

Компас – основной навигационный прибор, служащий для определения курса судна, для определения направлений (пеленгов) на различные объекты. На судах применяются магнитные и гироскопические компасы.

Магнитные компасы используются в качестве резервных и контрольных приборов. По назначению магнитные компасы делятся на главные и путевые.

Главный компас устанавливают на верхнем мостике в диаметральной плоскости судна, так чтобы обеспечить хороший обзор по всему горизонту (рис. 3.1). Изображение шкалы картушки при помощи оптической системы проектируется на зеркальный отражатель, установленный перед рулевым (рис. 3.2).

Рис. 3.1. Главный магнитный компас

Путевой магнитный компас устанавливают в рулевой рубке. Если главный компас имеет телескопическую передачу отсчета к посту рулевого, то путевой компас не устанавливают.

Рис. 3.2. Зеркальный отражатель магнитного компаса

На магнитную стрелку на судне действует судовое магнитное поле. Оно представляет собой совокупность двух магнитных полей: поля Земли и поля судового железа. Этим объясняется, что ось магнитной стрелки располагается не по магнитному меридиану, а в плоскости компасного меридиана. Угол между плоскостями магнитного и компасного меридианов называется девиацией.

В комплект компаса входят: котелок с картушкой, нактоуз, девиационный прибор, оптическая система и пеленгатор.

На спасательных шлюпках используется легкий, небольшой по размерам компас, не закрепленный стационарно (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Шлюпочный магнитный компас

Гирокомпас - механический указатель направления истинного (географического) меридиана, предназначенный для определения курса объекта, а также азимута (пеленга) ориентируемого направления (рис. 3.4 - 3.5). Принцип действия гирокомпаса основан на использовании свойств гироскопа и суточного вращения Земли.

Рис. 3.4. Современный гирокомпас

Гирокомпасы имеют два преимущества перед магнитными компасами:

• они показывают направление на истинный полюс, т.е. на ту точку, через которую проходит ось вращения Земли, в то время как магнитный компас указывает направление на магнитный полюс;
• они гораздо менее чувствительны к внешним магнитным полям, например, тем полям, которые создаются ферромагнитными деталями корпуса судна.

Простейший гирокомпас состоит из гироскопа, подвешенного внутри полого шара, который плавает в жидкости; вес шара с гироскопом таков, что его центр тяжести располагается на оси шара в его нижней части, когда ось вращения гироскопа горизонтальна.

Рис. 3.5. Репитер гирокомпаса с пеленгатором, установленный на пелорусе

Гирокомпас может выдавать ошибки измерения. Например, резкое изменение курса или скорости вызывают девиацию, и она будет существовать до тех пор, пока гироскоп не отработает такое изменение. На большинстве современных судов имеются системы спутниковой навигации (типа GPS) и/или другие навигационные средства, которые передают во встроенный компьютер гирокомпаса поправки. Современные конструкции лазерных гироскопов не выдают таких ошибок, поскольку вместо механических элементов в них используется принцип разности оптического пути.

Электронный компас построен на принципе определения координат через спутниковые системы навигации (рис. 3.6). Принцип действия компаса:

1. на основании сигналов со спутников определяются координаты приёмника системы спутниковой навигации;
2. засекается момент времени, в который было сделано определение координат;
3. выжидается некоторый интервал времени;
4. повторно определяется местоположение объекта;
5. на основании координат двух точек и размера временного интервала вычисляется вектор скорости движения:
   • направление движения;
   • скорость движения.

Рис. 3.6. Электронные компасы

Эхолот

Навигационный эхолот предназначен для надежного измерения, наглядного представления, регистрации и передачи в другие системы данных о глубине под килем судна (рис. 3.7). Эхолот должен функционировать на всех скоростях судна от 0 до 30 узлов, в условиях сильной аэрации воды, ледяной и снежной шуги, колотого и битого льда, в районах с резко меняющимся рельефом дна, скалистым, песчаным или илистым грунтом.

Рис. 3.7. Указатель эхолота

На судах устанавливаются гидроакустические эхолоты. Принцип их работы заключается в следующем: механические колебания, возбуждаемые в вибраторе-излучателе, распространяются в виде короткого ультразвукового импульса, доходят до дна и, отразившись от него, принимаются вибратором-приемником.

Эхолоты автоматически указывают глубину моря, которую определяют по скорости распространения звука в воде и промежутку времени от момента посылки импульса до момента его приема (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Принцип работы эхолота

Эхолот должен обеспечивать измерение глубин под килем в диапазоне от 1 до 200 метров. Указатель глубин должен быть установлен в рулевой рубке, а самописец – в рулевой или штурманской рубке.

Для измерения глубин применяется также ручной лот в случаях посадки судна на мель, промера глубин у борта во время стоянки у причала и т.п.

Ручной лот (рис. 3.9) состоит из свинцовой или чугунной гири и лотлиня. Гиря выполняется в форме конуса высотой 25 - 30 см и весом от 3 до 5 кг. В нижнем широком основании гири делается выемка, которая перед замером глубины смазывается солидолом. При касании лотом морского дна частицы грунта прилипают к солидолу, и после подъема лота по ним можно судить о характере грунта.

Рис. 3.9. Ручной лот

Разбивка лотлиня производится в метрических единицах и обозначается по следующей системе: на десятках метров вплетаются флагдуки различных цветов; каждое количество метров, оканчивающееся цифрой 5, обозначаются кожаной маркой с топориками.

В каждой пятерке первый метр обозначается кожаной маркой с одним зубцом, второй - маркой с двумя зубцами, третий - с тремя зубцами и четвертый - с четырьмя.

