Тихонова Валентина Федоровна МОУ Елань-Коленовская СОШ 2 Новохоперского района Воронежской области -секретарь ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ

Цели и задачи : Всестороннее развитие личности. Повышение интеллектуального уровня в области географических открытий. Диплом

Содержание: · Предисловие. Предисловие. · Эпоха Великих Географических Открытий.Эпоха Великих Географических Открытий. ·Граничный меридиан. Перемена даты.Граничный меридиан. Перемена даты. · Линия терминатора. Стандарт всемирного времени.Линия терминатора. Стандарт всемирного времени. · Измерение углов и конструирование точных часов. Измерение углов и конструирование точных часов. ·Земля-далеко не шар.Земля-далеко не шар. · Электронные системы. Недостаток таких систем.Электронные системы. Недостаток таких систем. · Спутниковые системы. Спутниковые системы. · Разработка глобальных систем позиционирования.Разработка глобальных систем позиционирования. · Представление о спутнике. Представление о спутнике. · Точность определения координат. Точность определения координат. · Для очень любознательных.Для очень любознательных. · Выход.Выход.

«Величина угла должна была дать высоту альфы Южного креста,а следовательно,и вы- соту полюса над горизонтом, то есть широту острова, ибо географическая широта всегда равна высоте полюса над горизонтом в этой точке». Жюль Верн «Таинственный остров» З наменитый автор приключенческих романов сильно облегчил своим героям задачу определения географических координат острова, на который их выбросило ураганом. Действительно, если широту места (с достаточно большой погрешностью, конечно) определить может любой школьник, интересующийся астрономией, то вторую координату - долготу - определить гораздо сложнее.Самый простой способ определения долготы - сравнить время точных часов ( хронометра ), однажды запущенных в определенном месте земного шара, с моментом прохождения солнца через полуденный меридиан в данной местности. А поскольку герои романа Жюля Верна проделывали эту операцию 16 апреля, практически в момент весеннего равноденствия, им только и оставалось определить разницу и умножить полученную величину в часах на пятнадцать градусов, которые солнце проходит по небесному своду за час. Если бы действие происходило где-нибудь в июне или, скажем, в ноябре, все было бы гораздо сложнее.

У же более двух с половиной тысяч лет назад вавилонские жрецы знали, что Земля - шар. Они даже попытались вычислить длину его окружности. У них получилось, если переводить на современные меры, около 77 тысяч километров, что почти вдвое больше истинной длины экватора. Но потом это было забыто, и люди представляли обитаемую Землю ( Ойкумену - греческое определение ) плоской или слегка выпуклой сушей, вокруг которой лежит Мировой Океан. Первенство в доказательстве того, что Земля - все же шар, принадлежит Аристотелю (IV в до н.э.), который основывался на данных Пифагора. Земной шар был разбит, на сферические координаты еще Птолемеем (II в.н.э.), тогда же, видимо появились и понятия широты и долготы. Широта - это угол между отвесом в данной точке местности и плоскостью экватора, долгота - двухгранный угол между плоскостью меридиана в данной местности и плоскостью нулевого меридиана. Широта измеряется от 0 (экватор) до 90 (полюс) градусов, при этом обязательно указывается куда ведется отсчет от экватора - северная (N) или южная (S) широта. В исчислении долготы, в принципе, не очень важно, что считать за нулевой меридиан, но в целях унификации, согласно международным соглашениям, сXVII века отсчет ведется от Гринвичского меридиана ( проходящего через центр специально построенного столбика на месте старинной обсерватории в Гринвиче, пригороде Лондона ). Долготу отсчитывают в пределах от 0 до 180 градусов, при этом указывается направление - восточная (Е) или западная (W ) долгота.

К огда в Европе стала общепринятой градусная система координат, еще никто и не подозревал о самом существовании Тихого океана, но потом оказалось, - очень удобно! - что граничный меридиан проходит как раз по самым его пустынным районам. Удобно потому, что на этом меридиане происходит перемена даты - если к востоку от него, к примеру, десять утра 20 декабря, то к западу - десять утра 21 декабря. Саму по себе линию перемены дат, согласно соглашению 1884 года, провели ступенчато - огибая островные государства Тихого океана. И все же существует государство Кирибати, посередине которого проходит линия перемены дат, и жители его могут за пять минут плавания на лодке, попасть в следующие - или предыдущие - сутки., Соляные гластеры, Иран

С олнце встает на востоке и заходит на западе - если поглядеть на Землю из космоса, то это выглядит как непрерывно перемещающаяся по земной поверхности линия терминатора - граница между теневой и освещенной стороной. Бежит она очень быстро - даже в наших средних широтах скорость составляет примерно 600 километров в час, а чем южнее - тем быстрее. Поэтому нужно было как-то договориться о том, как связывать время дня на разных долготах. Подобно тому, как единым временем для всех, скажем, железных дорог России является московское время, так и для навигационных систем единым временем - GMT, Greenwich Mean Time (Среднее Время Гринвича ). Но и его точности оказалось для системных нужд недостаточно, поэтому в качестве стандарта всемирного времени используется UTC ( Universal Time Coordinated ), основанное на положении, что в 0 часов 1 января 1972 года прошло секунд с 0 часов 1 января 1900 года. С тех пор UTC периодически ( не реже чем раз в сутки ) корректируется по показаниям атомных часов всего мира.

