Сучасні карти, побудовані на основі даних аеро- і космічної зйомки, відображають практично будь-яку ділянку земної поверхні з високою точністю. А за допомогою спеціальних комп'ютерних програм можна побудувати тривимірну карту.
Перші карти містили величезну кількість неточностей: спочатку ніхто і не думав про суворість вимірювань, масштабах, топографічних знаках. Але навіть такі карти цінувалися дуже високо. З їх допомогою можна було повторити шлях, пройдений першовідкривачем, і уникнути неприємностей, які у великій кількості підстерігали мандрівників.
З винаходом друкарства якість карт значно зросла. На них з'явилися символічні зображення гір, лісів, пустель і інша інформація. Складання карт стало долею професійних картографів. Розвиток авіації і фотографії дало можливість проводити зйомку Землі з висоти. А з появою супутників на поверхні нашої планети не залишилося місць, що не завдали б на папір.
Сучасні карти сильно полегшують і роботу фахівців, і життя туристів. Більш того, якщо при створенні топографічної карти використовувати спеціальні комп'ютерні програми, можна отримати тривимірне зображення. Найдивовижніше, що для виготовлення тривимірних карт не потрібно наддорогого обладнання. Зробити таку карту може кожен, досить мати доступ до Інтернету та комп'ютер з рядовими характеристиками.
Географічні координати
Кожній точці Землі присвоєні свої координати. Це два числа, одне з яких називають довготою, а інший - широтою.
Візьмемо якусь точку на поверхні планети і подумки з'єднаємо її з центром земної кулі. Кут, який утворює вийшов відрізок з екваторіальній площиною, називають широтою точки. На глобусі лінії, паралельні екватору, мають однакову широту. Значення цієї величини змінюється в межах від 0 до 90 °.
При цьому всі широти, що знаходяться на північ від екватора, називають північними, а на південь - південними. Північний полюс має координату 90 ° північної широти, південний - 90 ° південної широти. Але тільки для цих двох точок досить вказати широту, щоб однозначно описати їх становище. Щоб повідомити про своє місцезнаходження в інших точках Землі, потрібно ще одна координата - довгота.
Проведемо подумки через точку, в якій ми знаходимося, меридіан площину: вона проходить через відрізок, що з'єднує обрану точку з центром Землі, і перпендикулярна екваторіальній площині. Двогранний кут між такою площиною і площиною нульового меридіана називають довготою. На глобусі лінії, найкоротшим чином з'єднують Північний і Південний полюси, розташовані на однаковій довготі. Площина нульового меридіана проходить через точку Землі, на якій розташована Грінвічська обсервато рія в Великобританії.
Діапазон значень довготи змінюється в межах від 0 до 180 градусів. При цьому точки, розташовані на схід від Грінвіча, мають східну довготу, а ті, що знаходяться на захід від площини нульового меридіана, - західну.
Двох координат досить, щоб описати будь-яку точку на поверхні Землі. Наприклад, координати Москви, точніше, однієї з точок, що знаходяться в Москві, - 55 ° 45, північної широти та 37 ° 37, східної довготи.
Земля має форму, близьку до кулі радіусом 6371 км. Точніше її описує геоїд - куля, злегка стиснений по полюсах і трохи витягнутий до Північного полюса. Таку поверхню утворив би Світовий океан, покривай він всю поверхню Землі. Для геоїда вектор сили тяжіння завжди перпендикулярний його поверхні. Оскільки щільність речовини нашої планети розподілена нерівномірно, схил на її поверхні не завжди спрямований до центру.
Легко підрахувати, що 1 градус дуги меридіана має довжину близько 111 км. 1/60 цієї довжини - 1,852 км - отримала назву морської милі.
Вимірювання координат
До недавнього часу значення широти і довготи визначали, орієнтуючись по небесним світилам - зіркам і Сонця. В якості вимірювальних приладів використовували секстант (по-морському - секстан) і найточніший годинник - хронометр.
Координати розраховували в такий спосіб. Спостерігач за допомогою секстанта заміряв висоту світила. Для точного вимірювання секстант необхідно було мати у своєму розпорядженні строго горизонтально - непросте завдання для гойдаються на морських хвилях судів. Знаючи час, в яке виконувалось вимірювання, знаходили "окружність рівних зенітних відстаней".
