Что должен знать и уметь оператор коптера. Часть 6. Ориентирование на земле и в полете

1.1. Основные понятия о топографической карте

Карта – графическое изображение земной поверхности или отдельных ее частей, выполненное на плоскости по определенному математическому закону. Это изображение получается искаженным, так как невозможно развернуть земную поверхность на плоскость без разрывов и складок в отдельных ее местах. Искажения проявляются в несоответствии длин, углов и площадей их действительным величинам, поэтому масштаб карты является переменной величиной. Различают главный и частный масштабы.

Главный масштаб – степень общего уменьшения Земли до размеров глобуса, который затем проектируется на плоскость. Этот масштаб указывается под южной рамкой карты и в нем обычно выполняются все измерения. Главный масштаб численно равен отношению длины любого отрезка на поверхности глобуса к соответствующей ей длине на поверхности Земли.

Частный масштаб – отношение бесконечно малого отрезка на карте в данной ее точке по данному направлению к соответствующему бесконечно малому отрезку на поверхности Земли. В общем случае частный масштаб является переменной величиной не только в различных точках карты, но и по различным направлениям в данной точке.

1.2. Изображение земной поверхности на карте

Географическое положение точек земной поверхности определяется их координатами. Поэтому для построения картографического изображения необходимо спроектировать на плоскость (карту) шарообразную поверхность Земли при строгом соблюдении соответствия между координатами точек на земной поверхности и координатами их изображения на карте. Поэтому для проектирования необходимо знать форму и размеры Земли. При этом, под формой Земли понимается не физическая ее поверхность – сложные сочетания возвышенностей и низменностей, а некоторая условная поверхность среднего уровня Мирового океана в состоянии полного покоя, которая как бы покрывает всю планету и перпендикулярна в любой ее точке к направлению отвесной линии (направлению силы тяжести). Такая поверхность называется уровенной поверхностью.

Фигура Земли, образованная уровенной поверхностью, совпадающей с поверхностью Мирового океана в состоянии полного покоя и равновесия воды и продолженная под материками и островами, называется геоидом.

Поверхность геоида, проходящая в районах материков под уровнем рельефа местности называется средним уровнем моря, от которого отсчитывается высота рельефа и другие высоты.

Поверхность геоида имеет неправильную, в геометрическом отношении весьма сложную фигуру с неравномерно изменяющейся кривизной, поэтому не может быть выражена простым математическим уравнением. Поэтому для упрощения различных выражений геоид заменяется эллипсоидом вращения, имеющим правильную геометрическую форму и незначительно отличающимся от геоида.

Эллипсоид, характеризующий фигуру и размеры Земли, называют земным эллипсоидом. Его экваториальный радиус (а) равен 6378 км, а полярный радиус (b) – 6357 км

Для задания системы координат и издания карт каждое государство выбирает для своей территории эллипсоид таких размеров и такой формы, чтобы он как можно ближе подходил к поверхности геоида на этой территории. Это позволяет с минимальными погрешностями перенести точки с геоида на эллипсоид, чтобы затем «развернуть» его на плоскость.

В основе всех картографических работ на территории СССР и постсоветских стран – эллипсоид Ф. Н. Красовского. Размер его большой полуоси (радиус экватора, a) 6378245 м, малой полуоси (расстояние от плоскости экватора до полюса, b) – 6 356 863 м.

Сжатие эллипсоида – с = (a – b) / a = 21382 / 6378245 = 0, 00335233

Так как сжатие невелико, то форма Земли мало отличается от шара.

Поэтому при решении многих навигационных задач, не требующих высокой точности, Земля принимается за шар с R=6371 км. При этом допуске максимальные ошибки в определении длин могут составить 0,5%, а в определении направления – 12».

Зная радиус Земли, можно рассчитать длину большого круга (меридиана и экватора):

L = 2πR = 2·3,14·6371=40000 км.

Зная длину большого круга, можно найти длину дуги меридиана (экватора) в 1° или в 1»:

1° дуги меридиана (экватора) = L/360°= 111 км,

1« дуги меридиана (экватора) = 111/60» = 1,853 км=1 морская миля.

Длина каждой параллели меньше длины экватора и зависит от широты места:

Lпар=Lэкв· соsφпар

1.3. Картографические проекции

Картографическая проекция – способ изображения земной поверхности на плоскости: сначала поверхность земного шара переносится на глобус определенного размера, а с глобуса – на плоскость. Поэтому никакая картографических проекций не может сохранять большие территории без искажения формы.

