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항법

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목차

1. 개요

항법은 위치를 파악하고 이동 경로를 결정하는 기술로, 고대부터 사용되어 온 지문 항법과 천문 항법이 기본적인 형태였다. 기술 발전에 따라 다양한 항법 방법이 개발되었으며, 현재는 위성 항법 시스템(GNSS)을 중심으로 전자 항법이 널리 사용된다. 주요 항법 방법으로는 추측 항법, 도선술, 육상 항법, 천문 항법, 전파 항법, 레이더 항법, 위성 항법 등이 있으며, 이러한 방법들을 조합하여 실제 항해에 활용한다. 현대 항법 시스템은 위성 항법 시스템, 전자 해도, 통합 항해 시스템 등을 포함하며, 항해사, 항공사, 조종사 등 항법 관련 직업이 존재한다.

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항법
개요
정의특정 장소에서 다른 장소로 이동하는 과정, 또는 그러한 이동을 감시하고 제어하는 과정
관련 분야항해술
항공술
우주항행
항행 방법
전통적인 방법육지항법
천측항법
현대적인 방법전파항법
위성항법
관성항법
자동항법

2. 역사

유럽 중세 시대에 항해는 7가지 기계 기술 중 하나로 간주되었지만, 바다를 건너는 장거리 항해에는 적합하지 않았다. 폴리네시아 항법은 최초의 외해 항해 형태로, 마셜 제도 막대 차트와 같은 과학 장비에 기록된 기억과 관찰을 기반으로 했다. 초기 태평양 폴리네시아인들은 별의 움직임, 날씨, 특정 야생동물 종의 위치, 파도의 크기를 이용해 섬 사이를 항해했다.

항해용 아스트롤라베 같은 과학 장비를 사용한 해상 항해는 중세 지중해에서 처음 시작되었다. 육상 아스트롤라베는 헬레니즘 시대에 발명되었고 고대와 이슬람 황금 시대에 존재했지만, 해상 아스트롤라베에 대한 가장 오래된 기록은 1295년 스페인 천문학자 라몬 률의 기록이다.[68][69][70] 대항해시대 초기 포르투갈 항해사들은 이 항법 장비를 완성했다. 1551년 스페인 우주학자 마르틴 코르테스 데 알바카르는 이집트 피라미드 건설에 사용된 군도의 원리를 바탕으로 바다 아스트롤라베를 만들고 사용하는 방법에 대한 설명을 출판했다.

아스트롤라베와 나침반을 이용한 바다 항해는 15세기 대항해시대에 시작되었다. 엔히크 항해왕자의 후원으로 포르투갈인들은 아프리카 대서양 연안을 체계적으로 탐험하기 시작했다. 1488년 바르톨로메우 디아스는 희망봉을 돌아 인도양에 도달했다. 1492년 스페인 군주는 서쪽으로 항해하여 인도에 도달하려는 크리스토퍼 콜럼버스의 탐험에 자금을 지원했고, 그 결과 아메리카 대륙이 발견되었다. 1498년 바스쿠 다 가마가 지휘하는 포르투갈 원정대가 아프리카를 항해하여 인도에 도착하여 아시아와의 직거래를 시작했다. 포르투갈인들은 더 동쪽으로 항해하여 1512년에 말루쿠 제도에 이르렀고, 1년 후에는 중국에 상륙했다.

최초의 지구 항해는 1519년~1522년에 걸쳐 진행된 마젤란-엘카노 탐험으로, 페르디난드 마젤란이 이끌고 스페인 항해사 후안 세바스티안 엘카노가 완료했다. 스페인 남부 산루카르데바라메다에서 출발한 함대는 대서양을 건너 남아메리카 남단을 돌았다. 일부 선박은 손실되었지만, 나머지 함대는 태평양을 건너 괌과 필리핀을 포함한 여러 섬을 발견했다. 엘카노가 이끄는 빅토리아호는 인도양을 건너 아프리카 해안을 따라 항해해 3년 뒤 스페인에 도착했다. 트리니다드호는 필리핀에서 동쪽으로 항해하여 아메리카 대륙으로 돌아가는 해상 항로를 찾으려 했으나 실패했다. 태평양을 가로지르는 동쪽 항로는 40년 후 스페인 우주학자 안드레스 데 우르다네타가 쿠로시오 해류를 이용하여 발견했다. 그는 1565년 10월 8일 아카풀코에 도착했다.

