Moreplavba/Navigácia

Sylabus: Navigácia

Navigáciu je možné definovať ako proces plánovania, zaznamenávania a ovplyvňovania pohybu dopravného prostriedku z miesta na miesto. Slovo navigácia pochádza z latinského slovesa navigare, zloženého z koreňov navis - loď a agere - konať, riadiť.

V priebehu rozvoja moreplavby vznikli rôzne systémy a spôsoby navigácie, ale všetky zahrnujú proces určovania polohy plavidla voči známym bodom alebo voči daným geometrickým vzorom. Aj keď dnes existujú moderné prostriedky elektronickej navigácie, naďalej je dôležitá aj klasická navigácia.

Úvod

Základnými navigačnými veličinami sú smer, vzdialenosť a čas. Z nich sa odvodzujú ďalšie pojmy ako rýchlosť (odvodená od vzdialenosti a času) alebo poloha (odvodená od smeru a vzdialenosti alebo inými prostriedkami). Všetky tieto veličiny sú vo vzájomnom vzťahu, pričom smer a poloha sú aj vo vzťahu k externému bodu alebo vzťažnej sústave.

Rýchlosť v, vzdialenosť d a čas t sú v známom vzťahu:

{\frac {d}{v\cdot t}}

Ak poznáme ľubovoľné dve veličiny, môžme vypočítať tretiu

Vzdialenosť: $d=v\cdot t$
Rýchlosť: $v={\frac {d}{t}}$
Čas: $t={\frac {d}{v}}$

Praktická navigácia

Základné druhy navigácie

Klasická navigácia

metóda postupného výpočtu
pilotáž
astronomická navigácia

Elektronická navigácia

rádionavigácia
radarová navigácia
satelitná navigácia

Metóda postupného výpočtu

Metóda postupného výpočtu alebo metóda postupného odhadu (dead reckoning) je spôsob výpočtu a odhadu aktuálnej pozície plavidla pomocou dedukcie z poslednej zameranej pozície započítaním kurzu a rýchlosti. Projekciou aktuálneho kurzu a rýchlosti umožňuje táto metóda predpovedať aj budúcu pozíciu plavidla. Táto metóda nie je presná, ale je možné ju spresniť započítaním vplyvu vetra, morských prúdov, chyby merania a chyby výpočtu.

Merania, výpočty a odhady sa zaznačujú v podobe navigačného náčrtu postupne v čase priamo na aktuálnu námornú mapu alebo slepý mapový papier. Pri projekcii do budúcnosti sa zaznačia aspoň dva fixné intervaly a počas plavby na otvorenom mori sa plánuje budúca pozícia na základe aktuálneho kurzu a rýchlosti aspoň na 4 hodiny dopredu. Plánovanie umožňuje odhadnúť, či a kedy lodi hrozí možné nebezpečenstvo, ako sú plytčiny a pod. Pri plavbe sa okrem toho zvykne zaznačiť vypočítaná (odhadnutá) pozícia plavidla

aspoň raz za hodinu (každú celú hodinu),
po každej zmene kurzu alebo rýchlosti,
po každom zameraní pozície,
po každom zameraní pozičnej línie.

Navigačný náčrt sa zaznačuje na mapu špecifickým systémom zápisu, ktorý udáva kurz označený nad líniou trasy písmenom C (napr. kurz 140° – C 140) a rýchlosť v uzloch označenú pod líniou trasy písmenom S (napríklad rýchlosť 12 uzlov – S 12). Zameraná pozícia určená prostredníctvom dvoch alebo viacerých pozičných línií sa označuje krúžkom, vypočítaná pozícia určená kurzom a rýchlosťou sa označuje polkrúžkom a odhadovaná pozícia (opravená o vplyv vetra, prúdov a navigačnej chyby) sa označuje štvorcom. Čas sa zaokrúhľuje na najbližšiu celú minútu a zapisuje sa k pozičnej značke štyrmi číslicami bez interpunkcie (napr. 1245); v prípade merania horizontálne (rovno) a v prípade výpočtu alebo odhadu diagonálne (šikmo) k pozičnej značke.

Pilotáž

Pilotáž (piloting) alebo optická navigácia spolu s trianguláciou (triangulation) je navigácia v pobrežných a/alebo vnútrozemských vodách s častým vizuálnym určovaním pozície podľa geografických a hydrografických navigačných znakov. Označuje sa aj ako triangulácia, pretože poloha plavidla (1. vrchol trojuholníka) sa zameriava pomocou dvoch vizuálnych navigačných znakov (2. a 3. bod trojuholníka) určovaním (opačného) azimutu navigačných znakov voči plavidlu. Spolu s vizuálnymi znakmi sa používajú aj ďalšie metódy, ako napríklad meranie hĺbky.

