ناوبری یک زمینه مطالعاتی است که بر فرآیند نظارت و کنترل حرکت یک کشتی یا وسیله نقلیه از یک مکان به مکان دیگر متمرکز است. تجهیزات و سامانه‌های ناوبری یا به طور کلی رشته ناوبری شامل چهار دسته کلی است: ناوبری زمینی، ناوبری دریایی، ناوبری هوائی و ناوبری فضایی.
معرفی تجهیزات و سامانه‌های ناوبری
ناوبری یک زمینه مطالعاتی است که بر فرآیند نظارت و کنترل حرکت یک کشتی یا وسیله نقلیه زمینی یا هوائی از یک مکان به مکان دیگر متمرکز است. رشته ناوبری شامل چهار دسته کلیِ ناوبری زمینی، ناوبری دریایی، ناوبری هوائی و ناوبری فضایی است. در معنای وسیع‌تر می‌تواند به هر مهارت یا مطالعه‌ای اشاره داشته باشد که مستلزم تعیین موقعیت و جهت باشد. به این معنا، ناوبری شامل جهت‌یابی و پیمایش وسیله‌ی موردنظر از یک مکان به مکان دیگر است. به تعبیر دیگر ناوبری هنر و دانشی است که نحوه‌ی هدایت کشتی را در آبهای بیکران از طریق امن‌ترین و کوتاه‌ترین راه از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر آموزش می‌دهد.
تاریخچه تجهیزات و سامانه‌های ناوبری
این علم در حدود ۸۰۰۰ سال پیش که در شرق مدیترانه وجود داشته است، بسیار ابتدائی بود در صورتی که امروزه ناوبری به صورت کاملاً علمی انجام می‌گیرد. ابزار اسطرلاب دریایی اولین ابزار علمی در ناوبری دریایی است. ناوبری دریایی با استفاده از ابزارهای علمی مانند اسطرلاب دریایی (شکل زیر) اولین بار در مدیترانه در قرون وسطی رخ داد. اسطرلاب‌های خشکی در دوره هلنیستی اختراع شدند و در دوران باستان کلاسیک و عصر طلایی اسلامی وجود داشتند. اما قدیمی‌ترین سابقه اسطرلاب دریایی مربوط به ستاره شناس رامون لول است که مربوط به سال ۱۲۹۵ می‌باشد. ابزار ناوبری را دریانوردان پرتغالی در اکتشافات اولیه در عصر اکتشاف تکمیل کرده‌اند. اولین توصیف شناخته شده در مورد چگونگی ساخت و استفاده از اسطرلاب دریایی از کیهان‌شناس اسپانیایی مارتین کورتس در سال ۱۵۵۱ منتشر شد.
یک سفر دریایی در حدود ۳۲۵ سال قبل از میلاد توسط پی‌تیز به ثبت رسید. این سفر جهت کشف سواحلی از دریای مدیترانه به انگلستان رفت و از آنجا به نروژ و سواحل آلمان و سواحل دریای شمال سفر کرده بود. در سال ۱۵۱۵ میلادی ماژلان در اقیانوس آرام دریانوردی می‌کرد. او از لوازم کمک ناوبری مثل قطب‌نما، زاویه‌سنج، ساعت شنی، سرعت‌سنج و نقشه‌هایی که بر روی پوست حیوانات ترسیم کرده بود استفاده می‌نمود. در سال ۱۵۵۷ میلادی پرتولانوس با نقشه‌هایی دقیق‌تر دریانوردی کرد و کتابی به نام هنر ناوبری منتشر کرد. در قرن یازدهم وایکینگ‌ها از قطب‌نما استفاده می‌کردند. قرن ۱۸ میلادی کرونومتر اختراع شد و دریانوردان را قادر ساخت تا عرض جغرافیایی را محاسبه کنند. در قرن بیستم جایرو یا همان قطب‌نمای الکتریکی اختراع شد. امروزه وسایل کمک ناوبری، عمق‌یاب الکترونیکی، رادار و سونار، گیرنده و فرستنده‌های الکترونیکی همچون رادارهای غیرفعال چندپایه مثل دکا، لوران بوجود آمدند.
