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航法とは、ある場所から別の場所への船舶や乗り物の移動を監視および制御するプロセスに焦点を当てた研究分野です。 [ 1 ] [ 2 ]航法の分野には、陸上航法[ 3 ] 、海上航法、航空航法、宇宙航法の4 つの一般的なカテゴリが含まれます。 [ 1 ]また、航法士が航法タスクを実行するために使用する専門知識を表す専門用語でもあります。[ 4 ]すべての航法技術は、既知の場所またはパターンと比較して航法士の位置を特定することを含みます。より広い意味では、航法は、位置と方向の決定を含むあらゆるスキルまたは研究を指すことができます。[ 1 ]この意味では、航法にはオリエンテーリングと歩行者航法が含まれます。[ 1 ]
海上航行では、適切な海図（電子版および紙版）と航行機器による位置情報を用いて、船舶、ボート、その他の船舶を水上または水中で安全に航行させる。[ 4 ]船舶の航行機器は、船舶の大きさに応じてSOLAS条約の要件で義務付けられている。[ 5 ]陸上航行では、通常、都市部または農村部において、航行機器（羅針盤やGNSS受信機など）、地図、視覚的な航行標識を用いて、人、動物、車両をある場所から別の場所へ移動させる。[ 6 ] [ 7 ]航空航行では、飛行の進行に合わせて位置を監視しながら、航空機をある地理的位置から別の地理的位置へ操縦する。[ 8 ]
この用語は1530年代に由来し、ラテン語のnavigationem (主格navigatio ) から来ており、navigatusはnavigare「航海する、航海する、海を通る、船を操縦する」の過去分詞で、navis 「船」とagere「駆り立てる」の語根から来ています。 [ 9 ]
ポリネシアの航海術はおそらく最も初期の外洋航海術であり、マーシャル諸島の海図のような科学機器に記録された記憶と観察に基づいていた。初期の太平洋ポリネシア人は、星の動き、天候、特定の野生生物種の位置、または波の大きさを使用して、ある島から別の島への経路を見つけた。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]最初の本格的な航海機器の1つは羅針盤であり、最も古いものの1つは漢王朝（紀元前206年頃）に起源を持つ中国製である。 [ 13 ]羅針盤は後に11世紀の宋王朝の中国人によって海上航海に採用された。 [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]西ヨーロッパとイスラム世界で羅針盤が初めて使用された記録は1190年頃に遡る。[ 17 ]
航海用アストロラーベなどの科学機器を用いた海上航行は、中世の地中海で初めて行われた。陸上用アストロラーベはヘレニズム時代に発明され、古典古代やイスラム黄金時代にも存在していたが、海上用アストロラーベの最古の記録は、1295年にスペインの天文学者ラモン・リュルが記したものである。 [ 18 ]この航海用機器の完成は、大航海時代の初期のポルトガル人航海士によるものとされている。[ 19 ] [ 20 ]海上用アストロラーベの製作と使用方法に関する最も古い記述は、1551年に出版されたスペインの宇宙誌学者マルティン・コルテス・デ・アルバカルの『航海術』 （Arte de Navegar）[ 21 ]にあり、エジプトのピラミッド建設に使用されたアルキペンデュラムの原理に基づいている。しかし、海上で広く使用された最初の高度測定器は四分儀でした。[ 22 ]これは13世紀にピサのレオナルドによって再導入されました。[ 22 ]最初に記録された使用例は1461年にディオゴ・ゴメスによるものです。[ 22 ]アストロラーベや四分儀と同様に、航海で使用された最初のクロススタッフは14世紀以降に知られており、初期のアラブの航海士から伝わったと考えられています。[ 23 ]しかし、クロススタッフには多くの誤差があり、太陽を凝視する必要があったため、使用も困難でした。[ 23 ]これらの欠点は、1595年にジョン・デイビスによってバックスタッフが発明されたことで克服されました。[ 23 ]
アストロラーベ、四分儀、バックスタッフ、羅針盤を用いた外洋航海が広く普及したのは、15世紀の大航海時代である。ポルトガル人は、エンリケ王子の後援のもと、1418年からアフリカ大西洋岸の組織的な探検を開始した。1488年、バルトロメウ・ディアスはこの航路でインド洋に到達した。1492年、スペイン国王はクリストファー・コロンブスの西航海を支援し、大西洋を横断してインド諸島に到達させた。これがアメリカ大陸の発見につながった。1498年、ヴァスコ・ダ・ガマ率いるポルトガルの探検隊は、アフリカを周航してインドに到達し、アジアとの直接貿易を開拓した。その後、ポルトガル人はさらに東へ航海し、 1512年には香料諸島に到達、 1年後には中国に上陸した。地球一周航海の最初の成功は、1522年にマゼラン＝エルカーノ探検隊によって達成された。これは、ポルトガルの探検家フェルディナンド・マゼランが率いたスペインの探検航海であり、1521年にマゼランがフィリピンで亡くなった後、スペインの航海士フアン・セバスティアン・エルカーノによって完成された。
