지문항해학 기초

[부사감 김재운]

제3장  지문항해학 기초

  항해학은 항해자에게 선박의 위치를 결정하게 하고, 지구 위의 한 지점에서 다른 지점으로 선박을 안전하고 효율적으로 이동시키는 과학 또는 기술이다. 항해자는 선박의 이동 과정에서 선박의 위치, 방향 및 거리를 결정하는 방법과 이에 관련된 제반 사항을 충분히 이해하고 있어야 한다.

3.1 항법의 종류

 항법은 선박이 두 지점 사이를 해상을 통하여 가장 안전하고 정확하게 항행(航行)하도록 하는 기술로서 그 선위(船位)를 결정함에 있어서 이용하게 되는 관측의 대상이나 수단에 따라서 다음과 같이 구분할 수 있다.

1) 연안항법

 지상에 있는 육표, 항로표지(航路標識) 등의 방위나 거리를 관측하거나 수심 등을 측정하여 선위를 결정하면서 항해하는 항법을 연안항법이라 한다.

2) 추측항법

 가장 최근에 구한 정확한 선위를 기초로 자선(自船)의 침로와 항정에 의하여 현재의 선위를 추측하거나, 또는 출발지와 목적지의 경․위도를 알고 앞으로 취해야 할 침로 및 항정을 구하는 방법을 추측항법이라고 한다.

3) 천문항법

 태양, 달, 별과 같은 천체의 고도와 방위를 관측하여 선박의 위치 및 컴퍼스의 오차를 측정하는 방법을 천문항법이라 한다.

4) 전파항법

 전파가 가지는 세 가지 특성 즉, 직진성, 반사성 및 등속성을 이용하여 선위를 결정하면서 항해하는 방법을 전파항법이라 한다.

5) 인공위성항법

 이 항법은 전파항법의 일종으로 인공위성을 지구상의 높은 우주공간에 위치시켜서 이를 이용하여 지표면상에서 측량이나 선박의 정확한 위치를 구하는 데 이용하는 항법을 말하며, 현재 전 세계적으로는 미국에서 개발한 GPS를 이용하고 있다.

3.2 지구

 우리가 살고 있는 이 지구는 적도 반지름이 약 6,378km이고, 극 반지름이 약 6,357km로서 적도 반지름이 극 반지름보다 약 21km 정도 긴 타원회전체의 편구(扁球)로서 지구의 질량은 5.975x10²⁷g이고, 부피는 1.083x10²⁷cm³로서 평균밀도는 5.525g/cm²이다. 지표면에는 8,800m가 넘는 높은 산도 있고, 바다에는 10,000m가 넘는 해구가 있으며 평균수심은 3,795m나 된다. 이렇게 지표면은 기복이 심하므로 지구에 대하여 이론적으로 논할 때는 평균해면을 육지 내까지 연장하여 가상한 지구의 표면을 지오이드(Geoid)면이라 하고, 이 면을 기준면으로 사용한다.

 지구는 태양의 주위를 공전하고 또한 스스로 자전을 하면서 그 표면이 대기와 직접 접촉하고 있으므로 지구는 천기나 기후의 성격에 직접, 간접으로 영향을 미치고 있으며, 해양은 다량의 수증기와 열을 대기 중에 공급하고 높은 산맥이나 호수, 사막 등도 지구 표면상을 부단히 운동하고 있는 대기에 큰 영향을 미치고 있다.

 지구와 태양과의 공전관계에서 태양과 지구간의 최소거리는 14,700x10⁴km이고, 최대거리는 15,201x10⁴km이고, 평균거리는 14,950x10⁴km이다. 그러나 태양과 지구와의 거리 차이에 의한 태양의 전체 일사량은 약 7%정도밖에 차이가 없으므로 이로 인한 기상의 현저한 영향은 없다.

 지구는 24시간에 1회씩 서쪽에서 동쪽으로 자전을 하며, 자전속도는 적도상의 지표면에서 생각하면 경도15˚/시간(60마일 x 15˚x 1.852km = 1,667km/hr)의 속도로 움직이고 있고, 또한 지구 중심부에는 고온, 고압의 마그마가 자리하고 있으며, 이것은 가끔씩 약한 지표면을 뚫고 분출되어서 화산의 형태로 나타나며, 지금도 특정지역의 지구표면과 해저에서 계속 분출되고 있다.

3.2.1 지구상의 위치 요소

1) 대권과 소권

 지구의 중심을 지나는 평면으로 구를 자른다고 가정할 때 지구 표면에 생기게 되는 원을 대권(Great circle)이라 하고, 지구의 중심을 지나지 않는 평면으로 자를 때 생기는 원을 소권(Small circle)이라 한다.

2) 적도와 거등권

 지축과 직교하는 대권을 적도(Equator)라고 하고, 적도에 평행한 소권을 거등권(Parallel of latitude) 또는 평행권이라 한다.

3) 자오선

 지구의 양 극(極)을 지나는 대권을 자오선(Meridian)이라 하며, 적도와는 직교한다. 이러한 자오선은 무수히 많으나, 한 지점을 지나는 자오선은 오직 하나뿐이다. 이것은 그 지점의 경도를 정할 때 쓰인다.

 무수히 많은 자오선 가운데 영국의 그리니치(Greenwich) 천문대를 지나는 자오선을 0^o로 하여 경도 계산의 기준으로 삼은 것을 본초 자오선(Prime meridian)이라 하는데, 이것이 경도를 측정하는 기준이 되는 자오선이다.

4) 위도와 경도

 어느 지점에 있어서의 거등권과 적도 사이의 자오선상의 호(弧)의 길이 또는 이 호가 지구 중심에서 이루는 각(角)을 그 지점의 위도(Latitude, L)라 한다. 위도는 적도를 0^o로 하여 남북으로 각각 90^o까지 재는데, 재는 방향이 북쪽이면 북위라 하고 부호 N을 붙여 표시하며, 남쪽이면 남위라 하고 부호 S를 붙여 표시한다.

 그리고, 두 지점의 위도의 차 또는 합을 변위(變緯, Difference of latitude, l )라 하는데, 변위는 두 지점의 위도가 같은 부호일 때에는 그들의 차를, 다른 부호일 때에는 그들의 합을 구하여, 출발 지점보다 도착 지점(또는 목적 지점)이 북쪽에 있으면 부호 N을, 남쪽에 있으면 부호 S를 붙여 표시한다.

 어느 지점의 자오선과 본초 자오선이 이루는 적도의 호, 또는 그 호가 지구 중심에서 이루는 각을 그 지점의 경도(Longitude, λ)라 하며, 본초 자오선을 0^o로 하여 동쪽과 서쪽으로 각각 180^o까지 잰다. 그리고, 동쪽으로 잰 경우에는 동경(East longitude)이라 하고 E를 붙여 표시하며, 서쪽으로 잰 경우에는 서경(West longitude)이라 하고 W를 붙여 표시한다.

 두 지점의 자오선 사이에 낀 적도의 호, 또는 극에서 이루는 각을 변경(變經, Difference of longitude)이라 하는데, 변경은 반드시 180^o 이내의 각으로 표시하고, 출발 지점보다 도착 지점(또는 목적 지점)이 동쪽에 있으면 E를, 서쪽에 있으면 W를 붙여 표시한다. 변경은 두 지점의 경도가 같은 부호이면 차를, 다른 부호이면 합을 구하고, 그 값이 180^o를 넘으면 360^o에서 빼면 된다.

3.2.2  항정선과 동서거

 지구 위의 모든 자오선과 같은 각도로 만나는 곡선을 항정선(Rhumb line)이라 고 말하며, 선박이 일정한 침로를 유지하면서 항행할 때 지구 표면에 그리는 항적(航跡)을 말한다. 적도, 거등권 및 자오선도 항정선이며, 선박이 동, 서, 남, 북의 방향이 아닌 다른 일정한 방향으로 어느 자오선과도 같은 각을 유지하면서 항행을 계속하면 나선형의 곡선을 그리게 되어 점차 지구의 극에 가까워진다.

 그 이유는, 각각의 자오선들이 서로 평행이 아니고 적도에서 간격이 가장 넓으며, 극에 가까워질수록 점차 그 간격이 좁아지기 때문이다. 따라서, 일정한 침로를 유지해도 선박의 항적은 직선이 되지 않고 곡선으로 된다.