Потому, начиная с Эпохи Великих Географических Открытий человечество все более изощрялось в приемах измерения углов и конструировании все более точных часов. Астролябию сменил секстант ( его принцип действия, основанный на одновременном удержании в поле зрения сразу двух объектов, был предложен еще Ньютоном), кстати, широко использовавшийся еще совсем недавно, уже в эпоху самолетов. А на смену механическим хронометрам пришли электронные часы, синхронизировавшиеся по радио… Все это было непринципиальным улучшением : штурманам как и сто, и триста лет назад, приходилось всегда иметь под рукой громоздкие таблицы и заниматься умопомрачительными вычислениями. Не лишним будет упомянуть, что и сама задача построения астрономических и тригонометрических таблиц была одним из главных толчков для изобретения компьютеров. На страницах жюльверновского романа Сайрус Смит признавался, что все его доморощенные приемы приводили к ошибке никак не меньше пяти градусов по любому измерению. Это хорошо для романа, но для практических целей не подходит совершенно: ошибка в пять градусов широты соответствует ровно тремстам морским милям (морская миля,равная 1852 м., - одна угловая минута по меридиану ), то есть почти шестистам километрам.

Н о просто вычислить положение некоего светила над горизонтом - еще далеко не все. Такой метод на море и в воздухе давал погрешность порядка половины минуты дуги, то есть половину все той же морской мили. Этого было, конечно, не достаточно, особенно для набиравшей обороты авиации. Трудности возникали не только при измерениях на суше, где дело дополнительно осложнялось отсутствием истинного горизонта и необходимостью в связи с этим иметь точные топографические карты относительно уровня моря, но и на поверхности Мирового Океана, которая вроде бы обязана быть строго горизонтальной в каждой точке ( относительно центра сферической Земли ). Но мало того, что при этом надо учитывать приливы - отливы, еще и Земля сама по себе далеко не шар 1. Все эти сложности казались неразрешимыми, пока в дело не вмешалась электроника. 1 Еще Ньютон полагал, что Земля должна иметь форму мандарина из-за центробежных сил, растягивающих шар у экватора при вращении. Это было подтверждено вскоре после его смерти, но потом оказалось, что все еще сложнее - из- за неравномерности распределения масс в толще Земли. Для модели соответствующей поверхности даже выдумали специальное название - ГЕОИД. Например, западная часть Тихого океана на десяток- другой метров в среднем выше, чем восточная - то есть дальше отстоит от центра Земли.

П ервой известной электронной системой для позиционирования судов в море и самолетов в воздухе стала «Лоран» (LORAN), запущенная в эксплуатацию ВМС США еще в пятидесятые годы. В СССР тоже была создана подобная система «Чайка» : они функционируют до сих пор и даже частично объединены. Принцип действия - радиолокационный, то есть расчет положения объекта осуществляется по относительным координатам, полученным в результате измерения запаздывания радиосигналов от объекта, пришедших на разные базовые станции с точно известным местоположением. Расчет ведет центральный компьютер, затем передает результаты объекту. Это было уже кое-что - по крайней мере, все автоматизировано, и уже не нужно быть специалистом в астрономии и математике, чтобы понять, где ты находишься. Крупнейшим недостатком таких систем было отсутствие глобальности - базовые станции, естественно, кучковались около самых оживленных маршрутов, а где - нибудь в Сахаре, не говоря уж о тайге, все оставалось по прежнему. Река Янцзы.