Лаг

Примерно с конца XV в. получил известность простой измеритель скорости - ручной лаг. Он состоял из деревянной дощечки со свинцовым грузом формой в 1/1 круга, к которой прикреплялся легкий трос, имеющий узлы через равные промежутки (чаще всего 7 м). Для измерения скорости парусных судов, плававших в те времена, лаг, как приблизительно постоянная отметка на поверхности воды, бросали за борт и поворачивали песочные часы, отмеряющие определенную продолжительность времени (14 с). За время, пока сыпался песок, матрос считал количество узлов, которые проходили через его руки. Число узлов, полученных за это время, давало в пересчете скорость судна в морских милях в час. Этот способ измерения скорости объясняет возникновение выражения «узел».

Лаг - навигационный прибор для измерения скорости судна и пройденного им расстояния. На морских судах применяются механические, геомагнитные, гидроакустические, индукционные и радиодоплеровские лаги. Различают:

• относительные лаги, измеряющие скорость относительно воды; и
• абсолютные лаги, измеряющие скорость относительно дна.

Гидродинамический лаг - относительный лаг, действие которого основано на измерении разности давления, которая зависит от скорости судна. Основу гидродинамического лага составляют две трубки, выведенные под днище судна: выходное отверстие одной трубки направлено к носовой части судна; а выходное отверстие другой трубки находится заподлицо с обшивкой. Динамическое давление определяется по разности высот воды в трубках и преобразуется механизмами лага в показания скорости судна в узлах. Кроме скорости, гидродинамические лаги показывают пройденное судном расстояние в милях.

Индукционный лаг - относительный лаг, принцип действия которого основан на зависимости между относительной скоростью проводника в магнитном поле и наводимой в этом проводнике электродвижущей силой (ЭДС). Магнитное поле создается электромагнитом лага, а проводником является морская вода. Когда судно движется, магнитное поле пересекает неподвижные участки водной среды, при этом в воде индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости перемещения судна. С электродов ЭДС поступает в специальное устройство, которое вычисляет скорость судна и пройденное расстояние.

Гидроакустический лаг - абсолютный лаг, работающий на принципе эхолота. Различают доплеровские и корреляционные гидроакустические лаги.

Геомагнитный лаг - абсолютный лаг, основанный на использовании свойств магнитного поля Земли.

Радиолаг - лаг, принцип действия которого основан на использовании законов распространения радиоволн.

На практике отсчеты лага замечают в начале каждого часа и по разности отсчетов получают плавание S в милях и скорость судна V в узлах. Лаги имеют погрешность, которая учитывается поправкой лага.

Радионавигационные приборы

Судовая радиолокационная станция (РЛС) предназначена для обнаружения надводных объектов и берега, определения места судна, обеспечения плавания в узкостях, предупреждения столкновения судов (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Экран РЛС

В РЛС используется явление отражения радиоволн от различных объектов, расположенных на пути их распространения, таким образом, в радиолокации используется явление эха. РЛС содержит передатчик, приемник, антенно-волноводное устройство, индикатор с экраном для визуального наблюдения эхо-сигналов.

Принцип работы РЛС следующий. Передатчик станции вырабатывает мощные высокочастотные импульсы электромагнитной энергии, которые с помощью антенны посылаются в пространство узким лучом. Отраженные от какого-либо объекта (судна, высокого берега и т. п.) радиоимпульсы возвращаются в виде эхо-сигналов к антенне и поступают в приемник. По направлению узкого радиолокационного луча, который в данный момент отразился от объекта, можно определить пеленг или курсовой угол объекта. Измерив, промежуток времени между посылкой импульса и приемом отраженного сигнала, можно получить расстояние до объекта. Так как при работе РЛС антенна вращается, излучаемые импульсные колебания охватывают весь горизонт. Поэтому на экране индикатора судовой РЛС создается изображение окружающей судно обстановки. Центральная светящаяся точка на экране индикатора РЛС отмечает место судна, а идущая от этой точки светящаяся линия показывает курс судна.

Изображение различных объектов на экране радара может быть ориентировано относительно диаметральной плоскости судна (стабилизация по курсу) или относительно истинного меридиана (стабилизация по норду). Дальность «видимости» РЛС достигает несколько десятков миль и зависит от отражательной способности объектов и гидрометеорологических факторов.

Судовые РЛС позволяют за короткий промежуток времени определить курс и скорость встречного судна и избежать, таким образом, столкновения.

Рис. 3.11. Экран САРП

Все суда должны обеспечивать радиолокационную прокладку на экране РЛС, для этого их оборудуют системой автоматической радиолокационной прокладки (САРП). САРП выполняет обработку радиолокационной информации и позволяет производить (рис. 3.11):

• ручной и автоматический захват целей и их сопровождение;
• отображение на экране индикатора векторов относительного или истинного перемещения целей;
• выделение опасно сближающихся целей;
• индикацию на табло параметров движения и элементов сближения целей;
• проигрывание маневра курсом и скоростью для безопасного расхождения;
• автоматизированное решение навигационных задач;
• отображение элементов содержания навигационных карт;
• определение координат местоположения судна на основе радиолокационных измерений.

Автоматическая информационная система (АИС) является морской навигационной системой, использующей взаимный обмен между судами, а также между судном и береговой службой для передачи информации о позывном и наименовании судна для его опознавания, координатах, сведений о судне (размеры, груз, осадка и др.) и его рейсе, параметрах движения (курс, скорость и др.) с целью решения задач по предупреждению столкновений судов, контроля за соблюдением режима плавания и мониторинга судов в море.

Электронные картографические навигационные информационные системы (ЭКНИС) являются эффективным средством навигации, существенно сокращающим нагрузку на вахтенного помощника и позволяющим уделять максимум времени наблюдению за окружающей обстановкой и выработке обоснованных решений по управлению судном (рис. 3.12).

