Географические карты и средства навигации за многовековую историю человечества проделали огромный путь от древнейших «палочковых карт» до современных GPS-навигаторов. Каковы этапы этого пути? Какие проблемы решают специалисты по картографии и навигации сейчас?
Древние корни взаимодействия картографии и навигации
«Навигация» в интересующем нас смысле этого термина означает управление движением какого-либо объекта: человека, автомобиля, судна, воздушного или космического аппарата, включая выбор и прокладку маршрута (траектории) движения, проведение навигационных измерений, выполнение маневров и прогнозирование движения.
Многовековая история картографии как науки, технологии и производства свидетельствует, что ее развитие всегда связано с практическими задачами, такими как управление страной и ее хозяйством, запросы армии, обеспечение мореплавания и торговли. Поэтому навигация с древнейших времен была одним из важных факторов технического прогресса картографии как средства познания мира, фиксации, визуализации и передачи пространственной информации.
Пожалуй, одно из самых древних свидетельств использования картографии для целей навигации — это «палочковые карты», которые жители Маршалловых островов изготовляли из небольших раковин и пальмовых черенков. Раковины, закрепленные на черенках, изображали острова, а волокна располагались в разных направлениях и показывали фронт морской зыби, поднимаемой господствующими ветрами, приливами и прибоем. Плавая на каноэ, микронезийские мореходы умели ориентироваться по таким картам и находить нужные направления на острова, когда те скрывались из вида. Подобные изображения, как и другие древние карты, всегда составлялись для конкретных и чисто практических целей.
Первые европейские и арабские мореплаватели определяли направление движения по Солнцу и звездам. Их карты чаще всего были ориентированы на восток, но применение компаса сразу изменило вид и содержание морских навигационных карт. Появились и быстро распространились особые морские карты — портоланы (или портуланы). Они отличались чрезвычайно подробным рисунком береговых линий: заливов, речных дельт и прибрежных островов, а особенно гаваней и малых бухт, то есть объектов, существенных для судовождения. Рисунок мелких деталей даже сознательно преувеличивали, тогда как ситуацию в глубине суши не изображали вовсе. Портоланы всегда ориентированы на север, на них даны густые компасные сетки, показывающие направления на четыре стороны света и до двадцати восьми промежуточных румбов. Карты вычерчивали на плотном пергаменте в виде свитков или наклеивали отдельными листами на большие тонкие доски для удобства их использования в условиях мореплавания и при прокладке курса судна.
Интересно, что в далеком средневековье портоланы считались секретными документами. Предусматривались даже специальные меры для их уничтожения при захвате судна неприятелем. Именно из-за секретности лишь малая часть портоланов сохранилась до наших дней. Со временем появились и атласы портоланов, которые кроме карт могли содержать навигационные таблицы, календари, справочные сведения по астрономии и астрологии. Портоланы просуществовали до XVII в., а в эпоху Великих географических открытий плавание в открытом океане потребовало уже картографических проекций с сетками меридианов и параллелей.
Существенные инновации в картографическом обеспечении навигации связаны с именем великого фламандского картографа Герерада Меркатора, который в 1541 г. впервые изготовил навигационный глобус диаметром 42 см. В эпоху Великих географических открытий создавалось множество глобусов, и глобус Меркатора не был ни самым большим, ни самым красочным. Он отличался тем, что на нем в пределах океанов были нанесены компасные сетки, как это прежде делалось только на портоланах. Кроме того, там были проведены меридианы, параллели и впервые — линии локсодромий (особые кривые, пересекающие меридианы под одним и тем же азимутом, что очень удобно для прокладки курса корабля).
Шар вращался на оси, проходящей через полюсы и скрепленной с массивным медным кольцом с градусными делениями. В свою очередь кольцо вместе с глобусом свободно поворачивалось в вырезе подставки и устанавливалось в нужном положении, что позволяло вращать глобус в любом направлении и удобно отсчитывать по нему углы и расстояния. Система локсодромий позволяла определять курс судна, если известны широта и долгота начального пункта и места назначения, упрощала расчет координат конечного пункта по известным широте, долготе исходного порта и расстоянию между ними, а также решала обратную задачу. К своему произведению Меркатор приложил специальную брошюру – «Книгу о пользовании глобусом», пояснявшую практические приемы работы с ним. К сожалению, этот труд утрачен.
