O nashih koordinatah
16.03.2001 14:40 | N. S. Blinov/Vselennaya i My

Geograficheskie koordinaty, shirota i dolgota, opredelyayushie polozhenie tochki na zemnoi poverhnosti, byli izvestny eshe v drevnei Grecii. Odnako u ellinov eti ponyatiya sushestvenno otlichalis' ot nashih, sovremennyh.

Seichas my otschityvaem shirotu v gradusah ot ekvatora, a dolgotu ot nekotorogo uslovno vybrannogo meridiana, naprimer, ot Grinvicha.

Drevnie ne imeli eshe ponyatiya o gradusnoi setke i opredelyali shirotu libo po vysote Polyarnoi, libo po prodolzhitel'nosti samogo dlinnogo svetovogo dnya v godu, ili po dline samoi korotkoi teni. Slozhnee bylo s dolgotoi ili raznost'yu dolgot, kotoruyu mozhno opredelit' lish' kak raznost' mestnyh vremen, otschitannyh v dvuh tochkah v odin i tot zhe fizicheskii moment. Problema sostoyala v tom, chtoby libo kak-to dostavit' vremya odnogo punkta v drugoi, libo zaregistrirovat' nekotoroe yavlenie, odnovremenno nablyudaemoe s dvuh punktov. V kachestve takogo yavleniya Gipparh predlozhil ispol'zovat' zatmeniya Luny, no, k sozhaleniyu, ne ukazal sposobov izmereniya mestnogo vremeni. Neposredstvenno ispol'zovat' dlya etoi celi solnechnye chasy bylo nevozmozhno, tak kak vo vremya zatmeniya Luny Solnce nahoditsya nizhe gorizonta. Tochnost' opredeleniya odinakovoi fazy zatmeniya tozhe byla ves'ma nevysokoi.

Proshlo okolo tysyacheletiya, prezhde chem lyudi nauchilis' opredelyat' shirotu i dolgotu s dostatochno vysokoi tochnost'yu.

Osobenno ostro eta problema vstala v epohu velikih geograficheskih otkrytii, kogda moreplavatelyam znanie koordinat svoih korablei bylo neobhodimo.

V 1567 g. ispanskii korol' Filipp II naznachil voznagrazhdenie za reshenie problemy opredeleniya dolgoty v otkrytom more. V 1598 g. Filipp III obeshal 6 tys. dukatov v kachestve postoyannogo vznosa, 2 tys. dukatov v kachestve pozhiznennoi renty i 1 tys. dukatov dlya okazaniya pomoshi lyubomu, kto smozhet otkryt' dolgotu .

Soedinennye provincii Gollandii naznachili priz v 30 tys. florinov. Voznagrazhdenie obeshali takzhe Portugaliya i Veneciya.

Odnim iz samyh izvestnyh pretendentov na dolgotnye prizy byl Galileo Galilei. Ispol'zuya skonstruirovannyi im teleskop, Galilei nablyudal zatmeniya sputnikov Yupitera, sostavil tablicy, predskazyvayushie eti zatmeniya i predlozhil ispol'zovat' momenty zatmenii dlya opredeleniya dolgoty nablyudatelya.

Moreplavateli, imeya svoe mestnoe vremya, skazhem, po nablyudeniyam Solnca, i znaya iz tablic vremya, kogda proishodyat zatmeniya sputnikov Yupitera na nekotorom opornom meridiane, mogli vychislit' raznost' vremen, to est' dolgotu svoego korablya ot opornogo meridiana.

Byl predlozhen i drugoi, tozhe astronomicheskii, metod opredeleniya dolgoty: po nablyudeniyam polozheniya Luny sredi zvezd. Eto metod, v principe, analogichen metodu Galileya, tol'ko v nem nablyudalis' ne zatmeniya sputnikov Yupitera, a opredelyalis' rasstoyaniya lunnogo diska ot opornyh, horosho izvestnyh, zvezd. Byli sostavleny tablicy, dayushie polozhenie Luny sredi zvezd na meridiane dlya opredelennogo momenta vremeni.

K sozhaleniyu, oba astronomicheskih metoda ne nashli shirokogo primeneniya v morskoi navigacii.

Vo-pervyh, oni vozmozhny tol'ko v yasnye nochi.

Vo-vtoryh, oni trebuyut horoshei teorii dvizheniya sputnikov Yupitera i Luny; teorii, osobenno dlya Luny, svetila ochen' kapriznogo, v XVII-XVIII vekah otsutstvovali.

V-tret'ih, momenty zatmeniya sputnikov s borta korablya opredelyayutsya s bol'shimi oshibkami. Eto takzhe otnositsya i k polozheniyam Luny sredi zvezd.

V-chetvertyh, astronomicheskie nablyudeniya trebuyut vysokoi podgotovki navigatora, chto tozhe ne vsegda imelo mesto.