Так називали набір точок, з яких можна було в фіксований момент часу спостерігати світило на виміряної висоті. Потім аналогічні вимірювання виконували ще раз, але вже для іншого світила. Точні координати визначали як точку перетину кіл для трьох і більше небесних світил. Додаткові виміри виконували, щоб зменшити похибку. При розрахунках користувалися спеціальними довідниками і виробляли складні тригонометричні обчислення.
В наші дні непросте завдання по знаходженню координат взяли на себе GPS-приймачі (GPS - абревіатура, складена з англійських слів "Global Position System"). Ці невеликі пристрої приймають сигнал від навігаційних супутників подібно до того, як звичайний приймач приймає радіосигнал від радіостанції. 
Ті, хто займається спортивним орієнтуванням, повинні не тільки швидко бігати, а й вміти визначати своє положення по карті. У Венеції, наприклад, змагання зі спортивного орієнтування проходять прямо в місті, де юрбами бродять туристи, замінюючи учасникам змагань відсутні в умовах урбанізації дерева і чагарник. Здавалося б, в місті орієнтуватися набагато простіше, ніж в лісі, але навіть з хорошою картою таке завдання часто викликає труднощі. Фото автора. Кожен космічний апарат періодично посилає на Землю сигнали, в яких міститься інформація про час відправлення сигналу і про точні координати супутника. GPS-приймач обчислює різницю в часі між посилкою і отриманням сигналу. Помноживши отримане значення на швидкість поширення радіохвиль, пристрій знаходить своє відстань до супутника.
Якби вимірювання виконувалися з ідеальною точністю, GPS-приймача вистачило б даних від трьох супутників для визначення свої координати на поверхні Землі. Потрібна точка перебувала б на перетині трьох сфер, центри яких співпадають з місцем знаходження супутників, і поверхні Землі.
Через те, що в вимірах є похибка, для підвищення точності використовують дані не менш ніж від чотирьох навігаційних супутників. Чим більше даних від різних супутників використовує в розрахунках свого положення GPS-приймач, тим вище точність знайдених координат.
Військові супутникові навігаційні системи, такі, як NAVSTAR і ГЛОНАСС, кодують передається сигнал так, що помилка в розрахунку координат може становити 50 м і більше. Ті ж, хто володіє особистим кодом, мають можливість визначити своє місцезнаходження з точністю в кілька метрів.
секрети карт
Звичайно, сучасні навігаційні пристрої не йдуть ні в яке порівняння з паперовими картами минулого. Вони не тільки покажуть точку, в якій ви перебуваєте, але і самостійно побудують оптимальний маршрут руху до мети та ще будуть супроводжувати мандрівника голосовими повідомленнями по шляху руху. Втім, щоб навігатор міг проявити всі свої можливості, потрібно електронна карта.
Системи координат і проекції
При підготовці карт використовують наближену модель земного геоїда - еліпсоїд обертання. Координати однієї і тієї ж точки поверхні планети можуть відрізнятися в залежності від того, який вибрати еліпсоїд. Центр такого еліпсоїда і розташування його піввісь утворюють систему координат.
Існують геоцентричні і топоцентрические системи координат. У геоцентричних системах земний еліпсоїд наближають таким чином, щоб виконувалися наступні умови:
- обсяг еліпсоїда повинен дорівнювати обсягу геоїда;
- мала піввісь повинна бути спрямована по осі обертання Землі;
- велика піввісь еліпсоїда повинна знаходитися в площині екватора геоїда;
- значення середньоквадратичного відхилення поверхні еліпсоїда від поверхні геоїда має бути мінімальним для всіх точок земної кулі.
Система NAVSTAR базується на системі координат, що має назву WGS84. Велика піввісь еліпсоїда GRS80, що застосовується в такій системі, має довжину 6 378 137 м, а мала піввісь - 6 356 752,31 м. Російська ГЛОНАСС користується системою координат SGS85, але параметри її еліпсоїда чомусь тримаються в секреті.