 두 지점을 지나는 항정선을 무수히 많은 자오선으로 등분하고 이들 각 등분점을 지나는 거등권이 서로 이웃하는 자오선 사이에 끼어서 생긴 미소한 거등권의 호의 길이를 모두 합하여 마일로 표시한 것을 동서거(Departure)라 한다.

 동서거는 배의 항행 거리를 남북 방향과 동서 방향으로 분해했을 때에, 동서 방향의 거리를 표시한 것이라고 할 수 있다. 따라서, 두 지점이 같은 자오선상에 있으면 동서거는 0, 같은 거등권상에 있으면 동서거는 그 항정과 같다.

3.3 거리와 속력

3.3.1 해상 거리

 지구상의 위도 1'의 길이를 마일 또는 해리(Nautical mile 또는 sea mile, M)이라 하는데, 해상에서는 이것을 거리의 단위로 사용한다. 실제로는 지구가 완전한 구가 아니므로, 위도에 따라 1마일의 길이는 조금씩 다르지만 그 차이가 실용상 지장을 줄만큼 큰 것은 아니므로, 위도 45^o에 있어서의 지리 위도 1'의 길이인 약 1,852m를 1마일로 채택하여 사용하고 있다.

 한편, 구미지역에서 많이 사용하는 육상에서 쓰는 마일을 육리(land mile 또는 statute mile)라 하며, 약 1,609.3m이다. 이것은 해리와는 전혀 다른 것으로 해상에서는 쓰지 않는다.

3.3.2 속력

 선박의 속력을 나타내는 단위는 노트(knot, kn 또는 kt)이며, 1시간에 1마일 항주하는 속력을 1노트라 한다. 그러므로 10노트의 선박이라고 하면 1시간에 10마일을 항주하는 선박이라는 뜻으로 CGS단위로 환산하면 18.52km/hr가 된다. 선박은 물 위에 떠서 항행하므로, 선박의 속력은 물에 대한 속력과 지면에 대한 속력이 다를 수 있어 이들을 대수(對水)속력과 대지(對地)속력으로 구별하여 부를 때가 있다. 만일, 2노트의 속력을 가진 해류를 선박의 진행방향 뒤에서 앞으로 받으면서 기관속력 10노트로 항행중인 선박이 있다면, 이 선박의 대수속력은 10노트이지만 대지속력은 12노트가 된다.

3.4 컴퍼스 방위와 침로

 자침을 자유로이 회전할 수 있도록 그 중심점을 밑에서 떠받치면 이 자침은 자력선의 방향과 일치한 채 정지하게 된다. 이와 같은 현상은 지구가 하나의 거대한 자성체이기 때문에 일어나는 현상으로서, 지구의 자극은 남극과 북극에 가까운 곳에 있는데 이 극들을 지자극(地磁極), 또는 지자기극(Geomagnetic poles)이라 한다.

 지구 표면에서 지구의 자극을 지나는 자력선의 방향은 대권이 되는데, 이것을 자기 자오선(Magnetic meridian)이라 한다. 지구표면에서는 각 지역에 따라서 지자기력이 동일하지 않기 때문에 컴퍼스의 자침이 가리키는 남북선이 자기 자오선과 일치하지 않으며, 이로 인하여 선박의 침로와 방위에 영향을 끼치는 수가 많다.

3.4.1 마그네틱 컴퍼스 오차

1) 편차

 어느 지점을 지나는 진자오선과 자기 자오선이 이루는 교각을 그 지점의 편차(Variation, var 또는 v)라 한다.

 이 편차는 지구상의 장소에 따라 그 양이 다르며, 같은 장소라도 시일이 경과하면 달라지는데, 이것은 지구의 자극이 주기적으로 이동하기 때문이다. 1년 동안에 그 지점에서 편차가 변화하는 양을 연차라 한다.

 어느 지점에서의 편차는, 자침이 가리키는 북(자북)이 진자오선(진북)의 오른쪽에 있을 때를 편동편차(Easterly variation), 왼쪽에 있을 때를 편서편차(Westerly variation)로 구별하며, 각각 E 또는 W를 붙여 표시한다.

 편차를 구하려면 해도에 그려져 있는 나침도에서 그 중앙에 기재된 편차에 연차를 가감하여 구한다. 이 방법은 주로 연안항해 시에 이용하고, 대양항해 시에는 자침 편차도(Variation chart)를 이용한다.

2) 자차

 마그네틱 컴퍼스는 원래 자기 자오선의 방향을 가리켜야 되지만, 선체, 선내 철기류 등의 영향을 받아 지자극의 방향을 가리키지 않고 자기 자오선과 약간의 교각을 이루는 방향을 가리키게 된다. 이 교각을 자차(Deviation, Dev. 또는 D)라 한다. 즉, 자차는 선내 컴퍼스가 선체나 선내 철기류의 영향을 받아 생기는 오차이다.

 자차도 편차의 경우와 같이 컴퍼스의 북(羅北)이 지자기의 북(磁北)의 오른쪽에 있으면 편동자차(Easterly deviation), 나북이 자북의 왼쪽에 있으면 편서자차(Westerly deviation)로 구별하며, 각각 E 또는 W를 붙여 표시한다.

 자차는 선박마다 다를 뿐만 아니라 선수의 방향, 지구상의 위치, 시일의 경과 등에 따라서도 변화하므로, 천체를 관측하거나 지상의 목표를 이용하여 항상 최신의 자차를 측정하고, 이것으로 자차표 또는 자차 실용공식을 만들어 임의의 선수 방향에 대한 자차를 구하는 데 편리하도록 해 두어야 한다.

<그림 3-1> 부산항 부근 해도상의 나침도

3) 컴퍼스 오차

  진자오선과 컴퍼스의 남북선이 이루는 교각을 말하는데, 자차와 편차의 부호가 같으면 합하고, 다르면 차를 구한 것과 같다.

  현재 일반 선박에서 가장 많이 사용하고 있는 방위측정 계기로는 자이로 컴퍼스가 있으며, 원래 이 자이로 컴퍼스는 그 지북성(指北性)이 지자기와 아무런 관계가 없으므로, 편차나 자차는 생기지 않는다. 그러나, 계기의 조정불량 때문에 진북과 약간의 교각을 이루는 방향을 가리키는 수가 있는데, 이 교각을 자이로 오차(Gyro error)라 한다.

  컴퍼스 오차(Compass error, C.E.)와 자이로 오차는 모두 컴퍼스 또는 자이로 컴퍼스가 가리키는 북이 진북의 오른쪽이면 편동오차(Easterly error), 왼쪽이면 편서오차(Westerly error)라 하고, 각각 E 또는 W를 붙여서 표시한다.

<그림 3-2> 컴퍼스의 오차

3.4.2 방위와 방위각

  어느 기준선과 관측자 및 물표를 지나는 대권이 이루는 교각을, 북을 000^o로 하여 시계 방향으로 360^o까지 측정한 것을 방위(Bearing, Bn)라 하고, 북 또는 남을 0^o로 하여 동쪽 또는 서쪽으로 180^o 이내의 각으로 표시한 것을 방위각(Bearing angle, B)이라 한다.

  관측자와 물표의 거리가 가까우면 이들을 지나는 대권은 이들을 지나는 직선으로 대신할 수 있다.

  방위는 기준선을 무엇으로 정하느냐에 따라 다음과 같이 구별한다.

1) 진방위

  진방위(True bearing, T.B.)는 물표와 관측자를 지나는 대권이 진자오선과 이루는 교각이다. 실제적으로 선박에서는 해도상에 표시된 경도와 위도에 의하여 작성된 방위표를 이용하여 진방위를 구한다.

2) 자침방위

  자침방위(Magnetic bearing, M.B.)는 물표와 관측자를 지나는 대권이 자기 자오선과 이루는 교각이다.

3) 나침방위

  나침방위(Compass bearing, C.B.)는 물표와 관측자를 지나는 대권이 컴퍼스의 남북선과 이루는 교각이다.

4) 상대방위

  상대방위(Relative bearing, R.B.)는 선수 방향을 기준으로 한 방위로서, 선수를 기준으로 하여 시계 방향을 360^o까지 재거나, 좌현 또는 우현쪽으로 각각 180^o까지 잰다.

5) 방위 표시법

  방위를 표시하는 방법은 다음과 같으며, 침로도 이와 같은 방법으로 표시한다.

 ⑴ 360^o식

  북을 000^o로 하여 시계 방향으로 돌아가면서 360^o까지 측정하는데, 반드시 세 자리 숫자로 표시하며, 진방위나 진침로를 표시하는 경우에 많이 쓰인다. 이 방식에서 동은 090^o, 남은 180^o, 서는 270^o와 같이 표시된다.