帆船では、海図作成や航路記録方法など、他の発展も見られました。 [ 24 ]現存する最古の海図の1つは、羊皮に描かれたカルタ・ピサナで、1275年に遡ります。 [ 25 ]陸上では、地図製作の改良により、軍隊、商人、その他の旅行者の航行が改善されました。[ 26 ]帆船の場合、推測航法による航行では、航路変更を頻繁に記録し、船は風に合わせてタックします。[ 24 ]高価で、初期の頃は希少だった紙の海図が摩耗するのを防ぐため、トラバースボードやトラバーステーブル（最古のトラバーステーブルは1428年に遡る）などの他の方法が使用されました。[ 24 ]象限は、ロバート・フック、アイザック・ニュートン、ジョン・ハドレーなどの発明家によってさらに発展し、八分儀の発明につながりました。[ 27 ]
航海の歴史において、数学の発展も重要でした。[ 28 ]これには、当初は子午線部分があり、その後、球面三角法と対数の発展により、1700 年代以降の航海士はより正確に航海できるようになりました。[ 28 ]陸上では、数学と新しい機器により、測量と三角測量が発展し、地図がさらに改善され、より良い道路、小道、運河、そして最終的には鉄道が建設されました。[ 29 ] [ 30 ]ジョン・ハリソンらによる正確な航海用クロノメーターの開発により、経度を計算するための正確な時間計測が保証されました。[ 31 ]海洋航海のさらなる改善により、1757 年に最初の本格的な六分儀が開発され、その部品と使用法は、ピエール・ヴェルニエやジョン・キャンベルを含むさまざまな発明家によって開発されました。[ 32 ]六分儀とクロノメーターを用いた計算方法は時代とともに多様化し、ダラー法（1728 年）から始まり、ドゥーウェス法（1821 年）、サムナー法（1837 年）、ヘンリー・レイパーによる改良（1844 年）、マルク・サン・イレール法またはインターセプト法（1877 年）によって最も普及した。[ 33 ]磁気コンパスの改良や方位決定のより良い方法も重要であり、マシュー・フリンダース、ケルビン卿らによるコンパスの開発が含まれる。[ 34 ]
六分儀は、クロノメーター、羅針盤、天体計算とともに、20世紀に無線航法やジャイロコンパスが開発されるまで、海上航行で最も広く使用された方法となった。[ 32 ]これらは、20世紀にコンピュータ、電子計算機、そして後に衛星航法が登場したことで取って代わられた。[ 35 ]陸上では、1980年代に携帯型GPSが開発され、内蔵羅針盤と衛星受信機を備えたスマートフォンの登場により、現在では世界中でテクノロジーによる航法が広く実現されている。[ 36 ] [ 37 ]
陸上航法では、人、船、飛行機などの位置は、基準点/座標を使用して位置として定義されます（直交座標系を参照）。位置は、緯度/経度、または固定基準点からの距離と方向（方位）で参照できます。[ 38 ]位置線は、さまざまな方法と機器から導き出すことができます。位置を決定して監視することで、人、船、飛行機などを科学的な方法である場所から別の場所へ見つけて誘導することが可能になります。[ 39 ]これには多くの場合、地図や海図の使用が伴い、必要に応じて、投影法や方法（等角航路、大圏航路など）に応じて、航路を計算したり、それに従ったりすることができます。 [ 40 ]
おおよそ、地球上の場所の緯度は、赤道からの北または南の角度距離です。 [ 41 ]緯度は通常、度（°で表記）で表され、赤道の0°から北極と南極の90°まであります。[ 41 ]北極の緯度は90°N、南極の緯度は90°Sです。[ 41 ]航海士は、六分儀で北極星（ポラリス）を観測し、視差補正表を使用して目の高さと大気による屈折を補正することで、北半球の緯度を計算しました。ポラリスの地平線からの度数で表した高さは、1度程度の誤差で観測者の緯度になります。
緯度と同様に、地球上の場所の経度は、本初子午線またはグリニッジ子午線からの東または西の角度距離です。[ 41 ]経度は通常、グリニッジ子午線上の0°から東西180°までの範囲の度（°でマーク）で表されます。たとえば、シドニーの経度は約151°東です。ニューヨーク市の経度は74°西です。歴史のほとんどの間、船乗りは経度を決定するのに苦労しました。経度は、観測の正確な時間がわかっている場合に計算できます。それがない場合は、六分儀を使用して月の距離（月観測または略して「月」とも呼ばれます）を測定し、航海暦を使用して経度0の時刻を計算できます（グリニッジ標準時を参照）。[ 42 ]信頼性の高い航海用クロノメーターは18世紀後半まで入手不可能で、19世紀まで手頃な価格ではなかった。[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]約100年間、1767年頃から1850年頃まで、[ 46 ]クロノメーターを持たない船乗りは、月の距離を利用してグリニッジ標準時を決定し、経度を求めた。クロノメーターを持つ船乗りは、月によるグリニッジ標準時の決定を利用して、その読み取り値を確認することができた。[ 43 ] [ 47 ]
航海において、等角航路（またはロクソドローム）とは、すべての経線を同じ角度で横切る線、すなわち、定められた初期方位から導き出される航路のことである。つまり、初期方位を定めたら、真北または磁北を基準とした方向を変えることなく、同じ方位に沿って進む。
現代の航法のほとんどは、衛星から情報を収集する受信機によって電子的に決定される位置に主に依存している。その他の現代の技術のほとんどは、交差する位置線またはLOPを見つけることに依存している。[ 48 ]
位置線は、海図上の線と、現実世界における観測者と物体の間の線という、2つの異なるものを指すことがあります。[ 49 ]方位は、物体への方向の尺度です。[ 49 ]航海士が現実世界で方向を測定すれば、その角度を海図上に描くことができ、航海士はその海図上の方位線上のどこかに位置することになります。[ 49 ]
