Построение системы географических координат неразрывно связано с выделением некоторых преимущественных направлений, выбор которых определяется особенностями Земли как небесного тела. Эти направления — «север — юг» и перпендикулярное к нему «восток — запад». Первое из них связано с расположением в пространстве оси вращения нашей планеты, второе — с направлением этого вращения.
Таким образом, для наблюдателя, расположенного на поверхности Земли, полная задача ориентирования заключается в определении направления «север — юг» и географических координат данной точки. Как известно, эта задача возникла перед людьми ещё в отдалённом прошлом, когда у человека появилась необходимость заниматься торговлей и мореплаванием.
Если же говорить о современной нам эпохе, то ориентирование в пространстве является неотъемлемым звеном в таких важнейших областях человеческой деятельности, как морская и воздушная навигация, космонавтика, геодезия, строительство, метеорология, всякого рода экспедиции, а также путешествия и туризм.
В частности, обеспечением движения кораблей и самолетов в соответствии с заданным курсом занимаются особые специалисты — Штурманы. Штурманская служба — одна из самых важных и ответственных профессий человечества. Первые штурманы, сведущие в астрономии, сопровождали корабли ещё в IV в. до н. э., когда египетские и финикийские папирусные корабли осваивали пути вдоль африканских берегов по Атлантическому океану. Забирались отважные мореплаватели и далеко на север к загадочной земле Туле — современной Великобритании, и эти морские экспедиции сопровождали опытные штурманы-астрономы.
Не обходился без помощи звёзд и легендарный Одиссей:
«Радостно парус напряг Одиссей и, попутному ветру
Вверившись, поплыл. Сидя на корме и могучей рукою
Руль обращая, он бодрствовал; сон на очи его не спускался
И их не сводил он с Плеяд, с нисходящего поздно
В море Боота, с Медведицы, в людях ещё колесницы
Имя носящей, и близ Ориона свершающей вечно
Круг свой, себя никогда не купая в водах Океана.
С нею богиня повелела ему неусыпно
Путь соглашать свой, её оставляя по левую руку».
Позднее астрономический способ определения координат высоко оценил великий испанский мореплаватель Христофор Колумб (1451—1506), авторитетно заявивший, исходя из собственного опыта: «Существует лишь одно безошибочное корабельное исчисление — это астрономическое. Счастлив тот, кто с ним знаком».
На первый взгляд может показаться, что нет смысла определять местоположение наблюдателя на поверхности Земли путем наблюдений за внеземными объектами. Однако в действительности это не так: некоторые особенности положения и движения Земли в мировом пространстве делают небесные светила исключительно удобными объектами наблюдений для решения задач на ориентирование.
«Единственно точной и неизменно безотказной мы считали лишь воздушную астрономию, и это целиком подтвердилось в перелёте: только она выручала нас в трудные минуты, вела и точно привела к намеченной цели»,— писал в своей книге «Покорение Северного полюса» известный штурман полярной авиации И. Т. Спирин.
А в книге А. В. Белякова «Из Москвы в Америку через Северный полюс» сказано: «... Самый важный прибор на нашем самолете — солнечный указатель курса».
Не случайно люди стали пользоваться астрономическим способом ориентирования с незапамятных времен. На протяжении многих веков небесные светила служили людям единственным средством ориентирования на местности, определения географических широт и долгот, а также измерения точного времени.
Первые таблицы положения светил были составлены Гиппархом (II в. до н.э.) — в его каталоге по некоторым данным было 850 звёзд. Птолемей (II в. н.э.) составил таблицы положений планет. Существенный вклад в развитие практической астрономии внесли арабы в XIII—XV вв. Как известно, в этот период арабские учёные много и успешно работали в области математики и её приложений. Альфонсовы таблицы, которыми пользовался Колумб в своих путешествиях, составлены в 1252 г. Толедские таблицы — в 1551 г. В том же году составлены Прусские таблицы, а Рудольфинские таблицы Кеплера в 1627 г.
Однако в более широких масштабах таблицы стали составляться в XVII в. учёными Испании, затем Англии и Голландии.
Искусство астрономического ориентирования издавна называется навигацией. Одним из первых мероприятий Петра I, мечтавшего вывести Россию на уровень передовых европейских стран, было основание в Москве, в знаменитой Сухаревой башне, школы «математических и навигацких хитростно искусств учения». Поручил он это дело одному из своих сподвижников, математику и астроному Я. В. Брюсу. Среди первых учителей этой школы был Л. Ф. Магницкий, учебник которого «Арифметика, сиречь наука числительная» стал одним из «врат учёности» М. В. Ломоносова.
Конечно, современные способы астрономического ориентирования имеют мало общего с теми, которые изучались в «навигацкой школе». Но звёзды остались те же самые, и не только современные морские и авиационные штурманы, но и летчики-космонавты ориентируются по созвездиям, воспетым поэтами древности Гомером и Гесиодом.
С другой стороны, в наше время появился ряд чисто технических средств, прежде всего радиотехнических, с помощью которых можно с большой точностью и высокой степенью надёжности не только определять положение в пространстве, но и автоматически выдерживать в процессе движения заданное направление. В современной авиации, например, одним из распространенных радионавигационных средств являются радиомаяки. Они бывают «слуховыми», когда пилот определяет курс по максимуму или минимуму передаваемого сигнала, и «зрительными», когда любые отклонения от курса вызывают соответствующие отклонения стрелки контрольного прибора.
Радионавигационные методы весьма оперативны. С момента получения информации от приборов до момента определения точки на карте проходит всего несколько минут.
Следует, однако, отметить, что в Арктике и в Антарктиде повсеместной системы земного радионаведения пока не существует.
Важное значение в современной морской и воздушной навигации приобрёл радиолокационный способ определения курса и местоположения корабля. При этом используются как радиолокационные изображения естественных очертаний берегов, так и сигналы, отраженные специальными отражателями, устанавливаемыми на берегах и на плавучих средствах.
Наряду с пассивными отражателями радиоволн применяются и активные — маяки-ответчики, которые в ответ на принятый сигнал радиолокатора посылают свой ответный сигнал, характерный для данного маяка. Подобные маяки особенно часто используются в проливах и других сложных для судовождения местах мирового океана.
В гражданской авиации получил широкое применение также метод радиолокационного наведения. Вдоль трассы через определённые промежутки устанавливаются радиолокационные станции, последовательно «передающие» друг другу летящий самолет. В случае отклонения от курса, обнаруженного одним из локаторов, на борт самолета передаются соответствующие поправки.
Полностью перешла в ведение электроники и такая традиционная астрономическая задача, как измерение и хранение точного времени. Если раньше эталоном для отсчёта промежутков времени служило вращение Земли и, следовательно, видимые суточные перемещения звёзд по небу, то созданные в последние годы атомные и молекулярные часы стали отсчитывать промежутки времени с точностью, намного превосходящей равномерность вращения нашей планеты.