 ⑵ 180^o식

  북 또는 남을 기준으로 하여 동쪽 또는 서쪽으로 180^o까지 측정하는 방식이다. 측정각의 앞에는 기준이 북이면 N을, 남이면 S를 붙이고, 뒤에는 측정 방향이 동쪽이면 E를, 서쪽이면 W를 붙여 N5^oE, S135^oW 등과 같이 표시한다.

 ⑶ 90^o식

  180^o식과 같이 북 또는 남을 기준으로 하여 동쪽 또는 서쪽으로 측정하되, 측정각을 90^o 이내의 각으로 표시하는 방식이다. 180식의 N5^oE는 90^o식으로 표시해도 N5^oE이고, 180^o식의 S135^oW는 90^o식으로는 N45^oW가 된다. 180^o식과 90^o식으로 표시된 방위를 방위각이라 하여 방위와 구별하여 부른다.

 ⑷ 포인트식

  한 원의 둘레를 32 등분하여 그 한 등분을 1 포인트(Point) 또는 1 점이라 한다. 1 포인트는 11^o15'이므로, 1 포인트를 다시 4등분 한 1/4 포인트는 2^o48'45"가 되는데, 이들 각 1/4 포인트에는 고유한 이름이 붙여져 있다. 포인트식은 물표의 방위를 이 이름으로 표시하는 방식인데, 현재는 별로 쓰이지 않고 있다.

3.4.3 침로와 침로각

  선수미선과 선박을 지나는 자오선이 이루는 각을 침로(Course, Co.)라고 하며, 보통 북을 000^o로 하여 시계 방향으로 360^o까지 측정한다.

  방위각을 나타낼 때와 같이, 북 또는 남을 기준으로 하여 동쪽 또는 서쪽으로 180^o까지의 각으로 표시하거나, 또는 90^o까지의 각으로 표시한 경우에는 이를 침로각(Course angle, C)이라 하여 침로와 구별한다.

  특히, 지면에 대한 침로를 대지침로라고 하며, 보통 말하는 대수침로와 서로 구별할 때가 있다.

  침로는 기준이 되는 자오선에 따라 다음과 같이 구별한다.

1) 진침로

  진자오선과 항적이 이루는 각을 진침로(True course, T.C.)라고 한다. 풍압차나 유압차가 없을 때에는 항적과 선수미선은 일치하므로, 진자오선과 선수미선이 이루는 각이 진침로이다.

2) 시침로

  풍압차나 유압차가 있을 때 진자오선과 선수미선이 이루는 각을 시침로(Apparent course, App.C.)라고 한다. 풍압차나 유압차가 없을 때에는 진침로와 같다. 이것은 풍압차나 유압차가 있을 때에만 쓰이는 용어이다.

3) 자침로

  자기 자오선과 선수미선이 이루는 각을 자침로(Magnetic course, M.C.)라고 말하며, 강재의 선박에서는 자차가 없는 상태의 가상의 침로이다.

4) 나침로

  컴퍼스의 남북선과 선수미선이 이루는 각을 나침로(Compass course, C.C.)라고 한다. 진침로와 자침로 사이에는 편차만큼의 차가 있고 자침로와 나침로 사이에는 자차 만큼의 차가 있다.

3.4.4 풍압차와 유압차

  선박이 항행할 때 어느 한쪽 현에서 바람을 받으면 풍하 쪽으로 떠밀려 실제로 선박이 지나온 항적은 선수미선과 일치하지 않고 교각을 이루게 되는데, 이 교각을 풍압차(Lee way, LW)라고 한다.

  또, 해류나 조류에 떠밀리는 경우에도 항적과 선수미선 사이에 교각이 생기게 되는데, 이 교각을 유압차(Tide way)라 한다. 그러나, 일반적으로 풍압차와 유압차의 구별없이 이들을 합쳐서 풍압차라고 하는 경우가 많다.

3.5 조석과 조류

3.5.1 조석의 원인

 조석은 달과 태양의 인력 때문에 생긴다. 인력의 크기는 거리의 제곱에 반비례하므로, 비록 태양의 질량이 달에 비하여 월등히 크지만 지구로부터 태양까지의 거리는 달까지의 거리에 비하여 대단히 멀기 때문에, 조석을 일으키는 힘은 주로 달에 의하여 생기는 것이다. 태양의 영향은 달의 전체 영향의 약 46% 밖에 되지 않는다. 조석을 일으키는 힘이 어떻게 하여 생기는 것인가를 달의 작용만을 생각하여 설명하면 다음과 같다.

 달과 지구와의 거리가 일정하게 유지되는 것은, 이 두 천체 사이에 서로 끌어당기는 인력과 서로 떨어져 나가려는 원심력이 평형을 이루고 있기 때문이다. 원심력의 크기는 지구상의 어느 곳에서나 일정하고 그 방향은 달과 반대 방향이다. 그러나, 인력의 크기는 달과의 거리에 따라 차이가 있으므로 각각 다르다. 달의 직하의 지구 표면은 달과의 거리가 가장 가까우므로 인력이 가장 크고, 그 반대쪽 지점은 인력이 가장 작아 이와 같은 달에 대한 원심력과 인력의 차이가 조석을 일으키는 힘으로 작용한다.

 달의 바로 밑에 위치한 지점은 원심력보다 인력이 크므로, 수면은 달 쪽으로 끌어올려지고, 그 반대쪽 지점은 원심력이 크므로 수면은 달과 반대쪽으로 끌어올려진다. 그래서, 달의 바로 밑의 지점과 그 반대쪽 지점에서는 고조가 일어나고, 이 두 지점에 대하여 직각인 방향에 있는 지점에서는 저조가 일어난다.

3.5.2 조석 및 조류에 관한 용어

1) 조석과 조류

 해면은 앞에서 설명한 것과 같이 지표면에서의 인력과 원심력의 변화로 인하여 주기적으로 높아졌다 낮아졌다 하며, 이 주기는 하루에 2회이나 곳에 따라서는 하루에 1회인 곳도 있다. 이와 같은 해수의 연직방향의 운동을 조석(潮汐)이라 하고, 이 조석에 따라 일어나는 해수의 주기적인 수평 방향의 유동을 조류(潮流)라고 한다.

2) 고조와 저조

 조석으로 인하여 해면이 가장 높아진 상태를 고조(High water, H.W.)라 하고, 가장 낮아진 상태를 저조(Low water, L.W.)라고 한다.

 저조에서 고조로 되기까지 해면이 점차 높아지는 상태를 창조(Flood tide)라 하고, 고조에서 저조로 되기까지 해면이 점차 낮아지는 상태를 낙조(Ebb tide)라고 한다. 그리고, 고조와 저조 때에는 해면의 승강운동이 순간적으로 거의 정지한 것과 같이 보이는데, 이러한 상태를 정조(Stand of tide)라고 한다.

3) 조 차

 연이어 일어난 고조와 저조 때의 해면 높이의 차를 조차(Tidal range)라 하고, 오랜 동안 측정한 조차의 평균을 평균조차라 한다.

4) 월조 간격

 달이 어느 지점의 자오선을 통과한 때로부터 그 지점에 고조가 되기까지 걸리는 시간을 고조 간격, 저조가 되기까지 걸리는 시간을 저조 간격이라 하고, 이들을 통틀어 월조 간격(Lunitidal interval)이라 한다.

 월조 간격은 장소와 시기에 따라 다른데, 오랜 동안 관측한 고조 간격과 저조 간격의 평균값을 평균 고조 간격(M.H.W.I.), 평균 저조 간격(M.L.W.I.)이라 한다.

 그리고, 삭과 망에 있어서의 고조 간격의 평균값을 특히 삭망 고조 간격(H.W.F. & C.) 또는 조후시라고 한다

<그림 3-3> 인천항 출․입항로의 조류

5) 대조와 소조

 삭과 망이 지난 뒤 1～2일 만에 생긴, 조차가 극대인 조석을 대조(Spring tide) 또는 사리라고 하고, 상현(上弦) 및 하현(下弦)이 지난 뒤 1～2일 만에 생긴, 조차가 극소인 조석을 소조(Neap tide) 또는 조금이라 한다.

6) 부진동

 육지로 깊숙이 들어온 만 등에서는 조석 이외에 해면이 짧은 주기로 승강할 때가 있다. 주기는 만의 특징에 따라 정해지지만 승강은 기상 및 해면의 상태에 따라 다르며, 이 승강을 부진동(Secondary undulation, Sciche)이라 한다.

