MAAN MAGNEETTIKENTÄN MUKAAN SUUNTANSA SAAVAT KOMPASSIT

Maata ympäröi magneettikenttä. Magneettisten kenttäviivojen maan pinnan suuntaiset komponentit osoittavat teoriassa maan magneettisia napoja kohti. Käytännössä erilaisten magneettisten häirioiden johdosta saattaa niiden suunta poiketa huomattavastikin teoreettisesta suunnasta. Magneettiset navat eivät ole samalla kohdalla kuin maantieteelliset navat. Navat eivät myöskään ole paikallisia pisteitä maanpinnalla, vaan verraten laajoja alueita. Magneettiset kenttäviivat ovat maanpinnan suuntaisia vain magneetisella päiväntasaajalla. Muualla ne muodostavat maanpintaa sivuavan tason kanssa kulman, jota nimitetään inklinaatiokulmaksi.

Magneettikompassi on yleisimmin käytössä oleva suunnan osoittaja ja se käyttää suunnan määräämiseen maan magneettikenttää. Kompassin suunnanosoitus perustuu sauvamagneettiin, joka asettuu magneettisten kenttäviivojen suuntaan. Kompassissa sauvamagneetti on joko kompassineulan muotoinen tai se on liitetty kompassiruusuun. Inklinaatiokulman kompensoimiseksi magneetin toisen pään massa on toista suurempi. Kompassiruusuun (-neulaan) vaikuttavat kiihtyvyysvoimat saavat tämän massaeron johdosta ruusun levottomaksi, jota taas pyritään vaimentamaan sijoittamalla ruusu nesteeseen.

Kompassiruusun suunnan mahdolliseen virheellisyyteen vaikuttavat myös ruusun läheisyydessä olevat kiinteät tai tilapäiset magnetisoituvat metallit tai sähkömagneettiset kentät. Magneettisilla napa-alueilla magneettikompassi näyttää epämääräisiä suuntia, joista ei ole suunnan osoitukseen kuin ehkä paikallisesti.

=Mekaanista= mallia kehittyneemmissä kompasseissa sauvamagneetit on korvattu laitteella, joka välittää sähköisesti mitatun magneettisten kenttäviivojen suunnan. Nämä laitteet tunnetaan rekisterötyjen tavaramerkkien nimellä kuten 'fluxgate' tai 'fluxvalve'. Tällä menetelmällä saadaan eliminoitua muun muassa kiihtyvyyden aiheuttama kompassin virhenäyttö.

Magneettikompassi pitäisi olla paikassa, jossa kiihtyvyydet ja magneettikentän häiriöt olisivat pienet. Tämä voidaan toteuttaa siten, että kompassi sijoitetaan aluksessa mahdollisimman häiriöttömään paikkaan, ja kompassista johdetaan sitten suuntatieto aluksen ohjaamossa olevaan näyttölaitteeseen. Näin voidaan vakavoittaa suunnan osoitus aluksen ohjausta varten.

Kiihtyvyysvoimien vuoksi ei erittäin hyvänkään nestekompassin näyttö voi olla vakaa. Tarvittaessa suunnan näytön heiluminen voidaan kuitenkin vaimentaa hyrrällä. Hyrrä vastustaa nimittäin kaikkia voimia, jotka pyrkivät muuttamaan sen akselin suuntaa. Vakaa suunnan näyttö saadaan siten esimerkiksi hyrrän stabiloimalla suuntaruusulla, jonka suuntaa korjataan jatkuvasti esimerkiksi fluxgatekompassilla.

DC-3 koneen hyrräkompassin suunta oikaistiin aikoinaan erittäin yksinkertaisesti. Ensin katsottiin suorassa lennossa magneettikompassin suunta ja sen mukaan käännettiin eli oikaistiin suuntaruusu näyttämään oikeaa suuntaa. Tämän jälkeen voitiin lähestyminen laskua varten tehdä helposti, kun hyrrän stabiloima ruusu osoitti vakaasti ja viipeettä =köliviivan= suuntaa.

Myös vapaasti pyörivään hyrrään voidaan liittää kompassiruusu. Ero hyrrästabiloidun ja vapaasti pyörivän hyrrän välillä on pieni. Esimerkiksi edellä mainitun DC-3 koneen hyrrä saattoi pitkätkin ajat pyöriä kenenkään oikaisematta sen suuntaa. Tällöin johtuen hyrrän =ryömimisestä= hyrrä rupesi näyttämään pikkuhiljaa enemmän ja enemmän virheellistä suuntaansa. - Myöhemmin vapaan hyrrän merkitys kasvoi, kun tekniikan mukana kehitettiin lähes kitkattomasti pyöriviä hyrriä.