方位に加えて、航海士はしばしば物体までの距離も測定します。[ 48 ]海図上では、距離によって位置の円または弧が生成されます。[ 48 ]位置の円、弧、双曲線は、しばしば位置線と呼ばれます。
航海士が2本の位置線を描き、それらが交差する場合、航海士はその位置にいなければならない。[ 48 ]位置決定とは、2本以上の位置線が交差する点のことである。[ 48 ]
位置情報が1行しかない場合は、推測航法による位置と比較して推定位置を算出することができる。[ 50 ]
位置を示す線（または円）は、さまざまな情報源から導き出すことができます。
今日ではほとんど使われていない方法もいくつかある。例えば、灯台の高さが分かっている場合（灯台一覧表や海図から）、観測者から灯台までの地理的な距離を計算する「灯台の傾斜」という海事法などである。[ 52 ]
航海方法は歴史を通じて変化してきました。[ 53 ]新しい方法が登場するたびに、航海士の航海を完了する能力が向上してきました。[ 53 ]航海士が下さなければならない最も重要な判断の1つは、使用する最適な方法です。[ 53 ]航海方法のいくつかの種類が表に示されています。
航海術は通常、これらの異なる方法の組み合わせで行われる。[ 53 ]
パイロットや航法士は、頭の中で航行チェックを行うことで、進路、距離、高度を推定し、それによって重大な航行ミスを回避することができる。[ 54 ]
操縦（水先案内とも呼ばれる）とは、航空機をランドマークを目視で参照して航行すること[ 55 ]、または船舶を制限水域で航行し、頻繁にその位置をできるだけ正確に特定すること[ 56 ]を指します。航行の他の段階よりも、適切な準備と細部への注意が重要です[ 56 ] 。手順は船舶ごとに、また軍用、商用、民間船舶の間で異なります[ 56 ] 。水先案内は浅瀬で行われるため、通常は十分なキール下クリアランスを確保するためのコースに従い、船底下の十分な水深を確保し、スクワットを考慮する必要があります[ 57 ]。また、陸地に近い河川、運河、水路内で船舶を操縦することもあります[ 57 ] 。
軍の航海チームはほぼ必ず複数人で構成されます。[ 56 ]軍の航海士は、同時方位測定のためにブリッジウィングのジャイロリピーターに方位測定係を配置することがありますが、商船やレジャーボートの民間航海士は、通常、電子位置測位の助けを借りて、自ら位置を測定し、プロットする必要があります。[ 56 ]軍の航海士は方位帳と各測位の記録係を持ちますが、民間航海士は測定された方位を海図にそのままパイロットとして記入するだけで、記録はしません。[ 56 ]船にECDISが装備されている場合、航海士は選択された航路に沿って船の進行状況を監視し、船が意図どおりに進んでいることを目視で確認し、コンパス、ソナー、その他の指示器を時々チェックするだけで十分です。[ 56 ]最も制限された水域ではよくあることですが、パイロットが乗船している場合は、その判断は一般的に信頼できるため、作業負荷がさらに軽減されます。[ 56 ]しかし、ECDISが故障した場合、航海士はマニュアルと実績のある手順に関する自身のスキルに頼らざるを得ないだろう。[ 56 ]
天体航法システムは、六分儀または同様の航法機器を使用して太陽、月、惑星、航海星の位置を観測することに基づいています。 [ 58 ]回転する地球上のどの地点に天体があるかを把握し、観測者の地平線からの高度を測定することで、航海士は数学的計算を使用してその地点からの距離を決定できます。[ 59 ]航海暦と時刻の源（通常は航海用クロノメーター）を使用して、天体が地球上のどの地点にあるかを計算し、六分儀を使用して地平線からの天体の角度高度を測定します。[ 59 ]その高度を使用して、地点からの距離を計算し、円形の位置線を作成できます。あるいは、視差縮約表を使用することもできます。[ 60 ]航海士は、一連の重なり合う位置線を得るために、複数の星を連続して撮影します。それらの交点が天体位置です。月と太陽も使用できます。太陽は、位置を決定するために、位置線を連続して撮影するために単独でも使用できます（現地時間の正午頃に行うのが最適です）。[ 61 ] GNSSの登場以来、天体航法は海上および航空航法ではあまり使用されなくなりましたが、バックアップとして、または特に外洋での電子システムの精度を相互チェックするための別の方法として依然として有用です。[ 62 ] [ 63 ]
経度を正確に測定するには、六分儀による観測の正確な時刻（可能であれば秒単位まで）が必要であり、その時刻は後続の計算のために記録されます。1秒の誤差は15秒の経度誤差に相当し、赤道では0.25海里の位置誤差となり、手動天体航法の精度限界にほぼ相当します。ゼンマイ駆動の航海用クロノメーターは、天体観測の正確な時刻を提供するために船上で使用される精密な時計です。[ 61 ]クロノメーターは、ゼンマイに均一な圧力を維持するための可変レバー装置と、温度変化を補正するように設計された特殊なバランスを備えている点で、ゼンマイ駆動の時計と主に異なります。[ 61 ]ゼンマイ駆動のクロノメーターは、おおよそグリニッジ標準時（GMT）に設定され、通常3年ごとに機器のオーバーホールとクリーニングが行われるまでリセットされません。[ 61 ] GMTとクロノメーター時間の差は慎重に決定され、すべてのクロノメーターの読み取り値の補正として適用されます。[ 61 ]ゼンマイ式クロノメーターは、毎日ほぼ同じ時間に巻き上げなければならない。[ 61 ]
