導航

在歐洲中世紀的時期，航行被認為是七個機械藝術的一部分，其中沒有一個被用於遠洋開放的長途航行。波利尼西亞導航可能是開放海洋航行的最早形式，它是基於記錄和觀察記錄在科學儀器，如馬紹爾羣島海圖波斯圖。早期的太平洋波利尼西亞人利用星星的運動，天氣，某些野生動物物種的位置，或波浪的大小來找到從一個島嶼到另一個島嶼的路徑。

使用諸如水手星座之類的科學儀器的海上航行首先發生在中世紀的地中海地區。雖然地平線星座是在希臘文化時期發明的，存在於古典古代和伊斯蘭黃金時代，但是海洋星座的最大紀錄是1295年以前的Majorcan天文學家Ramon Llull。這種導航儀器的完善歸功於葡萄牙導航員在發現時代的早期葡萄牙發現。最早知道如何製作和使用海洋星座的描述來自西班牙宇宙學家梅爾文·梅爾（Melvin Mel）的優點Cespedes的Arte de Navegar（導航藝術），出版於1551年，基於構建埃及金字塔的構建原理。 ^[1] 

在十五世紀的“發現時代”期間開始使用星光輪和指南針的海洋航行。葡萄牙人從1418年開始系統地探索非洲大西洋海岸，由亨利王子贊助。在1488年，Bartolomeu Dias通過這條路線到達了印度洋。在1492年，西班牙君主資助了克里斯托弗·哥倫布的遠征，通過穿過大西洋，從而向西方航行到達印度，導致了美國的發現。1498年，瓦斯科達伽馬指揮的葡萄牙遠征隊通過在非洲各地航行達成印度，開放與亞洲的直接貿易。不久之後，葡萄牙在1512年進一步向東進入了香料島，一年後登陸中國。

地球的第一次環遊行於1522年完成，與麥哲倫 - 埃爾卡諾考察隊，由葡萄牙探險家費迪南·麥哲倫（Ferdinand Magellan）率領的西班牙探險之旅，由西班牙導航員胡安·塞巴斯蒂安·埃爾卡諾（Juan Sebastián Elcano）於1521年在菲律賓去世後完成。七隊船隻於1519年從西班牙南部的Sanlúcarde Barrameda航行，穿過大西洋，經過幾次中途停留，南美南部的南端。有些船隻失蹤，但其餘的艦隊繼續橫跨太平洋，發現包括關島和菲律賓在內的一些發現。 ^[2]  那時，原來的七隻只剩下兩艘大帆船。由Elcano領導的維多利亞沿着非洲海岸的印度洋和北部航行，終於在1522年抵達西班牙，離開後三年。特立尼達從菲律賓東部航行，試圖找到一條回到美洲的航道，但沒有成功。跨越太平洋的東線，也被稱為tornaviaje（回程）僅在四十年後才發現，西班牙宇航員安德烈斯·德·烏爾丹內塔（Andrésde Urdaneta）從菲律賓北部平行39度，並向東走向黑潮，橫跨太平洋。他於1565年10月8日抵達阿卡普爾科。

該術語源於1530年代，從拉丁語navematio（navigatio），navigatus，navigare的“帆船，海上航行，引導船”，從navis“船”和agere的根“駕車”。

大體上，地球上的一個地方的緯度是赤道北或南的角度。緯度通常用度數（標記為°）表示，從赤道0°到北極和南極90°。北極的緯度為90°N，南極的緯度為90°。水手通過用六分儀瞄準北極北極星並使用視力減小表來校正眼睛的高度和大氣折射，計算北半球的緯度。在地平線以上的北極星座的高度是觀察者的緯度，在一定程度以內。