Для иллюстрации искажений используется индикатриса Тиссота (Tissot’s Indicatrix) – проекция небольшого круга (кружка), изображенного на поверхности земного шара. При переносе на карту круг станет эллипсом, расплющенным или растянутым проекцией. Размер и форма индикатрисы изменяются от одной части карты к другой, отображая эффекты искажения проекций.

По типу искажений картографические проекции подразделяются на равноугольные, равнопромежуточные, равновеликие и произвольные.

Равноугольные – проекции, в которых направления и углы изображаются без искажений, в результате чего сохраняется равенство частных масштабов по меридиану и по параллели. Также малые формы сохраняются без искажений, а площади и расстояния искажены.

В такой проекции кружок на глобусе будет на карте также кружком, отличающимся от оригинала только площадью.

Карты в равноугольных проекциях широко используются в аэронавигации, так как позволяют наиболее просто измерять направления и углы. Кроме того, практически без искажений передается конфигурация небольших площадных ориентиров, что важно для ведения визуальной ориентировки в полете.

Равновеликие (равноплощадные) – проекции, в которых площадь изображаемой фигуры равна площади этой же фигуры на глобусе, но углы и форма искажены. Поэтому кружок на глобусе будет на карте равновеликим эллипсом.

Равнопромежуточные – проекции, в которых длины по определенным направлениям изображаются без искажений, т.е. масштаб сохраняется вдоль одной или нескольких линий, либо сохраняется истинный масштаб между одной или двумя точками и каждой другой точкой на карте. Кружок на глобусе в такой проекции на карте будет эллипсом, одна из полуосей которого равна радиусу кружка.

Равнопромежуточные проекции применяются главным образом для создания мелкомасштабных справочных карт.

Произвольные – проекции, не сохраняющие ни одно из указанных выше свойств. Но так как при решении задач аэронавигации измеряются углы и расстояния, поэтому иногда лучше иметь произвольную проекцию, которая дает весьма незначительные искажения углов и длин.

По способу построения (по виду меридианов и параллелей) картографические проекции делятся на конические, поликонические, азимутальные, цилиндрические и специальные. В основе этого деления – использование при проектировании вспомогательной геометрической поверхности: для получения конической проекции – конус, поликонической – несколько конусов, цилиндрической – цилиндр.

Азимутальные проекции – перенесение поверхности глобуса непосредственно на плоскость.

Специальные проекции строятся без использования вспомогательной поверхности.

Вспомогательная геометрическая поверхность может быть ориентирована относительно оси глобуса по-разному. Поэтому различают проекции:

нормальные – ось поверхности или перпендикуляр к плоскости совпадает с осью глобуса;

поперечные – угол между осями равен 90°;

косые – угол между осями больше нуля и меньше 90°.

Каждая вспомогательная геометрическая поверхность может быть касательной к глобусу или секущей его, что влияет на распределение частных масштабов на карте.

Аэронавигационные и топографические карты масштабов 1: 500000 и крупнее составлены в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса, которая строится следующим образом: вся поверхность Земли разделяется на зоны меридианами, долготы которых кратны 6°, и каждая зона изображается на цилиндре, касающемся поверхности глобуса по среднему меридиану данной зоны.

Искажения длин пропорциональны расстоянию от среднего меридиана каждой зоны. Наибольшие искажения длин – на краю зоны (на экваторе), которые равны 0,14%, т.е. 140 м на 100 км измеряемой длины. Такое изображение с малыми искажениями достигнуто за счет проектирования малых участков земной поверхности. Особенности проекции порождают разрывы между зонами, которые затрудняют склейку листов карт соседних зон.

На карты 1:500000 километровая сетка не наносится, а выносы линий даются на рамках листов карт.

Прямоугольные координаты Гаусса применяются для определения положения геодезических пунктов и характерных ориентиров, используемых для привязки на местности объектов и различных радиотехнических устройств.

Угол, заключенный между меридианом точки и вертикальной координатной линией, называется углом сближения меридианов. Величина этого угла дается под южной рамкой крупномасштабной карты для средней точки листа.

Направление на ориентир С, измеренное относительно вертикальной координатной линии, называется дирекционным углом.

Для определения истинного азимута А необходимо к измеренному дирекционному углу алгебраически прибавить угол сближения меридианов

В косой равноугольной цилиндрической проекции издаются маршрутно-полетные карты масштабов 1:1000000 и 1:2000000, предназначенные для обеспечения перелетов авиации.