고대부터 천측 항법이나 지문 항법이 항해술로 사용되어 왔다. 과학 기술 발전에 따라 지도, 해도, 육분의, 자침, 크로노미터 등으로 정밀도가 높아졌다. 현대에는 전파 시설 및 위성 항법 시스템으로 간편하고 정확한 위치 정보를 얻게 되면서, 기존 항법 기술은 쇠퇴하는 경향을 보인다.

2. 1. 고대 및 중세 시대

초기 항해는 주로 해안 지형이나 별자리를 보며 위치를 파악하는 연안 항해였다. 폴리네시아 항법은 태평양 지역에서 발달한 독자적인 항해 기술로, 별, 파도, 바람, 새의 움직임 등을 종합적으로 이용하여 먼 거리를 항해했다. 마셜 제도 막대 차트는 폴리네시아 항법에서 사용된 도구로, 파도의 패턴을 기록하여 섬의 위치를 파악하는 데 사용되었다.[68][69][70]

중세 지중해에서는 아스트롤라베와 나침반이 발명되어 항해술이 발전하기 시작했다. 라몬 률은 1295년 해상 아스트롤라베에 대한 최초의 기록을 남겼다. 15세기 대항해시대에는 포르투갈의 엔히크 항해왕자가 항해술 발전을 적극적으로 지원했다. 바르톨로메우 디아스는 1488년 아프리카 희망봉을 돌아 인도양으로 가는 항로를 개척했다.

2. 2. 대항해시대

크리스토퍼 콜럼버스는 1492년 서쪽으로 항해하여 아메리카 대륙을 발견했다.[68][69][70] 바스쿠 다 가마는 1498년 아프리카를 돌아 인도에 도착하는 항로를 개척하여 유럽과 아시아 간의 직접적인 교역을 가능하게 했다. 페르디난드 마젤란과 후안 세바스티안 엘카노는 1519년~1522년 최초의 세계 일주 항해를 성공시켰다. 안드레스 데 우르다네타는 1565년 태평양 횡단 동쪽 항로(토르나비아헤)를 발견하여 필리핀과 아메리카 대륙 간의 교역을 가능하게 했다.

2. 3. 근대 및 현대

18세기 말 항해용 크로노미터가 발명되어 경도 측정의 정확도가 크게 향상되었다.[64] 19세기에는 천측 항법이 체계화되어 원양 항해의 안전성이 높아졌다.[64]

20세기 초, 전파 항법이 등장하여 날씨에 관계없이 위치를 파악할 수 있게 되었다. 오메가 항법, 로란, TACAN 등이 전파 항법에 해당한다.[64][65] 20세기 후반에는 위성 항법 시스템이 개발되어 항법의 정확성과 편리성이 비약적으로 발전했다.[64]

관성 항법 장치(INS)는 외부 정보 없이 자체적으로 위치를 추적하는 시스템으로, 추측 항법의 일종이다. INS는 자이로스코프와 가속도계를 이용하여 위도, 경도, 속도 등을 지속적이고 정확하게 계산한다. INS는 악천후에 영향을 받지 않고, 감지되거나 방해받을 수 없다는 장점이 있지만, 오차가 누적되기 때문에 다른 항법 시스템으로 보정해야 한다. 최초의 관성 시스템은 1942년 독일군의 V-2 유도 시스템으로 여겨지며, 미국 해군은 폴라리스 미사일 프로그램에서 선박 관성 항법 시스템(SINS)을 개발하여 사용했다. INS는 잠수함, 미사일 등에서 여전히 사용된다.[27]

전 지구 위성 항법 시스템(GNSS)은 위성을 이용하여 전 세계적인 위치 정보를 제공하는 시스템이다. GNSS는 작은 전자 수신기가 위성에서 전송하는 시간 신호를 통해 경도, 위도, 고도를 몇 미터 이내로 정확하게 결정할 수 있게 해준다. 2011년 10월 기준으로, 미국의 NAVSTAR GPS와 러시아의 글로나스가 전 세계적으로 운영되는 GNSS이다. 유럽 연합의 갈릴레오 (위성 항법 시스템)는 2016년에 운영을 시작했다. 중국은 베이더우 항법 시스템을 전 세계 시스템으로 확장하고 있다.

1978년 첫 실험 위성이 발사된 GPS는 지도 제작, 측량, 지진 연구, 통신 네트워크 동기화 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 미국 국방부가 개발한 GPS는 공공재로서 민간에 무료로 제공되며, 유지 관리 비용은 연간 약 7.5억달러이다.[39] 현대적인 스마트폰은 개인용 GPS 항법 장치 역할을 하며, 나침반 기능도 제공한다.

