WYŻSZA SZKOŁA MORSKA RADOSŁAW RAŁOWICZ
w SZCZECINIE wydz. NAWIGACYJNY
I TM Gr. Cb.
HISTORIA NAWIGACJI.
Aby opisać pokrótce historię nawigacji morskiej postaram się na początku przedstawić czym się zajmuje i jakie są jej rodzaje.
NAWIGACJA MORSKA - jest nauką o bezpiecznym prowadzeniu żeglugi po morzu od momentu wypłynięcia z punktu początkowego, aż do dopłynięcia do punktu docelowego i sposobach określania pozycji statku.
Można wyróżnić :
NAWIGACJĘ TERRESTRYCZNĄ - zajmującą się prowadzeniem żeglugi w obrębie widoczności lądu, prowadzoną przy pomocy stałych i pływających nawigacyjnych znaków orientacyjnych takich jak latarnie, pławy morskie, stawy, nabieżniki.
ASTRONAWIGACJĘ - posługującą się obliczeniami matematycznymi opartymi na obserwacji ciał niebieskich. Znajomość ruchu ciał niebieskich na sklepieniu nieba pozwala, wg. danych zawartych w rocznikach astronomicznych, określić miejsce, czas i kąt pod jakim można zaobserwować daną gwiazdę. Namierzenie danego ciała niebieskiego oraz obliczenie czasu pozwala na ustalenie własnej pozycji w dowolnym miejscu na kuli ziemskiej.
NAWIGACJĘ INERCYJNĄ -opierającą się na wykorzystaniu sił bezwładności. Pozycję statku określa się przy pomocy pomiaru wielkości i kierunku przyspieszeń przez dwa przyspieszeniomierze.
Trudno jednoznacznie określić jakiego typu nawigację prowadzili pierwsi żeglarze. Przed dziesiątkami stuleci posługiwali się oni w zależności od rozwoju cywilizacyjnego różnymi metodami. Jedną z pierwszych było żeglowanie wzdłuż lądu na podstawie jego obserwacji oraz znaków na nim zawartych. Brak znajomości nawigowania powodował, iż starożytni pływali wzdłuż wybrzeży - w dzień obserwując ich charakterystyczne ukształtowanie, - natomiast nocą obserwując światła palonych na wzgórzach ognisk, czy pierwszych latarni morskich. W miejscach, gdzie ukształtowanie terenu było niesprzyjające wznoszono wierze, a na ich szczytach palono ogniska - tak właśnie powstawały pierwsze latarnie morskie wskazujące pozycje, wejścia do portów, niebezpieczeństwa, itp.
Innym równie starym sposobem nawigowania było tzw. sondowanie. Żegluga odbywała się na podstawie pomiarów głębokości, na Bałtyku ta metoda była wykorzystywana jeszcze w średniowieczu.
W miarę postępu cywilizacyjnego oraz coraz doskonalszych metod nawigowania, żegluga obejmowała coraz dalej oddalone od lądu tereny, aż do transoceanicznej.
Przyczynili się do tego w wielkiej mierze starożytni Fenicjanie, którzy jako pierwsi zaczęli stosować nawigację astronomiczną. Jeden z wielkich starożytnych geografów Grek Strabo zanotował, że Fenicjanie w nawigacji opierali się na gwiazdozbiorze Małej Niedźwiedzicy.
Wnikliwa obserwacja nieba, a w zasadzie ciał niebieskich na nim umieszczonych pozwalała obliczyć wysokość danej gwiazdy nad horyzontem. Odpowiednie obliczenia matematyczne z użyciem roczników astronomicznych umożliwiały określenie położenia statku.
Wypracowano również metodę nawigowania na podstawie wiejących wiatrów oraz kierunku przemieszczania i rodzaju fal morskich. W toku wieloletniej praktyki żeglarskiej nauczono się wykorzystywać do określania pozycji statku wszelkie zakłócenia biegu fal morskich, takich jak: krzyżowanie się fal odbitych od wysp, kipiel na granicy prądu wypływającego z laguny przy odpływie, wiry, przybój, kolor wody itp. Wiedzę tę przekazywano młodym żeglarzom w specjalnych szkołach.