Poetomu uchenye userdno iskali drugoi, bolee prostoi, sposob opredeleniya dolgoty. Ideya takogo sposoba byla ochevidnoi - nado sozdat' chasy, s pomosh'yu kotoryh vremya opornogo meridiana mozhno vozit' za soboi na korable.

Chasy s mayatnikom dlya etoi celi byli neprigodny, oni ne perenosili kachki.

V 1714 godu parlament Anglii prinyal bill, predusmatrivayushii nagradu cheloveku ili gruppe lic, kotorye smogut opredelit' dolgotu na more. Nagrada v summe 10 tys. funtov sterlingov predlagalas' v sluchae, esli metod pozvolit opredelyat' dolgotu s tochnost'yu do odnogo gradusa bol'shoi okruzhnosti, ili shestidesyati geograficheskih mil'. V sluchae povysheniya tochnosti v dva raza summa udvaivalas' i sostavlyala 20 tys. funtov sterlingov. Eto byl deistvitel'no korolevskii priz!

Priz etot, hotya i ne polnost'yu, poluchil izobretatel' hronometra londonskii chasovshik Dzhon Garrison. Ego pervyi hronometr byl izgotovlen v 1735 g., zatem neskol'ko desyatilenii Garrison sovershenstvoval svoe detishe.

S poyavleniem hronometra problema perevozki tochnogo vremeni byla reshena.

Otpravlyayas' v plavanie shturman korablya sveryal svoi hronometry, a ih obychno bylo neskol'ko, s chasami observatorii, dolgota kotoroi byla horosho izvestna. Mestnoe vremya i shirota korablya opredelyalis' s pomosh'yu sekstanta po Solncu ili po zvezdam.

Etot metod opredeleniya koordinat pozvolyal nahodit' polozhenie korablya s tochnost'yu do sekund vremeni, chto sostavlyalo na ekvatore rasstoyanie poryadka 1 km.

Takaya tochnost' vpolne ustraivala moreplavatelei v otkrytom more, no byla nedostatochna vblizi beregov, i tut na pomosh' im prihodili mayaki, snabzhennye svetovymi i zvukovymi signalami.

V proshlom veke voznikla nastoyatel'naya neobhodimost' v tochnyh koordinatah i na poverhnosti Zemli. Eto bylo svyazano v osnovnom s sostavleniem kart. Princip opredeleniya tochnyh koordinat byl tot zhe, chto i na more, no vmesto sekstanta upotreblyalis' universal'nyi instrument i teodolit - pribory, pozvolyayushie opredelyat' po nablyudeniyam zvezd shirotu i mestnoe vremya s bol'shoi tochnost'yu. Osnovnuyu slozhnost', po-prezhnemu, sostavlyala problema hraneniya Grinvichskogo vremeni. Dazhe horoshie hronometry bez kontrolya dovol'no bystro uhodili vpered ili otstavali, a oshibka, skazhem, v odnu sekundu vremeni v opredelenii dolgoty byla sovershenno neprigodna pri tochnyh geodezicheskih rabotah.

Nastoyashuyu revolyuciyu v opredelenii koordinat proizvelo izobretenie telegrafa, a zatem i radio. Teper' signaly tochnogo vremeni iz Grinvicha, libo iz punkta s izvestnoi dolgotoi mozhno bylo prinyat' v lyuboi tochke Zemli. Vse zaviselo ot moshnosti peredatchika i chuvstvitel'nosti priemnika.

Problema opredeleniya dolgoty byla reshena na mnogie desyatiletiya.

Odnako u etoi problemy ostavalos' odno slaboe mesto - astronomiya.

Proizvodit' astronomicheskie nablyudeniya mozhno daleko ne vsegda, oni trebuyut special'nyh navykov, ih ochen' neudobno proizvodit' s borta samoleta, s kachayushegosya korablya, a na Zemle bez stacionarnyh stolbov tozhe nel'zya poluchit' horoshie rezul'taty.

Vo vtoroi polovine nashego veka voznikla principial'no novaya ideya opredeleniya koordinat na poverhnosti Zemli. Sut' etoi idei takova.

Tri radiostancii peredayut signaly tochnogo vremeni v odin i tot zhe fizicheskii moment. Dopustim, naprimer, chto eti stancii nahodyatsya na raznyh kontinentah. Odna v Evrope i dve v Severnoi i Yuzhnoi Amerikah. Togda, shturman korablya, prinimaya eti signaly na svoi chasy, kotorye sinhronizirovany s chasami podayushih stancii, nahodit vremennye zaderzhki signalov t₁, t₂, t₃, t. e. vremena, za kotorye radiovolne nado probezhat' ot peredatchikov stancii do priemnika. Umnozhiv zatem velichiny t na skorost' sveta, shturman nahodit rasstoyanie l₁, l₂, l₃ ot vseh treh stancii. Provedya na karte okruzhnosti vokrug stancii s radiusami l₁, l₂, l₃, shturman na ih peresechenii opredelyaet svoe mesto na karte. Eto tol'ko princip. V deistvitel'nosti, delo gorazdo slozhnee. Nado uchityvat' kriviznu Zemnogo shara, osobennosti v skorosti rasprostraneniya radiovoln, oshibki priemnoi apparatury i mnogoe drugoe. Osobenno slozhno sinhronizirovat' korabel'nye chasy i uderzhivat' etu sinhronizaciyu na nekotorom intervale vremeni.