Геоцентрична система координат непогано підходить для розрахунку координат по всій земній кулі, але в межах окремої країни допускається застосування топоцентрические, або національної, системи координат. В цьому випадку земну поверхню наближають таким еліпсоїдом обертання, щоб значення середньоквадратичного відхилення було мінімальним не для всієї поверхні планети, а тільки для заданої території.
У нашій країні зазвичай користуються картами, складеними в системі координат 1942 року. Вона базується на еліпсоїді, названому на честь радянського вченого - астронома-геодезиста Феодосія Миколайовича Красовського (1879-1942), обчислено його розміри. У еліпсоїда Красовського величина велика піввісь дорівнює 6 378 245 м, а мала піввісь становить 6 356 863 м. Розміри його піввісь перевищують піввісь еліпсоїда GRS80 більше, ніж на 100 м.
При складанні карт поверхню Землі припадає відображати на плоских аркушах паперу. При такому відображенні не уникнути спотворень. Існують різні способи побудови картографічних проекцій, але при будь-якому з них кожній точці земної поверхні на карті відповідає тільки одна точка. Багато хто бачив карти з азимутальной проекцією, схема побудови якої приведена на малюнку зліва.
При такій проекції лінії паралелей набувають вигляду дуг кіл, а найменше спотворення місцевості знаходиться в точці дотику площині проекції з поверхнею Землі.
Інший спосіб побудови проекції земної поверхні на папері отримав назву "циліндрична проекція".
На таких картах найменше спотворення земної поверхні припадає на екваторіальну область, а ось відстані на полюсах значно збільшені. Зате меридіани і паралелі виявляються відрізками прямих ліній.
Для задач навігації найкраще підходять карти в рівнокутних проекціях, тобто коли кути між різними напрямами збігаються з реальними. Великі ділянки місцевості спроектувати на плоский аркуш паперу без спотворень не вдається, але на невеликих аркушах похибка стає вже прийнятною.
Електронні карти підрозділяються на дві великі категорії: растрові і векторні. Будь-яке зображення в комп'ютері може бути представлено двома способами. В одному випадку, коли зображення представляється у вигляді набору точок з інформацією про їх колір, картинку називають растрової. Подібні зображення виходять, якщо оцифровувати картинку за допомогою сканера або цифрового фотоапарата.
Для растрових електронних карт можна використовувати звичайні топографічні карти або схеми і навіть знімки з космосу. Але за це доводиться "платити" великими запасами пам'яті для зберігання графічних файлів значного обсягу. Крім того, на растрових картах масштаб зображення можна змінювати тільки до певних меж. При сильному збільшенні починає проявлятися ефект "зерна", коли окремі точки зображення - пікселі - можна розгледіти у вигляді маленьких квадратів.
У векторних картах зображення зберігається у вигляді примітивів - невеликих графічних об'єктів на кшталт прямокутників, кіл, відрізків прямих ліній і т.п. При такому способі подання картинки для її зберігання потрібно менше пам'яті. Масштаб векторних карт можна збільшувати без побоювання зіткнутися з проблемами "зерна". Зображення можна якісно малювати при будь-якому збільшенні, на екран виводиться та частина графічних примітивів, яка повинна бути видна при заданому масштабі. Але виготовлення векторних карт, на відміну від растрових, завдання складне, вимагає довгих і точних вимірювань.
ОРІЄНТУВАТИСЯ ДОПОМАГАЄ СУПУТНИК
Зробити гарну карту - це півсправи. Треба вміти знайти на ній своє місце розташування. Тут на допомогу приходять навігаційні супутники. Щоб з їх допомогою визначити своє розташування на карті, знадобляться GPS-приймач і електронна карта. Помилка у визначенні координат становить не більше кількох метрів (точність у визначенні місця розташування може бути ще вище - менше метра, але такі прилади використовують тільки військові).
Зараз діють дві супутникові навігаційні системи: американська - GPS (NAVSTAR) і російська - ГЛОНАСС. Розгортається також європейська система супутникової навігації Galileo.
GPS (NAVSTAR)
Американська навігаційна система почала створюватися 22 лютого 1978 року - саме тоді був запущений перший супутник, розрахований на термін служби трохи менше двох років - 21 місяць. Програма, призначена для військових цілей, отримала назву від слів "NAVigation System with Timing And Ranging" ( "Навігаційна система визначення часу і дальності").