與緯度類似，地球上的一個地方的經度是原始子午線或格林威治子午線的東西或以西的角距。經度通常以從格林威治子午線0°到東西方向180°的度數（標記為°）表示。例如，悉尼東部的經度約為151度。紐約市西經74度。對於絕大多數的歷史，海員們努力確定經度。如果瞄準的精確時間已知，可以計算經度。缺乏這一點，人們可以使用六分儀來測量月球距離（也稱為月球觀測，或簡稱“月球”），使用航海年曆可以用於計算零經度時間（見格林尼治標準時間）。可靠的海洋計時器直到18世紀末都不可用，直到19世紀才能承受。大約一百年，從大約1767年到大約1850年，缺少一個計時碼錶的水手使用月球距離的方法來確定格林威治時間找到他們的經度。帶有計時器的水手可以使用格林威治時間的月球測定來檢查其閲讀。

在導航中，一條垂直線（或變態曲線）是以相同角度穿過所有經度的經線，即從定義的初始方位得到的路徑。也就是説，在採取初始方位時，沿着相同的方位進行，而不改變相對於真或北極測量的方向。 ^[3] 

大多數現代導航主要依靠從衞星收集信息的接收機以電子方式確定。大多數其他現代技術依賴於交叉路線或LOP。一行位置可以指兩種不同的東西，一種是圖表上的一行，也可以是觀察者和現實生活中的物體之間的一條線。如果導航儀測量現實生活中的方向，則可以在航海圖上繪製角度，導航儀將在圖表上的該線上。 ^[4] 

導航儀還經常測量與物體的距離。在圖表上，距離產生一個圓或圓弧的位置。圓圈，圓弧和位置的雙曲線通常被稱為位置線。如果導航員畫兩條線，他們相交就必須在那個位置。一個修復是兩個或更多個LOP的交集。如果只有一行位置可用，則可以針對航位推算位置進行評估，以建立估計位置。位置的線（或圓）可以從各種來源得出：

天體觀測（等高的圓的短段，但一般表示為一條線）

當兩個圖形點被觀察到彼此相符時，地球範圍（自然或人造）

指南針到一個圖表對象

雷達範圍到一個圖表對象

在某些海岸線上，從回聲測深儀或手引線發出的深度。

今天很少有一些方法，例如“蘸光”來計算從觀察者到燈塔的地理範圍，歷史上導航方法發生了變化，每種新方法都提高了船員完成航程的能力。導航員必須做出的最重要的判斷之一是最好的使用方法。表中列出了某些類型的導航。

通過精神導航檢查，飛行員或導航員估計軌道，距離和高度，從而幫助他或她避免導航錯誤。

試點（也稱為引航）涉及通過視覺參考地標航行飛機，或限制水域的水船，並且儘可能頻繁地固定其位置。比其他導航階段更為重要，正確的準備和對細節的關注很重要。程序從船隻到船隻，軍事，商業和私人船隻之間有所不同。 ^[5] 

軍事導航隊幾乎總是由幾個人組成。一名軍事導航員可能會承擔着駐紮在橋樑上的陀螺儀中繼器，以便採取同時進行的方位，而民用航空器必須經常採取和繪製自己。雖然軍事導航員將有一本軸承書，有人記錄每個固定的條目，但民用導航員只會在圖表上進行軸承試驗，而不是完全記錄。

如果船舶配備了ECDIS，導航員只需在選定的軌道上監視船舶的進度是合理的，視覺上確保船舶正在按要求進行，只能偶爾檢查指南針，發聲器和其他指示器。如果一個飛行員在船上，在最受限制的水域通常是這樣，他的判斷一般可以依靠，進一步減輕工作量。但是，如果ECDIS失敗，導航員將不得不依靠他的手冊和經過時間考驗的程序的技能。

天體導航系統是基於觀察太陽、月球、行星和導航星的位置。這種系統也用於陸地導航，如星際導航。通過知道旋轉地球上的哪一個天體物體位於上方，並測量其高度在觀測者的地平線以上，導航員可以確定與該子點的距離。使用航海年曆和海洋計時器來計算地球上的一個天體已經結束的子點，並且使用六分儀來測量身體在地平線上方的角高度。然後，該高度可用於計算從子點的距離以創建圓形的位置線。導航員連續拍攝了一些星星，以提供一系列重疊的位置。它們相交的地方是天體修復。也可以使用月亮和太陽。太陽也可以自己使用，以拍攝一連串的位置（最好在當地中午完成）來確定一個位置。 ^[6] 