Рис. 3.12. ЭКНИС

Основные возможности и свойства ЭКНИС:

• проведение предварительной прокладки;
• проверка маршрута на безопасность;
• ведение исполнительной прокладки;
• автоматическое управление судном;
• отображение "опасной изобаты " и "опасной глубины";
• запись информации в электронный журнал с возможностью дальнейшего проигрывания;
• ручная и автоматическая (через Internet) корректура;
• подача сигнала тревоги при приближении к заданной изобате или глубине;
• дневная, ночная, утренняя и сумеречная палитры;
• электронная линейка и неподвижные метки;
• базовая, стандартная и полная нагрузка дисплея;
• обширная и дополняемая база морских объектов;
• база приливов более чем в 3000 точек Мирового Океана.

Спутниковая система навигации - это система, состоящая из наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Индикатор GPS

GPS - это глобальная навигационная спутниковая система определения местоположения Global Position System. Система включает группировку низкоорбитальных навигационных спутников, наземные средства слежения и управления и самые разнообразные, служащие для определения координат. Принцип определения своего места на земной поверхности в глобальной системе позиционирования заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее трёх) - с известными параметрами их орбит на каждый момент времени, и вычислении по изменённым расстояниям своих координат.

Навигационные инструменты

Навигационный секстан - угломерный инструмент (рис. 3.14), служащий:

• в мореходной астрономии - для измерения высот светил над видимым горизонтом;
• в навигации - для измерения углов между земными предметами.

Рис. 3.14. Секстан

Слово «секстан» происходит от латинского слова «Sextans» - шестая часть круга.

Морской хронометр - высокоточные переносные часы, позволяющие получать в любой момент достаточно точное гринвичское время (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Хронометр

Судовое время определяется по меридиану местонахождения судна и чаще всего корректируется ночью вахтенным офицером. Так, например, при изменении долготы на 15° на восток часы переводятся на 1 час вперед, а при изменении долготы на 15° в западном направлении - на 1 час назад.

Для того чтобы в машинном отделении, столовой команды, каютах, салонах, барах, камбузе иметь точное и одинаковое показание времени, устанавливают электрические часы, корректируемые от главных часов, находящихся на мостике.

Рис. 3.16. Прокладочный инструмент

К прокладочным инструментам относятся (рис. 3.16):

• измерительный циркуль - для измерения и откладывания расстояний на карте;
• параллельная линейка - для проведения на карте прямых, а также параллельных заданному направлению линий;
• навигационный транспортир - для построения и измерения углов, курсов и пеленгов на карте.

Кроме этого, на мостике находятся журналы, папки с документацией, навигационные карты, обязательные справочники и пособия и др. (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Документация

GPS

астролябия

рейка, квадрант и секстан

линям

Помощники мореплавателей

Самое главное для любого судна — это знать свое точное местоположение в море. В любой момент времени. От этого зависит безопасность самого судна, груза так и всего экипажа. Я не открою Америку, если скажу, что в настоящее время судном управляет компьютер. Человек лишь контролирует этот процесс. В этой статье я расскажу о помощниках мореплавателей — о спутниковых навигационных системах, помогающие судам получать точные координаты своего местоположения. Также поведаю, какими приборами пользовались древние мореплаватели. Сейчас на всех судах установлены приемники GPS — global positioning system. Облетая нашу планету, навигационные спутники непрерывно шлют на нее потоки радиосигналов. Эти спутники принадлежат американской военно-морской навигационной спутниковой системе (ВМНСС), а с недавнего времени и американской глобальной системе нахождения местоположения (ГСМ или GPS ). Обе системы дают возможность кораблям на море днем и ночью с огромной точностью определять свои координаты. Практически до метра.

Принцип действия и ВМНСС и ГСМ основан на том, что на борту корабля специальный GPS-приемник ловит радиоволны, посылаемые навигационными спутниками на определенных частотах. Сигналы с приемника непрерывно поступают в компьютер. Компьютер их обрабатывает, дополняя информацией о времени передачи каждого сигнала и положения навигационного спутника на орбите. (Такая информация попадает на ВМНСС- спутники от наземных станций слежения, а ГСМ-спутники у себя на борту имеют приборы отсчета времени и орбиты). Затем навигационный компьютер на корабле определяет расстояние между ними и летящим в небесах спутником. Эти вычисления компьютер повторяет через определенные промежутки времени и в конечном итоге получает данные о широте и долготе, то есть свои координаты.

А как же древние мореплаватели определяли местоположения судна в море? Задолго до появления спутников и компьютеров морякам помогали бороздить просторы океанов различные «хитрые» приборы. Один из самых древних — астролябия — был заимствован у арабских астрономов и упрощен для работы с ним на море. С помощью дисков и стрелок этого прибора можно было измерять углы между горизонтом и солнцем или другими небесными телами. А потом эти углы переводили в значения земной широты.

Постепенно астролябию вытеснили более простые и точные приборы. Это изобретенные между Средними веками и эпохой Возрождения поперечная рейка, квадрант и секстан . Компасы с нанесенными на них делениями и получившие почти современный вид еще в 11-м веке позволяли мореплавателям вести корабль прямо по намеченному курсу.

К началу 15-го века стали пользоваться и «слепым счислением». Для этого бросали за борт лаги, привязанные к данным веревкам — линям . На веревках через определенное расстояние были навязаны узелки. По солнечным или песочным часам отмечали время разматывания линя. Делили длину на время и получали, конечно очень неточно, скорость движения судна.

