Мир природы Карта сайта Правила работы с сайтом Наши авторы
Введение Новости Заповедники
2017
  Июнь  
пн вт ср чт пт сб вс
29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2
27 Июня 1954

В Обнинске заработала первая в мире АЭС мощностью 5 Мвт

27 Июня 1995

Постановление Правительства Москвы об установке памятника в честь 300-летия Российского флота

Изобретения

Географические карты

Карта, созданная Пири Рейсом в 1513 году. Карта, созданная Пири Рейсом в 1513 году.

Когда-то путешественники, отправлявшиеся в дальнюю дорогу, не имели ни карт, ни навигационных приборов - ничего, что позволяло бы определять местоположение. Приходилось рассчитывать на свою память, Солнце, Луну и звезды. Люди делали зарисовки мест, в которых им удалось побывать, - так появились первые карты.

Современные карты, построенные на основе данных аэро- и космической съемки, отображают практически любой участок земной поверхности с высокой точностью. А с помощью специальных компьютерных программ можно построить трехмерную карту.

Первые карты содержали огромное количество неточностей: поначалу никто и не помышлял о строгости измерений, масштабах, топографических знаках. Но даже такие карты ценились очень высоко. С их помощью можно было повторить путь, пройденный первооткрывателем, и избежать неприятностей, которые во множестве подстерегали путешественников.

С изобретением книгопечатания качество карт значительно выросло. На них появились символические изображения гор, лесов, пустынь и другая информация. Составление карт стало уделом профессиональных картографов. Развитие авиации и фотографии дало возможность проводить съемку Земли с высоты. А с появлением спутников на поверхности нашей планеты не осталось мест, которые не нанесли бы на бумагу.

Современные карты сильно облегчают и работу специалистов, и жизнь туристов. Более того, если при создании топографической карты использовать специальные компьютерные программы, можно получить трехмерное изображение. Самое удивительное, что для изготовления трехмерных карт не требуется сверхдорогого оборудования. Сделать такую карту может каждый, достаточно иметь доступ к Интернету и компьютер с рядовыми характеристиками.

Географические координаты

Каждой точке Земли присвоены свои координаты. Это два числа, одно из которых называют долготой, а другой - широтой.

Возьмем какую-нибудь точку на поверхности планеты и мысленно соединим ее с центром земного шара. Угол, который образует получившийся отрезок с экваториальной плоскостью, называют широтой точки. На глобусе линии, параллельные экватору, имеют одинаковую широту. Значение этой величины изменяется в пределах от 0 до 90°.

При этом все широты, находящиеся к северу от экватора, называют северными, а к югу - южными. Северный полюс имеет координату 90° северной широты, южный - 90° южной широты. Но только для этих двух точек достаточно указать широту, чтобы однозначно описать их положение. Чтобы сообщить о своем местонахождении в других точках Земли, требуется еще одна координата - долгота.

Проведем мысленно через точку, в которой мы находимся, меридианную плоскость: она проходит через отрезок, соединяющий выбранную точку с центром Земли, и перпендикулярна экваториальной плоскости. Двугранный угол между такой плоскостью и плоскостью нулевого меридиана называют долготой . На глобусе линии, кратчайшим образом соединяющие Северный и Южный полюса, расположены на одинаковой долготе. Плоскость нулевого меридиана проходит через точку Земли, на которой расположена Гринвичская обсервато рия в Великобритании.

Секстант - инструмент для определения местоположения.
Секстант - инструмент для определения местоположения.

Диапазон значений долготы меняется в пределах от 0 до 180 градусов. При этом точки, расположенные к востоку от Гринвича, имеют восточную долготу, а те, что находятся к западу от плоскости нулевого меридиана, - западную.

Двух координат достаточно, чтобы описать любую точку на поверхности Земли. Например, координаты Москвы, точнее, одной из точек, находящихся в Москве, - 55° 45, северной широты и 37° 37, восточной долготы.

Земля имеет форму, близкую к шару радиусом 6371 км. Точнее ее описывает геоид - шар, слегка сжатый по полюсам и немного вытянутый к Северному полюсу. Такую поверхность образовал бы Мировой океан, покрывай он всю поверхность Земли. Для геоида вектор силы тяжести всегда перпендикулярен его поверхности. Поскольку плотность вещества нашей планеты распределена неравномерно, отвес на ее поверхности не всегда направлен к центру.