（1）海洋計時錶

為了準確測量經度，必須記錄六分儀瞄準的精確時間（如果可能，至少二分之一）。誤差的每秒相當於經度誤差的15秒，在赤道處是海洋位置誤差為.25，大約是人工天文導航的精度極限。

彈簧式海洋計時器是船上使用的精密時計，為天文觀測提供準確的時間。計時器與彈簧驅動的手錶不同，主要在於它包含一個可變槓桿裝置，以保持主發條上的均勻壓力，以及設計用於補償温度變化的特殊平衡。

彈簧驅動的計時器大約設置為格林尼治標準時間（GMT），並且在儀器進行大修和清潔（通常為三年間隔）之前不會重置。GMT和計時器時間之間的差異被仔細地確定並應用於所有計時器讀數的校正。春天驅動的計時器必須每天大約在同一時間傷口。

石英晶體海洋計時器由於其更高的精度，已經在許多船上更換了彈簧驅動的計時錶。他們被保持在格林尼治標準時間直接從無線電時間信號。這消除了計時器誤差和觀察誤差校正。如果秒針誤差可讀，則可以電覆位。

時間生成的基本要素是石英晶體振盪器，石英晶體進行温度補償，並密封在真空的外殼中。提供校準的調整能力來調整晶體的老化。

計時器設計為在一套電池上運行至少1年。觀察時間可能是時間，船時鐘設置了一個比較表，設置為計時器時間，並被帶到橋翼記錄視線時間。實際上，使用計時錶與最近的秒鐘配合的手錶將是足夠的。

一個秒錶，無論是彈簧還是數字，也可以用於天體觀察。這種情況下，手錶以已知的GMT由天文台啓動，並且每個視線的經過時間被添加到此以獲得視線的GMT。

應使用無線電時間信號定期檢查所有計時錶和手錶。無線電時代信號的時間和頻率列在諸如Radio Navigational Aids的出版物中。

（2）海洋六分儀

天體導航的第二個重要組成部分是測量觀測者在天體和敏感視野之間形成的角度。六分儀，光學儀器，用於執行此功能。六分儀由兩個主要組件組成。框架是剛性三角形結構，在頂部具有樞軸，在底部具有稱為“弧”的圓弧的刻度段。第二個部件是分度臂，它連接在框架頂部的樞軸上。底部是一個無盡的遊標，夾在“弧”底部的牙齒上。光學系統由兩個鏡子組成，一般由低功率望遠鏡組成。稱為“折射鏡”的一個鏡子固定在索引臂的頂部，在樞軸上。當分度臂移動時，此鏡子旋轉，圓弧上的刻度刻度表示測量角度（“高度”）。 ^[7] 

被稱為“地平線玻璃”的第二個鏡子被固定在框架的前面。一半的地平線玻璃被鍍銀，另一半是透明的。來自天體的光撞擊分光鏡，並被反射到地平線玻璃的鍍銀部分，然後通過望遠鏡回到觀察者的眼睛。觀察者操縱索引臂，使得地平玻璃中的身體的反射圖像正好靠在視野水平線上，通過地平線玻璃的透明側看。

六分儀的調整包括檢查和對齊所有光學元件以消除“指數校正”。每次使用六分儀時，都應使用地平線或更優選星號進行索引校正。通過雲層和朦朧的地平線，從滾動船的甲板上採集天文觀測的做法，迄今為止是天文導航中最具挑戰性的部分。

慣性導航系統是基於運動傳感器計算其位置的航位推算型導航系統。一旦建立初始緯度和經度，系統將從運動檢測器接收脈衝，測量沿三個或更多軸的加速度，使其能夠連續準確地計算當前緯度和經度。與其他導航系統相比，其優點是，一旦設置了起始位置，就不需要外部信息，不會受到惡劣天氣條件的影響，不能被檢測到或卡住。其缺點在於，由於當前位置僅由先前位置計算，所以其誤差是累積的，以與初始位置輸入以來的時間大致成比例的速率增加。因此，慣性導航系統必須經常用其他類型的導航系統的位置“修復”進行糾正。美國海軍在北極星導彈計劃期間開發了船舶慣性導航系統（SINS），以確保其導彈潛艇的安全，可靠和準確的導航系統。慣性導航系統廣泛使用，直到衞星導航系統（GPS）可用。慣性導航系統仍然在潛艇上普遍使用，因為GPS接收或其他固定源在潛水時不可能。