Вот такими нехитрыми приборами пользовались моряки прошлого. К слову, на нынешних судах тоже есть секстант. В коробочке, в смазке. И всегда новенький. Правда, этим девайсом редко кто пользуется. GPS системы и компьютер заменили старые проверенные навигационные приборы. С одной стороны — это нормальное явление. Прогресс. А с другой... Любимая фраза у некоторых капитанов: «А что вы будете делать, товарищи судоламатели, когда спутники выйдут из строя и вся GPS система крякнет»? Будем заново осваивать секстант. Но надеюсь что такого безобразия не произойдет. Ибо очень не хотелось бы в одно непрекрасное утро оказаться в вместо, например, .

P.S. Фото принадлежат их законным владельцам. Спасибо, добрые люди.

Представьте себе, что корабль находится в открытом море. Его со всех сторон окружают только небо и вода; вокруг не видно ни берега, ни островка. Плыви куда хочешь! , когда не было ни спутников Земли, ни радиосвязи? Если капитан судна не умеет производить астрономические наблюдения, он не сможет определить местоположение своего корабля. Останется один выход - отдаться «на волю волн». Но в этом случае корабль обречён почти на верную гибель.

Параллели и меридианы

Вся поверхность земного шара покрыта рядом воображаемых взаимно перпендикулярных линий, которые называются параллелями и меридианами , а их совокупность составляет так называемую градусную сетку. Линия, которая образуется сечением земного шара плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно к оси её вращения, называется экватором . Экватор одинаково удалён как от Южного, так и от Северного полюсов. Долготой называется расстояние в градусах от некоторого «нулевого» меридиана к западу (западная долгота) и к востоку (восточная долгота). Долгота отсчитывается от 0 до 180 градусов по земному экватору. Широтой называется расстояние в градусах от экватора до некоторой точки, лежащей либо между Северным полюсом и экватором (северная широта), либо между Южным полюсом и экватором (южная широта). Широта отсчитывается от 0 до 90 градусов. Введение понятия долготы и широты имеет громадное значение: оно позволило отмечать, фиксировать местопребывание той или иной далекой экспедиции в малоизведанных районах земной поверхности или определять местонахождение корабля в открытом море. Широта и долгота вместе с тем служат основой любой географической карты. Долгота и широта любого места определяются при помощи астрономических наблюдений. На этих наблюдениях было основано безопасное плавание в открытых морях и океанах.

Морская миля

Координаты местонахождения корабля в открытом море определялись только путём астрономических наблюдений. Отсюда взята и величина морской мили - основной единицы измерения расстояний, пройденных кораблем. Морская миля соответствует изменению положения какого-либо светила ровно на одну минуту дуги. Для наглядности представим себе, что Солнце находится в меридиане и его наблюдают с двух кораблей. Если при этом разность высот Солнца составит одну минуту дуги, то, следовательно, расстояние между этими кораблями будет равно одной морской миле.

Наука мореходства

Отсутствие точных знаний о движении небесных тел и неумение производить астрономические наблюдения долго служили громадным препятствием для развития мореходства. Итак, возникала настойчивая необходимость совершенствовать науку мореходства и мореходную астрономию. Английский парламент в 1714 году назначил премию в 20 тысяч фунтов стерлингов тому, кто предложит метод для определения долготы места в море, хотя бы с точностью до половины градуса. Много людей работало над этим вопросом десятилетия. Заманчиво было стать автором такого важного изобретения, не менее заманчиво было получить право на столь солидную премию. Прошло более полстолетия, а задача, поставленная парламентом, всё ещё не была решена.

Метод определения долготы

Наконец, в 1770 году часовщик Арнольд предложил парламенту метод определения долготы в открытом море . Этот метод был основан на перевозке хронометров. Первые пригодные для этого хронометры были построены Гаррисоном ещё в 1744 году. Этот метод заключался в следующем. Отправляясь в море из какого-нибудь порта, долгота которого известна, пользуются правильно идущим хронометром, который показывает время отправного пункта. Находясь в открытом море, путешественники по наблюдению небесных светил определяли местное время. Из сравнения местного времени с показанием хронометра находили разность времён. Эта разность времён и является разностью долгот отправного пункта и пункта нахождения. Этим методом в 1843 году с большой точностью (до сотой доли секунды) была определена долгота Пулковской астрономической обсерватории.

Положение точки на земной поверхности

Итак, положение какой-либо точки на земной поверхности определяется долготой и широтой. Величина дуги меридиана от земного экватора до данного места определяет его широту. Величина дуги экватора от нулевого (главного) меридиана до меридиана данного места определяет его долготу. Главным, или нулевым, меридианом принято считать тот, который проходит через знаменитую Гринвичскую астрономическую обсерваторию, находящуюся в Англии, неподалёку от Лондона. Чтобы определить долготу какой-либо точки на Земле, достаточно знать показания часов в этом месте и в Гринвиче в один и тот же момент . Это основано на том, что разность показаний часов в один и тот же момент каких-нибудь двух мест равна разности долгот этих мест. Вся окружность, как известно, составляет 360 градусов, что соответствует 24 часам; одному часу соответствует 15 градусов, а одной минуте времени соответствует 1/4 градуса, или 15 минут дуги. Так, например, разность показаний часов для одного и того же момента времени в Ленинграде и Гринвиче составляет 2 часа и 1 минуту. Следовательно, Ленинград находится к востоку от Гринвича на 30 градусов и 15 минут. Или, как принято говорить, Ленинград имеет 30 градусов и 15 минут восточной долготы. Широта - дуга меридиана от земного экватора до какого-либо определённого места. Или, иначе говоря, широта точки на земной поверхности равна угловой высоте полюса над горизонтом . Поэтому для определения широты местонахождения корабля в море проводили ряд астрономических наблюдений. Эти наблюдения обычно вели при помощи угломерного инструмента, называемого секстаном . Днём при помощи этого инструмента измеряют высоту , а ночью высоту Луны, Полярной или какой-нибудь другой звезды. В связи с изобретением радио определение долготы в море производится гораздо проще.