7) 일조 부등

 조석은 보통 하루에 두번의 고조와 저조로서 일어나지만 같은 날일지라도 반드시 그 높이가 같은 것은 아니고 또한 월조 간격도 같지 않은 것이 보통이다. 이것을 일조 부등(Diurnal inequality)이라 한다.

8) 게 류

 조류는 조석에 따라서 한쪽 방향으로의 흐름이 점차 강하게 되고, 최강류가 되었다가 점차로 약해져서 나중에는 거의 흐름이 정지하게 되며, 다음에는 그 반대 방향으로 흐르기 시작한다. 즉, 창조류에서 낙조류, 또는 낙조류에서 창조류로 변할 때에는 흐름이 잠시 정지하는데, 이것을 게류(Slack water) 또는 쉰물이라 하며, 조류가 흐름의 방향을 바꾸기 때문에 전류라고도 한다.

 조류의 방향은 흘러가는 쪽의 방향을 표시한다. 우리나라에서 가장 조류가 빠른 곳은 명량 수도(진도 수도)와 목포구인데, 최강시에는 8～11.5노트에 달한다.

3.6 해도

 해도는 선박에 있어서 바다의 안내도이며 안전한 항해를 위해서는 필요 불가결한 항해 용구로서 선박안전법, 선원법 및 기타 특수 규정 등에 의하여 필요한 해도를 꼭 비치하도록 규정하고 있다.

3.6.1 해도의 구성

1) 해도 도법에 의한 분류

  지구의 표면은 둥글기 때문에 그 표면의 일부분을 평면 위에 나타내면 거리나 넓이의 비가 같지 않거나 모양 또는 방향이 실제와 다르게 된다. 그러므로 해도의 사용 목적에 따라 실용상 지장이 없을 정도로 오차를 작게 하여 지구 표면을 평면에 나타내는 것이 중요한데, 이렇게 지구 표면을 평면에 나타내는 방법을 도법(Map projection)이라 한다.

 ⑴ 평면 도법

  평면도는 지구 표면의 좁은 한 구역을 평면으로 간주하고 그린, 축척이 큰 해도이다. 따라서, 거리나 방위의 오차는 대단히 작으므로 실용상 무시해도 된다. 또, 해도의 어느 부분에서나 주어진 척도로 거리를 잴 수 있으므로, 주로 항박도(Harbour plan)에 많이 이용되고 있다.

  평면도를 작성할 때에는 도면의 크기에 따라 위도 1'의 척도를 정하고, 이것에 해도에 그려 넣을 구역의 중분위도(중간 지점의 위도)의 코사인(Cosine)을 곱하여 경도 1'의 척도로 한다. 이 경.위도의 척도로 해도를 작성하며, 거등권 및 자오선은 서로 직교하는 직선으로 표시한다.

 ⑵ 점장 도법

  항정선을 평면 위에 직선으로 나타내기 위해서 고안된 도법이 점장 도법(Mercator projection)이며, 이 도법으로 그린 해도를 점장도라 한다.

  항정선은 모든 자오선과 같은 각으로 만나므로, 항정선을 직선으로 나타내기 위해서는 자오선을 거등권에 직교하는 평행선으로 나타내어야 한다. 그런데, 자오선을 평행선으로 나타내면 자오선 사이의 거등권의 호의 길이는 실제보다 늘어나며, 그 비율은 위도가 높을수록 심하다(늘어나는 비율은 a/N cosL이다. a는 적도 반지름, N은 횡곡률 반지름, L은 그 지점의 위도). 그러므로, 항정선과 자오선 또는 항정선 상호 간의 각을 정확히 나타내기 위해서는 자오선의 방향과 거등권의 방향에 대한 확대율이 같도록 자오선과 거등권을 그려야 한다.

  이와 같이 점장도는 거등권 사이의 간격이 같지 않으므로 거리의 척도가 다르고, 적도에서 남북으로 멀어질수록 면적이 확대되는 등의 단점은 있으나, 항해에 가장 편리하므로 항박도 이외의 해도는 거의 모두가 점장도이다.

  그림에서 알 수 있는 바와 같이, 점장도 위에서의 항정선의 방위는 어느 자오선을 이용해서도 측정할 수 있으며, 두 지점(A, B)간의 거리가 너무 멀어 한번에 디바이더(Divider)로 잴 수 없을 때에는 두 지점간의 거리를 여러 등분하여 그 중간 위도에서 거리를 잰다.

  점장도의 특성을 들면 다음과 같다.

 ① 항정선이 직선으로 표시된다.

 ② 자오선은 남북 방향의 평행선이고 거등권은 동서 방향의 평행선으로 서로 직교한다. 따라서, 경․위도에 의한 위치 표시는 직각 좌표가 되어 사용하기에 편리하다.

 ③ 해도 위의 두 지점간의 방위는 두 지점을 직선으로 연결하여 이 직선과 자오선과의 교각에 의해 구해진다.

 ④ 거리를 측정할 때에는 두 지점간의 직선의 길이를 측정하는데, 단위는 마일이므로 위도 눈금의 몇 분에 해당하는가를 보면 곧 거리를 알 수 있다.

 ⑤ 고위도가 됨에 따라 거리, 넓이, 모양 등이 일그러지기 때문에 위도가 높은 지역의 해도로는 부적당하며 위도 70^o 이하에서 사용된다.

 ⑶ 대권 도법

  지구 표면상의 한 점에 접하는 평면에 지구의 중심으로부터 지구 표면의 점들을 투영한 해도인데, 이는 심사도라고도 한다.

  이 해도는 지구상의 모든 대권이 직선으로 표현되므로 대권 항법에 이용되며, 접점에서 멀리 떨어질수록 실제와 모양이 달라져서 일반적으로 방위, 거리 등을 직접 구할 수가 없다.

<그림 3-4> 점장도에서의 거리측정 방법

<그림 3-5> 점장도와 대권도

2) 사용 목적에 의한 분류

  사용 목적에 따라 항해용 해도와 잡용 해도, 수로 특수도, 잠정판 해도 등으로 나눈다.

 ⑴ 항해용 해도

 ① 총도(總圖, General chart) : 축적이 400만분의 1 이하이고, 세계 전도와 같이 극히 넓은 구역을 나타낸 것으로 항해 계획에 편리하며, 긴 항해에도 사용할 수 있는 해도이다.

 ② 항양도(航洋圖, Sailing chart) : 축척이 100만분의 1 이하로서 긴 항해에 쓰이며, 해안에서 떨어진 바다의 수심, 주요한 등대, 연안에서 눈에 잘 띄는 부표, 먼 거리에서 보이는 육상의 물표 등이 그려진 것이다.

 ③ 항해도(航海圖, General chart of coast) : 축척이 30만분의 1 이하이고, 대개 육지를 바라보면서 항행할 때 사용하는 해도로서, 육상의 물표, 등대, 무선표지에 의한 방위선 또는 수심을 측정함으로써 선위를 직접 해도상에서 구할 수 있도록 그려져 있다.

 ④ 해안도(海岸圖, Coast chart) : 축척이 5만분의 1 이하로서 연안항해에 사용하는 것이며, 연안의 상황을 상세하게 그린 해도이다.

 ⑤ 항박도(港泊圖, Harbour chart) : 축척이 5만분의 1 이상이고, 항만, 정박지, 협수로 등 좁은 구역을 세부에 이르기까지 상세히 그린 해도로서 평면도이다. 해도중에 그의 일부 구역을 확대하여 도면의 일부분에 별도로 그려 넣은 것도 있는데, 이것을 분도라 한다.

 ㈜ 두 점 사이의 실제 거리와 해도에서 이에 대응하는 두 점 사이의 거리의 비를 축척이라 하며, 축적이 크다는 의미는 좁은 지역을 자세히 나타낸다는 의미로 축적 5만분의 1 해도를 축적 10만분의 1 해도보다 대축적 해도라고 말한다.

3) 해도 도식

  해도상에 여러 가지 사항들을 표시하기 위하여 사용되는 특수한 기호와 약어를 해도 도식이라 한다. 해도에는 항로표지의 특질, 등심선, 수심, 해저 저질의 종류, 해류 및 조류의 크기와 방향, 해안선, 높은 산과 같이 잘 나타나는 육상물표의 등고선 등이 표시되어 있다. 항해자는 항상 이들 기호와 약어를 이해하고 있어야 한다.