За задумом її творців, на дуже високу орбіту - 20 350 км від поверхні Землі - передбачалося вивести 28 супутників таким чином, щоб з кожної точки нашої планети в будь-який момент часу було видно не менше чотирьох космічних апаратів. Період їх звернення повинен в точності збігатися з земними цілодобово - це означає, що для спостерігача на Землі кожен супутник нерухомо висить над одним і тим же місцем.
Взагалі-то, для визначення координат вистачило б і 18 супутників, додаткові 10 потрібні для підвищення надійності і точності NAVSTAR. Всього в рамках цієї програми було виконано 53 запуску, з яких не всі були вдалі. Частина космічних апаратів вже вийшла з ладу. Зараз на орбіті діють 29 навігаційних супутників, найстаріший запущений 1 жовтня 1990 року, а останній - 26 вересня 2005 року.
З 1995 року американці почали використовувати навігаційну систему не тільки у військових, але і в мирних цілях, і 19 мільярдів доларів, витрачених на NAVSTAR, стали повертатися американським платникам податків у вигляді додаткових робочих місць і корисних навігаційних пристроїв. Комерційний проект отримав найменування GPS ( "Global Positioning System" - "Система глобального позиціонування"), а доходи від нього набагато перевищили початкові витрати американського уряду.
ГЛОНАСС
Радянський Союз, дізнавшись про американську програму NAVSTAR, вирішив створити власну космічну навігаційну систему. Вітчизняна програма отримала назву ГЛОНАСС - Глобальна Навігаційна Супутникова Система. У жовтні 1982 на орбіту був виведений перший радянський навігаційний космічний апарат.
Наші супутники оберталися не на такій високій орбіті, як у американців, її висота становила 19 100 км. Їх ресурс був визначений в 3 роки, в майбутньому його планувалося довести до 5-7 років. У 1996 році на орбіті оберталося вже 24 супутники, але про комерційне використання системи ніхто навіть не думав. Супутники поступово виробляли свій ресурс, виходили з ладу, і до 2004 року знадобилися нові зусилля і кошти, щоб відродити ГЛОНАСС до життя.
На сьогоднішній день наша система супутникової навігації здатна забезпечувати користувачів необхідною інформацією, і вже оголошено про допуск до неї цивільних осіб. З 17 знаходяться на орбіті супутників зараз використовуються тільки 12. Один супутник - на етапі введення в експлуатацію, три - на техобслуговуванні і один - в процесі виведення з системи. Оперативну інформацію про стан ГЛОНАСС можна подивитися на сайті http://www.glonass-ianc.rsa.ru.
Для повноцінного комерційного ефекту від вітчизняної космічної навігаційної системи необхідно налагодити випуск GPS-приймачів, здатних приймати і розшифровувати сигнали російських супутників. До того ж заявлена точність для цивільних осіб - 100 м - викликає подив.
GALILEO
28 грудня 2005 року з Байконура запущено в космос перший супутник для європейської системи навігації. У цьому спільному проекті Єврокомісії і Європейського космічного агентства первісною вартістю 3,4 млрд євро, бере участь і Росія. Офіційно проект був початий в березні 2003 року. На відміну від американського NAVSTAR і російського ГЛОНАСС система Galileo має суто мирне призначення.
Вона буде використовуватися для управління автомобільним, залізничним і авіаційним транспортом. Попутно вона повинна взаємодіяти з іншими супутниковими навігаційними системами, перш за все з NAVSTAR, щоб споживачі могли точніше визначати координати. В європейської навігаційної системи будуть використовуватися 30 супутників (27 основних і 3 резервних), а комерційна експлуатація всієї системи почнеться в 2010 році.
автор: В. Хорт
Крім того...
консервний чем
Три молодих джентльмена, що плавали по Темзі в одному човні (з собакою) і пізніше прославлених Джеромом К. Джеромом, забули взяти в плавання ...
Електрика з людини
Два випускника архітектурного факультету Массачусетського технологічного інституту придумали нове джерело енергії. Джеймс Грехем (James Graham) ...