Международная комиссия времени

Была создана специальная Международная комиссия времени , которая весь земной шар условно разделила на девять зон. Выработана специальная схема, обязательная для всех стран мира, передачи точных, так называемых ритмических, сигналов времени, основанных на наблюдениях звезд. Ритмические сигналы времени передавались несколько раз в сутки по радио с девяти наиболее мощных радиостанций в различные часы гринвичского времени. Наиболее известны из этих радиостанций были ЭйРегби в Англии и станция имени Коминтерна в Москве. Поэтому, в каком бы пункте земного шара ни находился корабль, он при помощи радио, хотя бы с одной из девяти станций, получал сигнал точного времени и, следовательно, знал показание часов для главного меридиана в данный момент. Затем при помощи астрономических наблюдений определялось точное местное время и по разности этих двух времён - долгота местонахождения корабля.

О перемещении континентов

Известный геолог Вегенер когда-то высказал предположение, что континенты постоянно несколько перемещаются . Это перемещение, по его мнению, столь значительно, что оно при помощи астрономических наблюдений может быть обнаружено через небольшой сравнительно срок. Отсюда следовало, что долгота места тоже меняется, и это изменение можно заметить на протяжении сравнительно небольшого отрезка времени. Предположение, высказанное Вегенером, вызвало большой интерес у специалистов. Комиссия из представителей Международного астрономического и Международного геодезического союзов разработала проект определения мировых долгот по радио через каждые несколько лет. Впервые это определение долгот было проведено в 1926 году. Вершинами основного полигона были избраны три группы обсерваторий. Первая группа - в Алжире (Африка), Зи-Ка-Вей (Китай) и Сан-Диего (Калифорния); вторая группа - в Гринвиче, Токио, Ванкувере и Оттаве (Канада); третья группа - Манилла (Филиппины), Гонолулу (Сандвичевы острова), Сан-Диего и Вашингтон. Эти обсерватории имели связь с рядом обсерваторий, ведущих работу по службе времени. Вместе с тем долготные наблюдения велись многими обсерваториями и временными станциями. Работа была проведена успешно. Радиосигналы принимались на огромных расстояниях. Так, например, радиосигналы станций Бордо (Франция) принимались в Америке и Австралии. Долготы определялись с исключительно высокой точностью, и ошибка замыкания основного полигона не превышала 0,007 секунды. В 1933 году это предприятие было повторено в ещё более грандиозных масштабах, а технический уровень проведенных работ был ещё выше, чем в 1926 году. В результате оказалось, что предположение, высказанное Вегенером, не вполне подтвердилось. Если и имеет место вековое смещение Америки относительно Европы, то его величина, во всяком случае, не может превышать трёх сантиметров в год. Небезынтересно, однако, отметить, что из сравнения приёма сигналов времени, проводимых систематически обсерваториями Европы и Америки, обнаружено заметное (около 18 метров) колебание долгот с периодом примерно в 11 лет, почти совпадающим с периодом солнечных пятен.

Еще два столетия назад работа со сложными навигационными приборами была уделом высоких профессионалов. В наши дни любой обладатель продвинутого мобильного телефона может в считанные секунды определить свое место на поверхности земли.

На первом этапе мореплавания лодки и суда от берега далеко не отходили. Пересечь реку или озеро, сократив путь, или обойти занятый враждебным племенем край по морю вдоль берега - дело практическое и понятное, но вот пуститься в плавание по неведомому морю-океану - это уже другой коленкор, согласитесь.

Первыми навигационными ориентирами стали заметные с воды знаки: поморы, например, ставили каменные кресты, поперечные перекладины которых были ориентированы в направлении север - юг. А ночью можно использовать простейшие маяки - сигнальные костры, зажигавшиеся для облегчения ориентирования или предупреждения об опасности (мель, риф, сильное течение и пр.).

О маяках упоминается уже в «Илиаде» Гомера, а самый знаменитый маяк - Александрийский - появился в III веке до н. э. на острове Фарос, в устье Нила на подходе к Александрии. Его высота составляла 120 м. На верхней площадке круглосуточно горел громадный костер, свет которого отражался сложной системой зеркал и был виден, по данным историков, на расстоянии 30 миль (около 55 км). Другой пример навигационного знака древности - статуя Афины, установленная в V веке до н. э. на Акрополе: она была выполнена из бронзы, и в лучах солнца была далеко видна с моря.

С ростом масштабов мореплавания возникла необходимость систематизировать и передавать навигационные знания. И вот уже древние греки создают периплы - описания прибрежных плаваний в разных районах, куда заносилось все, начиная от погоды и заканчивая описанием береговой линии и нравов туземных племен. Самый древний дошедший до нас перипл - карфагенянина Ганнона, он датируется рубежом VI–V веков до н. э. Фактически перипл - это древний вариант современной лоции. Своя лоция была и у неграмотных народов: такие знания они передавали в виде устных сказаний и даже песен. Лишь в XIII веке появились более точные карты-портоланы с нанесенными компасными линиями, расходившимися из отдельных точек, так называемые розы ветров, применявшиеся для прокладки курсов.

Сколько футов под килем?

Для определения, а точнее, опознания места корабля можно использовать и полученную с помощью эхолота глубину. Применяют такой способ, когда во время плавания длительное время нет возможности выполнить обсервацию - скажем, плохая видимость или неисправен приемник спутниковой навигационной системы - и существуют сомнения в правильности счисления.