水晶振動子式船舶用クロノメーターは、精度が高いため、現代の船舶ではゼンマイ式クロノメーターに取って代わっています。[ 61 ]これらは、電波時刻信号から直接GMTに維持されます。[ 61 ]これにより、クロノメーターの誤差や時計の誤差の修正が不要になります。[ 61 ]秒針が読み取れるほどの誤差を生じた場合でも、電気的にリセットできます。[ 61 ]時刻生成の基本要素は水晶振動子です。[ 61 ]水晶は温度補償されており、真空封筒に気密に封入されています。[ 61 ]水晶の経年劣化を調整するための校正調整機能が備えられています。[ 61 ]
クロノメーターは通常、1セットの電池で最低1年間動作するように設計されている。[ 61 ]観測は、クロノメーターの時刻に合わせて設定された比較時計を使用して計時し、船の時計を合わせる。比較時計は、視認時刻を記録するためにブリッジウィングに持ち込まれる。[ 61 ]実際には、クロノメーターと秒単位で同期した腕時計で十分である。[ 61 ]天体観測には、ゼンマイ式またはデジタル式のストップウォッチも使用できる。[ 61 ]この場合、時計はクロノメーターによって既知のGMTで開始され、各視認の経過時間がこれに加算されて、その視認のGMTが得られる。[ 61 ]すべてのクロノメーターと腕時計は、定期的に無線時刻信号でチェックする必要がある。[ 61 ]無線時刻信号の時刻と周波数は、 「無線航行援助」などの出版物に記載されている。[ 61 ]
天体航法の2番目の重要な要素は、観測者の目から見た天体と可視地平線の間の角度を測定することです。この機能を実行するために、光学機器である六分儀が使用されます。六分儀は、2つの主要なアセンブリで構成されています。フレームは、上部にピボットがあり、下部に「アーク」と呼ばれる目盛りの付いた円弧がある、剛性の三角形の構造です。2番目のコンポーネントは、フレーム上部のピボットに取り付けられたインデックスアームです。下部には、「アーク」の下部の歯に固定されるエンドレスバーニアがあります。光学系は、2つのミラーと、一般的には低倍率の望遠鏡で構成されています。「インデックスミラー」と呼ばれる1つのミラーは、ピボットの上にあるインデックスアームの上部に固定されています。インデックスアームが動くと、このミラーが回転し、アークの目盛りが測定された角度（「高度」）を示します。[ 64 ]「地平線ガラス」と呼ばれる2番目のミラーは、フレームの前面に固定されています。水平鏡の片側は銀メッキされており、もう片側は透明です。天体からの光は指標鏡に当たり、水平鏡の銀メッキされた部分に反射され、望遠鏡を通して観測者の目に届きます。観測者は指標アームを操作して、水平鏡に反射された天体の像が、水平鏡の透明な側を通して見える地平線にちょうど重なるようにします。[ 64 ]
航海に使用するたびに修正しなければならない主な誤差が 3 つあります。[ 64 ]主な誤差は、垂直誤差、側面誤差、およびインデックス誤差です。[ 64 ]六分儀の調整は、すべての光学要素をチェックして位置合わせし、全体的な「インデックス誤差」（またはインデックス補正）をなくすことから成ります。インデックス補正は、六分儀を使用するたびに、地平線、またはより好ましいのは星を使用してチェックする必要があります。[ 64 ]揺れる船の甲板から、しばしば雲に覆われ、地平線がかすんでいる状態で天体観測を行うという行為は、天体航法の中で最も難しい部分です。[ 65 ]
慣性航法システム、 VHF全方向無線標識、GNSSなどの技術が広く普及するまで、航空航法士はバブル八分儀またはバブル六分儀を使用していた。[ 66 ]この機器を使用して視準を行い、数学的計算を実行して航空機の過去の位置を決定することができた。[ 67 ]
慣性航法システム（INS）は、モーションセンサーに基づいて位置を計算する推測航法タイプの航法システムです。 [ 68 ]実際に航行する前に、初期の緯度と経度、および地球に対するINSの物理的な向き（たとえば、北と水平）が確立されます。アライメント後、INSは、（a）3軸に沿った加速度（加速度計）、および（b）3つの直交軸周りの回転速度（ジャイロスコープ）を測定するモーション検出器からのインパルスを受信します。これにより、INSは現在の緯度と経度（および多くの場合速度）を継続的かつ正確に計算できます。
他の航法システムと比較したINSの利点は、一度位置合わせが完了すれば、外部情報を必要としないことです。INSは悪天候の影響を受けず、探知や妨害も不可能です。一方、欠点は、現在の位置が過去の位置とモーションセンサーのみに基づいて計算されるため、誤差が累積し、初期位置の入力からの経過時間にほぼ比例して増加することです。そのため、慣性航法システムは、他のタイプの航法システムによる位置情報を用いて頻繁に修正する必要があります。
最初の慣性システムは、1942年にドイツ軍が配備したV-2誘導システムであると考えられています。しかし、慣性センサーは19世紀初頭にまで遡ります。[ 69 ] INSの利点により、航空機、ミサイル、水上艦艇、潜水艦での使用が促進されました。たとえば、米国海軍は、ミサイル誘導システムを初期化するための信頼性が高く正確な航法システムを確保するために、ポラリスミサイル計画中に船舶慣性航法システム（SINS）を開発しました。慣性航法システムは、衛星航法システム（GPS）が利用可能になるまで広く使用されていました。INSは、潜水艦（潜水中はGPS受信やその他の位置特定源が不可能なため）や長距離ミサイルでは現在も一般的に使用されていますが、他の場所では広く使用されていません。[ 70 ]