Vuosikymmeniä sitten kehitettiin lähinnä lentoliikenteen napa-alueiden navigointia varten grid-suunta ja -kartta. Grid-suunta perustuu vapaasti pyörivän hyrräkompassin näyttöön. Tasoprojektiolla kuvatussa grid-kartassa yhdensuuntaisten viivojen muodostama suorakulmainen ruudukko korvaa kartoissa yleensä esiintyvät pituus- ja leveyspiirit. Grid-ruudukko on laadittu siten, että grid-pohjoinen yhtyy Greenwichin meridiaanilla tosipohjoiseen. Muualla grid-pohjoinen ei osoita pohjoisnapaa kohti. Kun grid-ruudukko pyörii maan mukana, on hyrräkompassin suuntaruusuakin vastaavasti käännettävä. Kääntäminen tapahtuu kellolaitteella. Aluksella voidaan navigoida pitkin isoympyrää siten, että alusta ohjataan koko ajan samalla grid-suunnalla.

Pohjoisesta napa-alueesta tasoprojektioon kuvattu grid-kartta

Käytännön navigointia varten grid-kartoilla saatetaan kuvata vain grid-meridiaanit (-pohjoislinjat) ja kartat saattavat olla kuvattuna muuhunkin kuin tasoprojektioon. Aikoinaan grid-suunta oli kaikissa olosuhteissa ainoa käyttökelpoinen navigointimenetelmä napa-alueilla.

Jos kardaanisesti ripustettu kitkaton hyrrä pyörii maanpinnalla eikä sen akseli ole maan akselin suuntainen, muuttuu jo lyhyen ajan kuluessa hyrrän akselin suunta maan pinnalla olevaan kiinteään suuntaan nähden. Jos tätä suunnan muutosta pyritään estämään, vaikuttaa hyrrälakien mukaan hyrrän akseliin momentti, joka poikkeuttaa sen suuntaa kohtisuorassa kulmassa vaikuttavaan momenttiin nähden. Momentin vaikutus lakkaa vasta, kun hyrrän ja maan akselit ovat yhdensuuntaisia. Tällöin hyrrän akselin maan pinnan suuntainen komponentti on maantieteellisten napojen mukaan pohjois-eteläsuunnassa. Tällä periaatteella toimii hyrräkompassi. Navoilla hyrrän akselin maanpinnan suuntainen komponentti on = 0, joten hyrräkompassi ei toimi napa-alueilla.

Edellä esitetyn hyrräkompassin sovellutusta käytetään inertiasuunnistuslaitteiden yhteydessä.

1970-luvun vaihteessa hyväksyttiin inertiasuunnistuslaitteita siviili-ilmailun käyttöön. Noin 15 minuuttia kestävän niin sanotun oikaisuvaiheen aikana tällaisen laitteen pitää olla maahan nähden paikallaan ja sijaita ennalta määritellyn napa-alueen ulkopuolella. Oikaisuvaiheen aikana laitteen hyrrät hakevat pohjois-eteläsuunnan.

Oikaisuvaiheen jälkeen inertiasuunnistuslaite laskee kiihtyvyysmittareiden avulla kiihtyvyydestä ja kiihtyvyyden suunnasta aluksen nopeuden, kuljetun matkan, kuljetun suunnan sekä aluksen jokahetkisen sijainnin.

Inertiasuunnistuslaite ilmaisee kaiken aikaa myös aluksen =köliviivan= suunnan, mitä myöhemmin mainittava GPS ei tee.

GPS ilmaisee viimeisien havaintopaikkojensa mukaan kuljetun tosisuunnan, joka saadaan muutettua näytölle myös magneettiseksi suunnaksi. Suunnan ilmaiseminen edellyttää siis laitteen olevan liikkeessä. Markkinoilla on myös laitteita, joissa on sisäänrakennettu kompassi. Tällöin nopeuden pienennyttyä määrätyn rajan alapuolelle suuntanäyttö perustuu kompassiin.

Uusimpana sovellutuksena voi GPS:ien suunnan näyttö perustua kahden vierekkäin olevan paikan saman aikaiseen sijainnin määritykseen, joiden mukaan on laskettavissa paikkojen välinen tosisuunta myös laitteen ollessa paikallaan. Mikäli paikanmääritysten laskenta tapahtuu (erään arvion mukaan) alle 0.1 sekunnin välein, voidaan tätä suuntaa käyttää myös aluksen ohjaamiseen.

Tähtitieteellisen paikanmäärityksen yhteydessä saadaan laskettua myös taivaankappaleen atsimuutti (= tosisuuntima). Tätä suuntimaa voidaan käyttää esimerkiksi magneettikompassin eksymän tai erannon tarkistamiseen, mutta esimerkiksi hyrrästabiloidun kompassiruusun suunnan jatkuvaan oikaisuun atsimuutin käyttö ei sovellu.

Maaston luonnollisten tai tehtyjen kohteiden mukaan voidaan vetää linjoja, joiden suunta saadaan mitattua kartasta. Linjoja voidaan käyttää navigoinnin apuna ja niiden avulla voidaan määrätä esimerkiksi magneettikompassin eksymät.