В этом случае как только на берегу открывается хоть один известный и нанесенный на карту ориентир, на него тут же берут пеленг и одновременно эхолотом замеряют глубину. После исправления компасного пеленга поправкой компаса на карте откладывают обратный истинный пеленг и затем смотрят, где в пределах проведенной линии окажется глубина, полученная по эхолоту. Можно также замерить глубину ручным лотом - в этом случае будет получен еще и образец грунта, что облегчит опознание места. Там, где глубина и тип грунта совпадут с пеленгом, - текущее место корабля.

Первые документальные подтверждения использования замеров глубины для определения места относятся ко времени Геродота - древнегреческие мореплаватели знали, что если при плавании в Египет по Средиземному морю глубина под килем уменьшается до определенного значения, то до Александрии остается день пути.

Углы и расстояния

Координаты корабля могут быть двух типов: относительные (относительно какого-либо хорошо известного ориентира) и абсолютные (географические широта и долгота). Вторыми стали пользоваться не так давно, а относительные координаты применяли уже в незапамятные времена, потому как они просто необходимы даже в ходе непродолжительного плавания вдоль берега - они позволяют прийти в нужное место и сделать это безопасно, не сев на мель или рифы и не пропустив «нужный мыс». Способы определения места, использовавшиеся древними мореходами, в ряде случаев дошли до наших дней без каких-либо изменений.

Самым простым и древним способом являются визуальные определения: по пеленгам (это направление по компасу, или румб, в котором виден от нас некий объект), расстояниям и горизонтальным углам между направлениями на береговые ориентиры. Есть несколько вариантов подобного способа определять свое местоположение.

По двум пеленгам. Простой способ определения местонахождения по надежно опознаваемым и нанесенным на используемую при плавании карту ориентирам (их подбирают с помощью карты, лоции и пособия «Огни и знаки»). При этом необходимо выбирать ориентиры с разностью пеленгов не менее 30° и не более 150°, чтобы не получать пересечения пеленгов под острыми углами (это увеличивает погрешность). Пеленгование выполняют быстро, начиная с ориентиров, расположенных прямо по курсу или близко к тому (пеленг на них меняется медленнее), а ночью - с огней (маяков), имеющих больший период. Измеренные пеленги исправляют до истинных поправкой используемого для измерений компаса (поправка представляет собой алгебраическую сумму склонения и магнитной девиации) и в обратном направлении прокладывают на карте (так называемый обратный истинный пеленг, отличающийся от истинного на 180°). В месте их пересечения и находится навигатор.

По трем пеленгам. Способ схож с предыдущим, но дает большую надежность и точность - примерно на 10–15%. Обычно откладываемые в таком случае обратные пеленги не пересекаются в одной точке, а образуют треугольник. Если он небольшой, со сторонами менее полумили (около 0,9 км), то считают, что судно находится в его центре или ближе к наименьшей стороне, а если большой - измерения необходимо повторить.

По двум разновременно измеренным пеленгам на один ориентир (крюйс-пеленг). Применяемые в этом случае вычисления выходят за рамки данной статьи, но их подробное объяснение можно найти в любом доступном учебнике по навигации.

По расстояниям. В этом случае на карте от ориентиров проводят окружности с радиусом, равным расстоянию до ориентира. В месте пересечения кругов и находится наблюдатель. Если виден от основания или уреза воды ориентир с известной высотой, то расстояние до него определяют специальной формулой по вертикальному углу, измеряемому секстаном, а высотой глаза наблюдателя над уровнем воды пренебрегают. Естественно, что точность измерений повышается при наличии трех ориентиров.

Сегодня в качестве ориентиров для определения местоположения применяются и радиолокационные станции - здесь чаще всего определяют место по измеряемым радиолокатором расстояниям, это точнее, чем измерение радиолокационных пеленгов. В целом нет никаких принципиальных отличий у обычных визуальных и радиолокационных способов обсервации. Просто нужно хорошо уметь «читать» изображение на экране радиолокатора, чтобы как можно более точно идентифицировать используемые для обсервации ориентиры. Ведь обычная карта «рисуется» как бы с видом сверху, а карта на экране радиолокатора - при помощи радиолокационного луча, «рисующего» карту на уровне моря. Одна ошибка в опознании берегового ориентира может привести (и приводила) к серьезным авариям.

В поисках Гринвича

До конца XIX века точкой отсчета долготы служили разные места, например, остров Родос, Канарские острова, острова Зеленого Мыса. После утверждения в 1493 году папой Александром VI линии раздела сфер влияния Испании и Португалии, проходившей в 100 лигах западнее Азорских островов, многие картографы отсчитывали долготу от нее. А испанский король Филипп II в 1573 году повелел на всех испанских картах вести отсчет долготы от меридиана города Толедо. Попытка установить для Европы единую точку отсчета долготы была предпринята в 1634 году, но потерпела фиаско. В 1676-м начала работу Гринвичская обсерватория, а в 1767-м в Британии был издан «Морской альманах» (с отсчетом меридианов от Гринвича), которым пользовались моряки из разных стран. К началу 1880-х годов «гринвичскую» систему на своих морских картах применяли уже 12 европейских государств. Наконец, по результатам Международной меридианной конференции 1884 года было принято решение вести всем отсчет от Гринвича. Кстати, на конференции предлагались и другие варианты начальной точки - острова Ферро и Тенерифе, пирамида Хеопса или один из храмов Иерусалима.

Путеводные звезды

Береговые ориентиры бесполезны в открытом море. Но уже в древние времена мореплаватели путешествовали по Индийскому океану, а затем и пересекали Атлантический и Тихий с одного континента на другой. Такие плавания стали возможны благодаря новой науке - мореходной астрономии. Осознав, что Солнце совершает постоянное движение по небосводу, а звезды разбросаны по небу отнюдь не в беспорядке, мореплаватели вскоре научились ориентироваться по ним.