重力補助航法は1990年代に始まり、航法のための位置決定技術を提供する。[ 71 ] [ 72 ]この技術は、プラットフォームが移動中に搭載センサーが重力ベクトルの要素を測定し、これらの測定値を地球の重力場のマップと照らし合わせて位置を決定するという概念を利用している。 [ 72 ] [ 73 ]
衛星航法は衛星に依存して機能するのに対し、宇宙航法は宇宙船自体の航法を指します。これは歴史的に（アポロ計画中） 、航法コンピュータ、慣性航法システム、そして六分儀と望遠鏡で記録された宇宙飛行士による天体入力によって実現されてきました。アポロ計画やそれ以降のミッションで使用されたような宇宙対応の航法コンピュータは、放射線によるデータ破損の可能性に対して耐性を持つように設計されています。宇宙航法には、宇宙船の計画された飛行経路を記述する適切な基準軌道の使用、ミッションの飛行中の実際の宇宙船の位置の監視（軌道決定）、そして必要に応じて宇宙船を基準軌道に戻すための操縦の作成（飛行経路制御）という3つの主要な要素があります。[ 74 ]
深宇宙航行のために検討されてきたもう1つの可能性はパルサー航法であり、これは既知のパルサー群からのX線バーストを比較して宇宙船の位置を決定するものです。この方法はNASAやESAなどの複数の宇宙機関によってテストされています。[ 75 ] [ 76 ]
レーダーは航行に使用でき、船舶用レーダーは一般的に海上航行のために船舶に搭載されています。[ 77 ]レーダーは、レーダースキャナの範囲内にある物体までの距離と方位を提供するので、航行の有効な補助手段です。[ 78 ]船舶（船またはボート）が陸地または固定物（特別なレーダー航行援助施設や航路標識など）のレーダー範囲内にある場合、航海士は海図上の物体までの距離と方位角を取得し、これらを使用して海図上に位置弧と位置線を確立することができます。[ 79 ]レーダー情報のみで構成される位置は、レーダーフィックスと呼ばれます。[ 80 ]レーダーフィックスの種類には、「単一の物体までの距離と方位」、「 2つ以上の方位」、「接線方位」、「2つ以上の距離」などがあります。[ 81 ]レーダーは、レーダー画像または距離/方位を電子海図に重ね合わせることで位置を特定する手段として、ECDISと組み合わせて使用することもできます。[ 78 ]
平行インデックス法は、ウィリアム・バーガーが1957年の著書『レーダー観測者の手引き』で定義した手法である。[ 82 ]この手法では、船の針路と平行だが、左右に一定の距離だけずらした線を画面上に作成する。[ 82 ]この平行線により、航海士は危険物から一定の距離を保つことができる。[ 82 ]レーダー画面上の線を特定の距離と角度に設定し、平行線に対する船の位置を観測する。これにより、船が航行の意図した針路上にあるか、外れているかを航海士が即座に判断できる。[ 83 ]
一般的な航海ではあまり使われない他の技術は、特殊な状況のために開発されてきた。その一つは「等高線法」として知られており、レーダー画面に透明なプラスチック製のテンプレートをマークし、それを海図に移動させて位置を確定する。[ 84 ]もう一つの特殊な技術は、フランクリン連続レーダープロット法として知られており、船が計画されたコースを進む場合にレーダー物体がたどるはずの経路をレーダー画面に描く。[ 85 ]航行中、航海士は、ピップが描かれた線上にあることを確認することで、船が正しいコースを進んでいるかどうかを確認できる。[ 85 ]
無線方向探知機（RDF）は、無線発信源の方向を特定するための装置です。無線は「水平線を越えて」非常に長距離を伝搬できるため、陸地から遠く離れた場所を飛行する船舶や航空機にとって特に優れた航行システムとなります。RDFは、指向性アンテナを回転させ、既知の局からの信号が最も強く届く方向を検知することで機能します。この種のシステムは1930年代から1940年代にかけて広く使用されました。RDFアンテナは、第二次世界大戦中のドイツ 軍機では胴体後部下部にループ状に配置されていたため容易に識別できますが、ほとんどのアメリカ軍機ではアンテナは小さな涙滴型のフェアリングに収められていました。
航行用途において、RDF信号は無線ビーコン（灯台の無線版）の形で提供されます。信号は通常、モールス符号の文字列をAMで送信するシンプルなもので、RDFはこの信号を受信することでビーコンが「放送中」かどうかを確認できます。最新の探知機の多くは、商用ラジオ局も受信できるため、特に高出力で主要都市近郊に設置されているラジオ局にとって非常に便利です。
Decca、OMEGA、およびLORAN-Cは、類似した3つの双曲線航法システムです。 Deccaは、双曲線低周波無線航法システム（マルチラテレーションとも呼ばれる）で、連合軍が正確な着陸を実現するために使用できるシステムを必要としていた第二次世界大戦中に初めて導入されました。 Loran Cの場合と同様に、その主な用途は沿岸水域での船舶航法でした。 漁船は戦後主要なユーザーでしたが、航空機にも使用され、非常に初期の（1949年の）移動地図表示の適用も含まれていました。 このシステムは北海に配備され、石油プラットフォームに向かうヘリコプターで使用されました。
