Navigointi – määritelmä, historia ja GPS-paikannus
Navigointi on menetelmä, jolla määritellään sijainti ja suunnitellaan reitti toiseen paikkaan. Koska tämä on helppoa, kun maamerkit ovat nähtävissä, sanaa käytetään usein myös erityisesti laivojen ja lentokoneiden käyttämiin menetelmiin. Sana navigointi keksittiin 1400-luvulla latinankielisestä sanasta navis, joka tarkoittaa "laivaa" ja esiintyy myös muissa indoeurooppalaisissa kielissä. Alun perin se tarkoitti kirjaimellisesti "laivan hallitsemisen taitoa", mutta nykykäytössä sillä voidaan tarkoittaa yleisesti reitin löytämistä ja sijainnin seuraamista. Nykyisin tärkein elektroninen apuväline navigoinnissa on Maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä, mutta navigointiin kuuluu paljon muutakin.
Lyhyt historia
Ihmiskunta on navigoinut vuosituhansien ajan. Muinaiset merenkävijät, kuten polynesialaiset, käyttivät tähtiä, aaltojen muotoa ja lintujen lentoreittejä suunnan löytämiseen. Kompassin käyttö levisi Eurooppaan ja Aasiaan keskiajalla, mikä mahdollisti tarkemman meriliikenteen. 1700–1800-luvuilla kehitettiin sekstantti etäisyyksien ja kulmien mittaamiseen sekä merikronometri ajanmittaukseen pituuspiirin määrittämiseksi. 1900-luvulla tutka, radio- ja myöhemmin satelliittipaikannus muuttuivat keskeisiksi tekniikoiksi.
Navigointimenetelmät ja -välineet
- Pilottinavigointi ja maamerkit: lähellä rantaa tai maata käytetään visuaalisia maamerkkejä, majakoita ja karttoja.
- Kompassi: magneettinen tai gyroskooppinen kompassi kertoo suuntakulman suhteessa pohjoiseen.
- Kartat ja merikartat: topografiset kartat, merikartat ja reitityssoftware auttavat suunnittelussa.
- Sekstantti ja tähdistä navigointi: päiväntähtien ja auringon avulla voidaan määrittää leveys- ja pituusasteet.
- Dead reckoning (arvioitu kulkeminen): nopeuden, suunnan ja ajan perusteella laskettu sijainti, jota käytetään kun muita apuja ei ole.
- Inertiaalinen navigointi (INS): gyroskoopit ja kiihtyvyysanturi seuraavat liikettä ilman ulkoista signaalia; usein yhdistetty GNSS:iin.
- Radio- ja tutkajärjestelmät: VOR/DME (ilmailu), AIS ja tutka (meriliikenne) antavat etäisyys- ja suuntatietoa.
GPS ja GNSS
Maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä (yleensä GPS) on yksi GNSS-järjestelmistä, joka käyttää satelliitteja paikannukseen. GNSS-kategoriaan kuuluvat myös eurooppalainen Galileo, venäläinen GLONASS ja kiinalainen BeiDou. Nämä järjestelmät toimivat lähettämällä ajastettuja signaaleja satelliiteista vastaanottimiin, jotka laskevat etäisyyden signaalin kulkuajan perusteella. Modernit vastaanottimet yhdistävät usein useamman järjestelmän signaalit tarkemman ja luotettavamman paikannuksen saavuttamiseksi.
Satelliittipaikannuksen tarkkuuteen vaikuttavat tekijät kuten ilmakehän (ionosfääri ja troposfääri) viiveet, signaalin heijastuminen (multipath), satelliittien geometria sekä kellovirheet. Parannuksia saavutetaan maaseurantaverkkojen, korjauspalveluiden (esim. RTK, WAAS/EGNOS) ja monitaajuusvastaanottimien avulla.
Meriliikenne ja ilmailu
Merellä navigointi yhdistää perinteiset menetelmät (ruorimiehen näkymä, kartat, sekstantti) ja modernit järjestelmät (GPS, tutka, AIS). Laivoissa käytetään merikarttoja, elektronisia karttanäyttöjä (ECDIS) ja reitinsuunnittelua turvallisuuden varmistamiseksi. Ilmailussa vastaavat järjestelmät sisältävät lentoreittisuunnittelun, instrumenttilähestymiset, VOR/DME-, ILS- ja satelliittipohjaiset lähestymisjärjestelmät sekä tarkat lennonhallintajärjestelmät.
Virheet, riskit ja turvallisuus
Navigoinnissa on otettava huomioon mahdolliset virheet ja riskit: huono sää ja näkyvyys, elektroninen häirintä tai signaalin katoaminen, karttavirheet ja ihminen virhe. Turvallisuuden parantamiseksi käytetään redundanssia eli useita riippumattomia järjestelmiä ja jatkuvaa tilannetietoisuutta sekä varareittejä ja pelastusjärjestelyjä.
Tulevaisuus ja uudet sovellukset
Navigoinnin kehitys jatkuu: autonomiset alukset ja ajoneuvot, tarkentuvat GNSS-järjestelmät, yhdistetyt sensoriverkostot (esim. LIDAR + INS + GNSS) ja tekoälyn hyödyntäminen reitinoptimoinnissa ja esteiden tunnistuksessa. Paikannustekniikat laajenevat myös sisätiloihin (indoor positioning) ja kaupunkien älyjärjestelmiin.
Yhteenvetona: navigointi kattaa laajan kirjon menetelmiä perinteisistä maamerkkeihin perustuvista taidoista nykyaikaiseen satelliittipaikannukseen. Valinta menetelmän tai välineen välillä riippuu ympäristöstä, tarvittavasta tarkkuudesta ja turvallisuusvaatimuksista.