Их особое внимание привлекала примечательная звезда в созвездии Малой Медведицы. Ее положение на небе было практически неизменным, это был своего рода небесный маяк, по которому можно было ориентироваться в ночное время. В древние времена звезду называли Финикийской (считается, что именно финикийцы первыми научились ориентироваться по звездам), Путеводной, а затем она стала Полярной. Причем в древности научились не только определять направление по Полярной звезде, но и исходя из ее высоты над горизонтом рассчитывать оставшееся до конца плавания время.

Примерно в VI–V веках до н. э. на кораблях стали применять гномон - вертикальный шест, по соотношению длины и отбрасываемой тени которого определяли время и вычисляли угловую высоту Солнца над горизонтом, что позволяло вычислить широту (но сначала, разумеется, надо вычислить «полдень» - кратчайшую длину тени за солнечный день, то есть при использовании гномона его нельзя перемещать хотя бы день). Предполагают, что для навигационных целей его впервые использовал греческий купец Пифей из Массилии (нынешний Марсель), который в IV веке до н. э. нарушил запрет и вышел за Геркулесовы столбы, отправившись на север. Поскольку на ходу гномон бесполезен, он высаживался на берег и там определял с его помощью широту с точностью до нескольких минут. Аналогичным способом контролировали свое местонахождение на нужной параллели в море и викинги.

Примерно в III–II веках до н. э. появляется астролябия (от греческих слов άστρου - «звезда» и λαβή - «взятие, схватывание»), пока в сухопутном, весьма громоздком и сложном варианте. Настоящая морская, или, как ее еще называют, «новая», астролябия была изобретен а лишь на рубеже 1000 года н. э. Она представляла собой кольцо с приспособлением для подвешивания, где отвес от точки подвеса фиксировал вертикальную линию - по ней определяли горизонтальную линию и центр. Вокруг центральной оси вращался поворотный визир-алидада с диоптрами (маленькими отверстиями) на концах, на кольце со стороны алидады наносились градусные деления. Наблюдения вели втроем: один держал инструмент за кольцо, второй измерял высоту светила, становясь при этом к Солнцу спиной и поворачивая алидаду так, чтобы верхняя визирная нить бросала тень на нижнюю (это означало, что визир точно направлен на Солнце), а третий моряк снимал отсчет. Ночью по астролябии определяли высоту Полярной звезды.

В XV–XVI веках появились новые навигационные инструменты - астрономическое кольцо и градшток. Первое (одна из разновидностей астролябии) вместо алидады имело коническое отверстие, попадавшие в него солнечные лучи отражались в виде зайчика на градусной шкале, помещенной на внутренней стороне кольца - место зайчика соответствовало высоте Солнца. Градшток (посох Иакова, астрономический луч, золотой жезл, геометрический крест и пр.) - наиболее удобный при качке инструмент - два взаимно перпендикулярных стержня: длинный (80 см, шток) и короткий (брусок), последний плотно прилегал к длинному под прямым углом и мог свободно скользить вдоль него. На штоке наносились деления, на концах бруска - диоптры, а на конце штока - мушка для глаза. Определить высоту звезды можно было, глядя в глазную мушку, передвигая брусок и добиваясь такого положения, чтобы в верхнем диоптре была видна звезда, а в нижнем - горизонт. Для наблюдения за Солнцем навигатор вставал к нему спиной и передвигал брусок, пока тень его верхнего конца не падала на маленький экран, устанавливаемый вместо мушки на конец длинного штока (середина экрана направлялась на линию видимого горизонта). С помощью одного короткого бруска нельзя было измерить все высоты светил, поэтому к градштоку прилагалось несколько брусков, обычно три, для измерения высот: 10–30°, 30–60° и более 60°. Применяли градшток только в море, точность была не
выше 1–2°.

Наконец, в XVIII веке появляется один из самых известных навигационных приборов - секстан, наследник градштока. После ряда последовательных «мутаций» - квадрант Дэвиса (1594), октант Джона Хэдли (1731), дававший погрешность всего 2–3 минуты, - на свет появился (1757) прибор Джона Кэмпбелла, увеличившего в октанте Хэдли сектор с 45 до 60°: так октант стал секстантом, или секстаном (от латинского sexstans, шестая часть окружности). В секстане центральный диоптр заменен зеркалом, которое позволяет визировать сразу два предмета, расположенных по разным направлениям, скажем, горизонт и Солнце (звезду). Секстан благодаря большей точности измерений более 200 лет назад вытеснил на судах другие угломерные инструменты и продолжает службу в качестве основного ручного прибора.

«Убийственная» долгота

Если с широтой мореплаватели разобрались еще в древние времена, то проблема определения в море долготы места оказалась более серьезной, и ее сколько-нибудь удовлетворительного решения не удавалось найти вплоть до конца XVIII века. Скажем, возвратившийся домой после открытия Америки Колумб обнаружил, что ошибка в измерениях на его корабле долготы составила целых 400 миль. Не избежал ошибки и французский гидрограф Ив-Жозеф де Кергелен. Он отправился в январе 1772 года из Порт-Луи на Маврикии без хронометра, а потому открытый и названный в его честь архипелаг был нанесен на карту с ошибкой в 240 миль (около 450 км)! Определить же долготу по небесным светилам (как в случае с широтой) не представлялось возможным: при движении на запад или восток картина звездного неба практически не меняется.

Конечно, принцип определения долготы был известен еще Гиппарху - разность долгот двух точек на земной поверхности соответствует разнице местного времени при одновременном наблюдении момента какого-либо одного события в двух данных точках. Гиппарх предлагал считать таким событием затмение Луны, происходившее в один и тот же момент времени для всех его наблюдателей на Земле. Но затмения случаются редко, фиксация затмения тоже дело непростое, поскольку границы тени очень нечетки.

