Navigační zařízení je různých typů a modifikací. Existují systémy určené pro použití na otevřeném moři, jiné jsou přizpůsobeny pro širokou veřejnost, využívající navigátory v mnoha ohledech pro zábavní účely. Co jsou navigační systémy?
Co je navigace?
Výraz „navigace“je latinského původu. Slovo navigo znamená „pluji na lodi“. To znamená, že zpočátku to bylo vlastně synonymum pro lodní dopravu nebo navigaci. Ale s rozvojem technologií, které usnadňují lodím plavbu po oceánech, s nástupem letectví, vesmírných technologií, tento termín výrazně rozšířil rozsah možných výkladů.
Navigace dnes znamená proces, ve kterém člověk ovládá objekt na základě jeho prostorových souřadnic. To znamená, že navigace se skládá ze dvou procedur - jedná se o přímé ovládání a také o špatný výpočet optimální cesty objektu.
Typy navigace
Klasifikace typů navigace je velmi rozsáhlá. Moderní odborníci rozlišují následující hlavní odrůdy:
- automobilový průmysl;
- astronomické;
- bionavigace;
- vzduch;
- mezera;
- námořní;
- radionavigace;
- satelit;
- pod zemí;
- informační;
- inerciální.
Některé z výše uvedených typů navigace spolu úzce souvisejí – především kvůli shodnosti použitých technologií. Například automobilová navigace často používá satelitní specifické nástroje.
Existují smíšené typy, v rámci kterých se současně využívá několik technologických zdrojů, jako jsou například navigační a informační systémy. Jako takové v nich mohou být klíčové zdroje satelitní komunikace. Konečným cílem jejich zapojení však bude poskytnout cílovým skupinám uživatelů potřebné informace.
Navigační systémy
Odpovídající typ navigace tvoří zpravidla stejnojmenný systém. Existuje tedy automobilový navigační systém, námořní, vesmírný atd. Definice tohoto pojmu je přítomna i v odborné veřejnosti. Navigační systém je v souladu s běžným výkladem kombinací různých typů zařízení (a případně softwaru), které umožňují určit polohu objektu a vypočítat jeho trasu. Zde může být sada nástrojů jiná. Ale ve většině případů se systémy vyznačují přítomností následujících základních komponent, jako jsou:
- karty (obvykle v elektronické podobě);
- senzory, satelity adalší agregáty pro výpočet souřadnic;
– nesystémové objekty, které poskytují informace o geografické poloze cíle;
- hardwarově-softwarová analytická jednotka, která zajišťuje vstup a výstup dat a také propojuje první tři komponenty.
Struktura určitých systémů je zpravidla přizpůsobena potřebám koncových uživatelů. Určité typy řešení lze akcentovat směrem k softwarové části, nebo naopak k části hardwarové. Například v Rusku populární navigační systém Navitel je převážně softwarový. Je určen pro použití širokou škálou občanů, kteří vlastní různé druhy mobilních zařízení – notebooky, tablety, chytré telefony.
Navigace přes satelit
Jakýkoli navigační systém zahrnuje především určení souřadnic objektu – obvykle zeměpisného. Historicky byly lidské nástroje v tomto ohledu neustále zdokonalovány. Dnes jsou nejpokročilejšími navigačními systémy satelitní. Jejich strukturu představuje soubor vysoce přesných zařízení, jejichž část se nachází na Zemi, zatímco druhá část rotuje na oběžné dráze. Moderní satelitní navigační systémy jsou schopny vypočítat nejen zeměpisné souřadnice, ale také rychlost objektu a také směr jeho pohybu.
Prvky satelitní navigace
Odpovídající systémy zahrnují tyto hlavní prvky: konstelace satelitů, pozemní jednotky pro měření koordinace orbitálních objektů a výměnu informací s nimi, zařízení pro koncového uživatele(navigátory) vybavené potřebným softwarem, v některých případech - dalším zařízením pro specifikaci zeměpisných souřadnic (GSM věže, internetové kanály, rádiové majáky atd.).
Jak funguje satelitní navigace
Jak funguje satelitní navigační systém? Jádrem jeho práce je algoritmus pro měření vzdálenosti od objektu k satelitům. Ty se nacházejí na oběžné dráze prakticky beze změny jejich polohy, a proto jsou jejich souřadnice vůči Zemi vždy konstantní. V navigátorech jsou stanovena odpovídající čísla. Nalezením satelitu a připojením k němu (nebo k několika najednou) zařízení určí svou geografickou polohu. Hlavní metodou je zde výpočet vzdálenosti k satelitům na základě rychlosti rádiových vln. Objekt na oběžné dráze vyšle na Zemi požadavek s výjimečnou časovou přesností – k tomu slouží atomové hodiny. Po obdržení odpovědi od navigátora satelit (nebo jejich skupina) určí, jak daleko se rádiová vlna pohybovala za takové a takové časové období. Rychlost pohybu objektu se měří podobným způsobem - jen měření je zde poněkud složitější.