（1）無線電導航

無線電取向器或RDF是用於找到無線電源的方向的設備。由於無線電能夠“遠離地平線”旅行很長的距離，因此可能會在距離陸地飛行的船隻和飛機上形成一個特別好的導航系統。

RDF通過旋轉定向天線並監聽來自已知站的信號最強烈地通過的方向來工作。這種制度在20世紀30年代和40年代被廣泛使用。RDF天線很容易發現在德國二戰飛機上，作為機身後部的環路，而大多數美國飛機將天線封閉在一個小淚珠狀整流罩上。

在導航應用中，RDF信號以無線電信標的形式提供，這是無線電版本的燈塔。信號通常是莫爾斯碼系列字母的簡單的AM廣播，RDF可以調諧以查看信標是否“空中”。大多數現代探測器也可以調諧任何商業廣播電台，這是特別有用的，因為它們在主要城市附近的高功率和位置。 ^[8] 

Decca，OMEGA和LORAN-C是三個類似的雙曲線導航系統。Decca是一個雙曲線的低頻無線電導航系統（也稱為多邊），這是在二戰期間首次部署的，當盟軍需要一個可用於實現準確着陸的系統時。與羅蘭C的情況一樣，其主要用途是沿海水域航行。漁船是戰後的主要用户，但也被用於飛機，包括早期（1949年）的移動地圖顯示應用。該系統部署在北海，由直升機用於石油平台。

歐米茄導航系統是第一個真正的全球無線電導航系統，由美國與六個合作伙伴國家合作運營。歐米茄是美國海軍為軍事航空用户開發的。它於1968年獲得批准用於發展，並承諾在全球範圍內提供真正的海洋覆蓋能力，只有八台變送器，並且能夠在固定位置時達到四英里（6公里）的精度。最初，該系統將用於將北極的核轟炸機導航到俄羅斯。後來發現對潛艇有用由於全球定位系統的成功，歐米茄在二十世紀九十年代的使用量下降至歐米茄經營成本無法證明。歐米茄於1997年9月30日終止，所有車站停止運行。

LORAN是使用低頻無線電發射機的地面導航系統，其使用從三個或更多個站接收的無線電信號之間的時間間隔來確定船舶或飛機的位置。當前版本的LORAN通常使用的是LORAN-C，其操作在EM頻譜的低頻部分，從90到110kHz。許多國家是這個制度的使用者，包括美國，日本和幾個歐洲國家。俄羅斯在同一頻率範圍內使用了幾乎完全相同的系統，稱為CHAYKA。LORAN的使用正在急劇下降，GPS是主要的替代品。但是，有增加和重新普及LORAN的嘗試。LORAN信號不易受干擾，並且可以比GPS信號更好地滲入葉子和建築物。

（2）雷達導航

當船舶在雷達雷達範圍內或特殊雷達輔助導航系統時，導航儀可以將距離和角度軸承用於圖表對象，並使用它們在圖表上確定位置和位置線。由雷達信息組成的固定稱為雷達定位。

雷達固定的類型包括“距離和軸承到單個物體”、“兩個或更多個軸承”、“切線軸承”和“兩個或更多個範圍”。

平行索引是William Burger在1957年的“雷達觀察者手冊”中定義的一種技術。這種技術涉及在屏幕上創建一條平行於船舶航道的航線，但是偏移到左邊或右邊一段距離。這條平行線允許導航儀保持一定距離遠離危險。