Нельзя было реализовать на судах в открытом море и принцип определения долготы по методу «лунных расстояний», предложенному в середине XV века профессором Венского университета Иоганном Мюллером, более известным под псевдонимом Региомонтан. Он издал знаменитые «Эфемериды», содержащие полные и точные астрономические сведения, в том числе и данные для определения широты и долготы в море по методу «лунных расстояний». По составленным им таблицам для любого угла, измеренного в градусах и минутах, можно было непосредственно получить значение синуса. Это означало, что, измерив угол светила с точностью до 1", можно было определить широту с точностью до двух километров. Однако известные тогда угломерные инструменты такой точности не давали, да и теми, что были, нельзя было пользоваться при морской качке. Наконец, в 1530 году астроном и математик Гемма Фризий предложил метод определения долготы, основанный на использовании часов: надлежало брать с собой из пункта отправления часы с местным временем и «хранить» это время во время плавания, а при необходимости вычислять долготу - астрономическим способом определить местное время и, сравнив его с «хранимым», получить искомую долготу. Совет всем хорош, но точных механических часов тогда попросту не было, а ошибка часов на широте экватора всего в минуту давала ошибку по долготе в 15 миль.

Например, в 1707 году также в результате штурманской ошибки на камнях вблизи островов Силли погиб 21 корабль эскадры адмирала Клаудисли Шовела - вместе с адмиралом утонули около 2000 человек! Одной из причин этого было неумение определять долготу. 8 июля 1714 года британский парламент принял постановление, которое в том числе гарантировало вознаграждение тому, кто решит проблему определения долготы в море: с точностью не менее 0,5° или 30 миль - 20 000 фунтов (на сегодня это более полумиллиона фунтов). Два года спустя специальный приз «определителю долготы» был установлен и во Франции.

В британский совет «по вопросам долготы» поступила масса заявок - разбогатеть мечтали многие, но ни одна одобрена не была. Были и курьезы. Математики Хамфри Диттон и Уильям Уистон еще в 1713 году предложили такой способ: на наиболее оживленных морских путях установить через определенные интервалы на якорях суда, измерив их географические координаты. Ровно в полночь по местному времени острова Тенерифе суда должны были производить залп из мортир вверх с таким расчетом, чтобы снаряды взрывались точно на высоте 2000 м. Проплывавшие мимо суда должны были измерять пеленг на такой сигнал и дальность, определяя тем самым свое место. Охотников «освоить бюджет» было вдоволь и в те годы.

А получил большую часть суммы, причитающейся за решение проблемы долготы, в 1735–1765 годах 72-летний механик, сын сельского плотника Джон Харрисон, прозванный Джон Долгота, который создал высокоточные часы-хронометр, позволявшие надежно «хранить время» (в них уже не было маятника, а были балансиры, и они могли работать на борту корабля) и, соответственно, достаточно точно измерять долготу. Во Франции королевский приз «за хронометр» был вручен Пьеру Леруа, королевскому часовщику. Хронометры даже получили второе название - «долготные часы». Их массовый выпуск был начат только на рубеже XVIII–XIX веков, что и можно считать временем решения «долготной» проблемы.

Задолго до появления спутников и компьютеров морякам помогали бороздить просторы океанов различные "хитрые" приборы. Один из самых древних - астролябия - был заимствован у арабских астрономов и упрощен для работы с ним на море.

С помощью дисков и стрелок этого прибора можно было измерять углы между горизонтом и солнцем или другими небесными телами. А потом эти углы переводили в значения земной широты. Постепенно астролябию вытеснили более простые и точные приборы. Это изобретенные между Средними веками и эпохой Возрождения поперечная рейка, квадрант и секстант. Компасы с нанесенными на них делениями и получившие почти современный вид еще в 11-м веке позволяли мореплавателям вести корабль прямо по намеченному курсу.

К началу 15-го века стали пользоваться и "слепым счислением". Для этого бросали за борт лаги, привязанные к данным веревкам - линиям. На веревках через определенное расстояние были навязаны узелки. По солнечным часам отмечали время разматывания линя. Делили длину на время и получали, конечно очень неточно, скорость движения судна.

Отсчет широты

В средние века моряки определяли свое положение относительно экватора, то есть широту, глядя на солнце или на звезды. Угол наклонения небесного тела находили с помощью астролябии или квадрантом (рисунки ниже). Затем они открывали свою таблицу, которая называлась эфемерис, и по ней определяли положение корабля.

Измерение высоты небесных тел

Для измерения высоты небесного тела мореплаватель должен был наставить металлическую рейку на это тело, глядя на тело, водить по рейке поперечины разной длины до выхода их на линию горизонта. На рейке были нанесены отметки со значениями высот над горизонтом, то есть над уровнем моря.

Определение долготы

Мореплаватели пытались делать это с помощью солнечных часов и линя - толстой веревки с навязанными узелками. По количеству высыпанного в часах песка определяли прошедшее время, а по длине выброшенного за борт линя, намотанного на корабельную вьюшку, определяли скорость движения. Умножая время суточного перехода на скорость, получали пройденное расстояние. Зная, откуда корабль начал свой путь, в каком направлении и сколько он прошел за день, можно было примерно представить себе перемещение в направлении восток-запад, то есть изменение долготы.

Корабль, изображенный внизу, - это "Виктория". На нем Магеллан и его команда совершили первое в мире кругосветное путешествие и вернулись домой, в Португалию, в 1522 году. Их маршрут показан волнистой линией слева на карте, выпущенной в 1543 году.