우주 항법은 위성에 의존하지 않고 우주선 자체의 항해를 의미하며, 아폴로 계획에서는 아폴로 유도 컴퓨터, 관성 항법 장치, 육분의, 망원경 등을 사용했다. 펄서 항법은 펄서에서 발생하는 X선 폭발을 이용하여 우주선의 위치를 결정하는 방법으로, 미국 항공우주국(NASA)과 유럽 우주국(ESA)에서 연구되었다.[28][29]

과학 기술의 발전에 따라, 지도, 해도, 천문력, 육분의, 자침, 크로노미터 등을 이용한 전통적인 항법은 쇠퇴하고, 전파 시설 및 위성 항법 시스템을 이용한 항법이 주를 이루게 되었다.

3. 기본 개념

항해에서 방위나 위치를 파악하고, 이동체 측에서 단독으로 진행 방향을 판단하여 항로를 결정하는 지문 항법이나 천문 항법은 가장 기본적인 항법으로, 고대부터 항해술로 사용되어 왔다. 과학 기술의 발전에 따라 지도나 해도, 천체의 위치를 알기 위한 천문력, 육분의, 자침, 크로노미터 등의 사용으로 항법의 정밀도가 높아졌다. 현대에는 전파 시설 및 위성 항법 시스템을 통해 간편하고 정확한 위치 정보를 얻을 수 있게 되었다. 복잡하고 고도의 기량이 요구되는 기존 항법 기술은 안전성 향상을 위한 이중화 확보나 비상시의 특수 상황을 제외하면 쇠퇴하는 경향이 있다.[64][65]

대표적인 항법은 다음과 같다.


  • 자율 항법/자장 항법(추측 항법, 관성 항법)
  • 지문 항법/천측 항법
  • 전파 항법 (오메가 항법, 로란, TACAN, 그리드 항법, 도플러 항법, 위성 항법)
  • 광역 항법 (RNAV, RNP)

3. 1. 위도와 경도

위도는 적도를 기준으로 북쪽 또는 남쪽으로 떨어진 각도를 나타내며, 북극은 90°N, 남극은 90°S이다.[9] 항해사는 육분의를 사용하여 북극성(폴라리스)의 고도를 측정하여 위도를 계산할 수 있는데, 지평선 위 북극성의 높이(도)가 관측자의 위도이며, 1도 내외이다. 경도는 본초 자오선을 기준으로 동쪽 또는 서쪽으로 떨어진 각도를 나타내며, 동경 180°와 서경 180°는 서로 만난다.[9] 경도는 항해용 크로노미터를 사용하여 정확한 시간을 측정하고, 이를 통해 계산할 수 있다.[10] 그러나 신뢰할 수 있는 항해용 크로노미터는 18세기 말까지 사용할 수 없었고, 19세기까지는 비싸서 일반적으로 사용하기 어려웠다.[11][12][13]

3. 2. 등각 항로

항해에서, 럼 라인(rhumb line) 또는 등각 항로(loxodrome)는 모든 경선을 같은 각도로 가로지르는 선, 즉 정의된 초기 방위로부터 파생된 경로이다. 다시 말해, 초기 방위를 잡은 후 진북 또는 자북을 기준으로 방향을 변경하지 않고 동일한 방위로 진행하는 것이다.

4. 항법의 종류

네덜란드 영공에서의 수동 항법


천체나 지형지물을 관측하여 방위나 위치를 파악하고, 이동체 측에서 단독으로 진행 방향을 판단하여 항로를 결정하는 지문 항법이나 천문 항법은 가장 기본적인 항법으로, 고대부터 항해술로 사용되어 왔다. 과학 기술의 발전에 따라, 연안부의 지도나 해도, 천체의 위치를 알기 위한 천문력이나 육분의, 자침 및 크로노미터에 의해 정밀도가 높아졌다. 현대에는 전파 시설 및 위성 항법 시스템에 의해 간편하면서 정확한 위치 정보를 얻을 수 있게 되었으며, 안전성 향상 목적의 이중화 확보나 비상시의 특수 상황을 제외하면, 복잡하고 고도의 기량이 요구되는 기존 항법 기술은 쇠퇴하는 경향이 있다.

대표적인 항법은 다음과 같다.