1.4. Разграфка и номенклатура карт

Разграфка – разделение («нарезка») карт на листы.

Номенклатура – система обозначений отдельных листов карт.

Каждому листу карты в зависимости от масштаба по определенному правилу присваивается свое буквенное и числовое обозначение, что позволяет легко и быстро подбирать нужные листы карты для их склейки и подготовки к полету.

Существует две системы разграфки карт: международная (для карт масштаба 1:1000000 и крупнее) и прямоугольная (для карт мелких масштабов).

В международной разграфке общая карта делится на отдельные листы так, что рамками (границами) листов служат меридианы и параллели.

В прямоугольной разграфке общая карта делится на листы, имеющие форму прямоугольника, рамка которого не совпадает с меридианами и параллелями.

В основе международной разграфки и номенклатуры карт – лист масштаба 1:1000000. Вся поверхность земного шара от экватора к северу и к югу до широт 88° разделена на 22 пояса в каждом полушарии. Каждый пояс занимает по широте 4° и обозначается буквой латинского алфавита (А, В, С и т. д.) от экватора к полюсам. Районы Северного и Южного полюсов от 88° до 90° широты изображаются на отдельных листах, обозначенных буквой Z. Также поверхность земного шара разделена на 60 колонок, каждая из которых занимает 6° по долготе и обозначается арабскими цифрами от 1 до 60. Счет ведется от меридиана 180° с запада на восток.

В результате такого деления получаются листы карт размером 4° по широте и 6° по долготе.

Таким образом, номенклатура листа карты масштаба 1:100000 состоит из буквы латинского алфавита и номера, написанного арабскими цифрами: например N-36.

Разграфка листов карт масштаба 1:500000 получается делением листа карты масштаба 1:1000000 на четыре равные части, каждая из которых обозначается заглавной буквой русского алфавита: А, Б, В и Г. Лист карты масштаба 1:500000 занимает 2° по широте и 3° по долготе, а его номенклатура состоит из номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000 и заглавной буквы русского алфавита: например, N-36-Г.

Разграфка листов карт масштаба 1:200000 получается делением листа карты масштаба 1:1000000 на 36 равных частей (6 рядов и 6 колонок), которые нумеруются римскими цифрами от I до XXXVI. Лист карты масштаба 1:200000 занимает 40» по широте и 1° по долготе, а его номенклатура состоит из номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000 и номера, написанного римскими цифрами: например, N-36-ХII.

Разграфка листов карт масштаба 1:100000 получается делением листа карты масштаба 1:1000000 на 144 равные части (12 рядов и 12 колонок), которые нумеруются арабскими цифрами от 1 до 144. Лист карты масштаба 1:100000 занимает 20» по широте и 30» по долготе, а его номенклатура состоит из номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000 и соответствующего номера, написанного арабскими цифрами: например, N-36-24.

Разграфка листов карты масштаба 1:50000 получается делением листа карты масштаба 1:100000 на четыре равные части (2 ряда и 2 колонки), каждая из которых обозначается заглавной буквой русского алфавита: А, Б, В и Г. Лист карты масштаба 1:50000 занимает 5» по широте и 7’30»» по долготе, а его номенклатура состоит из номенклатуры листа карты масштаба 1:100 000 и заглавной буквы русского алфавита: например, N-36-12-Б.

1.5. Подготовка карты к работе

Подготовка карты к работе – это ознакомление с картой, склеивание ее листов и складывание склеенной карты.

Ознакомление с картой – это изучение ее характеристик: масштаба, высоты сечения рельефа, года издания, поправки направления. Эти данные входят в зарамочное оформление каждого листа карты.

Зарамочное оформление топографических карт:

1. Система координат;

2. Название административной территории, изображенной на данном листе;

3. Наименование ведомства, подготовившего и изданшего карту;

4. Номенклатура листа и название наиболее значительного н.п.;

5. Номер и год издания;

6. Гриф карты;

7. Метод и год съемки или год составления и исходные материалы, по которым составлена карта, год подготовки к изданию и печати карты;

8. Исполнители;

9. Шкала заложений;

10. Численный масштаб;

11. Величина масштаба;

12. Линейный масштаб;

13. Высота сечения;

14. Система высот;

15. Схема взаимного расположения вертикальной линии координатной сетки, истинного и магнитного меридианов, величины склонения магнитной стрелки, сближения меридианов и поправки направления;