Okrem určovania polohy zahrnuje pilotáž aj vytyčovanie kurzu, napríklad so započítavaním otočných charakteristík plavidla, prílivu a odlivu, riečnych alebo morských prúdov, vytyčovanie a zameriavanie kotviska, sledovanie a dodržiavanie plavebnej signalizácie a pod. V súčasnosti je dôležitým doplnkom pilotáže hlavne radarová navigácia.

Astronomická navigácia

Astronomická navigácia (celestial navigation) zahrnuje presné meranie pozície (výšky nad obzorom) astronomických telies, meranie času, zakresľovanie astronomických pozičných línií vypočítaných za pomoci astronomických tabuliek a almanachov. Používa sa najmä na otvorenom mori ako doplnok elektronickej (najmä satelitnej) navigácie.

Rádionavigácia

Rádionavigácia (radionavigation) je navigácia za pomoci rádiových vĺn, ktoré vysielajú rádiomajáky a pozemné rádiové navigačné stanice. Rádiové vlny podliehajú pri svojom šírení rušivým fyzikálnym vplyvom atmosféry a zemského povrchu, čo ovplyvňuje dosiahnuteľnú presnosť a dosah signálu. Existujú dva základné druhy rádionavigačných systémov.

Rádiové zisťovanie smeru: Rádiové zisťovanie smeru (radio direction finding, RDF) je určovanie relatívneho alebo absolútneho azimutu od plavidla k rádiomajáku pomocou smerovej antény. Chyba námeru dosahuje za dobrých podmienok maximálne 2° na vzdialenosť do 150 NM.
Hyperbolické systémy: Hyperbolické rádionavigačné systémy (hyperbolic systems) umožňujú určenie polohy plavidla meraním časových rozdielov medzi rádiovými impulzmi vyslanými v rovnakom čase z minimálne troch vysielacích staníc. Porovnaním časového rozdielu vždy medzi signálmi z dvoch staníc je možné zakresliť pozičnú líniu ktorá má tvar hyperboly. Meraním troch staníc je možné určiť polohu plavidla v priesečníku aspoň dvoch pozičných línií s presnosťou 0,25 NM. Typickými hyperbolickými systémami sú napríklad LORAN C alebo OMEGA.

Radarová navigácia

Radarová navigácia (radar navigation) používa radar nainštalovaný na plavidle na určovanie vzdialeností a azimutov objektov so známou polohou. Z týchto údajov sa potom určuje poloha plavidla. Tento proces sa líši od použitia radaru ako systému na lokalizáciu prekážok a predchádzanie kolíziám.

Satelitná navigácia

Satelitná navigácia (satellite navigation) sa používa na určovanie pozície plavidla na základe signálu z umelých družíc Zeme. Najznámejším satelitným navigačným systémom je systém GPS (Global Positioning System). Družice systému GPS vysielajú okrem pozičného signálu aj presný časový signál. Systém umožňuje zameranie polohy prijímača s presnosťou ±10 – 15 m.

Navigačná geografia

Zemeguľa

Aj keď samotný názov naznačuje guľový tvar, planéta Zem je v skutočnosti oproti ideálnej geometrickej guli na póloch sploštená, preto sa presnejšie označuje ako rotačný elipsoid, sféroid alebo geoid. Existujú rôzne matematické modely, ktoré vyjadrujú povrch Zeme pomocou dvojosého rotačného elipsoidu. Najznámejší z nich je azda referenčný elipsoid modelu WGS 84, ktorý sa používa v satelitnom navigačnom systéme GPS.

Príklad referenčných elipsoidov a ich parametrov.
Elipsoid	Hlavná poloos [m]	Vedľajšia poloos [m]
Besselov elipsoid (1841)	6 377 397,16	6 356 078,96
Clarkov elipsoid (1880)	6 378 249,15	6 356 514,87
Helmertov elipsoid (1906)	6 378 200,00	6 356 818,17
Hayfordov elipsoid (1909)	6 378 388,00	6 356 911,95
Krassovskeho elipsoid (1940)	6 378 245,00	6 356 863,02
World Geodetic System 1972 (WGS 72)	6 378 153,00	6 356 750,52
World Geodetic System 1984 (WGS 84)	6 378 137,00	6 356 752,31

Pre väčšinu navigačných účelov je však dostatočne presný guľový model Zeme rotujúcej okolo osi, ktorej priesečníky so zemským povrchom sa nazývajú severný pól a južný pól. Na zemskom povrchu sa dajú vytýčiť teoretické línie, ktoré sú výsledkom priesečníka povrchu Zeme s rovinami pretínajúcimi Zem. Ak vezmeme do úvahy teoretický guľový model, priesečníky Zeme s teoretickou rovinou majú vždy tvar kruhu. Veľká kružnica (great circle) je priesečník Zeme s rovinou, ktorá prechádza stredom Zeme, malá kružnica (small circle) je priesečník Zeme s rovinou, ktorá neprechádza stredom Zeme.