  • 자율 항법/자장 항법 (추측 항법, 관성 항법)
  • 지문 항법/천측 항법
  • 전파 항법 (오메가 항법, 로란, TACAN, 그리드 항법, 도플러 항법, 위성 항법)[64][65]
  • 광역 항법 (RNAV, RNP)

4. 1. 전통적 항법

추측 항법은 선박의 속도와 방향을 기반으로 현재 위치를 추정하는 방법이다. 도선술은 육지나 섬 등 지형지물을 이용하여 현재 위치를 확인하는 방법이다. 육상 항법은 지도, 나침반, 랜드마크 등을 이용하여 육지에서 이동하는 방법이다. 천문 항법은 태양, 달, 별 등 천체의 위치를 관측하여 위치를 계산하는 방법이다.

천체나 지세를 관측하여 방위나 위치를 파악하고, 이동체 측에서 단독으로 진행 방향을 판단하여 항로를 결정하는 지문 항법이나 천문 항법은 가장 기본적인 항법으로, 고대부터 항해술로 사용되어 왔다. 과학 기술의 발전에 따라, 연안부의 지도나 해도, 천체의 위치를 알기 위한 천문력이나 육분의, 자침 및 크로노미터에 의해 정밀도가 높아졌다. 현대에는 전파 시설 및 위성 항법 시스템에 의해 간편하면서 정확한 위치 정보를 얻을 수 있게 되었으며, 안전성 향상 목적의 이중화 확보나 비상시의 특수 상황을 제외하면, 복잡하고 고도의 기량이 요구되는 기존 항법 기술은 쇠퇴하는 경향이 있다.

대표적인 항법은 다음과 같다. 대부분의 경우, 실제 항법에서는 이들을 복합적으로 사용한다.

  • 자율 항법/자장 항법(추측 항법, 관성 항법)
  • 지문 항법/천측 항법
  • 전파 항법 (오메가 항법, 로란, TACAN, 그리드 항법, 도플러 항법, 위성 항법)[64][65]
  • 광역 항법 (RNAV, RNP)

4. 2. 전자 항법

전자 항법은 전파, 레이더, 위성을 이용하여 위치, 방위, 속도 등을 측정하는 항법 기술이다.

  • 전파 항법: 전파를 이용하여 위치를 측정한다.
  • 로란-C: 저주파수 무선 송신기를 사용하는 육상 전파 항법 시스템이다. 90~110kHz 대역을 사용하며, 미국, 일본 등에서 사용되었으나 GPS에 밀려 사용이 줄고 있다.
  • 오메가 항법 시스템: 미국 해군이 개발한 최초의 글로벌 전파 항법 시스템이다. 8개 송신소로 전 세계에 서비스를 제공했으며, 위치 정확도는 6km였다. 핵폭격기와 잠수함 항해에 쓰였으나, GPS의 발달로 1997년 운영이 중단되었다.[30]
  • 데카: 쌍곡선 저주파수 전파 항법 시스템으로, 제2차 세계 대전 중 정확한 착륙을 위해 개발되었다. 주로 연안 해역 선박 항법에 사용되었으며, 어선과 헬리콥터에도 이용되었다.
  • 레이더 항법: 레이더로 주변 물체와의 거리 및 방위를 측정하여 위치를 파악한다.[31] 선박은 육지나 고정 물체와의 거리, 방위를 측정해 위치를 결정한다.[32]
  • 병렬 인덱싱: 레이더 화면에 선박 항로와 평행한 선을 그어 위험으로부터 일정 거리를 유지하는 기술이다.[35]
  • 위성 항법: 인공위성을 이용하여 위치를 측정한다.
  • GPS: 미국 국방부가 개발한 시스템으로, 20개 이상의 위성이 중궤도에서 신호를 보내 수신기의 위치, 속도, 방향을 결정한다. 지도 제작, 측량, 시간 이전 등 다양한 분야에서 활용된다.
  • 글로나스: 러시아의 위성 항법 시스템이다.
  • 갈릴레오 (위성 항법 시스템): 유럽 연합의 위성 항법 시스템으로, 2016년 운영을 시작했다.

4. 3. 기타 항법

관성 항법 장치(INS)는 가속도계와 자이로스코프를 이용하여 자체적으로 위치를 추적하는 추측 항법 유형의 시스템이다. 모션 센서를 기반으로 위치를 계산하며, 정렬 후에는 세 축을 따라 가속도와 세 직교 축을 중심으로 한 회전 속도를 측정하여 현재 위치와 속도를 지속적이고 정확하게 계산한다.[27] 초기 위치 입력 후 시간이 지남에 따라 오류가 누적되므로, 다른 항법 시스템으로 위치를 수정해야 한다.