 ㈜ 해도 도식은 우리나라의 국립해양조사원에서 간행 번호 416호 ‘해도 도식’으로 간행하고 있다. 그리고 우리나라에서 발행하는 우리나라 해역의 해도번호는 동해안은 100단위, 남해안은 200단위, 서해안은 300단위로 표시하여 발행하고 있다.

4) 해도 사용법

  두 지점간의 거리를 구하는 방법은 두 지점에 디바이더의 발을 각각 정확히 맞추어 두 지점간의 간격을 재고, 이것을 그들 두 지점의 위도와 가장 가까운 위도의 눈금에 대어 거리를 구한다. 두 지점과 너무 떨어진 위도의 위도척에 의하여 거리를 구하면 정확하지 않게 된다.

5) 해도의 기준면

  현재 우리나라에서 사용하고 있는 해도에서 높이와 수심을 나타내는 단위는 미터이며, 그 기준면은 다음과 같다.

 ⑴ 수 심

  연중 해면이 그 이상으로 낮아지는 일이 거의 없다고 생각되는 수면을 기본수준면 또는 약최저저조면이라 하며, 해도의 수심은 이 수면을 기준으로 하여 20.9m 미만은 소수점 아래 첫째 자리까지 표시하고, 21m 이상은 정수값 만을 기재한다.

  해도의 수심은 수면이 대체로 가장 낮은 때를 기준으로 측정한 것이므로, 평상시의 수심은 이것보다 약간 깊다. 수심 숫자 아래에 ‘-’로 표시된 수심은 기본 수준면보다 아래로 내려간 것을 뜻한다.

 ⑵ 물표의 높이

  장기간 관측한 해면의 평균 높이에 있는 수면을 평균 수면이라 한다. 육상 물표의 높이는 이 수면으로부터의 높이로 표시한다.

 ⑶ 조고와 간출암

  조석에 의하여 변동하는 수면의 높이를 조고라 하고, 조석의 간만에 따라 수면 위에 나타났다 수중에 감추어 졌다 하는 바위를 간출암이라 한다. 그런데, 이들의 높이는 기본수준면을 기준으로 하여 측정된다.

 ⑷ 안 선

  일반적으로 해안선이라고도 하며 약최고고조면에서의 수륙의 경계선으로 표시한다.

<그림 3-6> 간출암과 침선에 대한 해도 도식

<그림 3-7> 해도 도식 중 위험물의 종류

<그림 3-8> 부산항 부근 해도

3.7 전자 해도

  국제기구를 비롯한 해운 선진국들은 1980년대 중반부터 선박의 해양사고를 방지할 획기적인 개선책을 몇가지 내놓게 되었는데, 그 중의 하나가 바로 선박에서 사용하는 종이해도 대신 컴퓨터로 해도정보를 표시하는 전자해도표시시스템(ECDIS: Electronic Chart Display and Information System) 장치인 것이다. 이 전자해도는 지금까지 우리들이 사용해 온 종이형태의 해도에서 탈피하여 전자적인 컴퓨터 기계장치를 이용하여 모니터 화면상에 종이해도와 동일한 형태로 전자적으로 그 형상을 표시하는 장치인 것이다.

3.7.1 전자 해도에 대한 국제 동향

 전자 해도도 기존의 종이 해도와 마찬가지로 해도로서의 신뢰성과 충분한 정보를 제공하면서 정기적인 개보와 오작동 시에 충분히 조치할 수 있는 대처방안이 필요하고, 또한 국제적으로 통일된 표준에 따라서 제작되어야 할 필요성이 대두되었다. 이를 위하여 1985년에 북해수로위원회에서의 검토를 비롯하여 IMO의 해사안전위원회 산하기관에서 1986년에 전자해도의 표준설정에 대하여 연구하기 시작하였다.

 그 후에 국제수로기구(IHO : International Hydrographic Organization)와 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서 공동으로 10여년간의 연구를 통하여 1989년 5월에 ECDIS의 잠정 성능기준안을 초안하기에 이르렀다. 이 초안은 SOLAS 1974의 Ⅴ/20에서 규정하고 있는 종이해도의 요건을 만족시키는 내용을 담고 있으며, 1995년 11월 23일의 제19차 IMO총회에서 결의(Resolution) A.817로 ECDIS를 위한 성능기준(S-52)으로 채택되었다. 그리고 1996년 11월에는 전자해도에 사용될 해도정보인 전자해도(ENC : Electronic Navigational Chart)의 제작기준(S-57)을 완성하여 발표하게 되었다.

3.7.2 우리나라의 전자해도 시스템 개발

 우리나라의 국립해양조사원에서도 1995년부터 선박해양공학분소(KRISO, 한국해양연구원), 학계 및 업계와 함께 전자해도와 관련된 기술개발에 착수하여 2000년 하반기까지 국제기준에 적합한 기술개발 및 제작을 완료하고, 선박 현장에 공급하기 시작하였다. 그리하여 우리나라의 주요항만과 주변해역을 나타내는 해도 205종을 전부 전자해도로 만들었으며, 앞으로 종이해도에서 전자해도로 대체가 지속적으로 이루어질 것으로 예상된다.

 우리나라의 전자해도 제작기술의 국산화를 위하여 한국해양연구원과 민간업계에서 노력하고 있지만 시장이 제한되고, 전자해도 사용이 강제사용이 아닌 점 등의 요인으로 완전한 국산시스템 개발을 완성하지 못한 상태로 있다. 그러나 어선과 같은 소형선들을 위한 간이전자해도(ECS : Electronic Chart System)는 1980년 말부터 GPS PLOTTER라는 명칭으로 일본, 미국 등에서 개발되어 도입되기 시작하였다. 이러한 장비들을 모델로 하여 국내의 해양전자, 대양전기, 삼영전자, 신아기업 등의 업체들도 자체 기술개발에 착수하여 1990년대 중반부터는 국내 어선시장의 대부분을 점유하게 되었으며, 일부는 주변 국가들에 수출까지 하고 있다. 이 GPS PLOTTER는 간이 전자해도 위에 GPS 장치의 실시간대의 위치기능을 접목한 위치확인장치라고 말할 수 있다. 이 장치는 특히 소형 어선들이 육지에서 멀리 떨어진 바다에 자신의 어망을 설치해 놓고, 나중에 어장을 찾아가는 데 있어서 아주 긴요하게 활용되고 있으며, 특히 시정이 제한을 받는 상황에서도 쉽게 어망을 찾아갈 수 있는 장점이 있어서 현재는 거의 모든 어선 및 소형 관공선들이 장착하여 항행에 활용하고 있다.

<그림 3-9> 부산항 부근의 전자해도 실제 예

3.7.3 전자해도 시스템의 기본 구성 및 기능

 전자해도는 지금까지 종이해도에서 보았던 해도상의 여러 가지 정보를 EDCIS에서 볼 수 있도록 만든 디지털 해도로 S-57 국제 제작기준에 따라 각국의 정부기관이 제작하여 통일성 및 신뢰성을 보장한 것이다. 전자해도표시 시스템은 국제기준인 S-52에 따라 전자해도 위에 선박의 위치, 침로, 속력, 레이더 정보 등을 결합하여 컴퓨터 화면에 실시간으로 또한 연속적으로 표시할 수 있도록 제작된 첨단 자동화 선박운항시스템의 일종이다.

 이러한 전자해도 시스템은 야간이나 악천후 속에서도 항해자가 자기 선박의 위험여부와 주변상황을 컴퓨터 화면을 통하여 곧바로 판단할 수 있으며, 좌초, 충돌 등의 해양사고를 예방할 수 있도록 경보기능도 갖추고 있으며, 만일 사고가 발생하여도 항해자의 운항과실을 밝힐 수 있는 자동항적기록장치 기능 등도 기본적으로 갖추고 있어서 종전의 종이해도와는 근본적으로 차이가 있다.

3.7.4 우리나라 전자해도 시스템의 관리

 우리나라의 전자해도는 국립해양조사원에서 주 Data Base를 구축하고, 그 배분 및 갱신(Updating)은 국립해양조사원 산하의 기관에서 관리하게 된다. 그러므로 국립해양조사원과 정부기관의 책무하에 유지, 관리되는 각 제품은 주 데이터 베이스로부터의 발행계획에 따라 갱신되고, 갱신된 버전은 공급경로를 통하여 사용자에게 지속적으로 제공된다. 현재 전자해도의 보급에 대한 선진 개발국의 경우를 보면 주로 CD-Rom에 저장하여 보급하고 있으며, 이것은 데이터의 저장량이 크고, 휴대 및 운반이 용이할 뿐만 아니라 데이터의 소실을 방지할 수 있기 때문이다. 전자해도에 대한 소개정 작업은 1개월에 1차례씩 할 수 있도록 개정자료를 국립해양조사원에서 보급하고 있다.