ناوبری دریایی
سیستم ناوبری لوران
LORAN، مخفف ناوبری برد بلند است. در اینجا تجهیزات و سامانه‌های ناوبری، یک سیستم ناوبری رادیویی مبتنی بر مکان هندسی هذلولی شکل (براساس TDOA) بود. این فناوری در طول جنگ جهانی دوم در ایالات متحده توسعه یافت. این سیستم مشابه سیستم Gee انگلستان بود، اما در فرکانس‌های پایین‌تر کار می‌کرد تا برد بیشتری را نسبت به آن فراهم کند. این برد تا ۱۵۰۰ مایل (۲۴۰۰ کیلومتر) با دقت ده‌ها مایل می‌رسد. این سیستم اولین بار برای کاروان کشتی‌هایی که از اقیانوس اطلس عبور می‌کردند و سپس توسط هواپیماهای گشتی دوربرد مورد استفاده قرار گرفت اما کاربرد اصلی خود را در کشتی‌ها و هواپیماهای فعال در اقیانوس آرام در طول جنگ جهانی دوم یافت.
LORAN، در شکل اولیه خود، یک سیستم گران قیمت برای پیاده سازی بود که به نمایشگر لوله اشعه کاتدی (CRT) نیاز داشت. این استفاده و کاربرد محدود برای نظامیان و کاربران تجاری بزرگ است. نیروی دریایی ایالات متحده توسعه Loran-B را آغاز کرد که دقتی در حدود چند ده فوت ارائه می‌داد، اما با مشکلات فنی قابل توجهی مواجه شد. در ادامه نیروی هوایی ایالات متحده بر روی یک مفهوم متفاوت کار کرد. نیروی دریایی که این مفهوم را به عنوان Loran-C پذیرفت، برد بیشتری نسبت به LORAN و دقت صدها فوت ارائه می‌داد. گارد ساحلی ایالات متحده عملیات هر دو سیستم را در سال ۱۹۵۸ به کار گرفت.
علی‌رغم بهبود چشمگیر عملکرد Loran-C، LORAN، که اکنون با نام Loran-A یا (Standard LORAN) شناخته می شود، در این دوره بسیار محبوب‌تر شد. این امر عمدتاً به دلیل تعداد زیاد واحدهای Loran-A مازاد آزاد شده از نیروی دریایی بود زیرا کشتی‌ها و هواپیماها مجموعه خود را با Loran-C جایگزین کردند. معرفی گسترده میکروالکترونیک‌های ارزان قیمت در طول دهه ۱۹۶۰ باعث شد که قیمت گیرنده‌های Loran-C به طور چشمگیری کاهش یابد و استفاده از Loran-A به سرعت شروع به کاهش کرد. Loran-A در دهه ۱۹۷۰ برچیده شد. این شبکه تا سال ۱۹۸۰ در آمریکای شمالی و تا سال ۱۹۸۵ در بقیه نقاط جهان فعال باقی ماند. یک زنجیره ژاپنی تا ۹ مه ۱۹۹۷ روی آنتن باقی ماند و یک زنجیره چینی همچنان تا سال ۲۰۰۰ فعال بود.
سیستم ناوبری دکا
تجهیزات و سامانه‌های ناوبری دکا، یک سیستم ناوبری رادیویی هذلولی بود که به کشتی‌ها و هواپیماها اجازه می‌داد موقعیت خود را با استفاده از سیگنال‌های رادیویی از یک سیستم اختصاصی فرستنده‌های رادیویی ساکن تعیین کنند. این سیستم از مقایسه فاز دو سیگنال فرکانس پایین بین ۷۰ تا ۱۲۹ کیلوهرتز، برخلاف سیستم‌های زمان‌بندی پالس مانند Gee و LORAN استفاده می‌کند. این امر طراحی گیرنده‌ها را با استفاده از وسایل الکترونیکی دهه ۱۹۴۰ بسیار آسان‌تر کرد و عملکرد با بازخوانی مستقیم مختصات Decca بدون پیچیدگی یک لوله پرتو کاتدی و اپراتور بسیار ماهر، ساده‌تر شد.