オメガ航法システムは、米国が6つのパートナー国と協力して運用した、航空機向けの初の真のグローバル無線航法システムでした。オメガは、米海軍が軍用航空機ユーザー向けに開発しました。1968年に開発が承認され、わずか8つの送信機で真の世界規模の海洋カバレッジ能力と、位置特定時に4マイル（6 km）の精度を達成する能力を約束しました。当初、このシステムは、核爆撃機が北極を越えてロシアへ航行するために使用される予定でした。後に、潜水艦にも役立つことがわかりました。[ 86 ]全地球測位システム（GPS）の成功により、オメガの使用は1990年代に減少し、オメガの運用コストが正当化されなくなりました。オメガは1997年9月30日に終了し、すべての局が運用を停止しました。
LORANは、低周波無線送信機を使用する地上航法システムで、3つ以上の局から受信した無線信号間の時間間隔を利用して船舶や航空機の位置を特定します。現在一般的に使用されているLORANのバージョンはLORAN-Cで、電磁スペクトルの低周波部分である90～ 110kHzで動作します。米国、日本、およびいくつかのヨーロッパ諸国を含む多くの国がこのシステムを使用しています。ロシアは、同じ周波数帯域でCHAYKAと呼ばれるほぼ同じシステムを使用しています。LORANの使用は急激に減少しており、GPSが主な代替手段となっています。しかし、LORANを強化して再び普及させようとする試みがあります。LORAN信号はGPS信号よりも干渉を受けにくく、樹木や建物を透過しやすいです。
GNSS は、衛星から無線で視線に沿って送信される時間信号を使用して、小型の電子受信機が数メートル以内の精度で位置 (経度、緯度、高度) を決定できるようにします。[ 87 ]得られた位置は、衛星航法用の地図や海図で使用できます。1978 年に最初の実験衛星が打ち上げられて以来、GNSS は世界中の航法に不可欠な補助手段となり、地図作成や土地測量の重要なツールとなっています。GNSS はまた、地震の科学的研究や通信ネットワークの同期など、多くの用途で使用される正確な時間基準を提供します。全地球航法衛星システム (GNSS) は、地球全体をカバーして位置を提供する衛星航法システムの用語です。[ 87 ] 最初のシステムである GPS は、米国国防総省によって開発され、正式には NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) と名付けられました。衛星コンステレーションは、米国空軍第 50 宇宙航空団によって管理されています。システムの維持費は、老朽化した衛星の交換や研究開発を含めて年間約7億5000万米ドルである[ 88 ]。にもかかわらず、GPSは公共財として民間利用は無料である。
技術の進歩と世界的な発展により、2024年現在、一般の人々が航行に利用できる運用中のGNSSがいくつか存在します。これらには、米国のNAVSTAR全地球測位システム（GPS）、ロシアのGLONASS、欧州連合のガリレオ測位システム、中国の北斗航法システムが含まれます。[ 87 ]さまざまなグローバルシステムには精度に違いがありますが、通常、システムとそのシステムの衛星カバレッジに応じて、位置の精度は1メートルから10メートルの範囲にあります。[ 87 ]その結果、100以上の衛星が中軌道にあり、GNSS受信機が受信機の位置、速度、方向を決定できるようにする信号を送信しています。[ 87 ]また、インド地域航法衛星システムや準天頂衛星システムなど、航行に利用できる地域GNSSシステムもいくつかあります。しかし、すべてのGNSS受信機がこれらのシステムと連携して動作するわけではなく、古い船舶などに搭載されている古いGNSS受信機は、現在ユーザーが利用できるすべてのGNSSを受信できない可能性がある。[ 87 ]
現代のスマートフォンは、所有者である一般市民にとってパーソナルGNSSナビゲーターとして機能します。車両内または徒歩でのこれらのデバイスの過剰使用は、ナビゲーション環境を学習する能力の低下につながり、これらのデバイスが使用できなくなった場合のナビゲーション能力が最適ではなくなる可能性があります。[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]通常、移動していないときに方向を決定するためのコンパスも備えられています。
全地球航法衛星システム（GNSS）の妨害やなりすましが蔓延するにつれ、衛星信号だけに頼らない、耐障害性の高い航法方法への関心が再び高まっている。現代の船舶は、慣性航法システム、光ファイバージャイロコンパス、レーダー、地上航法を組み合わせた統合航法アーキテクチャを使用して、衛星信号が途絶した際にも信頼性の高い方位と位置認識を維持している可能性がある。[ 92 ]
音響測位は、音波を使用して物体の位置を決定する音響測位システムを使用した航行方法です。これは主に、ソナーや同様のトランスデューサーベースの技術を搭載した潜水艦や船舶で使用されます。 [ 93 ] [ 94 ]水中音響測位システムは、ダイバーや遠隔操作水中ビークルでも一般的に使用されており、特に長基線音響測位システム、短基線音響測位システム、超短基線音響測位システムなどがあります。[ 93 ] [ 95 ]
航路計画または航海計画とは、船舶の航海の最初から最後までの完全な記述を作成する手順です。計画には、ドックと港湾区域からの出港、航海の途中の部分、目的地への接近、および係留が含まれます。国際法によれば、船舶の船長は航路計画に対して法的責任を負いますが[ 96 ]、大型船舶では、この任務は船舶の航海士に委任されます[ 97 ]。