Легко подсчитать, что 1 градус дуги меридиана имеет длину около 111 км. 1/60 этой длины - 1,852 км - получила название морской мили.

Измерение координат

До недавнего времени значения широты и долготы определяли, ориентируясь по небесным светилам - звездам и Солнцу. В качестве измерительных приборов использовали секстант (по-морскому - секстан) и точные часы - хронометр.

Координаты рассчитывали следующим образом. Наблюдатель с помощью секстанта замерял высоту светила. Для точного измерения секстант необходимо было располагать строго горизонтально - непростая задача для качающихся на морских волнах судов. Зная время, в которое выполнялось измерение, находили "окружность равных зенитных расстояний".

Так называли набор точек, из которых можно было в фиксированный момент времени наблюдать светило на измеренной высоте. Затем аналогичные измерения выполняли еще раз, но уже для другого светила. Точные координаты определяли как точку пересечения окружностей для трех и более небесных светил. Дополнительные замеры выполняли, чтобы уменьшить погрешность. При расчетах пользовались специальными справочниками и производили сложные тригонометрические вычисления.

В наши дни непростую задачу по нахождению координат взяли на себя GPS-приемники (GPS - аббревиатура, составленная из английских слов "Global Position System"). Эти небольшие устройства принимают сигнал от навигационных спутников подобно тому, как обычный приемник принимает радиосигнал от радиостанции.


Те, кто занимается спортивным ориентированием, должны не только быстро бегать, но и уметь определять свое положение по карте. В Венеции, например, соревнования по спортивному ориентированию проходят прямо в городе, где толпами бродят туристы, заменяя участникам соревнований недостающие в условиях урбанизации деревья и кустарник. Казалось бы, в городе ориентироваться намного проще, чем в лесу, но даже с хорошей картой такая задача зачастую вызывает затруднения.

Каждый космический аппарат периодически посылает на Землю сигналы, в которых содержится информация о времени отправки сигнала и о точных координатах спутника. GPS-приемник вычисляет разницу во времени между посылкой и получением радиосигнала. Умножив полученное значение на скорость распространения радиоволн, устройство находит свое расстояние до спутника.

Если бы измерения выполнялись с идеальной точностью, GPS-приемнику хватило бы данных от трех спутников, чтобы вычислить свои координаты на поверхности Земли. Нужная точка находилась бы на пересечении трех сфер, центры которых совпадают с местом нахождения спутников, и поверхности Земли.

Из-за того, что в измерениях имеется погрешность, для повышения точности используют данные не менее чем от четырех навигационных спутников. Чем больше данных от разных спутников использует в расчетах своего положения GPS-приемник, тем выше точность найденных координат.

Военные спутниковые навигационные системы, такие, как NAVSTAR и ГЛОНАСС, кодируют передаваемый сигнал так, что ошибка в расчете координат может составлять 50 м и более. Те же, кто владеет секретным кодом, имеют возможность определить свое положение с точностью в несколько метров.

Секреты карт

Конечно, современные навигационные устройства не идут ни в какое сравнение с бумажными картами прошлого. Они не только покажут точку, в которой вы находитесь, но и самостоятельно построят оптимальный маршрут движения к цели да еще будут сопровождать путешественника голосовыми сообщениями по пути движения. Впрочем, чтобы навигатор мог проявить все свои возможности, требуется электронная карта.

Системы координат и проекции

При подготовке карт используют приближенную модель земного геоида - эллипсоид вращения. Координаты одной и той же точки поверхности планеты могут различаться в зависимости от того, какой выбрать эллипсоид. Центр такого эллипсоида и расположение его полуосей образуют систему координат.

Существуют геоцентрические и топоцентрические системы координат. В геоцентрических системах земной эллипсоид приближают таким образом, чтобы выполнялись следующие условия:

Построение карты в цилиндрической проекции.
Построение карты в цилиндрической проекции.

- объем эллипсоида должен равняться объему геоида;

- малая полуось должна быть направлена по оси вращения Земли;

- большая полуось эллипсоида должна находиться в плоскости экватора геоида;

- значение среднеквадратичного отклонения поверхности эллипсоида от поверхности геоида должно быть минимальным для всех точек земного шара.

