Информационные технологии на транспорте

Водный транспорт

Первые человеческие поселения располагались на берегах рек, озер и морей, а водные пути стали первыми транспортными магистралями. При плавании по рекам можно было обходиться без средств навигации, ориентируясь по берегам. Но как только судно оказывалось в открытом море или большом озере, требовались средства ориентации для определения местоположения корабля, направления и скорости его движения, глубины морского дна и др.

Единственным морским навигационным прибором в древности был ручной лот, позволявший измерять глубину морского дна под днищем корабля. Он представлял собой размеченный трос с привязанным к нему грузом.

Моряки измеряют глубину морского дна с помощью ручного лота

Но с его помощью можно было измерять глубину не более 50 метров, а в океане глубина дна достигает нескольких тысяч метров. В середине XIX века были изобретены механический и гидростатический лоты, позволявшие измерять глубину до 1,5-2 тысяч метров. А в начале XX века был изобретен эхолот, дающий возможность измерять любую глубину океанского дна. Эхолот - прибор, замеряющий время между излучением звукового сигнала и приемом эха и таким образом определяющий расстояние до дна. На основе принципа звуковой локации французский физик П. Ланжевен и русский инженер К.В. Шиловский создали первый гидролокатор, позволяющий определить местоположение и скорость подводных объектов относительно дна.

Сонар (гидролокатор для определения рельефа морского дна)

В древности мореплаватели ориентировались по Солнцу и звездам. Полярная звезда всегда показывает направление на север. Но звезды видны только в ночное время, а Солнце - только при ясном небе. Самым значительным изобретением в истории мореплавания стал магнитный компас, показывающий направление географического или магнитного меридиана в любое время суток и при любой погоде. Его использовали в древнем Китае. Кусок железной руды - магнитного железняка, плавающий в воде, служил магнитной стрелкой.

Магнитный компас

В XII-XIII веках арабские мореплаватели завезли его в Европу. В 1902 году итальянец Флавий Джой сконструировал компасную картушку. Он соединил диск из немагнитного материала с равномерно нанесенными делениями - картушку - с магнитной стрелкой. Известный русский кораблестроитель академик А.Н. Крылов считал, что без магнитного компаса Колумб не смог бы открыть Америку.

Для измерения скорости корабля в 1577 году Г. Коль создал лаг. Он представлял собой трос с плавучим якорем - брезентовым мешком на конце. Трос был размечен узлами, вплетенными в него через равные промежутки. Этот мешок на тросе опускали с борта идущего корабля. В воде он останавливался и тянул за собой трос. Для измерения скорости нужно было подсчитать число узлов на тросе, опускавшихся в воду за 30 секунд. Это позволяло измерить скорость корабля в милях в час - в "узлах".

Самый распространённый лаг представляет собой вертушку, вращающуюся под напором воды. Число оборотов вертушки за единицу времени определяется с помощью электронного или механического устройства. Обычно вертушка лага закрепляется на корпусе судна, но на небольших судах используют портативный вариант лага, в котором вертушка выбрасывается за корму на тросе, а измерительный механизм находится в руках у матроса.

Современный корабельный лаг

В XX веке были созданы гидродинамический и индукционный лаги.

Координаты корабля (его географическую долготу и широту) определяли с помощью секстанта и хронометра (точных механических часов). При помощи секстанта - угломерного прибора, изобретенного в начале XVIII века, - измеряют угловые высоты солнца и звезд и по ним рассчитывают широту местонахождения корабля.

Секстант

Время на корабле в древности также определяли по Солнцу и звездам. Но в дальнейшем значительное расширение морских торговых связей требовало более точных методов навигации. Для более точного определения времени потребовалось создать механические часы.

У механических часов были многочисленные предшественники. Наиболее древние из них - солнечные часы. Они состоят из циферблата и стержня, тень от которого, перемещаясь по циферблату вследствие движения Солнца по небу, показывает истинное солнечное время.

В своем первоначальном виде они имели форму обелиска. Во втором тысячелетии до н. э. появились водяные часы. Существовали и песочные часы. Но все они не обеспечивали достаточной точности измерения времени.

Основанные на колебаниях маятника современные механические часы были созданы Х. Гюйгенсом в 1657 году.

Христиан Гюйгенс

А первые точные механические часы - пружинный хронометр, способный работать в корабельных условиях, сконструировал Дж. Гаррисон в 1735 году. Точность пружинного хронометра достигалась благодаря анкерному механизму, изобретенному Гаррисоном.

Дж. Гаррисон

Анкерный механизм

Для навигации есть еще важнейший ориентир: береговые или стоящие на якоре плавучие маяки - высокие башни с мощным источником света, который виден на расстоянии не менее 19-20 км. Легендарный маяк на острове Фарос вблизи города Александрия высотой более 100 метров был построен в 323-283 гг. до н.э. Он был разрушен в XIV веке. Первый маяк в России был построен по приказу Петра I в 1702 году. Он представлял собой деревянную вышку, на вершине которой разжигали костер.