研究によると、航海事故の 80 パーセントは人為的ミスが原因であり、多くの場合、ミスを犯した人間は事故を防ぐことができた情報にアクセスできたことが示されています。[ 97 ]航海計画の実践は、海図に線を引くことからリスク管理のプロセスへと進化しました。[ 97 ]
航路計画は、評価、計画、実行、監視の 4 つの段階から構成され、[ 97 ]国際海事機関決議 A.893(21)「航海計画のガイドライン」[ 98 ]に規定されています。これらのガイドラインは、IMO 署名国の国内法 (例えば、米国連邦規則集第 33 編) や、多数の専門書や出版物に反映されています。包括的な航路計画には、船舶のサイズと種類に応じて約 50 の要素があります。
評価段階では、提案された航海に関連する情報の収集、リスクの確認、および航海の主要特徴の評価を行います。これには、必要な航行の種類（例：氷海航行）、船舶が通過する地域、および航路上の水路情報などを考慮することが含まれます。次の段階では、文書化された計画を作成します。第3段階は、最終決定された航海計画の実行です。この段階では、天候の変化など、計画の見直しや変更が必要となる可能性のある特別な状況を考慮します。航海計画の最終段階は、計画に対する船舶の進捗状況を監視し、逸脱や予期せぬ事態に対応することです。
電子統合ブリッジの概念は、将来の航行システム計画を推進しています。[ 53 ]統合システムは、さまざまな船舶センサーからの入力を受け取り、位置情報を電子的に表示し、船舶を所定のコースに維持するために必要な制御信号を提供します。[ 53 ]航海士はシステム管理者となり、システムのプリセットを選択し、システム出力を解釈し、船舶の応答を監視します。[ 53 ]
現代の商船や海軍艦艇では、レーダー、電子海図表示情報システム（ECDIS）、自動識別システム（AIS）、ジャイロコンパス、自動操舵装置、機械データ、航海センサーを統合したオペレーター環境を備えた統合ブリッジシステム（IBS）の使用が増えている。統合システムは、当直員が複数の船舶システムからの情報に同時にアクセスして関連付けることができるため、状況認識の向上、ブリッジの作業負荷の軽減、より安全な航行をサポートする。 [ 99 ]
2020年代には、統合ブリッジシステムが進化し、自律航行対応船舶の運航、オープンシステムの相互運用性、サイバーレジリエンス、低排出ガス輸送イニシアチブをサポートするようになりました。高度なブリッジプラットフォームが船舶に導入され、航海効率、遠隔診断、将来の自律航行および高度自動化航行機能をサポートしています。[ 100 ]
自律航行システムおよび自律航行対応の海上航行システムは、一般的に、レーダー、AIS、衛星航法、慣性航法システム、カメラ、航海管理ソフトウェアを統合ブリッジアーキテクチャ内で組み合わせたセンサーフュージョンに依存している。
伝統的な海上航海では、航海における 1 日の作業は、慎重な天体航法に合致する最小限の一連の作業です。定義とプロセスは軍用船と民間船、また船ごとに異なりますが、伝統的な方法は次のような形式をとります。[ 101 ]
船舶における航行は通常、常に操舵室で行われます。海図や航海図書が利用できる隣接する空間で行われる場合もあります。近年、従来の航行方法は、海上航行のための技術的な方法に取って代わられつつあります。
自動車やその他の陸上交通におけるナビゲーションは、通常、地図、ランドマーク、そして近年ではコンピュータナビゲーション（「サットナビ」、衛星ナビゲーションの略）が用いられるほか、水上では利用可能なあらゆる手段が用いられる。
コンピュータによるナビゲーションは、一般的に現在位置情報にGPSを使用し、道路や航行可能なルートのナビゲーションマップデータベースを利用し、最短経路問題に関連するアルゴリズムを用いて最適なルートを特定する。
歩行者ナビゲーションは、オリエンテーリング、陸上ナビゲーション（軍事）、および道案内に関係している。
潜水艦乗組員、ダイバー、遠隔操作式水中ビークル（ROV）およびその他の水中艇は、GNSS、レーダー航法、ソナー/音響位置測位など、さまざまな方法とプロセスで水中航法を実行します。[ 102 ] [ 103 ]
人工知能は、ナビゲーションにおける計画、問題解決、意思決定プロセスを支援するために利用できます。[ 104 ] [ 105 ]これには、GNSSなどのナビゲーションシステムや、車両、飛行機、自動車などの位置の特定とある位置から別の位置への監視を支援する一般的なコンピューティングでのAIの使用が含まれます。[ 106 ] [ 107 ]
航海に関する専門基準は、航海の種類によって異なり、国によっても異なります。海上航海の場合、商船の甲板士官はSTCW条約に従って訓練を受け、国際的に認定されます。[ 108 ]レジャーやアマチュアの船乗りは、地元の/地域の訓練学校で航海に関するレッスンを受けることができます。海軍士官は、海軍の訓練の一環として航海訓練を受けます。
陸上航法では、一般教育または課外教育の一環として、若者にコースやトレーニングが提供されることがよくあります。陸上航法は、軍隊の訓練の重要な部分でもあります。さらに、スカウトやDoEプログラムなどの組織は、生徒に航法を教えています。オリエンテーリング組織は、地図とコンパスを使用して、多様で通常は不慣れな地形を高速で移動しながら、地点から地点へとナビゲートするナビゲーションスキルを必要とするスポーツの一種です。[ 109 ]
航空業界では、パイロットは飛行訓練の一環として航空航法訓練を受ける。