16. Данные о склонении магнитной стрелки, сближении меридианов и годовом склонении магнитной стрелки, поправке в дирекционный угол при переходе к магнитному азимуту;

17. Номенклатура соседних листов

Склеивание карты выполняется в такой последовательности:

листы карты раскладываются согласно их номенклатуре и намечаются поля, которые требуется срезать (оборвать);

срезаются острым ножом или лезвием бритвы (обрываются под линейку) намеченные поля. Обычно у всех листов, кроме крайних справа, срезаются (обрываются) правые (восточные) и нижние (южные) поля, кроме нижних листов склейки;

склеиваются листы сначала в колонки (снизу вверх), а затем колонки между собой (справа налево). Для склеивания каждый верхний лист колонки накладывается на нижний и смазываются одновременно склеиваемые края обоих листов тонким ровным слоем клея. Затем, перевернув верхний лист, аккуратно накладывается его на севере поле нижнего листа, точно совмещая при этом их рамки, а также выходы линий координатной сетки и контуров. Полоса склейки осторожно разглаживается движением рук от середины к краям склейки. Бысто можно смазать клеем лист, свернутый спиралью в трубку обратной стороной наружу.

Складывается карта так, чтобы ею было удобно пользоваться без полного развертывания и носить в полевой сумке (картодержателе, планшете).

Карта складывается гармошкой. Для этого, определив на карте район действий, подгибаются соразмерно с шириной полевой сумки (картодержателя, планшета) ненужные края и полученная полоса карты складывается так, чтобы сгибы не совпали с линиями склейки листов, иначе здесь довольно быстро произойдет разрыв карты.

1.6. Изучение содержания карты

Содержание карты — совокупность отраженных на карте топографических элементов местности и их количественных и качественных характеристик. Степень (полнота) отражения топографических элементов местности зависит главным образом от масштаба карты – чем крупнее масштаб, тем больше содержит она подробностей и наоборот.

По масштабу карты классифицируются как крупномасштабные, среднемасштабные и мелкомасштабные. Также карты классифицируются по назначеннию.

Классификация аэронавигационных карт по назначению: полетные (маршрутно-полетные), бортовые, карты целей, специальные. Основные масштабы аэронавигационных карт для выполнении задач летной подготовки на различных типах ЛА:

Полетные и маршрутно-полетные карты служат для выбора и прокладки маршрута, расчета полета, визуальной и радиолокационной ориентировки, контроля пути, выполнения расчетов и графических построений.

Бортовые карты служат для решения задач аэронавигации в случае выхода ЛА за пределы полетной карты, а также для прокладки линий положения.

Карты целей служат для расчета и определения координат заданных объектов, привязки и дешифрования аэрофотоснимков, визуальной ориентировки при полетах на малых высотах, выхода на малоразмерные объекты и т. п.

Специальные карты служат, в основном, для решения аэронавигационных задач с помощью РТС. На них вручную или типографским способом наносятся сетки линий положения: линии пеленгов от наземных радионавигационных точек, азимутально-дальномерные сетки и др.

Для различных справок, необходимых при планировании полетов и перелетов и подготовке к ним, применяются справочные карты (обзорные навигационные карты, карты магнитных склонений, климатические карты и др.).

В дополнение к топографическим картам для изучения и оценки местности издаются планы городов, специальные карты и фотодокументы местности.

Сравнение плана и карты

Но использование в настоящее время карт и фотодокументов местности на бумажной основе уже не достаточно. Поэтому все более широкое распространение получает цифровая информация о местности (ЦИМ), которая представляется в векторной, растровой и матричной формах и используется в географических информационных системах (ГИС).

Фрагменты электронной и аналоговой топографических карт

При составлении карт на них наносят лишь те элементы местности и специальные сведения, которые необходимы при пользовании данными картами. Например, на аэронавигационные карты элементы местности наносятся с учетом значимости их при ориентировке во время полета. Это, прежде всего, моря, заливы, водохранилища, озера и крупные реки. Благодаря хорошей видимости их с воздуха они являются важными ориентирами. Кроме гидрографических объектов, наносятся населенные пункты и дорожная сеть. Эти ориентиры в сочетании с другими элементами местности, изображенными на карте, дают возможность быстрой ориентировки в полете.

Для характеристики местности на карты наносят рельеф, болота, пески и лесные массивы. Чтобы иметь сведения о магнитном склонении, на карты наносят изогоны и магнитные аномалии. Обязательным элементом содержания карт является государственная граница. Граница на карту наносится с целью предотвращения случайного нарушения их при полетах.