針對特殊情況開發了一些技術。一種稱為“輪廓法”的方法是將雷達屏幕上的透明塑料模板標記並移動到圖表中以固定位置。

另一種被稱為富蘭克林連續雷達繪圖技術的特殊技術涉及如果船舶停留在計劃中的路線上，則應在雷達顯示屏上繪製雷達物體應遵循的路徑。在過境期間，導航員可以通過檢查該點位於繪製線上來檢查船舶是否正在軌道上。

（3）衞星導航

全球導航衞星系統或全球導航衞星系統是提供全球覆蓋定位的衞星導航系統的術語。 GNSS允許小型電子接收機使用通過無線電從衞星沿視線傳輸的時間信號來確定它們在幾米內的位置（經度、緯度和高度）。固定位置的地面接收器也可用於計算精確時間，作為科學實驗的參考。

截至2011年10月，僅有美國NAVSTAR全球定位系統（GPS）和俄羅斯GLONASS才是全球運行的全球導航衞星系統。歐盟的伽利略定位系統是初始部署階段的下一代GNSS，計劃於2013年投入運行。中國已經表示可能將其北部地區的北斗導航系統擴展到全球系統。 ^[9] 

超過二十二顆GPS衞星在中等地球軌道，發射信號，允許GPS接收機確定接收機的位置，速度和方向。

自1978年第一台實驗衞星發射以來，GPS已成為世界各地不可或缺的導航輔助工具，也是地圖繪製和土地勘測的重要工具。GPS還提供了許多應用中使用的精確時間參考，包括地震的科學研究和電信網絡的同步。

GPS由美國國防部發起，正式命名為NAVSTAR GPS（導航衞星定時和遠程全球定位系統）。衞星星座由美國空軍第50太空飛船管理。維護該系統的費用每年約為7.5億美元，包括更換老化衞星以及研究與開發。儘管如此，GPS作為公共利益是免費民用的。

導航工作是與謹慎導航一致的一小部分任務。軍事和民用船舶以及從船舶到船舶的定義將有所不同，但形式類似於：

（1）維持連續的推算情節。

（2）在早晨暮光中採取兩個或更多的星座觀察，以進行天文修復（謹慎觀察6顆星星）。

（3）早晨的太陽觀察。可以在經度垂直或靠近黃金垂直方向，或在任何時候處於一個位置。

（4）通過太陽的方位角觀測確定羅盤誤差。

（5）間隔時間到中午計算，觀察當地明顯中午的時間，以及子午線或子午線視野的常數。

（6）中午經緯線上午經絡或子午線觀察太陽。運行修復或十字架與金星線中午修復。

（7）中午決定一天的運行和一天的設定和漂移。

（8）至少有一個下午的陽光線，以防星星在暮光不見。

（9）通過太陽的方位角觀測確定羅盤誤差。

（10）在傍晚的黃昏，採取兩個或兩個以上的星光觀察，以進行天文修復（謹慎觀察6顆星星）。

通行規劃或航程規劃是從開始到結束開發船隻航行的完整描述的程序。該計劃包括離開碼頭和港區，航程的途中部分，靠近目的地和停泊處。根據國際法，一艘船隻的船長對通行規劃負有法律責任，但是對於較大的船隻，任務將被委託給船舶導航員。 ^[10] 

研究表明，人為錯誤是導航事故80%的一個因素，在許多情況下，人為錯誤可以獲得可以預防事故的信息。航行規劃的實踐從航海圖上的鉛筆演變為風險管理過程。

通過規劃包括四個階段：評估、規劃、執行和監測，這些階段在國際海事組織決議A.893（21），“航行規劃指南”中有所規定，這些準則體現在當地海事組織簽署國的法律（例如美國聯邦法規第33號）和一些專業書籍或出版物。根據船舶的尺寸和類型，有五十個綜合通道計劃的要素。

評估階段處理與擬議航程相關的信息的收集以及確定風險並評估航行的主要特徵。在下一階段，創建了書面計劃。第三階段是執行最終航行計劃，考慮到可能出現的任何特殊情況，例如天氣變化，可能需要進行審查或更改。通行規劃的最後階段包括監測船舶在計劃方面的進展情況，以及應對偏差和不可預見的情況。