Poludníky a rovnobežky, dobová ilustrácia.

Poludníky: Poludník (meridian) je čiara na povrchu Zeme spájajúca severný a južný pól. Nazýva sa tak preto, že na všetkých bodoch poludníka je poludnie (denná kulminácia Slnka) v rovnakom okamihu. Každý poludník má tvar polkružnice a je polovicou priesečníka povrchu Zeme s rovinou, ktorá prechádza zemskou osou a obomi pólmi. Inými slovami, vždy dva protiľahlé poludníky (dve polkružnice) vytvárajú veľkú kružnicu.
Keďže sú všetky poludníky identické, začiatok vzťažného systému — nultý poludník — je určený voľbou jedného z poludníkov.
Rovnobežky: Rovnobežka (parallel, parallel of latitude) je priesečnica povrchu Zeme s rovinou, ktorá je kolmá na zemskú os. Má tvar kružnice. Len jediná rovnobežka je veľkou kružnicou a nazýva sa rovník (equator). Ostatné rovnobežky (kružnice) sa smerom k pólom zmenšujú a vytvárajú malé kružnice.
Rovník, ako jednoznačná (najväčšia) rovnobežka je stanovená ako začiatok vzťažného systému — nultá rovnobežka.

Zemepisné súradnice

Poludníky a rovnobežky tvoria sieť zemepisných súradníc.

Každý bod na Zemi leží práve na jednom poludníku a jednej rovnobežke a je nimi jednoznačne definovaný. Táto skutočnosť umožňuje vytvoriť na zemskom povrchu pomyselnú sférickú sieť očíslovaných poludníkov a rovnobežiek, ktorá slúži ako vzťažný systém na určovanie polohy bodu (plavidla) na Zemi.

Systém zemepisných súradníc sa skladá z očíslovaných poludníkov a rovnobežiek, takže každá poloha na povrchu Zeme je daná vždy dvomi číslami — ako poloha ľubovoľného bodu na ploche.

Nultý poludník: Nultý poludník (prime meridian) je vzťažná línia zemepisného súradnicového systému vo východo-západnom smere. Poludníky sú všetky rovnaké, takže jeden z nich musel byť zvolený ako nultý ľubovoľne. Počas histórie používali rozličné krajiny ako nultý poludník zväčša ten, ktorý prechádzal ich hlavným mestom. Na medzinárodnej konferencii v roku 1884 sa väčšina štátov zjednotila na používaní poludníka, ktorý prechádza presne stredom Kráľovského greenwichského observatória pri Londýne. Aj keď sa greenwichský poludník populárne pokladá za nultý, presná lokalizácia nultého poludníka závisí aj od použitého matematického modelu rotačného dvojosého elipsoidu. Dôsledkom toho je, že dnes medzinárodne uznávaný nultý poludník v jednotnom dátume WGS 84 sa nachádza asi 102,5 m východne od línie vyznačenej v Greenwichi.

Východná pologuľa.	Západná pologuľa.

Ak preložíme nultým poludníkom rovinu, pretína táto rovina Zem na dve polovice. Na východ od nultého poludníka je to východná pologuľa (eastern hemisphere) a na západ od nultého poludníka je to západná pologuľa (western hemisphere).

Nultá rovnobežka: Nultá rovnobežka je vzťažná línia zemepisného súradnicového systému v severo-južnom smere. Len jediná rovnobežka vytvára na povrchu Zeme veľkú kružnicu a tá bola zvolená za nultú. Táto rovnobežka sa nazýva rovník (equator). Ostatné rovnobežky sa nachádzajú buď na sever, alebo na juh od rovníka.

Severná pologuľa.	Južná pologuľa.

Ak preložíme nultou rovnobežkou rovinu, pretína táto rovina Zem na dve polovice. Na sever od nultej rovnobežky je to severná pologuľa (northern hemisphere) a na juh od nultej rovnobežky je to južná pologuľa (southern hemisphere).

Pretože teoretických poludníkov a rovnobežiek je na povrchu Zeme nekonečne veľa, nie sú očíslované absolútnymi číslami (napr. 1, 2, 3…) ale svojou polohou voči počiatočnému (nultému) poludníku a počiatočnej (nultej) rovnobežke.

Poludníky sú definované uhlom, ktorý zviera rovina poludníka s rovinou nultého poludníka. Tento uhol sa nazýva zemepisná dĺžka (longitude).
Rovnobežky sú definované uhlom, ktorý zviera spojnica ľubovoľného bodu na rovnobežke a stredu teoretickej zemskej gule s rovinou nultej rovnobežky. Tento uhol sa nazýva zemepisná šírka (latitude).

Uhol poludníka a rovnobežky sa udáva v geometrických stupňoch, respektíve v menších jednotkách.