Technické potíže
Zjistili jsme, že satelitní navigace je dnes nejpokročilejší metodou pro určování zeměpisných souřadnic. Praktické využití této technologie však provází řada technických potíží. Co například? Za prvé je to nehomogenita rozložení gravitačního pole planety – to ovlivňuje polohu satelitu vůči Zemi. Stejná vlastnost se také vyznačujeatmosféra. Jeho nehomogenita může ovlivnit rychlost rádiových vln, v důsledku čehož může docházet k nepřesnostem v odpovídajících měřeních.
Další technický problém – signál vysílaný ze satelitu do navigátoru je často blokován jinými pozemními objekty. V důsledku toho je plné využití systému ve městech s vysokými budovami obtížné.
Praktické využití satelitů
Satelitní navigační systémy nacházejí nejširší škálu aplikací. V mnoha ohledech - jako prvek různých komerčních řešení občanského zaměření. Může se jednat jak o zařízení pro domácnost, tak například o multifunkční navigační mediální systém. Kromě civilního využití využívají satelitní zdroje zeměměřiči, kartografové, dopravní společnosti a různé vládní služby. Satelity jsou aktivně využívány geology. Zejména je lze použít k výpočtu dynamiky pohybu tektonických zemských desek. Satelitní navigátory se využívají i jako marketingový nástroj – pomocí analytiky, která zahrnuje metody geopositioningu, provádějí firmy průzkum na zákaznické základně a také například zasílají cílenou reklamu. Vojenské struktury samozřejmě využívají i navigátory – byli to oni, kdo ve skutečnosti vyvinuli největší dnešní navigační systémy GPS a GLONASS – pro potřeby americké armády, respektive Ruska. A toto není úplný seznam oblastí, kde lze satelity používat.
Moderní navigacesystémy
Které navigační systémy jsou aktuálně v provozu nebo se zavádějí? Začněme tou, která se objevila na globálním veřejném trhu dříve než ostatní navigační systémy – GPS. Jeho vývojářem a vlastníkem je americké ministerstvo obrany. Zařízení, která komunikují prostřednictvím satelitů GPS, jsou nejrozšířenější na světě. Především proto, že, jak jsme si řekli výše, tento americký navigační systém byl uveden na trh dříve než jeho moderní konkurenti.
GLONASS aktivně získává na popularitě. Jedná se o ruský navigační systém. Patří zase pod ministerstvo obrany Ruské federace. Byl vyvinut, podle jedné verze, přibližně ve stejných letech jako GPS - koncem 80. a začátkem 90. let. Na veřejný trh byl ale uveden teprve nedávno, v roce 2011. Stále více výrobců hardwarových řešení pro navigaci implementuje podporu GLONASS do svých zařízení.
Předpokládá se, že globální navigační systém „Beidou“, vyvinutý v Číně, může vážně konkurovat GLONASS a GPS. Pravda, v tuto chvíli funguje pouze jako národní. Podle některých analytiků může získat globální status do roku 2020, kdy bude na oběžnou dráhu vypuštěn dostatečný počet satelitů – asi 35. Program vývoje systému Beidou je relativně mladý – začal teprve v roce 2000 a první satelit vyvinul Čínští vývojářispuštěna v roce 2007.
Evropané se také snaží držet krok. Navigační systém GLONASS a jeho americký protějšek mohou v dohledné době konkurovat systému GALILEO. Evropané plánují do roku 2020 rozmístit konstelaci satelitů v požadovaném počtu jednotek orbitálních objektů.
Mezi další slibné projekty pro vývoj navigačních systémů patří indický IRNSS a také japonský QZSS. Pokud jde o první široce inzerované veřejné informace o záměrech vývojářů vytvořit globální systém, zatím nejsou k dispozici. Předpokládá se, že IRNSS bude obsluhovat pouze území Indie. Program je také poměrně mladý - první satelit byl na oběžnou dráhu uveden v roce 2008. Očekává se také, že japonský satelitní systém bude primárně používán v rámci národních území rozvojové země nebo v jejich sousedství.