음향 항법은 음파를 이용하여 수중에서 위치를 파악하는 방법이다. 소나와 측심기 등이 음향 항법에 사용된다.

5. 현대 항법 시스템

위성 항법 시스템(GNSS)은 위성에서 전파를 통해 전송되는 시간 신호를 사용하여 경도, 위도, 고도를 몇 미터 이내로 결정할 수 있게 해주는 전 세계적인 위치 정보 시스템이다.[39] 현재 완전하게 전 세계적으로 운영되는 GNSS는 미국의 NAVSTAR GPS와 러시아의 글로나스가 있다. 유럽 연합의 갈릴레오 (위성 항법 시스템)는 최종 배치 단계에 있으며, 2016년에 운영을 시작했다. 중국은 자국의 지역 베이더우 항법 시스템을 전 세계 시스템으로 확장할 가능성을 시사했다.[39]

해상 지원 선박에 통합된 통합 항해 시스템


현대 항해 시스템 설계는 전자 통합 항해 시스템 개념을 따르고 있다.[20] 통합 시스템은 다양한 선박 센서로부터 입력을 받아 위치 정보를 전자적으로 표시하고, 선박이 미리 설정된 항로를 유지하는 데 필요한 제어 신호를 제공한다.[20] 항해사는 시스템 관리자가 되어 시스템 사전 설정을 선택하고, 시스템 출력을 해석하며, 선박의 응답을 모니터링한다.[20]

현대에는 전파 시설 및 위성 항법 시스템을 통해 간편하고 정확한 위치 정보를 얻을 수 있게 되었다. 이에 따라 안전성 향상을 위한 이중화 확보나 비상시를 제외하면, 복잡하고 고도의 기량이 요구되는 기존 항법 기술은 쇠퇴하는 경향을 보인다.

6. 항법 관련 직업 및 교육

항해사는 선박의 항해를 책임지는 전문 직업이다.[66] 현대에는 선박 설비 관리, 하역, 승객 관리, 선원 통솔 등 관리 업무가 많으며, 항법 관련 업무는 항해 계획 입안 등에 한정된다.[67] 과거 장거리 항공기에는 항법을 담당하는 항공사(Navigator, 항법사)라는 전문 직업이 있었다. 현대 항공에서는 항공 교통 관제에 따라 설정된 항공로를 비행하며, 오토파일럿이 항로를 보정하므로 조종사가 직접 계산할 일은 없다. 다이버트 시에도 항공 관제관의 지시를 따르며, 오토파일럿 설정도 조종사가 변경 가능하다.

조종사는 비행 학습의 일환으로 항공 항법 훈련을 받는다.

왕립 항법 연구소(RIN)는 항법 발전을 촉진하는 자선 학술 단체이다.[49] 미국 항법 연구소(ION)는 위치, 항법, 타이밍 기술 발전을 위한 비영리 단체이다.[50]

해상 항법 전문 기준은 항법 종류와 국가별로 다르다. 상선 갑판부 갑판사관은 해상 인명 안전 협약(STCW 협약)에 따라 훈련받고 국제 인증을 받는다.[47] 레저 및 아마추어 선원은 지역 훈련 학교에서 항법 수업을 받을 수 있다. 해군 장교는 해군 훈련의 일환으로 항법 훈련을 받는다.

육상 항법은 일반 교육이나 특별 활동으로 청소년에게 제공되기도 한다. 육상 항법은 군사 훈련의 필수적인 부분이다. 스카우트와 에든버러 공작상 프로그램 같은 조직도 학생들에게 항법을 가르친다. 오리엔티어링 단체는 지도와 나침반을 사용해 낯선 지형에서 빠르게 이동하는 항해 기술이 필요한 스포츠를 제공한다.[48]

참조

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[4] 서적 The Ty Pros Companion to Ships and the Sea 1976
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[16] 문서 Maloney, 2003:615
[17] 문서 Maloney, 2003:614
[18] 문서 Maloney, 2003:618
[19] 문서 Maloney, 2003:622
[20] 문서 Bowditch, 2002:1
[21] 서적 The Handbook of the SAS and Elite Forces. How the Professionals Fight and Win Robinson Publishing Ltd 1997
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