Специалисты обрати- ли внимание на искус- твенные спутники Земли. Про любой исправный спутник известно, каковы его координаты в каждый момент времени, иначе им было бы невозможно управлять. Практически одновременно в шестидесятые годы возникают два комплекса глобального позиционирования на основе спутниковых систем: советская КРНС (Космическая Радиолокационная Навигационная Система) «Цикада» и аналогичная американская «Транзит». В настоящее время их функционирование прекращено. Хотя эти группировки были низкоорбитальными (т.е. довольно быстро обращались вокруг Земли), но одновременно поймать минимально необходимые для определения пространственных координат три спутника удавалось не всегда. Ураган Изабель ь

В начале семидесятых годов обе сверхдержавы ( США -в 1973, СССР -в 1975 ) начинают разработку глобальных систем позиционирования. Они получили даже похожие названия: GPS -глобальная система позиционирования, и ГЛОНАСС - глобальная навигационная система связи. Это высокоорбитальные системы с расстоянием от земной поверхности порядка 20 тысяч километров, то есть на половине расстояния от геостационарной орбиты, на которой обычно располагают вещательные спутники, висящие над определенной точкой земной поверхности. В результате они описывают полный круг над земной поверхностью примерно за 12 часов. Чтобы в каждой точке Земли можно было круглосуточно наблюдать не менее трех необходимых спутников, их нужно иметь на такой орбите 24 штуки. Что касается системы ГЛОНАСС, то даже в лучшие времена спутников было всего пятнадцать, а сейчас их восемь. С самого начала спроектированная для военных целей, она фактически погибла. Хотя сейчас многие западные фирмы предлагают универсальные системы глобального позиционирования, воспринимающие - для увеличения точности вычислений - сигналы и ГЛОНАСС, и GPS, о первой лучше забыть. Особенно в связи с проектом построения объединенной Европой собственной системы спутниковой навигации под названием Galileo, причем в основном коммерческого, а не военного направления.

C обственно спутник представляет собой конструкцию в 1,52 м в длину, весом около 840 кг, она включает солнечные панели, вырабатывающие мощность 800 Вт. Часть этой энергии уходит на зарядку аккумуляторов, от которых спутник питается при нахождении на теневой стороне Земли. В настоящее время действующих спутников 29, то есть на пять больше нормы, а всего с начала эксплуатации системы (1978 г.) было запущено 45 аппаратов. Наземный оператор проводит непрерывный мониторинг состояния спутников и не реже, чем раз в сутки корректирует параметры орбит и синхронизирует их бортовое время с ходом часов всемирного времени UTC.

О пределение координат в системе GPS осуществляется известным еще со времен Пифагора методом: если в поле зрения находятся не менее трех предметов ( чем больше, тем лучше - для уточнения измерений ) с известными координатами, то вычислить положение объекта на основе известных расстояний до них -чистая арифметика. Но спутники находятся на орбитах, расположенных на высоте более 20 тысяч километров, и как же можно измерить такое расстояние ? Вот тут-то и понадобилась служба всемирного времени. Именно неощущаемое физически время мы научились измерять с высочайшей точностью ( а ведь еще Галилей изучал законы падения тел с помощью измерения собственного пульса - не было у него достаточно точных часов ). И все современные измерения физических величин всегда сводятся к отсчету временных интервалов. Так и здесь - точность определения расстояний зависит от точности синхронизации бортовых часов. Вулканы Камчатки.

приведу еще парочку научно - популярных примеров: любой слышал, что существуют полярные круги и линии тропиков ( парами симметрично с юга и с севера от экватора ). Что они означают ? Земная ось наклонена под углом 67 градусов по отношению к плоскости орбиты вращения Земли вокруг Солнца, этим обусловлена смена времен года. А указанные условные линии на земном глобусе как раз так и расположены: полярные круги на широте 67 градусов, а линии тропиков - на широте 23 градуса, т. е. 90 градусов минус 67. Практически это означает вот, что: в пределах зоны, ограниченной линиями тропиков, солнце хотя бы один раз в год становится точно над головой, в зените. (На экваторе солнце стоит в зените два раза в год - в моменты весеннего и осеннего равноденствия ). А на широтах выше полярных кругов солнце хотя бы один раз в год, зимой, не восходит (в противоположной фазе, летом, не заходит ) полностью. Г лавная управляющая станция GPS находится на базе ВВС Шривер, штат Колорадо, где размещено 50 -е космическое соединение США. С нее осуществляется управление GPS в мировом масштабе. Система защищена всеми мыслимыми средствами - еще на подходах к ней незваного гостя встречают любезные предупреждения типа « Разрешено применение силы вплоть до уничтожения». Управляет системой всего 21 человек, они разделены на три бригады по семь( три офицера и четыре рядовых), дежурящих по восемь часов каждая. Руководителей бригад набирают из высоко квалифицированных гражданских специалистов. Остальная наземная часть системы GPS состоит из пяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайи в Тихом океане, на острове Вознесения в Атлантическом, на атолле Диего-Гарсия в Индийском,а также в Колорадо-Спрингс. В будущем планируется создание еще одной станции наблюдения на мысе Канаверал. Для надежности к сети имеющихся станций наблюдения добавляются еще шесть станций Национального управления картографирования ( NIMA).