Można stwierdzić, iż dobrym wskaźnikiem rozwoju nawigacji były urządzenia stosowane do jej prowadzenia. Niektóre źródła podają, że starożytni Egipcjanie używali pierwszego urządzenia do pomiarów kątów. Była nim ludzka pięść. Jej dolną część należało skierować na powierzchnię wody a kciuk na szczyt wzgórza. W ten sposób określając, czy statek płynie w zamierzonej odległości od lądu. Około W trzecim tysiącleciu p.n.e. Egipcjanie posługiwali się różnymi instrumentami do nawigacji. Jednym z nich była poziomnica egipska. Służyła ona do wyznaczania poziomu i zbudowana była z drewnianych listew w kształcie trójkąta prostokątnego.
Najstarszymi urządzeniami do pomiarów kątów według współczesnych badań były: laska Jakuba, astrolabium i kwadrant.
Laska Jakuba miała kształt krzyża. Pomiar nią polegał na przyłożeniu jej do oka (pierwszy punkt) ,następnie zgraniu ruchomego ramienia laski z linią widnokręgu (drugi punkt), a drugiego końca tego ramienia z obserwowanym ciałem niebieskim (trzeci punkt). Wysokość danego ciała można było obliczyć z tangensa kąta. Niektóre źródła twierdzą, iż pomiary kątów w nawigacji stosowano zanim Pitagoras odkrył podstawowe prawa geometrii.
Kwadrant był precyzyjnie wyciętą w drewnie ćwiartką koła wyskalowaną od 0º do 90º. Jedno z jego ramion wyposażone w przezierniki należało skierować na ciało niebieskie, a nić z wiszącym na niej ciężarkiem wskazywała na łuku przyrządu liczbę stopni odpowiadającą mierzonej wysokości.
Wynalezienie astrolabium przypisuje się astronomowi Hipparchowi z Aleksandrii w latach 160-145p.n.e. lub Apoloniuszowi z Pergi w trzecim wieku p.n.e. Astrolabium był przyrządem wieszanym na sznurze. Składał się z tarczy zwanej „aliadą”, w środku której obracało się na osi ramię. Aliada posiadała dwie przesłony z otworami, które można było nakierować na promień padający od wybranego ciała niebieskiego i odczytać na skalowanym pierścieniu tarczy kąt odpowiadający jego chwilowemu położeniu. Cechą charakterystyczną tego przyrządu była wysoka jak na owe czasy dokładność jego wskazań.
W miarę rozwijania się żeglugi, a raz z nią nawigacji zaczęły pojawiać się inne pomoce ułatwiające nawigowanie. Do takich trzeba zaliczyć mapy i locje.
Ich początki sięgają IV wieku p.n.e. kiedy to w Grecji został wykonany i oddany do użytku żeglarzy opis wybrzeży i portów. Pojawiły się także tablice odległości pomiędzy poszczególnymi portami i punktami wybrzeży.
Locje znanych szlaków morskich „na wschód od Suezu” opracował w I wieku n.e. anonimowy żeglarz aleksandryjski. Swoje dzieło zatytułował : „PERIPLUS MARIS ERYTWRAEI”. Locje te opisywały porty, miejsca kotwiczeń oraz towary przewożone na owych szlakach. W miarę upływu czasu udoskonalały się techniki wykreślania locji oraz map powodując, iż stawały się one coraz lepsze i dokładne.
W Katalonii w XIII wieku wynaleziono pewien typ mapy przystosowanej do potrzeb żeglugi, tzw. mapę portolanową, inaczej zwaną kompasową. Na takiej mapie zamieszczano szereg róż wiatrów, z których wybiegały pęki przecinających się linii. Linie odpowiadały kursom, którymi miały sterować statki, aby osiągnąć zamierzony port. Na mapach tych można było również odmierzać odległość, nie miały one jednak siatki współrzędnych. Załączane do map księgi portolanów podawały odległości między portami, charakterystykę brzegów, niebezpieczeństwa itp. - były to więc jak gdyby ulepszone locje. Służyły one z powodzeniem aż do czasu wynalazku Merkatora.