専門組織は、航法の改善を促進したり、航法士を学術的な環境に集めたりするのにも役立ちます。英国王立航法協会（RIN）は、陸上、海上、空中、宇宙における航法の発展を促進することを目的とした慈善団体です。1947年に、船員、パイロット、エンジニア、学者が経験を比較し、情報を交換するフォーラムとして設立されました。 [ 110 ]米国では、航法協会（ION）は、測位、航法、タイミングの技術と科学を進歩させる非営利の専門組織です。[ 111 ]
航海に関する多数の出版物が世界中の専門機関から出版されています。英国では、英国水路局、ウィザービー出版グループ、航海協会が、包括的な海軍水路航海マニュアルを含む多数の航海出版物を提供しています。[ 112 ] [ 113 ]
米国では、ボウディッチの『アメリカ実用航海術』は、米国政府が発行する無料で入手可能な航海百科事典である。[ 114 ]
ナビゲーションは、人間や動物がさまざまな目的地に到達するために経路を見つけ、追跡し、たどるのに役立つ一連の能力を伴う、日常生活に不可欠な活動です。[ 115 ] [ 116 ]空間認知におけるナビゲーションは、身体と環境のランドマークを基準フレームとして使用して環境に関する情報を取得し、認知マップとしても知られる環境の精神的表象を作成することを可能にします。人間は、さまざまな空間を移動し、自己中心的および他者中心的基準フレームの両方を調整することによってナビゲーションを行います。
ナビゲーションは、移動と道探しという 2 つの空間的要素に分けられます。[ 117 ]移動とは、人間と動物の両方において、ある場所から別の場所へ移動するプロセスです。移動は、空間を移動してその環境の心的表象を作り出すことで、環境を理解するのに役立ちます。[ 118 ]道探しは、心的表象を通して、ある場所から別の場所への経路をたどったり決定したりする能動的なプロセスとして定義されます。[ 119 ]これには、障害物を回避したり、コースを維持したり、特定の物体に近づくときにペースを調整したりするのに役立つ、表象、計画、決定などのプロセスが含まれます。[ 117 ] [ 120 ]
ナビゲーションとウェイファインディングは、環境空間でアプローチできます。ダン・モンテロの空間分類によると、空間には4つのレベルがあり、3番目が環境空間です。環境空間は、都市のような非常に大きな空間を表し、すべての物体と空間が直接見えるわけではないため、移動によってのみ完全に探索できます。[ 121 ]また、バーバラ・トベルスキーも空間を体系化しましたが、今回は人間の身体とその拡張の軸に対応する3つの次元、つまり上/下、前/後ろ、左/右を考慮に入れました。トベルスキーは最終的に、身体の空間、身体の周囲の空間、ナビゲーションの空間、グラフィックスの空間という4つの分類でナビゲーション可能な空間を提案しました。[ 122 ]
ナビゲーションには、補助ありと補助なしの 2 種類の道案内があります。[ 121 ]補助ありの道案内では、地図、GPS、方向標識など、さまざまな種類のメディアをナビゲーションプロセスで使用する必要があり、一般的に空間推論は少なく、認知的な負担も少なくなります。補助なしの道案内では、ナビゲーションを行う人はそのようなデバイスを使用しません。[ 121 ]補助なしの道案内は、方向性があるかないかに応じてタスクの分類に細分化できます。これは基本的に、明確な目的地があるかないかを区別します。方向性のない道案内とは、人が特定の目的地を持たずに単に楽しみのために環境を探索することを意味します。 [ 123 ]
方向付けられた道案内は、さらに探索と目標近似に細分化できます。[ 123 ]探索とは、目的地がどこにあるかを知らない人が、見慣れない環境（情報のない探索と呼ばれる）または見慣れた環境（情報のある探索と呼ばれる）で目的地を見つけなければならないことを意味します。一方、目標近似では、ナビゲーターは目的地の場所を知っていますが、ナビゲーターが目的地への行き方を知っているかどうかに基づいてさらに区別されます。経路追従とは、環境、経路、目的地がすべてわかっていることを意味し、ナビゲーターは単にすでに知っている経路をたどって、あまり考えずに目的地に到着します。たとえば、自分の街にいて、普段家から職場や大学まで通るのと同じ道を歩いている場合です。[ 123 ]しかし、経路探索とは、ナビゲーターが目的地は知っているが、目的地に到達するために通らなければならない経路は知らないことを意味します。特定の店がどこにあるかは知っていても、そこへどうやって行くか、どの経路を通るかはわかりません。ナビゲーターが環境を知らない場合は、経路探索と呼ばれ、目的地のみがわかっていて、経路も環境もわからないことを意味します。新しい都市にいて、駅に到着する必要があるが、そこへの行き方がわからない場合です。[ 123 ]一方、経路計画とは、ナビゲーターが目的地がどこにあるかを知っていて、環境にも精通しているため、目標に到達するために通らなければならない経路または経路を計画するだけでよいことを意味します。たとえば、自分の街にいて、目的地はわかっているが、そこへ行くために通らなければならない具体的な経路がわからない特定の店に行く必要がある場合です。[ 123 ]
{{cite web}}: CS1 maint: タイトルとしてアーカイブされたコピー (リンク)暦 1849-1851。
クロノメーターは1825年頃までイギリス海軍に定期的に供給されていなかった。
私が述べたことは、一流のクロノメーターを持つこと、または注意深く観察された月の観測が絶対的に必要であり、実行可能な場合は決して省略されないことを示すのに役立つでしょう。