Морская навигация: как мы находили путь раньше и как мы делаем это сейчас

Определение своего местоположения в открытом море — непростая задача, а без необходимых знаний и инструментов — так почти невозможная. Морской индустрии известны случаи, когда корабельные компьютерные системы выходили из строя на неделю и более из-за вирусов. В некоторых случаях суда были вынуждены дрейфовать в море неделями, так как на борту не было ИТ-специалистов, которые могли бы справиться с проблемой.

Тем не менее задолго до прихода эры навигации и изобретения компьютеров первые мореплаватели — викинги и полинезийцы — отправлялись в далекие путешествия, во время которых совершили множество открытий. Да и Колумб открыл Америку без компьютеров. Как же им удавалось найти путь в океане?

Древнее древнего: как первые мореходы находили дорогу?

Полинезийцы были прекрасными навигаторами. За сотни лет до того, как Христофор Колумб пересек Атлантику, они уже бороздили Тихий океан на своих деревянных каноэ, преодолевая расстояния в тысячи километров между островами Полинезийского треугольника. Солнце, звезды, луна, ветры и течения — вот все, что полинезийцы использовали в качестве ориентиров. Еще они создавали своеобразные карты из палочек и ракушек.

This is a rebbelib stick chart by the Marshallese to navigate the Pacific Ocean by canoe. https://t.co/6sQVUbYjBi pic.twitter.com/JSrWn0LIV8

— Future Mapping Co. (@Futuremaps) May 20, 2016

Викинги также преодолевали тысячи километров, путешествуя межу Северной Европой, Британскими островами, Исландией, Гренландией и даже Северной Америкой. Помогали им в этом расчеты и необыкновенная наблюдательность. Древние мореходы плыли по течению, следили за китами, брали на борт специально обученных воронов, чтобы те летали на разведку и подсказывали, в какой стороне берег.

По разным версиям, они определяли свое местоположение в океане с помощью солнечных часов, вели учет дням, проведенным в море, примерно рассчитывали скорость корабля, ориентировались по солнцу и звездам. Предположительно викинги даже использовали поляризацию света, чтобы найти дорогу в плохую погоду, когда не видно ни солнца, ни звезд. Во многом все их способы были интуитивными и неточными. В легендах викингов часто говорится о походах, во время которых мореходы терялись в море из-за плохой погоды, отсутствия ветра и туманов.

Битва за долготу

Первые представления о координатах, по крайней мере те, о которых известно сейчас, появились в Древней Греции за 200 лет до нашей эры. Полвека спустя, в 90–160 годах нашей эры, Клавдий Птолемей первым предложил математически точную концепцию географической широты и долготы.

С помощью координат и подробной карты земли и неба моряки могли приблизительно определить свое местоположение. Однако вычислить свои координаты было непросто. Если широту еще можно было найти по солнцу, луне и звездам (и то приблизительно), то с долготой дела обстояли значительно сложнее.

Определить долготу можно лишь как разницу между временем в точке, где вы находитесь, и временем в некой референсной точке в тот же момент. Проблема состояла в том, чтобы, во-первых, как-то узнать точное местное время, а во-вторых, точно знать время в другой фиксированной точке (например, в пункте отправления или на Гринвичском меридиане). Точность измерений была критическим фактором: на экваторе отклонение в один градус долготы равно 109,5 километра, или 68 милям.

Время на борту судна можно было вычислить по солнцу и звездам, но задача определения времени в порту отправления долго казалась трудноразрешимой. Эта проблема стояла так остро, что Людовик XVI однажды заявил, будто из-за плохой работы астрономов Франция потеряла больше земель, чем из-за неудачных военных кампаний.

В XVI–XVIII веках Испания, Голландия, Португалия, Венеция и Англия — все ведущие морские державы — предлагали огромные премии за разработку метода надежного определения долготы. Приз Англии в XVIII веке составлял 20 тысяч фунтов стерлингов — целое состояние. Большую часть награды в итоге получил изобретатель хронометра — лондонский часовщик Джон Гаррисон, творение которого поступило на службу мореходам в 1760 году.

Чуть раньше, в 1757 году, человечество получило секстант (над ним одновременно работали несколько ученых: Исаак Ньютон, Джон Хэдли, Томас Годфри и другие), и вместе с хронометром он позволил решить проблему определения долготы.

Как работали эти два инструмента? Штурман измерял высоту солнца над горизонтом с помощью секстанта, чтобы вычислить точное местное время, и сравнивал его со временем по Гринвичу, которое показывал хронометр. Так определялась долгота — то, насколько западнее или восточнее относительно нулевого меридиана находится судно.

А что сегодня?