Nie można jednoznacznie określić kto po raz pierwszy użył róży wiatrów. Stwierdzono, że była stosowana jeszcze przed wynalezieniem kompasu. Pierwsze zapiski o niej podaje Homer w VII wieku p.n.e. Używali jej również starożytni Egipcjanie. Róża wiatrów służyła do wyznaczania kierunków wiatrów oraz prądów morskich. Na początku składała się z kierunków podstawowych, które a biegiem czasu powiększono do trzydziestu dwóch. W takim stanie róża przetrwała do czasów współczesnych. Każda z 32 części róży nazywa się „rumbem”. Po podzieleniu 360º przez 32 rumby okazuje się, że jeden rumb równa się 11 ¼ stopni. W wyniku uproszczeń ustalono, że rumb jest kątowym odpowiednikiem wyciągniętej dłoni.
Momentem bardzo ważnym w rozwoju nawigacji było wynalezienie kompasu. Jego skonstruowanie przypisuje się Chińczykom.
Nieznana jest data wprowadzenia kompasów na statki. Na lądzie igły magnetycznej do określania kierunków używali oni już około 1000r.p.n.e. Prawdopodobnie niedługo potem kompasy trafiły na statki. Początkowo była to przypuszczalnie igła magnetyczna umocowana do drewienka swobodnie pływającego w naczyniu z wodą. Pierwsze ulepszenia polegające prawdopodobnie na podparciu pływaka igły osią umieszczoną centralnie w naczyniu z wodą, przypisuje się matematykowi Tsu Cz'ung-czy.
Wprowadzenie kompasu w pewnym stopniu zrewolucjonizowało żeglugę oraz znacznie powiększyło jej zasięg. Zaczęto pływać w głąb mórz i oceanów, penetrując coraz to dalsze obszary kuli ziemskiej.
Wiadomym jest, że starożytni nie znając kompasu żeglowali wzdłuż brzegów. Jednakże także w okresie nawigowania przy pomocy kompasu, bardzo często przy wpływaniu do portów, pokonywaniu cieśnin itp. Nawigowano na podstawie obserwacji lądu. Do dokładnego prowadzenia kursu względem wybranego obiektu służył namiernik. Tak samo jak kompasu, data jego pierwszego zastosowania nie jest dokładnie znana. Przypuszcza się jednak, że skonstruowano go niedługo po kompasie. Początkowo służył on tylko do namiarów w płaszczyźnie horyzontu. Dalsze jego udoskonalenia m.in. zastosowanie lusterek, pozwoliło namierzać również ciała niebieskie. Jego budowa nie była zbyt skomplikowana. Do pierścienia minimalnie większego od krawędzi kociołka kompasu należało zamocować dokładnie na średnicy dwa pionowe druty i w ten sposób otrzymywano już prosty namiernik.
Od czasu wynalezienia chronometru można mówić o nowej nawigacji. Pierwszy zegar napędzany sprężyną pochodzi z 1450 roku. Wkrótce potem powstały w Europie liczne zakłady produkujące zegary o wysokim poziomie technicznym. Służyły one do określania czasu względem czasu Greenwich, a w związku z tym do określania długości geograficznej.
Żeglarzom potrzebne były coraz dokładniejsze mapy, zarówno dużych jak i małych obszarów mórz, na których łatwo byłoby wykreślać kursy i namiary, czyli loksodromy, a więc linie przecinające południki pod jednakowym kątem. Musiały być to linie proste, a więc mapy nie mogły być wycinkiem globusa.
