За нашите координати
Географските координати, географската ширина и дължина, които определят положението на дадена точка на земната повърхност, са били известни още в древна Гърция. Въпреки това сред елините тези концепции се различават значително от нашите съвременни.
Сега броим ширината в градуси от екватора и дължината от някакъв условно избран меридиан, например от Гринуич.
Древните все още не са имали концепция за градусната мрежа и са определяли географската ширина или по височината на Поляра, или по дължината на най-дългия светъл ден в годината, или по дължината на най-късата сянка. Беше по-трудно с географската дължина или разликата в дължината, която може да се определи само като разликата в местните времена, измерени в две точки в един и същи физически момент. Проблемът беше или по някакъв начин да се предаде времето от една точка на друга, или да се регистрира някакво явление, наблюдавано едновременно от две точки. Като такъв феномен Хипарх предложи да се използват лунните затъмнения, но, за съжаление, той не посочи как да се измерва местното време. Беше невъзможно да се използва директно слънчев часовник за тази цел, тъй като по време на лунно затъмнение Слънцето е под хоризонта. Точността на определяне на същата фаза на затъмнението също беше много ниска.
Отне около хилядолетие, преди хората да се научат да определят географската ширина и дължина с достатъчно висока точност.
Този проблем стана особено остър в ерата на големите географски открития, когато моряците трябваше да знаят координатите на своите кораби.
През 1567 г. испанският крал Филип II определя награда за решаването на проблема с определянето на географската дължина в открито море. През 1598 г. Филип III обещава 6000 дуката като постоянен принос, 2000 дуката като доживотна рента и 1000 дуката за помощвсеки, който може да "открие географската дължина".
Обединените провинции на Холандия предложиха награда от 30 000 флорина. Португалия и Венеция също обещаха награди.
Един от най-известните претенденти за наградите за географска дължина беше Галилео Галилей. Използвайки проектиран от него телескоп, Галилео наблюдава затъмненията на луните на Юпитер, съставя таблици, предсказващи тези затъмнения, и предлага използването на моментите на затъмненията за определяне на географската дължина на наблюдателя.
Навигаторите, които имат собствено местно време, да речем, от наблюдения на Слънцето и знаейки от таблиците времето, когато затъмненията на спътниците на Юпитер се случват на определен референтен меридиан, биха могли да изчислят времевата разлика, тоест дължината на своя кораб от референтния меридиан.
Предложен е и друг, също астрономически, метод за определяне на географската дължина: чрез наблюдение на положението на Луната сред звездите. Този метод по принцип е подобен на метода на Галилей, само че не наблюдава затъмненията на спътниците на Юпитер, но определя разстоянията на лунния диск от еталонните, добре известни звезди. Бяха съставени таблици, даващи позицията на Луната сред звездите на меридиана за определен момент от времето.
За съжаление и двата астрономически метода не са намерили широко приложение в морската навигация.
Първо, те са възможни само в ясни нощи.
Второ, те изискват добра теория за движението на спътниците на Юпитер и Луната; теории, особено за Луната, едно много капризно светило, липсват през 17-18 век.
Трето, моментите на затъмнение на спътниците от космическия кораб се определят с големи грешки. Това важи и за позициите на Луната сред звездите.
Четвърто, астрономическите наблюдения изискват висококвалифициран навигатор, което също не винаги е било така.
Затова учените усърдно търсеха друг, по-прост начиндефиниция на географската дължина. Идеята на този метод беше очевидна - необходимо е да се създаде часовник, с който времето на референтния меридиан да може да се носи на кораба.
Часовниците с махало бяха неподходящи за тази цел, те не понасяха закланяне.
През 1714 г. парламентът на Англия прие законопроект, предвиждащ награда за лице или група от хора, които могат да определят географската дължина в морето. Беше предложена награда от 10 000 британски лири, ако методът позволи определяне на географската дължина до един градус от голям кръг или шестдесет географски мили. В случай на удвояване на точността, сумата се удвоява и възлиза на 20 хиляди лири стерлинги. Това беше наистина кралска награда!
Тази награда, макар и не пълна, отиде при изобретателя на хронометъра, лондонския часовникар Джон Харисън. Първият му хронометър е направен през 1735 г., след което в продължение на няколко десетилетия Гарисън усъвършенства своето потомство.
С появата на хронометъра проблемът с транспортирането на точното време беше решен.
При отплаване навигаторът на кораба сверяваше своите хронометри, а те обикновено бяха няколко, с часовника на обсерваторията, чиято дължина беше добре известна. Местното време и географската ширина на кораба бяха определени с помощта на секстант от Слънцето или от звездите.
Този метод за определяне на координатите позволи да се намери местоположението на кораба с точност до секунди време, което възлиза на разстояние от порядъка на 1 км на екватора.
Такава точност подхождаше доста добре на моряците в открито море, но беше недостатъчна близо до брега и тук на помощ им се притекоха маяци, оборудвани със светлинни и звукови сигнали.