 그리고 전자해도의 보급가격은 독일의 STN ATLAS사의 경우를 보면, 전세계의 주요지역을 9개의 Zone으로 분류하여 이들을 각각의 CD-Rom에 수록하고, 주된 축적은 1:500,000 이상으로 하여 완전한 한 셋트의 가격은 한화로 약 470만원 정도에 판매하고 있다.

3.8 수로 서지

 국립해양조사원에서 간행하는 해도 이외의 모든 간행물을 통틀어 수로서지라 한다. 이들에는 서지 번호를 붙여 정리하기에 편리하도록 하고 있다. 수로서지는 수로지와 수로특수서지로 구별한다.

3.8.1 수로지

 수로지는 수로의 지도 및 안내서로서, 해상에 있어서의 기상, 해류, 조류 등의 여러 현상과 도선사, 검역, 항로표지 등의 일반 기사 및 항로의 상황, 연안의 지형, 항만의 시설 등을 상세히 기재한 것이다. 이것은 처음으로 항해하는 항해자에게 그 지역에 대한 상세한 예비 지식을 제공해 주기 때문에 해도와 함께 매우 중요한 것이다.

 우리나라의 국립해양조사원에서는 한국 연안 수로지 제 1권(동해안 : 서지 번호 1), 제 2권(남해안 : 서지 번호 2), 제 3권(서해안 : 서지 번호 3)을 간행하고 있다. 우리나라 이외의 지역을 항행할 때에는 외국 수로지를 참조해야 한다.

3.8.2. 수로특수서지

  수로지 이외의 서지를 수로특수서지라고 하며, 수로특수서지 중에서 중요한 것은 다음과 같은 것들이 있다.

1) 항로지

  항로 선정에 참고가 되는 것으로, 표준 항로가 구체적으로 표시되어 있다. 우리나라에서는 근해 항로지(서지 번호 52) 및 대양 항로지(서지 번호 51)를 간행하고 있다.

2) 등대표

  항로표지 전반에 관하여 빠짐없이 수록된 것이다. 우리나라에서는 등대표 제 1권에 한국 연안, 제 2권에 일본 연안, 제 3권에 중국 및 동남 아시아 연안의 항로표지를 수록하여 간행하고 있다. 중요한 항로표지는 해도나 수로지에 대부분 기재되지만, 일부는 기재되지 않는 것도 있다. 그러나 등대표에는 전부 상세히 기재되어 있으므로, 해도 및 수로지와 함께 꼭 필요한 서지이다.

3) 조석표

  각지의 조시 및 조고를 기재한 표로서, 그 때 그 장소에 대한 것뿐만 아니라 장차 도착할 지역의 조석과 조류를 추산하는 경우에 필요한 서지이다.

  우리나라에서는 조석표 제 1권, 제 2권을 매년 간행하고 있으며, 제1권에 한국 연안의 표준항과 주요 항만의 조석 및 협수로의 조류 예보치와 그 밖의 항만에 대한 개정수, 비조화상수 및 조석과 조류의 해설 등을 수록하고 있으며, 제2권에는 태평양 및 인도양 연안의 주요 항만에 대한 조석 및 조류의 예보치, 그 밖의 항만에 대한 개정수, 비조화상수 등을 수록하고 있다. 조석표에 수록된 조석과 조류의 예보치는 이상기상의 영향 및 부진동 등은 가산하지 않은 정상 상태의 것이다.

<표> 인천항 조석표

4) 기타 특수 서지

  천측력, 천측 계산표, 거리표, 수로 연보, 수로 도지 목록 등이 있다.

3.8.3 수로 도지의 개정

  수로 도지는 언제나 현재의 상태와 일치되어 있어야 하므로, 그 내용에 변경이 있었거나 도지 간행 이후에 새로운 자료를 얻었을 때에는 항행통보에 의하여 개정해야 한다.

1). 항행통보

  암초나 침선 등 위험물의 발견, 수심의 변화, 항로표지의 신설, 폐지 등과 같이 직접 항해 및 정박에 영향을 주는 사항들을 항해자에게 통보하여 주의를 환기시키고, 아울러 수로 도지를 정정하게 할 목적으로 국립해양조사원이 발행하는 통보를 항행통보(Notice to mariner)라 한다.

  국립해양조사원에서 측량한 결과, 선박으로부터의 보고, 관청으로부터의 통지, 또는 외국 항행통보에서 수집한 자료를 종합하여 다음과 같은 방법으로 발표한다.

 ① 영문판 및 국문판 항행통보 인쇄물을 2000년부터는 주 1회(매주 금요일)로 간행하여 관계 기관과 선박에 배부한다. 보통, 항행통보라 하면 이것을 뜻한다.

 ② 연안을 항행중인 소형선이나 어선 등에 급히 알릴 사항이 있을 때에는 방송국에서 방송으로 알린다.

 ③ 긴급한 사항은 각 무선국을 통하여 통보한다.

 항행통보는 선박의 운항에 중요한 자료이므로, 항해자는 항상 이것을 빠짐없이 입수하도록 노력함은 물론, 외국 항로에 취항하는 경우에는 그 나라의 항행통보를 참조하여 수로 도지를 정정하지 않으면 안 된다. 아울러 항행통보는 일정 기간 동안 보존해 둘 필요가 있다.

2). 해도의 개정 및 소개정

  해도는 항상 최근의 상태와 일치해야 하므로, 이를 간행한 후에도 새로운 자료를 입수할 때마다 개정해야 하는데, 이 방법을 크게 나누면 국립해양조사원에서 직접 행하는 개판(New edition), 재판(Reprint) 등의 방법과, 항해자 자신이 항행통보에 의하여 행하는 소개정(Small correction)이 있다.

⑴ 소개정

  항해자가 항행통보의 기사 내용에 따라 기입, 삭제 또는 보충하거나, 항행통보에 첨부된 것을 해당 장소에 오려 붙이는 등 적당한 방법으로 개정하는 것이다. 개정한 다음에는 해도의 왼쪽 아래 난 바깥쪽에 항행통보의 연도 및 항 수를 약기하여야 한다. 국립해양조사원에서는 항행통보를 통보하는 동시에 원판의 일부를 그 내용에 맞추어 개정한 보정도를 항행통보에 첨부하고 있다.

<그림 3-10> 우리나라의 항행통보 표제

3.9. 연안 항법

  연안 항법(Coastal navigation 또는 Coasting)이란 육지나 섬 또는 항로표지 등이 가까이 있을 경우 그 육상 또는 해상의 물표를 이용하여 선박의 위치나 위치선을 결정함으로써 항해를 계속하는 항법으로서, 항해자의 신속하고 정확한 판단과 끊임없는 주의 및 경계가 요구된다.

  국제항해에 종사하는 선박은 목적항을 향하여 대양을 가로지르는 먼 항해를 실시하게 된다. 대양상의 항해는 항해자의 기술과 능력에 의하여 선박의 안전은 물론 항해에 소요되는 일수나 연료 소모량의 차이가 생기게 된다.

3.9.1 선박의 위치

  선박의 위치, 즉 선위를 측정하는 일은 모든 항해술의 기본이다. 항행중에는 선박이 계획한 예정 항로상을 항행하고 있는가를 확인하기 위하여, 기회가 있을 때마다 가능한 모든 방법을 이용하여 선위를 측정하여야 한다. 정확한 선위를 결정하지 못하면 자기 선박이 위험 수역을 항행하고 있는지 또는 암초와 같은 위험물에 접근하고 있는지를 알 수 없으므로, 막연히 항행을 계속하는 것은 매우 위험한 일이다.

  선위에는 추측 위치, 추정 위치 및 실측 위치의 세 가지 종류가 있다.

1) 선위의 추측

  최근의 실측 위치를 기준으로 하여 그 후에 조타한 진침로와 측정의 또는 기관의 회전수로 구한 항정에 의하여 선위를 결정하는 것을 선위의 추측(Dead reckoning)이라 하고, 이와 같이 하여 결정된 선위를 추측 위치(Dead reckoning position, DRP)라 한다.