В 1569 г. Меркатор издал карту мира на 18 листах в цилиндрической проекции, прославившую его имя. Карта называлась «Новое и наиболее полное изображение земного шара, проверенное и приспособленное для применения в навигации». На одном из листов во врезке размещался текст на латыни, озаглавленный «Методы измерения расстояний на местности», где Меркатор подробно разъяснял различие между ортодромиями (линиями кратчайших расстояний на поверхности земного шара) и локсодромиями (линиями, пресекающими меридианы под одним и тем же углом). Также он объяснял, как и в каких пределах на различных широтах можно пользоваться локсодромическими расстояниями вместо ортодромических, не впадая в большую ошибку. На двух других врезках помещены «Краткие указания к применению роз направлений» и чертеж, который мы бы назвали теперь номограммой, предназначенный для решения навигационных задач.
В наши дни, с выходом человека в космос, на пультах космических кораблей и в центрах управления полетами появилось средство космической навигации в виде глобуса — космический навигационный индикатор (ИНК), который удобно и предельно наглядно показывает текущее положение объекта по долготе и широте и относительно системы наземных измерительных пунктов (НИП). Идея Меркатора обрела новую жизнь, воплотившись в конструкцию навигационного глобуса-индикатора. С помощью двигателя он вращается с запада на восток со скоростью, равной одному обороту Земли за звездные сутки (23 ч. 56 мин.), а движение космического аппарата по орбите заменено вращением глобуса в противоположном направлении. На стекле, покрывающем глобус, вокруг визира нанесены круги зон радиовидимости НИП, отмеченных на глобусе. Кроме того, на пульте космонавта расположены шкалы для отсчета текущих координат положения над Землей, счетчик оборотов вокруг планеты, датчики наклона орбиты и периода обращения космического аппарата.
Современные автомобильные навигаторы, которые обеспечивают автоматическую прокладку маршрута к заданному пункту, снабжены также базой предустановленных карт. Несмотря на простое, интуитивно понятное водителю меню и интерфейс, на умение «общаться» с пользователем на его родном языке, эти устройства не могут обойтись без экрана (желательно цветного), на который выводится топографическая карта или простенькая дорожная схема.
Здесь следует подчеркнуть, что ничто и никогда не может заменить человеку картографический образ, зрительную коммуникацию пространственной информации. В этом и заключается главный смысл взаимодействия картографии и навигации. Психофизическими исследованиями установлено, что более 80% информации об окружающем мире человек воспринимает с помощью зрения. Думаю, что в случае навигационной информации этот процент еще выше.
Виды навигационных карт
Современные навигационные карты — в бумажном и электронном вариантах — обеспечивают морскую, речную, воздушную, космическую, а теперь и наземную навигацию во всех ее проявлениях: от движения санного поезда по ледниковому щиту Антарктиды до проезда по городским улицам или пешего туристского маршрута. Практически все навигационные задачи визуализируют и решают с помощью карт, которые весьма разнообразны по своему назначению и содержанию.
Карты для морского судовождения и анализа навигационно-гидрографической обстановки в соответствии с их масштабом показывают береговую полосу, рельеф морского дна (отметки глубин и изобаты), навигационные опасности, грунты, средства навигационного обеспечения, ориентиры, фарватеры и опасные районы, другие элементы, необходимые для безопасного плавания. Морские навигационные карты подразделяют на генеральные (масштаба 1:5 000 000—1:1 000 000),
предназначенные для плавания в открытом море на значительном удалении от берегов; путевые (крупнее 1:1 000 000 до 1:100 000)
— для плавания в открытых и прибрежных водах; частные карты (крупнее 1:100 000, но мельче 1:25 000) — для прибрежного судоходства в сложных навигационных условиях; планы
(1:25 000—1:500) — для захода в порты, гавани, рейды и передвижения в их пределах.