Yksinkertainen navigointi
Polynesialaiset tekivät yhden navigointitavan, jota kutsutaan polynesialaiseksi navigoinniksi. Polynesialaiset käyttivät erilaisia ympäriltään löytyviä esineitä löytääkseen tiensä laajojen avomeren alueiden halki. Myös muut varhaiset ihmiset oppivat kulkemaan pitkiä matkoja luonnon avulla. Esimerkiksi:
- Kauan sitten (ja jotkut ihmiset käyttävät sitä vielä nykyäänkin) ihmiset katselivat tähtiä, aurinkoa ja kuuta. Tämän perusteella he tiesivät, missä pohjoinen oli. Karttojen avulla he saivat selville, kuinka kaukana he olivat päiväntasaajasta. Tätä kutsutaan taivaalliseksi navigoinniksi. Ennen kuin heillä oli tarkat kellot, he eivät tienneet pituusastettaan (kuinka kaukana idässä tai lännessä he olivat) näkemättä maamerkkejä.
- Jotkin pilvityypit muodostuvat maan päälle, ja aallot voivat kimpoilla rannasta ja kulkeutua merelle.
- Aika, joka kului paikkaan pääsemiseen. Maalla matkustaessaan he tiesivät, että heiltä kestäisi esimerkiksi kaksi päivää päästä paikasta toiseen. Tämä aika pysyisi todennäköisesti samana. Tämän perusteella he saattoivat matkustaa kaksi päivää ja tiesivät olevansa lähellä paikkaa, jossa he halusivat olla.
- Myös löydetyt eläimet auttoivat. Ihmiset löysivät eri paikoista erilaisia kaloja, valaita tai lintuja, jotka elivät vain yhdessä paikassa tai lähellä maata. Siitä he saattoivat päätellä, olivatko he lähellä vai kaukana siitä, missä heidän piti olla.
Esimerkkinä tähtiä käyttäneistä ihmisistä ovat viikingit. He tiesivät, että Polaris-niminen tähti (Pohjantähti) ei muuta sijaintiaan ja osoittaa pohjoiseen. He tiesivät leveysasteen (etäisyyden päiväntasaajasta) mittaamalla Polaris-aseman ja horisontin välisen kulman. He käyttivät myös eläimiä, erityisesti lintuja, tietääkseen, oliko maa lähellä. He tiesivät myös, että tietynlaisia pilviä muodostuu lähellä maata ja että aallot ovat erilaisia lähellä maata kuin avomerellä.
Keskiaikainen navigointi
Ajan myötä keksittiin tai löydettiin parempia navigointimenetelmiä. Joitakin näistä menetelmistä ovat:
- Kuollut laskelma. Laiva saattoi heittää tukin laidan yli. Hirteen kiinnitettiin köysi, jossa oli solmuja säännöllisin väliajoin. Laskemalla, kuinka monta solmua meni laidan yli ennen kuin tukki vedettiin takaisin, tiedettiin, kuinka nopeasti laiva kulki. He kirjasivat tämän ylös joka päivä ja päättelivät, kuinka paljon he olivat kulkeneet päivän aikana. Tämän vuoksi laivan nopeus mitataan solmuina.
- Kompassi. Havaittiin, että maapallolla oli kaksi napaa (pohjois- ja etelänapa) ja että näillä navoilla oli erilaiset magneettiset varaukset (positiivinen ja negatiivinen). Kun magneettista rautanauhaa pidettiin nuppineulan kärjessä, havaittiin, että nauha pyöri kunnes se vastasi Maan magneettikenttää. Tästä voitiin ottaa suunta ja seurata polkuja. Kompassi keksittiin ensimmäisen kerran Kiinassa. Myöhemmin se keksittiin Ranskassa 1200-luvulla.
- Tarkat kellot. Kellon avulla oli vihdoin mahdollista tietää henkilön pituusaste. Pituusaste on sijainti itään tai länteen. Tätä ennen voitiin käyttää vain maamerkkejä ja umpimähkäistä laskentaa.
- Luotsaus tarkoittaa, että alukset etsivät erityisiä majakoita tai ihmisen tekemiä merkkejä, jotka kertovat, missä ne ovat, tai että niiden on varottava tiettyjä esteitä, kuten riuttoja.
- Ihmiset jakoivat kompassin 360 asteeseen. Näin he pystyivät antamaan tarkan luvun siitä suunnasta, jota laivan oli seurattava ("suuntima") saapuakseen satamaan. Ensimmäiset merikartat, joita kutsuttiin merikartoiksi, osoittivat suunnan, jota tarvittiin satamasta toiseen pääsemiseksi.
Freiberger Drum Marine Sextant.
Nykyaikainen navigointi
- Tähtinavigointi on parannus tähtien avulla navigointiin. Siinä käytetään sekstanttia, kompassia ja erittäin tarkkaa kelloa eli kronometriä. Mittaamalla tähden korkeuden (kuinka korkealla se on horisontin yläpuolella) ja sen suunnan kompassilla tiettynä ajankohtana suunnistaja voi määrittää, missä alus on. GPS on melko pitkälti korvannut tähtinavigoinnin, mutta tähtinavigointia opetetaan edelleen kaikissa merenkulkukouluissa, koska se ei vaadi erityistä elektroniikkaa.
- Radiosuunnistus keksittiin 1900-luvun alussa. Hyperbolisessa navigoinnissa käytetään radiolähettimiä aluksen sijainnin määrittämiseksi kahden tai kolmen liikkumattoman radiolähettimen väliltä.
- Maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä (GPS) korvasi muut radiomenetelmät 1900-luvun lopulla. Se on satelliittilähettimien järjestelmä. Matkustajat voivat pienen vastaanottimen avulla löytää sijaintinsa melkein missä tahansa maapallolla.