2) 선위의 추정

  항행중에 받은 바람, 해조류 등 모든 외력의 영향을 추정한 다음 이를 위의 추측 위치에 수정하여 얻은 위치를 추정 위치(Estimated position, E.P.)라 하는데, 외력에 의한 선위의 변화는 선박의 크기, 흘수, 트림, 해역, 계절 등에 따라 다르기 때문에 정확한 추정을 하기 위해서는 수로지, 항로지, 조석표, 해류도, 조류도, 파일럿 차트 등을 참고하는 한편, 평소에 외력의 크기를 추정하는 능력을 길러 두어야 한다.

  실제적으로, 항행중에 계속 선위를 실측 또는 추정하는 것은 불가능한 경우가 많으며, 실측 위치와 다음 실측 위치 사이에는 보통 추측 위치를 구하여 항행하게 되고, 또 변침점에 도착하는 시각, 등대가 보이는 시각을 구하거나 현재 보이는 물표가 어떤 것인가를 판단하는 데는 추측 위치를 기준으로 한다. 따라서, 추측 위치는 다른 선위에 비하여 신뢰성은 적지만, 항행할 때 가장 기본이 되는 선위라고 할 수 있다. 그러나 추측 위치만을 기준하여 항행을 계속하는 것은 위험하므로 이 때에는 추정 위치를 구해 보아야 한다.

3.9.2 위치선

1) 위치선의 정의

  위치선(Line of position, LOP)이란 어떤 물표를 관측하여 얻은 방위, 협각, 고도, 거리 등을 만족시키는 점의 자취로서 관측을 실시한 선박이 그 자취 위에 존재한다고 생각되는 특정한 선을 말한다. 선박의 위치는 이러한 위치선들의 2개 또는 그 이상의 교점을 구하여 나타낼 수 있다.

⑴ 방위선에 의한 위치선

  관측자가 물표의 방위를 관측하여 물표와 관측자를 연결한 방위선을 이용하여 위치선으로 이용하는 방법으로 선박에서 가장 많이 사용하는 방법이다.

⑵ 중시선에 의한 위치선

  두 물표가 일직선상에 겹쳐 보일 때에는, 관측자는 그들 물표를 연결한 직선, 즉 중시선상의 어느 곳에 있으므로, 이와 같은 중시선은 위치선이 된다. 특히, 관측자와 가까운 물표 사이의 거리가 두 물표 사이의 거리의 3배 이내이면 매우 정확한 위치선이 된다. 중시선은 선위를 측정하는 이외에도 좁은 수로를 통과할 때의 피험선, 컴퍼스 오차의 측정 등에 이용된다.

⑶ 수평 거리에 의한 위치선

  어느 물표까지의 거리를 측정하여 그 거리를 반지름으로 하고 물표를 중심으로 하는 원을 그리면 선박은 그 원주 위에 있게 되므로, 이 원은 위치선이 된다. 전파항법 장치인 레이더에 대한 기술발달로 현재는 선박에서 가장 보편화되어 있는 방법이다.

⑷ 수평 협각에 의한 위치선

  두 물표 사이의 수평 협각을 육분의(Sextant)로 측정한 다음, 해도 위에서 두 물표를 지나고 측정한 각을 품는 원을 작도

하면 선박은 이 원주 위에 있게 되므로, 이 원은 위치선이 된다.

⑸ 수심에 의한 위치선

  수심의 변화가 규칙적이고 측량이 잘 된 해도를 사용할 때에는, 직접 측정하여 얻은 수심과 같은 수심인 점들을 연결하여 등심선을 그려 넣을 수 있다.

 이 등심선도 위치선으로 이용할 수 있으나 다른 방법에 비하여 부정확하다.

⑹ 전위선

  위치선을 선박이 그 동안 항주한 거리만큼 동일한 침로 방향으로 평행 이동한 것을 전위선(轉位線, Transferred position line)이라 한다. 시간차를 두고 물표를 관측하였을 때에는 이 전위선을 이용하여 선위를 구한다. 예를 들면, 침로 000^o, 속력 10 노트로 항행중인 선박이 08시 10분에 L 등대를 090^o로 측정했다면 LA는 그 때의 위치선이 된다. 이 위치선을 30분 뒤인 08시 40분까지 전위하려면 30분간의 항정 5마일을 A에서 침로선을 따라 선박의 진행 방향으로 잡아 이 점을 A'라 하고 A'를 지나는 LA에 평행선을 그으면 30분 후의 전위선이 된다.

<그림 3-11> 위치선의 종류

3.9.3 선위의 결정

  선박의 위치를 측정하는 방법에는 육상의 물표, 천체, 전파기기, 수심 등 여러 가지를 이용하는 방법들이 있는데 여기서는 육상의 물표를 이용하여 선위를 결정하는 방법을 살펴보기로 한다.

  육상의 물표에 의한 선위의 결정법은 2개 이상의 물표를 동시에 관측하여 선위를 구하는 동시관측법과, 시간차를 두고 물표를 2회 이상 관측하여 선위를 구하는 격시관측법이 있다.

1) 동시관측에 의한 선위

⑴ 교차 방위법(Fix by cross bearing)

  이 방법은 항행중에 등대, 산봉우리, 섬 등 해도상에 기재되어 있는 2개 이상의 뚜렷한 물표를 선정하여 거의 동시에 각각의 방위를 재어 해도상에서 각 물표를 지나는 방위선을 그어 이들의 교점을 선위로 정하는 방법이다.

  이 방법은 연안 항행중에 가장 많이 이용되는 것으로, 측정법이 쉽고 또 위치의 정밀도가 높다.

 물표의 선정에 있어서의 주의 사항 :

 ① 해도상의 위치가 명확하고, 뚜렷한 목표를 선정한다.

 ② 먼 물표보다는 적당히 가까운 물표를 선택한다.

 ③ 물표 상호간의 각도는 가능한 한 30^o～150^o 인 것을 선정해야 하며, 두 물표일 때에는 90^o, 세 물표일 때에는 60^o 정도가 가장 좋다^.

 ④ 물표가 많을 때에는 2개보다 3개 이상을 선정하는 것이 선위의 정확도를 위해 좋다.

 방위 측정시의 주의 사항 :

 ① 방위 변화가 빠른 물표는 나중에 측정해야 한다. 즉, 선수미 방향이나 먼 물표를 먼저 재고, 정횡 방향이나 가까운 물표는 나중에 측정한다.

 ② 물표가 선수미선의 어느 한쪽에만 있을 경우, 앞에서부터 뒤로 또는 뒤에서부터 앞으로 차례로 측정하는 경우가 많은데, 이 때에는 그림과 같이 선위가 예정침로의 오른쪽(a) 또는 왼쪽(b)으로 편위될 수 있으므로 주의하여야 한다.

 ③ 방위 측정은 빠르고 정확하게 해야 하며, 또 해도상에 방위선을 작도할 때에도 신속히 해야 한다.

 ④ 위치선을 기입할 때에는 전위할 때를 고려하여 관측 시각과 방위를 기입해 두도록 하며, 선위에도 그 관측 시각을 항상 기입하여야 한다.

<그림 3-12> 방위측정 방법에 따른 선위의 편위

  관측한 3개의 방위선이 1점에서 만나지 않고 작은 삼각형을 이룰 때에는 그 삼각형의 중심을 선위로 하며, 만일 너무 큰 삼각형이 생기면 방위를 다시 측정해야 한다. 이 삼각형을 오차 삼각형(Cocked hat)이라 한다.

  오차 삼각형이 생기는 이유는 다음과 같다.

 ① 자차나 편차에 오차가 있을 때

 ② 해도상의 물표의 위치가 실제와 차이가 있을 때

 ③ 물표의 방위를 거의 동시에 관측하지 못하고 시간차가 많이 생겼을 때

 ④ 관측이 부정확했을 때

 ⑤ 해도상에 위치선을 작도할 때에 오차가 개입되었을 때

⑵ 두 개 이상 물표의 수평거리에 의한 방법

  <그림>과 같이 두 개 이상의 물표를 선정하여 동시에 수평거리를 측정하여 각각의 위치권의 교점을 선위로 결정하는 방법이다. 일반적으로 2개의 위치권은 항상 두 점에서 만나지만 선박과 물표의 위치 관계에서 그 2개의 교점 가운데 어느 것을 선위로 정할 것인가는 쉽게 판단할 수 있다. 그러나 제 3 물표의 위치권을 이용하면 보다 확실한 선위를 얻을 수 있으며, 물표가 가깝고 위치권의 교각이 90^o에 가까울수록 선위의 정밀도가 높다.