Система NAVSTAR базируется на системе координат, имеющей название WGS84. Большая полуось эллипсоида GRS80, применяющегося в такой системе, имеет длину 6 378 137 м, а малая полуось - 6 356 752,31 м. Российская ГЛОНАСС пользуется системой координат SGS85, но параметры ее эллипсоида почему-то держатся в секрете.

Геоцентрическая система координат неплохо подходит для расчета координат по всему земному шару, но в пределах отдельной страны допускается применение топоцентрической, или национальной, системы координат. В этом случае земную поверхность приближают таким эллипсоидом вращения, чтобы значение среднеквадратичного отклонения было минимальным не для всей поверхности планеты, а только для заданной территории.

В нашей стране обычно пользуются картами, составленными в системе координат 1942 года. Она базируется на эллипсоиде, названном в честь советского ученого - астронома-геодезиста Феодосия Николаевича Красовского (1879-1942), вычислившего его размеры. У эллипсоида Красовского величина большой полуоси равна 6 378 245 м, а малая полуось составляет 6 356 863 м. Размеры его полуосей превышают полуоси эллипсоида GRS80 больше, чем на 100 м.

При составлении карт поверхность Земли приходится отображать на плоских листах бумаги. При таком отображении не избежать искажений. Существуют разные способы построения картографических проекций, но при любом из них каждой точке земной поверхности на карте соответствует только одна точка. Многие видели карты с азимутальной проекцией, схема построения которой приведена на рисунке слева.

При такой проекции линии параллелей приобретают вид дуг окружностей, а наименьшее искажение местности находится в точке касания плоскости проекции с поверхностью Земли.

Построение карты в азимутальной проекции.
Построение карты в азимутальной проекции.

Другой способ построения проекции земной поверхности на бумаге получил название "цилиндрическая проекция".

На таких картах наименьшее искажение земной поверхности приходится на экваториальную область, а вот расстояния на полюсах значительно увеличены. Зато меридианы и параллели оказываются отрезками прямых линий.

Для задач навигации лучше всего подходят карты в равноугольных проекциях, то есть когда углы между различными направлениями совпадают с реальными. Большие участки местности спроецировать на плоский лист бумаги без искажений не удается, но на небольших листах погрешность становится уже приемлемой.

Электронные карты подразделяются на две крупные категории: растровые и векторные. Любое изображение в компьютере может быть представлено двумя способами. В одном случае, когда изображение представляется в виде набора точек с информацией об их цвете, картинку называют растровой. Подобные изображения получаются, если оцифровывать картинку с помощью сканера или цифрового фотоаппарата.

Для растровых электронных карт можно использовать обычные топографические карты или схемы и даже снимки из космоса. Но за это приходится "платить" большими запасами памяти для хранения графических файлов значительного объема. Кроме того, на растровых картах масштаб изображения можно изменять только до определенных пределов. При сильном увеличении начинает проявляться эффект "зерна", когда отдельные точки изображения - пиксели - можно разглядеть в виде маленьких квадратов.

В векторных картах изображение хранится в виде примитивов - небольших графических объектов вроде прямоугольников, окружностей, отрезков прямых линий и т.п. При таком способе представления картинки для ее хранения требуется меньше памяти. Масштаб векторных карт можно увеличивать без опасения столкнуться с проблемами "зерна". Изображение можно качественно отрисовывать при любом увеличении, на экран выводится та часть графических примитивов, которая должна быть видна при заданном масштабе. Но изготовление векторных карт, в отличие от растровых, задача сложная, требующая долгих и точных измерений.

ОРИЕНТИРОВАТЬСЯ ПОМОГАЕТ СПУТНИК

Сделать хорошую карту - это полдела. Надо уметь найти на ней свое местоположение. Здесь на помощь приходят навигационные спутники. Чтобы с их помощью определить свое положение на карте, понадобятся GPS-приемник и электронная карта. Ошибка в определении координат составляет не более нескольких метров (точность в определении местоположения может быть еще выше - меньше метра, но такие приборы используют только военные).

Сейчас действуют две спутниковые навигационные системы: американская - GPS (NAVSTAR) и российская - ГЛОНАСС. Развертывается также европейская система спутниковой навигации Galileo.