MUUT SUUNNAT

Kaikki muut, muilla tavoilla määritetyt magneettiset tai tosisuunnat, nojautuvat edellä mainittuihin. Näitä ovat esimerkiksi silmin tai tutkalla havaitut maastokohteiden keulasuuntimat. Keulasuuntimasta voidaan sitten köliviivan kompassisuunnan mukaan laskea magneettinen tai tosisuuntima.

Suuntia antavat merenkulunkin käytössä olevat mutta jo pikku hiljaa poistumassa olevat radiosuuntima-, radiosuuntasäde- ja radiopaikannuslaitteet.

Erikseen ovat sitten vielä suhteelliset suunnat, kuten esimerkiksi maa- tai merikohteen, tähden, pilven hattaran tai vapaasti pyörivän hyrrän ilmaisema suunta.

Suhteellisella suunnalla tarkoitetaan tässä suuntaa, jonka absoluuttista arvoa ei tunneta mutta suunnan muuttumisen suuruus on mitattavissa. Absoluuttinen suunta on sen sijaan tietyllä tarkkuudella saatavissa oleva magneettinen tai tosisuunta.

Aluksen ohjaamiseen tarvitaan suunta, joka välittömästi reagoi aluksen köliviivan suunnan muuttumiseen, muuttumisen nopeuteen ja suuruuteen.

Ohjailusuunta voi olla suhteellinen tai absoluuttinen. Jos muuttumisen ilmaisee suhteellinen suunta (esim. näköhavainto pilven hattaraan), tarvitaan suunnan tarkistamiseksi absoluuttinen suunta, esimerkiksi magneettikompassista aika ajoin luettu köliviivan suunta, jotta haluttu kohde voidaan saavuttaa. Seurantaan riittää myös suunta, joka ei välttämättä muutu köliviivan suunnan mukana (esim. GPS:n laskema suunta).

Edellä esitettiin joukko erilaisia suunnan ilmaisijoita. Niistä tähän alle on kerätty ne, joilla kölin suunnan muuttuminen saadaaan välittömästi ja jotka kelpaavat aluksen ohjaamiseen edellyttäen, että laite on kiinteästi asennuttu alukseen.

Veneiden ohjailu perustuu useimmiten näköhavaintoihin. Tällöinhän maastokohteiden keulasuuntiman seuraaminen ilmaisee välittömästi köliviivan suunnan muutokset. Näköhavainto esimerkiksi pilven hattaraan tai tähteen on myös riittävä ohjailuun, ja kulun seurantaan voidaan sitten käyttää aluksen kompassia tai GPS:n tai tutkan osoittamaa kuljettua suuntaa.

Tähdistä laskemalla saatu atsimuutti tai kartasta saatu suuntalinja eivät riitä aluksen ohjailuun, koska ne eivät ilmaise suoraan kölin suunnan muuttumista.

Esimerkiksi linjataulujen ilmaisema väylän suunta ei yksin riitä aluksen ohjailuun. Linjasta nähdään vain, missä kohdin alukseen nähden linja sijaitsee. Ohjailuun tarvitaan lisäksi vähintään silmämääräinen keulasuuntima. Tätä väitettä lienee aiheellista selventää seuraavan esimerkin avulla. DC-3 koneen aikainen ILS-lähestymismittari näyttää lähestymisen aikana jatkuvasti koneen sijainnin lähestymislinjaan nähden, mutta sumussa linjaa ei pystytä ilman kompassia seuraamaan. Tämä johtuu siitä, ettei ILS-mittari näytä koneen =köliviivan= suuntaa, onko köliviiva lähestymislinjasta poispäin vai lähestymislinjaa kohti, eikä myöskään köliviivan kulmaa lähestymislinjaan nähden.

GPS ei näytä kölin suuntaa, vaan se näyttää pienellä viipeellä suunnan, mikä on ollut viimeisin kulkusuunta pohjan suhteen. Tutka näyttää kyllä köliviivan suunnan muuttumisen muttei välittömästi, koska tutkan keilan kierros kestää aina oman aikansa.

Aina silloin tällöin kuulee tapauksesta, jossa tutkan tai GPS:n esittelijä mainostaa, että alusta voidaan ohjata yksinomaan tutkan tai GPS:n avulla. Esittelijä ei kuitenkaan riittävästi painota, että näiden laitteiden lisäksi ohjailuun tarvitaan ehdottomasti laite, joka ilmaisee köliviivan suunnan. Simulointiesittelyssä voidaan jopa hämätä, että ohjaus tapahtuu tutkan tai GPS:n mukaan, vaikka käytetäänkin autopilottia. Kuitenkin autopilotti tässä tapauksessa on se ensisijainen väline, jolla alusta ohjataan riippumatta siitä, onko autopilotin suunta suhteellinen vai absoluuttinen.