Přesnost polohování
Výše jsme zaznamenali řadu problémů, které jsou důležité pro fungování družicových navigačních systémů. Mezi ty hlavní, které jsme jmenovali - umístění satelitů na oběžné dráze, respektive jejich pohyb po dané trajektorii, se z řady důvodů nevyznačuje vždy absolutní stabilitou. To předurčuje nepřesnosti ve výpočtu zeměpisných souřadnic v navigátorech. To však není jediný faktor ovlivňující správnost určení polohy pomocí satelitu. Co dalšího ovlivňuje přesnost výpočtů souřadnic?
Za prvé, stojí za zmínku, že samotné atomové hodiny, které jsou instalovány na satelitech, nejsou vždy absolutně přesné. Jsou možné, i když docelamalé, ale stále ovlivňující kvalitu chyb navigačních systémů. Pokud například dojde k chybě na úrovni desítek nanosekund při výpočtu doby, po kterou se rádiová vlna pohybuje, pak může být nepřesnost v určení souřadnic pozemního objektu i několik metrů. Moderní satelity přitom disponují vybavením, které umožňuje provádět výpočty i s přihlédnutím k případným chybám v chodu atomových hodin.
Výše jsme poznamenali, že mezi faktory ovlivňující přesnost navigačních systémů patří heterogenita zemské atmosféry. Tuto skutečnost by bylo užitečné doplnit o další informace týkající se vlivu blízkozemských oblastí na provoz družic. Faktem je, že atmosféra naší planety je rozdělena do několika zón. Ta, která je ve skutečnosti na hranici s otevřeným prostorem – ionosféra – se skládá z vrstvy částic, které mají určitý náboj. Při kolizi s rádiovými vlnami vysílanými satelitem mohou snížit svou rychlost, v důsledku čehož lze vzdálenost k objektu vypočítat s chybou. Všimněte si, že vývojáři satelitní navigace také pracují s tímto druhem zdrojů komunikačních problémů: algoritmy pro provoz orbitálních zařízení zpravidla zahrnují různé druhy opravných scénářů, které berou v úvahu zvláštnosti průchodu rádiových vln přes ionosféra ve výpočtech.
Přesnost navigačních systémů mohou ovlivnit také mraky a další atmosférické jevy. Vodní pára přítomná v odpovídajících vrstvách zemského vzdušného obalu, stejně jako částice v ionosféře, ovlivňuje rychlostrádiové vlny.
Samozřejmě s ohledem na domácí použití GLONASS nebo GPS jako součásti takových jednotek, jako je například navigační mediální systém, jehož funkce jsou z velké části zábavné, pak jsou drobné nepřesnosti ve výpočtu souřadnic není kritický. Ale při vojenském použití satelitů by odpovídající výpočty měly ideálně odpovídat skutečné geografické poloze objektů.
Funkce námořní navigace
Po povídání o nejmodernějším typu navigace si udělejme krátkou odbočku do historie. Jak víte, právě tento termín se poprvé objevil mezi navigátory. Jaké jsou vlastnosti námořních navigačních systémů?
Když už mluvíme o historickém aspektu, můžeme si všimnout vývoje nástrojů, které mají námořníci k dispozici. Jedním z prvních „hardwarových řešení“byl kompas, který byl podle některých odborníků vynalezen v 11. století. Vylepšeno bylo také mapování jako klíčový navigační nástroj. V 16. století začal Gerard Mercator kreslit mapy založené na principu použití válcové projekce se stejnými úhly. V 19. století byla vynalezena kláda – mechanická jednotka schopná měřit rychlost lodí. Ve dvacátém století se v arzenálu námořníků objevily radary a poté kosmické komunikační satelity. Dnes fungují nejpokročilejší námořní navigační systémy, a tak těží z výhod lidského průzkumu vesmíru. Jaká je povaha jejich práce?
Někteří odborníci tomu věříHlavním rysem, který charakterizuje moderní námořní navigační systém, je, že standardní vybavení instalované na lodi má velmi vysokou odolnost proti opotřebení a vodě. Je to celkem pochopitelné – je nemožné, aby se loď, která se vydala na otevřenou plavbu tisíce kilometrů od pevniny, ocitla v situaci, kdy by zařízení náhle selhalo. Na souši, kde jsou dostupné zdroje civilizace, lze vše opravit, ale na moři je to problematické.
Jaké další pozoruhodné funkce má námořní navigační systém? Standardní vybavení, kromě povinného požadavku - odolnosti proti opotřebení, zpravidla obsahuje moduly přizpůsobené pro stanovení určitých parametrů prostředí (hloubka, teplota vody atd.). Také rychlost lodi v námořních navigačních systémech v mnoha případech stále není vypočítávána satelity, ale standardními metodami.