Трехмерная карта района Эльбруса.
Трехмерная карта района Эльбруса.

GPS (NAVSTAR)

Американская навигационная система начала создаваться 22 февраля 1978 года - именно тогда был запущен первый спутник, рассчитанный на срок службы чуть меньше двух лет - 21 месяц. Программа, предназначенная для военных целей, получила название от слов "NAVigation System with Timing And Ranging" ("Навигационная система определения времени и дальности").

По замыслу ее создателей, на очень высокую орбиту - 20 350 км от поверхности Земли - предполагалось вывести 28 спутников таким образом, чтобы из каждой точки нашей планеты в любой момент времени было видно не менее четырех космических аппаратов. Период их обращения должен в точности совпадать с земными сутками - это означает, что для наблюдателя на Земле каждый спутник неподвижно висит над одним и тем же местом.

Вообще-то, для определения координат хватило бы и 18 спутников, дополнительные 10 нужны для повышения надежности и точности NAVSTAR. Всего в рамках этой программы было выполнено 53 запуска, из которых не все были удачны. Часть космических аппаратов уже вышла из строя. Сейчас на орбите действуют 29 навигационных спутников, самый старый запущен 1 октября 1990 года, а последний - 26 сентября 2005 года.

С 1995 года американцы начали использовать навигационную систему не только в военных, но и в мирных целях, и 19 миллиардов долларов, потраченных на NAVSTAR, стали возвращаться американским налогоплательщикам в виде дополнительных рабочих мест и полезных навигационных устройств. Коммерческий проект получил наименование GPS ("Global Positioning System" - "Система глобального позиционирования"), а доходы от него намного превысили первоначальные затраты американского правительства.

ГЛОНАСС

Советский Союз, узнав об американской программе NAVSTAR, решил создать собственную космическую навигационную систему. Отечественная программа получила название ГЛОНАСС - ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система. В октябре 1982 года на орбиту был выведен первый советский навигационный космический аппарат.

Наши спутники вращались не на такой высокой орбите, как у американцев, ее высота составляла 19 100 км. Их ресурс был определен в 3 года, в будущем его планировалось довести до 5-7 лет. В 1996 году на орбите вращалось уже 24 спутника, но о коммерческом использовании системы никто даже не помышлял. Спутники постепенно вырабатывали свой ресурс, выходили из строя, и к 2004 году понадобились новые усилия и средства, чтобы возродить ГЛОНАСС к жизни.

На сегодняшний день наша система спутниковой навигации способна обеспечивать пользователей необходимой информацией, и уже объявлено о допуске к ней гражданских лиц. Из 17 находящихся на орбите спутников сейчас используются только 12. Один спутник - на этапе ввода в эксплуатацию, три - на техобслуживании и один - в процессе вывода из системы. Оперативную информацию о состоянии ГЛОНАСС можно посмотреть на сайте http://www.glonass-ianc.rsa.ru.

Для полноценного коммерческого эффекта от отечественной космической навигационной системы необходимо наладить выпуск GPS-приемников, способных принимать и расшифровывать сигналы российских спутников. К тому же заявленная точность для гражданских лиц - 100 м - вызывает недоумение.

GALILEO

28 декабря 2005 года с Байконура запущен в космос первый спутник для европейской системы навигации. В этом совместном проекте Еврокомиссии и Европейского космического агентства первоначальной стоимостью 3,4 млрд евро, принимает участие и Россия. Официально проект был начат в марте 2003 года. В отличие от американского NAVSTAR и российского ГЛОНАСС система Galileo имеет сугубо мирное предназначение.

Она будет использоваться для управления автомобильным, железнодорожным и авиационным транспортом. Попутно она должна взаимодействовать с другими спутниковыми навигационными системами, прежде всего с NAVSTAR, чтобы потребители могли точнее определять координаты. В европейской навигационной системе будут использоваться 30 спутников (27 основных и 3 резервных), а коммерческая эксплуатация всей системы начнется в 2010 году.

Наши контакты:


Энциклопедия для детей. Мир природы.
Спасибо, что вы с нами!

Skype: geoserenity
Контактный телефон: +7 (8903) 712-11-74
Email: scirent@mail.ru