Морские электронные навигационные карты, выводимые на дисплеи, имеют преимущества по сравнению с бумажными прежде всего потому, что облегчают картографический синтез и анализ текущей навигационной ситуации. Современные геоинформационные технологии позволили создать электронную картографическую информационную систему ECDIS, которая способна не только точно указать местонахождение судна, но и выполнять предварительную прокладку курса, контролировать отклонения от заданного маршрута, вычислять безопасные курсы, предупреждать судоводителя об опасностях, вести электронный судовой журнал, управлять авторулевым и т.п. Тем самым повышается безопасность мореплавания, упрощается и ускоряется работа штурмана.
Лоцманские карты, составленные для плавания по внутренним водным путям (рекам, озерам, каналам, водохранилищам), так же как морские, изображают данные, важные для безопасности судоходства (линии судового фарватера, наименьшие глубины, характер грунтов дна, маяки, якорные стоянки, радиолокационные станции и т.п.). Эти карты обычно крупномасштабны и образуют последовательный ряд листов, на которые поделен водный путь (например река). Прежде их часто брошюровали в альбомы и особые лоцманские атласы, теперь же выводят на экраны электронных навигационных систем.
Весьма разнообразно семейство аэронавигационных карт, используемых для пилотирования самолетов и других летательных аппаратов, планирования и обеспечения полетов. Общегеографическое содержание этих карт дополнено весьма обширной по объему специальной нагрузкой (линии радиопеленгов, визуальные и радиолокационные ориентиры, опасные для полета объекты, вершины гор и т.п.). Это полетные карты (для планирования полетов и самолетовождения по маршруту), бортовые (для навигации с использованием радиотехнических и астрономических средств), специальные (карты магнитных склонений, радиомаяков, радионавигационные и др.) и карты для выполнения спецполетов. Аэронавигационные карты обычно создают в мелких масштабах
(1:1 000 000—1:4 000 000). Существуют также карты для захода на посадку (по приборам и визуально), карты аэродромных препятствий, аэродромного движения и т.п.
Изложенные здесь достаточно известные сведения свидетельствуют, по моему твердому убеждению, о том, что навигационная картография и ее основные продукты (бумажные и электронные карты, атласы, базы данных) являются основной формой и практически безраздельным способом существования навигации.
Хочу несколько слов сказать о распространенном термине «GPS-навигация», произносимом как «джи-пи-эс-навигация», а чаще — «жепеэс-навигация», или еще проще — «жепеэска», что получается весьма неблагозвучно для русского языка и неправильно с терминологической точки зрения. Гораздо лучше и точнее было бы переводить GPS как ГПС — «глобальная позиционирующая система», а еще точнее: ГСП — «глобальная система позиционирования», или даже СГП — «система глобального позиционирования». Примером разумного обращения с подобным англоязычным термином является GIS, произносимая не как «джи-ай-эс», а как ГИС. Это правильно в терминологическом отношении, достаточно просто и гораздо удобнее для образования производных терминов.
ГЛОНАСС и российская картография
Глобальная система позиционирования (ГСП) — это спутниковая система, которая позволяет определять пространственные координаты и высоты объектов. Для этого спутниковый приемник вычисляет дальности до четырех или более искусственных спутников Земли, которые принимают и излучают радиосигналы, примерно так, как обычный теперь сотовый телефон «ловит» сигналы от абонентов или от телевизионной сети. Мы этому давно не удивляемся, но ГСП одновременно «слушает» не менее трех спутников, а для точности — четыре. Спутники передают свои координаты, которые в каждый момент их нахождения на орбите известны. Расстояния до них, т.е. дальности, пересекаются в одной точке, которая и есть объект, расположенный на поверхности Земли, таким образом, решается простая геодезическая задача. Проблема состоит в том, что приемник-передатчик ГСП должен всегда «видеть» по крайней мере три, а для пущей точности — четыре спутника, а поэтому космический блок системы должен состоять из созвездия 24 — 30 спутников, постоянно вращающихся на заранее установленных орбитах, примерно на высотах порядка 20 км над Землей.
Вычисленные координаты, скажем, координаты быстро двигающегося автомобиля, моментально отражаются на карте, которая записана в навигационном устройстве и выводится на его экран. Вот тут-то и оказывается, что для правильной навигации нужно иметь точные и крупномасштабные карты. Главное же достоинство системы — ее глобальность, всепогодность, оперативность и высокая экономичность, а главное — автономность, независимость от наземной геодезической сети.