Autorem siatki loksodromicznej był prawdopodobnie Niemiec Gerhard Kremer, znany pod nazwiskiem Mercator. Jeśli kulę ziemską owinąć walcem wokół równika powstaje mapa, której południki będą równoległe do siebie. Aby zachować wierność kątów Merkator musiał kolejno przesuwać równoleżniki od równika na północ i na południe. Nazwał to powiększoną szerokością. Problem zniekształcenia odległości Merkator rozwiązał stosując rozciągniętą skalę szerokości na bocznych ramkach mapy. Mapa ta stała się milowym krokiem w rozwoju nie tylko kartografii morskiej, ale i całej nawigacji. Umożliwiała ona wykonywanie na sobie przez nawigatora wszystkich zasadniczych czynności związanych z określeniem pozycji. W nawigacji najważniejsza jest zgodność kierunków i prostota ich wykreślania, a to wszystko zapewniała mapa Merkatora.
Większość wymienionych dotychczas urządzeń w ciągu stuleci była udoskonalana, wprowadzana na większą skalę. Prawdziwy przełom nastąpił w XX wieku, kiedy to wykorzystanie elektryczności, a w szczególności lamp półprzewodnikowych zrewolucjonizowało prowadzenie nawigacji. Nastała era radaru, echosondy, a w konsekwencji całej gamy urządzeń niezbędnych w dzisiejszej nawigacji.
Radar wynaleziono w Anglii podczas II wojny światowej. Nazwa pochodzi od skrótu angielskich słów: Radio Direction finding And Ranging. Jego zadaniem jest wykrywanie (radiolokacja) obiektów oraz określanie kierunków i odległości od nich.
Nadajnik generuje falę elektromagnetyczną o bardzo dużej częstotliwości, która poprzez antenę wysyłana jest wąską kątową wiązką jako impuls sondującą. Jeżeli wiązka natrafi na jakiś obiekt znajdujący się w jej zasięgu, to odbija się od niego i powraca. Zostaje wyłapana przez antenę i odpowiednio odzwierciedlona na ekranie radaru. Stosuje się radary o różnej długości wiązki, co umożliwia lokalizowanie różnych ciał w różnym oddaleniu od statku np.: zarysy brzegów są widzialne na zakresach 24-48 Mm, mała łódka na zakresie 0,3 Mm.
Zastosowanie radaru jest wprost nieocenione w złych warunkach atmosferycznych np. w gęstej mgle, ulewie, w nocy itp. Ponadto radar można podłączyć również z innymi urządzeniami co umożliwia np. automatyczne prowadzenie nawigacji.
Podobną budowę oraz zalety ma echosonda, z tą różnicą, że zamiast fali elektromagnetycznej wykorzystuje się w niej fale mechaniczne oraz lokalizuje obiekty (dno) znajdujące się pod statkiem.
Równie ważnym i potrzebnym urządzeniem, co radar okazał się być żyrokompas, czyli kompas elektromechaniczny. Jest on urządzeniem skonstruowanym na zasadzie szybko wirującego bąka, którego oś jest zorientowana w kierunku południka geograficznego, czyli wskazuje rzeczywisty kierunek północ - południe. Przyrząd ten może wskazywać kierunek z dokładnością do 0,1˚, nie podlega ani ziemskiemu, ani okrętowemu polu magnetycznemu, czyli pozbawiony jest dewiacji i deklinacji. Często oprócz głównego żyrokompasu umiejscowionego na mostku stosuje się elektryczne repetytory, przekazujące jego wskazania do innych części statku np. do sterowni. Jednakże nie jest pozbawiony wad. Jedną z nich jest jego duża bezwładność, co powoduje niedokładne wskazania przez pewien okres czasu np. po gwałtownym zwrocie. Potrzebuje również dosyć długiego czasu po uruchomieniu nim zacznie wskazywać poprawnie. Można w pewnym stopniu ograniczać te wady stosując większą ilość bąków, lub specjalną aparaturę do kontrolowania urządzenia. Połączenie żyrokompasu z autopilotem oraz innymi urządzeniami spowodowało możliwość prowadzenia automatycznej nawigacji, a z tym wiążą się z kolei znaczne oszczędności paliwa oraz czasu dzięki zastosowaniu dokładniejszej nawigacji.
Istotnym udogodnieniem było w nawigacji skonstruowanie przyrządów do pomiaru prędkości tzw. logów. Istnieje kilka ich rodzajów m.in. logi elektryczne, mechaniczne, czy ciśnieniowe. Upraszczają one znacznie pracę nawigatorów oraz pozwalają z dużą dokładnością określić nie tyko prędkość, ale również przebytą odległość itp.