И, наконец, необходимы навигационные морские карты, по которым штурман ведет корабль. В конце 16-го века фламандский картограф Г. Кремер (Меркатор) создал цилиндрическую равноугольную проекцию (названную в его честь меркаторской), по которой с тех пор до настоящего времени составляются бумажные морские карты. Таковы традиционные морские навигационные средства.

Изобретение радио, успехи радиоэлектроники, вычислительной и космической техники позволили в XX веке коренным образом усовершенствовать методы и средства морской навигации и связи.

На смену морским механическим хронометрам пришли электронные часы, действие которых основано на колебаниях кристалла кварца - кварцевого генератора. Они обеспечивают точность на несколько порядков выше, чем у механических часов.

А.С. Попов изобрел радиотелеграф в 1895 году и весной 1897 года начал практические опыты по использованию радиосвязи в Кронштадской гавани. Уже в 1898 году он применил первые две приемно-передающие станции, с помощью которых была установлена связь между учебным судном "Россия" и крейсером "Африка". Эти опыты доказали возможность беспроволочной связи при любых метеорологических условиях - даже в тумане, когда сигналы световой сигнализации недоступны для приема.

К лету 1897 года на средства Морского министерства были изготовлены еще три приемно-передающие станции и установлены на броненосцах черноморской эскадры "Георгий Победоносец" и "Три Святителя". Они позволили достигнуть дальности радиотелеграфной связи в 5 километров.

При этом Попов обнаружил явление отражения радиоволн от предметов на пути их распространения, в том числе и от кораблей. Позднее это явление привело к созданию радиолокации.

В 1900 г. А.С. Попов осуществил радиотелеграфную связь в Балтийском море на расстоянии свыше 45 км между островами Гогланд и Кутсало, недалеко от города Котка. Эта первая в мире практическая линия беспроволочной связи обслуживала спасательную экспедицию по снятию с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин", севшего на мель у южного берега Гогланда.

Первая радиограмма, переданная А.С. Поповым на остров Гогланд 6 февраля 1900 года, содержала приказ ледоколу "Ермак" выйти на помощь рыбакам, которых унесло на льдине в море. "Ермак" выполнил приказ, и 27 рыбаков были спасены. Эти успешные работы по спасению людей доказали несомненные преимущества беспроволочной телеграфной связи и заставили Морское министерство ввести радиотелеграфную связь на боевых кораблях российского военного флота.

Таким образом, становление радиосвязи с самого начала связано с морским флотом.

Затем были созданы средства радионавигации: радиокомпасы, радиопеленгаторы, береговые и спутниковые радионавигационные системы, радиолокационная техника.

С помощью радиолокаторов было обеспечено безопасное плавание кораблей в тумане. Если бы радиолокация была изобретена не в 1940-1950-х годах, а в начале 20-го века, трагедии с "Титаником", наскочившим в тумане на айсберг, можно было бы избежать. Радиолокатор позволяет видеть в темноте и в тумане, что находится вокруг корабля. Вращающаяся антенна локатора на мачте посылает импульсы ультракоротких радиоволн. Встречающиеся на пути корабля предметы, например, другие корабли или айсберги, отражают радиоволны, которые улавливает чувствительный приемник радиолокатора. На экране кругового обзора радиолокатора в этом направлении появляются яркие вспышки.

Для атомных подводных лодок и ледоколов, плавающих в околополярных широтах, где непригоден магнитный компас, были созданы инерциальные навигационные системы. Гироскопический компас представляет собой тяжелый волчок, вращаемый мотором с частотой в 1700-3000 об./мин. Волчок обладает свойством сохранять в пространстве заданное положение оси, например, меридиональное направление с севера на юг. Это и дает возможность использовать его в качестве гирокомпаса.

Однако при приближении к полюсам гирокомпас дает менее точные показания. Поэтому на кораблях используют оба вида компасов - магнитный и гироскопический. На основе чувствительного гирокомпаса создана и система автоматического управления движением корабля - авторулевой. Современные средства цифровой вычислительной техники позволили разработать автоматизированные системы управления кораблями, дающие возможность проложить оптимальный маршрут с учетом погодных условий и морских течений на пути плавания.

Успехи космонавтики позволили создать в конце XX века системы спутниковой навигации.

В 1965 году в СССР был запущен первый спутник связи "Молния-1". Позднее была создана система дальней космической связи "Орбита". Она состоит из сети наземных станций и искусственных спутников Земли "Молния", "Радуга", "Горизонт". На территории России размещено около 100 таких станций.

В конце XX века были созданы международная спутниковая система для спасения экипажей терпящих бедствие судов и самолетов КОСПАС-САПСАТ, международная космическая система "Инмарсат" для обеспечения телеграфной и телефонной связи между кораблями, плавающими в любых точках Земли.

За последние годы созданы электронные навигационные карты. На экране монитора отображается район плавания корабля с сушей, гаванями и другими объектами.

Спутниковая навигация позволяет определить координаты (с точностью до 100 м) и скорость движения корабля (с точностью до 0,3 м/с) во всех районах земного шара.