Сейчас все больше судов полагаются исключительно на электронную картографическую навигационную систему (ECDIS) и систему глобального позиционирования (GPS).

GPS использует сеть более чем из 30 спутников, чтобы помочь нам с вами определить наше точное местоположение. Изначально систему GPS разрабатывали для военных целей, но теперь ею пользуются практически все: от моряков и пилотов самолетов до туристов.

Также суда массово переходят на электронные карты, которые значительно облегчают прокладку и корректировку курса. Электронная картография позволяет тратить минуты на операции, которые раньше требовали нескольких часов. Например, внесение поправок курса вручную — это долгое и кропотливое дело. В ECDIS все проще — нужно лишь загрузить с носителя нужный раздел, ввести необходимые поправки и проложить курс.

«Черные ящики», установленные на морских судах, оказывается, уязвимы для хакеров: https://t.co/pib49JASZi pic.twitter.com/wVQxUdY6bb

— Kaspersky (@Kaspersky_ru) January 12, 2016

В результате офицер на вахте может уделить максимум времени наблюдению за окружающей обстановкой (погодой, скоростью хода судна и другими вещами) и принять верные решения. Автоматизация работы штурмана делает судоходство безопаснее, а это один из важнейших факторов для судовладельцев, заказчиков, доверяющих им свои грузы, и страховых компаний, рассчитывающих ставки по страховке.

Как и в авиации, в морской индустрии навигационная система ECDIS должна дублироваться. Если судно хочет полностью отказаться от бумажных карт и перейти на электронные, то на нем должно быть установлено минимум два независимых друг от друга ECDIS-компьютера, каждый с отдельным дисплеем и своей базой данных.

Что будет, если вдруг все сломается?

Существует вероятность, что обе системы ECDIS откажут: из-за программных ошибок или направленной атаки хакера. Кроме того, любой компьютерной системе приходится делать перерыв в работе, чтобы установить обновления. Периодически исследователи обнаруживают уязвимости в критически важных для судоходства технологиях: GPS, ECDIS, AIS (системе автоматической идентификации). Их латают, но появляются новые.

Сбой навигационных систем где-нибудь в проливе или у берега не так страшен, так как необходимые ориентиры видны невооруженным глазом, к тому же у моряков работают Интернет и мобильная связь. Случись такое на небезопасном участке, судно может связаться с ответственным лицом на берегу и получить от него карту в формате PDF, на которой будут указаны все мели, течения и другие опасности. А вот если такое случится вдали от берегов, то команде придется несладко.

Почему морская индустрия — лакомый кусок для хакеров: http://t.co/kppYBJOgeG pic.twitter.com/0gmmbNqaLd

— Kaspersky (@Kaspersky_ru) May 26, 2015

Система GPS тоже несовершенна. Спутники страдают от вспышек электромагнитного излучения, вызванных солнечной активностью. Кроме того, злоумышленники (скажем, пираты или террористы) могут заблокировать сигнал простым устройством, которое можно довольно дешево приобрести в Интернете.

Направленная атака на GPS легко может сбить судно с пути, а все приборы при этом будут показывать верный курс. В лучшем случае такое событие приведет к задержкам, в худшем — к столкновениям или посадке на мель. Чтобы избежать подобных ситуаций, в мореходных академиях США курсантов учат определять местонахождение судна не только по GPS, но и по солнцу и звездам.

Потеря связи со спутником или блокировка GPS посреди океана — это, пожалуй, самая очевидная угроза, которая способна заставить современных штурманов освежить навыки классической астронавигации.

Можно ли взломать GPS? Учитывая, что в "бытовой" версии навигации шифрование не используется, хак вполне реален: http://t.co/YBrNkZfoe0

— Kaspersky (@Kaspersky_ru) October 15, 2013

Впрочем, у моряков есть свои «народные» методы определения собственного местоположения: например, они могут загрузить GPS-координаты на свой смартфон. Так поступают современные мореходы, когда им нужно определить свое местоположение, а из каюты выходить лень.

Современному судну с рабочими двигателем и электрогенератором сложно потеряться в океане. Два года назад произошел случай, который доказывает, что человечество далеко продвинулось в искусстве мореходства и навигации в последние несколько сотен лет.

В 2014 году американский энтузиаст Реза Балучи попытался добежать от Флориды до Бермуд в гидропоне (гидропон — это такое надувное плавсредство, похожее на беговое колесо для мелких грызунов; оно приводится в движение бегущим внутри него человеком), попал в Гольфстрим и сбился с пути. В результате бедняга три дня скитался по морю и был вынужден притормозить проходящий мимо катер, чтобы спросить дорогу до Бермудских островов.