Wynalezienie tranzystorów, a następnie układów scalonych i procesorów wprowadziło chyba największe zmiany w całej historii nawigacji. Poszczególne urządzenia pracujące niegdyś samodzielnie zostały zastąpione zintegrowanymi systemami. Nawigowanie stało się czynnością dającą się w pełni zautomatyzować i zoptymalizować. Wprowadzenie łączności radiowej dało możliwość nie tylko wzajemnego komunikowania się statków, ale również określania drogą radiową własnej pozycji. Wzdłuż wybrzeży zainstalowano tzw. radiolatarnie kierunkowe wysyłające oprócz wiązki świetlnej także sygnał radiowy. Odpowiednie przetworzenie go przez radionamiernik umożliwiało bardzo dokładne określenie własnej pozycji, a co za tym idzie bezpieczniejsze przejścia przez cieśniny, lub wejścia do portów.
Do określania położenia na większych obszarach wykorzystuje się m.in. systemy radionawigacyjne LORAN i DECCA. Istotą pierwszego systemu jest pomiar różnicy czasu między sygnałami dwu stacji zespołu. Drugi jest oparty na pomiarze różnicy faz. Obliczeń dokonują odpowiednie urządzenia, a dane umożliwiają łatwe określenie pozycji na specjalnych mapach. Zasięg systemu LORAN wynosi od 1400 Mm w nocy do 750 Mm w dzień. Systemu DECCA do 200 Mm. Obecnie oba te systemy są już wycofywane i zastępowane systemami satelitarnymi.
Obecnie stosowanym systemem nawigacyjnym jest system GPS Navstar.
Globalny System Pozycyjny GPS Navstar /Global Positioning System/ jest systemem nawigacyjnym, w którym pozycja jest określana na podstawie pomiaru odległości odbiornika od satelity. Sprowadza się to do określenia czasu przebiegu fali radiowej na drodze satelita - odbiornik. System GPS ma wiele cech, które stanowią o jego priorytetowym znaczeniu w nawigacji:
daje możliwość określania pozycji w sposób ciągły prawie w każdym punkcie Ziemi, bez względu na warunki atmosferyczne i porę dnia z dużą dokładnością.
wyznacza drogę i prędkość statku względem dna
upraszcza prowadzenie statku dzięki kontroli pozycji, kursu i drogi statku z ekranu monitora
Innym rodzajem nawigacji stosowanej przez okręty podwodne jest tzw. nawigacja hydroakustyczna. Ponieważ sygnały radiowe są tłumione w wodzie należało znaleźć inny sposób przesyłania informacji niezbędnych do określania pozycji. Pewne warstwy wody charakteryzujące się odpowiednim zasoleniem, temperaturą itp. mogą doskonale przenosić sygnały akustyczne. Właśnie w tych pasmach zainstalowano „latarnie dźwiękowe”, które wysyłają odpowiednie sygnały. Okręty wyposażone w hydrofony na ich podstawie określają swoją pozycję.
Nagromadzenie się wielu systemów nawigacyjnych opartych na: żyrokompasie, echosondzie, logu elektrycznym, autopilocie, radionawigacji oraz nawigacji satelitarnej powoduje konieczność stworzenia zintegrowanych systemów nawigacyjnych, które będą charakteryzowały się tym , iż informacje pochodzące ze wszystkich wyżej wymienionych urządzeń będą interpretowane w jednym komputerze. To jest niedaleka przyszłość nawigacji.
Literatura.
-„Żeglarstwo. Sternik jachtowy”, Stefan Wysocki Wydawnictwo: „Sport i turystyka”
Warszawa 1987.
- „Opowieści nawigacyjne”, J. Gawłowicz „Oderraum” Szczecin 1994.
-„Vademecum nawigatora”, Franciszek Wróbel, Wydawnictwo „Trademark”
Gdynia 1995.
- „Z dziejów żeglugi”