Odnako s poyavleniem EVM i atomnyh standartov, hranyashih vremya so stabil'nost'yu sekundy s tochnost'yu 10^-12 s, vse eti zadachi byli razresheny. Esli tochnost' sinhronizacii chasov i oshibki priema signalov sostavlyali 3-5 mikrosekund, to bortovaya EVM mogla opredelyat' polozhenie korablya ili samoleta s oshibkoi okolo 1 km. Prichem eti dannye, pri nalichii bol'shogo chisla special'nyh radiostancii, mogli vydavat'sya nepreryvno.

Takie sistemy, kak amerikanskaya Loran i sovetskaya RNS, polnost'yu reshili navigacionnye zadachi s tochnost'yu v neskol'ko soten metrov.

Bol'shoi vklad v zadachu opredeleniya koordinat vnesli iskusstvennye sputniki Zemli. Esli na sputnik postavit' atomnyi standart chastoty, on mozhet vypolnyat' zadachi peredayushei stancii. Preimushestva ochevidny - vliyanie atmosfery pri prieme signalov so sputnika minimal'no, oshibki priema maly.

Est' i slozhnosti - sputnik podvizhen, i sledovatel'no, ego koordinaty nepreryvno izmenyayutsya. No eti slozhnosti preodolimy.

V bortovuyu EVM sputnika zakladyvayutsya dannye o ego traektorii, to est' ego koordinaty, kotorye on nepreryvno peredaet vmeste s signalami vremeni v special'nom kode. Kod nuzhen dlya togo, chtoby bylo izvestno, ot kakogo sputnika idet informaciya.

Lyuboi potrebitel' etih signalov, prinimaya ih na svoi chasy, opredelyaet vremennuyu zaderzhku t i, sledovatel'no, rasstoyanie do sputnika, v nekotoryi moment ravnoe l=tc, gde c - skorost' radiovoln. To est' princip tot zhe, chto i v sisteme Loran, no est' usovershenstvovaniya. Oshibka sinhronizacii chasov potrebitelya rassmatrivaetsya kak neizvestnaya velichina, poetomu opredelyaetsya ne l=tc, a l¹=t+t¹c, gde t¹ - oshibka sinhronizacii chasov potrebitelya. Velichina l¹ nazyvaetsya psevdodal'nost'yu. Esli prinimat' signaly ne s odnogo, a s chetyreh ili bolee navigacionnyh sputnikov, mozhno poluchit' sistemu uravnenii, iz kotoryh na EVM opredelyayut koordinaty mesta nablyudeniya i, otdel'no, oshibku sinhronizacii mestnyh chasov. Uchityvaya, chto stabil'nost' sovremennyh atomnyh chasov rezko vozrosla (stabil'nost' sekundy sostavlyaet seichas okolo 5*10^-14), mozhno poluchat' s pomosh'yu navigacionnyh sputnikov polozhenie na zemnoi poverhnosti s tochnost'yu do neskol'kih metrov, i eto ne predel. Special'naya, bolee sovershennaya, apparatura pozvolyaet govorit' i o santimetrovoi tochnosti. I, nakonec, poslednii vopros - otkuda brat' koordinaty sputnikov? Dlya etogo neohodimy special'nye traektornye izmereniya, a takzhe centr ih obrabotki. V SShA sushestvuet radionavigacionnaya sistema GPS, u nas v Rossii takaya sistema tozhe est', ona nazyvaetsya GLONASS.

Eta sistema dolzhna sostoyat' iz 24 sputnikov, raspolozhennyh na razlichnyh orbitah tak, chtoby s kazhdogo mesta zemnoi poverhnosti, obsluzhivaemoi sistemoi, bylo vidno ne menee chetyreh sputnikov.

Priemnaya apparatura kompaktna, ee mozhno vstroit', skazhem, v licevuyu panel' avtomobilya. Voditel' takogo avtomobilya budet videt' na displee svoei EVM kartu mestnosti i na nei svetyashuyusya tochku - svoi avtomobil'. Problema dorozhnyh ukazatelei i rassprosov o puti, takim obrazom, otpadaet.

Odnako stoimost' sistemy dovol'no vysoka - vyshe, chem stoimost' avtomobilya srednego klassa.

Publikacii s klyuchevymi slovami: geograficheskie koordinaty Publikacii so slovami: geograficheskie koordinaty
Sm. takzhe: Astronomicheskie koordinaty Geograficheskie koordinaty