این سیستم در ایالات متحده اختراع شد، اما توسعه توسط Decca در بریتانیا انجام شد. نیروهای متفقین به سیستم دقیقی نیاز داشتند که آلمانی‌ها آن را نمی‌شناختند و بنابراین عاری از پارازیت بود. پس از جنگ، از لیست مخفی خارج شد و به صورت تجاری توسط شرکت Decca توسعه یافت. در ادامه این سیستم در سراسر انگلستان مستقر شد و بعداً در بسیاری از مناطق در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفت. در اوج آن، حدود ۱۸۰ ایستگاه فرستنده وجود داشت که از زنجیره سه یا چهار فرستنده استفاده می‌کردند تا با ترسیم خطوط الکترونیکی متقاطع، موقعیت را تعیین کنند.
استفاده اولیه دکا برای ناوبری کشتی در آبهای ساحلی بود که دقت بسیار بهتری نسبت به سیستم رقیب LORAN ارائه می‌کرد. کشتی‌های ماهیگیری از کاربران اصلی پس از جنگ بودند. این سیستم به طور گسترده در دریای شمال مستقر شده بود و توسط هلیکوپترهایی که برای سکوهای نفتی عملیات می‌کردند استفاده می‌شد. باز کردن پای سیستم دقیق‌تر Loran-C برای استفاده غیرنظامی در سال ۱۹۷۴ رقابت سختی را با دکا به همراه داشت، اما دکا در این زمان به خوبی تثبیت شده بود و عملیات خود را تا سال ۲۰۰۰ ادامه داد. ناوبری دکا در نهایت همراه با لوران و سیستم‌های مشابه با GPS در سال ۲۰۰۰ جایگزین شد، زمانی که برای استفاده عمومی در دسترس قرار گرفت.
ناوبری هوایی
اصول اولیه ناوبری هوائی با ناوبری عمومی یکسان است که شامل فرآیند برنامه‌ریزی، ثبت و کنترل حرکت کشتی یا هر وسیله نقلیه‌ی دیگر از مکانی به مکان دیگر می‌شود. ناوبری هوائی موفقیت آمیز شامل هدایت هواپیما از مکانی به مکان دیگر بدون گم شدن، عدم نقض قوانین مربوط به هواپیما، یا به خطر انداختن ایمنی سرنشینان یا افراد روی زمین است.
ناوبری هوائی با ناوبری شناورهای سطحی از چندین جهت متفاوت است. هواپیماها با سرعت نسبتاً بالایی حرکت می‌کنند و زمان کمتری برای محاسبه موقعیت خود در مسیر باقی می‌گذارند. هواپیما معمولاً نمی‌تواند در هوا متوقف شود تا موقعیت خود را مشخص کند. هواپیماها از نظر میزان سوختی که می‌توانند حمل کنند از نظر ایمنی و دیگر الزامات محدود می‌شوند. یک وسیله نقلیه سطحی معمولاً ممکن است گم شود، سوخت آن تمام شود، سپس به سادگی در انتظار نجات باشد. برای اکثر هواپیماها هیچ امداد در حین پرواز وجود ندارد. علاوه بر این، برخورد با موانع معمولاً کشنده است. بنابراین، آگاهی مداوم از موقعیت برای خلبانان هواپیما حیاتی است.
تکنیک‌های مورد استفاده برای ناوبری در هوا به این بستگی دارد که آیا هواپیما تحت قوانین پرواز بصری VFR (Visual Flight Rules) یا قوانین پرواز با ابزار IFR (Instrument Flight Rules) پرواز می‌کند. در حالت دوم، خلبان منحصراً با استفاده از ابزار و وسایل کمک ناوبری رادیویی مانند چراغ‌ها یا طبق کنترل رادار توسط کنترل ترافیک هوائی هدایت خواهد شد. در مورد VFR، یک خلبان تا حد زیادی با استفاده از مشاهدات بصری، با ارجاع به نقشه‌های مناسب، پیمایش می‌کند. این ممکن است با استفاده از کمک‌های ناوبری رادیویی یا سیستم های موقعیت‌یابی مبتنی بر ماهواره تکمیل شود. بسیاری از خلبانان از GPS به عنوان ابزاری کمکی برای ناوبری قوانین پرواز بصری VFR استفاده می‌کنند، زیرا VFR به معنای دیدن زمین به اندازه کافی برای تأیید موقعیت خود در نقشه است.
برای آشنایی با سایر حوزه‌های فعالیت گروه توسعه فناوری زعیم وارد این لینک شوید.