Спутниковые системы навигации широко применяются, прежде всего, в целях навигации (морской, авиа и наземной), в картографии, в строительстве, они позволяют следить за любыми быстро меняющимися объектами (т.е. осуществлять мониторинг) — от лесных пожаров до половодий; их используют и во многих других областях хозяйственной деятельности. Само собой разумеется, что системы спутниковой навигации всегда предусматривают двойное (гражданское и военное) назначение.
Впервые системы GPS были созданы в США (первоначальное их название NAVSTAR) в 90-е годы прошлого века. Теперь создается группировка российской системы, которая будет управляться российским, а не американским министерством обороны. Предусматривается, что она должна обладать еще и некоторыми техническими преимуществами, хотя, пока она не воплощена «в железо», это проверить невозможно.
Прогресс технологий спутниковой навигации в значительной степени зависит от точности картографических материалов. Действующая американская система ГСП (GPS), российская ГЛОНАСС, находящаяся в стадии комплектации, проектируемая европейская система GALILEO, китайская «Compass» или любая другая система навигации, мониторинга и контроля — будь то военные действия или передвижение автотуриста — нуждается в кондиционной картографической основе, имеющей полный объектовый состав информации и точность планового позиционирования не ниже нескольких метров. С этой точки зрения едва ли не самой важной задачей картографии является постоянное обновление карт, поддержание их в актуальном состоянии.
Сегодня программа ввода в действие системы ГЛОНАСС вызывает немало сомнений относительно достаточного числа спутников в этой системе, их стоимости и долговечности, комплектации отечественными или импортными деталями. Идут дискуссии по поводу конструктивных, энергетических и функциональных преимуществ отечественных приемопередатчиков по сравнению с давно зарекомендовавшими себя приемниками Garmin, TomTom, Magellan, анализируется потенциальная широта рынка и отечественная конкурентоспособность на международном рынке. Обсуждаются ожидаемая и необходимая точность позиционирования и мониторинга, режим приобретения и установки навигаторов
ГЛОНАСС на российском транспорте и многие другие технические, технологические, маркетинговые и экономические проблемы.
При всем разнообразии мнений и оценок не возникает сомнения в том, что развитие российской системы глобальной навигации должно оказать положительное стимулирующее воздействие на электронную картографию. Ясно, что одна из задач картографии сегодняшнего дня заключается в создании векторных и растровых электронных навигационных карт разного пространственного охвата, масштабов, назначения и содержания. Такие карты должны удовлетворять требуемой точности позиционирования для проектируемых навигационных средств и для решения разнообразных контрольно-мониторинговых задач.
В России, особенно в районах хозяйственного освоения и строительства, в настоящее время примерно две трети топографических карт устарели на 10—15 и более лет в отношении изображения населенных пунктов, дорожной сети, других техногенных и антропогенных объектов. Тенденция старения карт сегодня продолжается, объемы их обновления по-прежнему заметно отстают от объемов и скорости устаревания. И это наблюдается не на труднодоступных и отдаленных территориях, а в центральных районах страны. Проблема не только в недостаточном финансировании, но в постановке и в самой организации работы картографической службы. В России, самой большой на планете стране, престиж картографии утрачен. В последние десятилетия картографическое ведомство испытало много нелепых перестроек и сегодня практически сведено на нет. В 2008 г. государственная картографическая служба упразднена и лишь в качестве отдела включена в Росреестр — Федеральную службу госрегистрации, кадастра и картографии.
Для развития российской навигационной системы необходимы, прежде всего, точные карты, подробно показывающие все (без исключения) дороги, проезды, мосты и другие местные объекты, все здания и сооружения, вплоть до самых мелких строений. Это возможно лишь при снятии ограничительных грифов с крупномасштабных картографических документов, т.е. необходимо изготовить карты всех масштабов, свободно доступные каждому пользователю. После этого предстоит решить еще ряд технических задач, связанных с привязкой карт к существующей геодезической сети, созданием компактных электронных навигаторов, выведением на экран необходимой информации в реальном времени, «обучением» навигатора русскому языку и т.д. Есть немало подобного рода проблем, не вполне ясных пока даже специалистам. Но это все «дело техники», и российская наука и технология способны надежно их решить. Так что дело за малым.