През миналия век имаше спешна нужда от точни координати на повърхността на Земята. Това се дължи главно на съставянето на карти. Принципът на определяне на точнотокоординатите бяха същите като в морето, но вместо секстант бяха използвани универсален инструмент и теодолит - устройства, които позволяват да се определи географската ширина и местното време от наблюдения на звезди с голяма точност. Основната трудност, както и преди, беше проблемът със съхраняването на времето по Гринуич. Дори добрите хронометри без контрол доста бързо изпреварваха или изоставаха, а грешка от, да речем, една секунда време при определяне на географската дължина беше напълно неподходяща за прецизна геодезическа работа.
Истинска революция в определянето на координатите направи изобретяването на телеграфа, а след това и радиото. Сега сигналите за точното време от Гринуич или от точка с известна географска дължина могат да бъдат получени във всяка точка на Земята. Всичко зависеше от мощността на предавателя и чувствителността на приемника.
Проблемът с определянето на географската дължина е решен от много десетилетия.
Този проблем обаче имаше едно слабо място - астрономията.
Далеч не винаги е възможно да се правят астрономически наблюдения, те изискват специални умения, много е неудобно да се правят от самолет, от люлеещ се кораб, а на Земята, без стационарни стълбове, също е невъзможно да се получат добри резултати.
През втората половина на нашия век възниква фундаментално нова идея за определяне на координатите на земната повърхност. Същността на тази идея е следната.
Три радиостанции предават точни сигнали за време в един и същи физически момент. Да предположим например, че тези станции са на различни континенти. Един в Европа и два в Северна и Южна Америка. Тогава навигаторът на кораба, приемайки тези сигнали на своя часовник, който е синхронизиран с часовниците на предавателните станции, намира времевите закъснения на сигналите t1, t2, t3, т.е. времената, през които радиовълната трябва да премине от предавателите на станциите до приемника.След това умножавайки стойностите на t по скоростта на светлината, навигаторът намира разстоянието l1, l2, l3 от трите станции. След като начертае кръгове на картата около станцията с радиуси l1, l2, l3, навигаторът в тяхното пресичане определя мястото си на картата. Това е просто принцип. В действителност въпросът е много по-сложен. Необходимо е да се вземе предвид кривината на земното кълбо, особеностите в скоростта на разпространение на радиовълните, грешки в приемното оборудване и много други. Особено трудно е да се синхронизират часовниците на кораба и да се поддържа тази синхронизация за определен интервал от време.
Въпреки това, с появата на компютри и атомни стандарти, които съхраняват времето със стабилността на секундата с точност от 10 -12 s, всички тези проблеми бяха решени. Ако точността на синхронизацията на часовника и грешките при приемане на сигнала бяха 3-5 микросекунди, тогава бордовият компютър можеше да определи позицията на кораб или самолет с грешка от около 1 км. Освен това тези данни, при наличието на голям брой специални радиостанции, могат да се издават непрекъснато.
Системи като американската Laurent и съветската RNS напълно решават навигационните проблеми с точност до няколкостотин метра.
Голям принос към проблема с определянето на координатите направиха изкуствените спътници на Земята. Ако на сателит е инсталиран атомен честотен стандарт, той може да изпълнява задачите на предавателна станция. Предимствата са очевидни - влиянието на атмосферата при приемане на сигнали от спътника е минимално, грешките при приемане са малки.
Има и трудности - спътникът е мобилен и следователно координатите му постоянно се променят. Но тези трудности са преодолими.
Бордовият компютър на спътника съдържа данни за траекторията му, тоест координатите, които непрекъснато предава заедно със сигнали за време в специален код. Кодът е необходим, за да разберете от кой сателит идва информацията.
Всеки потребител на тезисигнали, като ги получава на часовника си, определя времевото закъснение t и следователно разстоянието до спътника, в даден момент равно на l=tc, където c е скоростта на радиовълните. Тоест принципът е същият като в системата на Лоран, но има подобрения. Грешката при синхронизиране на часовника на потребителя се счита за неизвестна стойност, така че се определя не l=tc, а l 1 =t+t 1 c, където t 1 е грешката при синхронизиране на часовника на потребителя. Стойността l 1 се нарича псевдодиапазон. Ако получавате сигнали не от един, а от четири или повече навигационни спътника, можете да получите система от уравнения, от която компютърът определя координатите на мястото на наблюдение и отделно грешката на синхронизацията на местния часовник. Като се има предвид, че стабилността на съвременните атомни часовници се е увеличила драстично (стабилността на секунда сега е около 5 * 10 -14), е възможно да се получи позиция на земната повърхност с помощта на навигационни спътници с точност до няколко метра и това не е границата. Специалното, по-модерно оборудване ни позволява да говорим за сантиметрова точност. И накрая, последният въпрос - къде да вземем координатите на сателитите? Това изисква специални измервания на траекторията, както и център за обработка. В САЩ има GPS радионавигационна система, в България също имаме такава, казва се ГЛОНАСС.
Тази система трябва да се състои от 24 спътника, разположени в различни орбити, така че най-малко четири сателита да могат да се виждат от всяко място на земната повърхност, обслужвано от системата.
Приемното оборудване е компактно, може да се вгради, да речем, в предния панел на автомобил. Шофьорът на такъв автомобил ще вижда на дисплея на компютъра си карта на района и светеща точка върху нея - неговия автомобил. Така отпада проблемът с пътните знаци и запитванията за пътя.
Цената на системата обаче е доста висока - по-висока от цената на автомобил от среден клас.