⑶ 물표의 방위와 거리에 의한 방법

  <그림>과 같이 동일한 물표의 방위와 거리를 동시에 측정하여 방위에 의한 위치선과, 목표를 중심으로 하고 측정한 거리를 반지름으로 하는 원을 그려서 그 위치권과의 교점을 선위로 정하는 방법이다.

  특히, 이 방법은 물표가 하나밖에 없을 때에도 유용하게 사용할 수 있는 방법으로 이 방법을 사용하기 위해서는 거리를 정확히 측정하여야 한다. 거리 측정 방법에는 레이더에 의한 방법, 시달거리에 의한 방법, 앙각에 의한 방법 및 소리의 전파 속도에 의한 방법 등이 있다. 그러나 선박에서 실무적으로는 레이더의 작동에 의하여 정확한 거리를 측정하는 방법을 가장 많이 이용하고 있다.

       <그림 3-13> 수평거리의 방법      <그림 3-14> 방위선과 수평거리의 방법

⑷ 중시선과 방위선 또는 수평 협각에 의한 방법

  <그림>과 같이 해도상의 두 물표가 일직선상에 겹쳐 보일 때, 이 중시선과 다른 물표의 방위 또는 그들 사이의 수평 협각을 측정하면 선위를 구할 수 있다. 이 방법은 선위의 정도가 매우 좋으며, 또한 자선의 자차를 확인하는데 이용하여도 좋다.

⑸ 두 중시선에 의한 방법

  <그림>과 같이 해도상에서 두 개의 물표 A, B와 C, D가 각각 겹쳐서 보일 때의 시각을 관측하면 그 선박은 그 때 두 중시선의 교점에 위치하게 된다. 이 방법은 아주 정확한 위치를 구할 수 있는 관측법으로 협수로 통과시의 변침점을 구하거나 투묘위치를 선정하는 경우와 같이 목표물은 많으나 선위를 측정할 시간적인 여유가 없는 경우에 유용하게 이용할 수 있다. 이 방법을 이용하기 위해서는 미리 계획을 세워서 실행해야 하며, 자선의 자차 측정에도 아주 좋은 방법으로 활용할 수 있다.

  <그림 3-15> 중시선과 방위선의 방법      <그림 3-16> 두 중시선의 방법

⑹ 수평 협각법

  3개의 물표를 선정하고 육분의를 정확하게 수평으로 쥔 다음, 중앙에 있는 물표와 좌우 각각의 물표 사이의 협각을 측정하고, 삼간 분도기(Three arm protractor)를 이용하여 이들 두 각을 품는 원둘레의 만난 점을 선위로 정하는 방법이다.

  그러나 삼간 분도기가 없으면 투사지(Tracing paper)를 이용하여 여기에 적당한 직선을 그어 기선으로 하고 그 양 쪽에 보통 분도기로 측정한 두 각을 끼는 두 직선을 긋는다. 이들 세 직선이 관측한 세 목표를 동시에 지나도록 하면 세 직선의 교점이 관측시의 선위가 된다. 투사지를 해도 위에 놓고 디바이더 등을 이용하여 교점을 눌러주면 해도상에 선위를 표시할 수 있게 된다.

  수평 협각법의 특징은 다음과 같다.

 <장 점>

 ① 컴퍼스를 사용하지 않고 육분의 만을 사용하기 때문에 측정 위치가 정확하다.

 ② 물표가 선박의 연통, 마스트 등의 장애물에 가려 보이지 않을 때에는 자리를 옮겨 측정할 수 있다.

 ③ 자차의 영향과 무관하다.

 ④ 자주 변침하는 복잡한 수로에서 사용하기 좋다.

  <단 점>

 ① 수평 협각의 측정 및 선위의 결정에 다소 시간이 걸린다.

 ② 목표의 위치가 부정확 할 경우 선위의 정밀도를 파악하기가 곤란하다.

 ③ 반드시 3개의 물표가 있어야 한다.

2) 격시관측에 의한 선위 결정법

  선박이 야간에 연안을 항행할 때 관측이 가능한 등광이 1개뿐인 경우와 같이 물표가 1개뿐이거나 방위와 거리중 어느 한 가지 밖에 구할 수 없을 경우에 개략적인 선위를 구하기 위하여 사용하는 방법이다. 이 방법은 시간차를 두고 두 번 이상 같은 물표나 또는 다른 물표를 관측하여 그들의 전위선과 위치선을 이용하여 구한 선위를 격시관측 위치(Running fix)라고 한다.

  이러한 격시관측 위치 결정에 있어서는 여러 가지 방법을 이용할 수 있으나, 특히 격시관측 사이에 변침과 속력의 변화가 있었을 경우나, 외력의 영향을 많이 받았을 경우에는 복잡한 계산과 작도를 통하여 선위를 결정할 수 있다. 그러므로 여기서는 침로 및 속력의 변화와 외력의 영향이 없는 경우와 침로만 변한 경우의 작도법에 대하여 설명하고자 한다.

⑴ 작도에 의한 격시관측 위치 결정법

 ① 같은 물표를 이용한 경우의 작도법

 <그림>에서와 같이 선박이 침로 018^o, 속력 12노트로 항해를 하면서, 14:40분에 물표 G의 방위를 047〫로 측정하고, 그 뒤 14:52분에 다시 083〫로 측정하였을 경우에 그 선위를 구하여 보면 다음과 같다.

     <그림 3-17> 동일물표 이용법         <그림 3-18> 다른 물표 이용법

  즉, 먼저 추측 항로선 위에 제1 관측시인 14:30분의 제1 위치선과 DR위치를 기입한다. 그 후에 제2 관측시인 14:52분의 제2의 위치선을 기입한다. 다음에 14:30분의 제1위치선을 22분간의 항정 4.4마일(12×22/60)를 침로 방향으로 전위하여 14:52분의 제2의 위치선과 만나는 교점을 14:52분의 위치로 결정하면 된다.

 ② 서로 다른 물표를 이용한 경우의 작도법

  <그림>에서와 같이 선박이 침로 012^o, 속력 12노트로 항해를 하면서, 15:00시에 물표 E의 방위를 245〫로 측정하고, 그 뒤 15:20분에 물표 F를 340〫로 측정하였을 경우에 그 선위를 구하여 보면 다음과 같다.

  추측 항로선 위에 제1 관측시인 15:00시의 제1 위치선과 DR위치를 기입한다. 그 후에 제2 관측시인 15:20분의 제2의 위치선을 기입한다. 다음에 15:00분의 제1 위치선을 20분간의 항정 4마일(12×20/60)를 항로선 방향으로 전위하여 15:20분의 제2 위치선과 만나는 교점을 15:20분의 위치로 결정하면 된다.

③ 위치권을 이용한 경우의 작도법

<그림 3-19> 다른 물표 이용법

  <그림>에서와 같이 선박이 침로 076^o, 속력 15노트로 항해를 하면서, 14:40분에 레이더를 이용하여 물표 J까지의 거리를 4.7마일로 관측하고, 그 뒤 15:08분에 물표 H의 방위를 040〫로 측정하였을 경우에 그 때의 선위를 구하여 보면 다음과 같다.

  추측 항로선 위에 제1 관측시인 14:40분의 제1 위치권과 DR위치를 기입한다. 그 후에 제2 관측시인 15:08분의 제2 위치선을 기입한다. 다음에 물표 J의 위치를 침로 076〫의 방향으로 7마일(15x28/60=7) 전위한 점에서 4.7마일을 반지름으로 하는 원을 그려서 15:08분의 제2 위치선과 만나는 교점을 15:08분의 위치로 결정하면 된다.

 ④ 침로가 변한 경우의 작도법

  

<그림 3-20> 침로를 변경한 경우

그림에서와 같이 선박이 침로 063^o, 속력 18노트로 항해를 하면서, 21:05분에 물표 P의 방위를 340〫로 관측하였고, 그 후 21:20분에 침로 138〫로 변침하였다. 그 뒤에 21:32분에 물표 Q의 등광을 047〫로 관측하였을 경우에 그 때의 선위를 구하여 보면 다음과 같다.

  앞의 예에서와 같이 추측 항로선 위에 제1 관측시인 21:05분의 제1 위치선과 DR위치를 기입한다. 그 후에 21:05분의 DR 위치에서 항로선을 따라서 15분간 항해한 항정 4.5마일(18x15/60=4.5)를 표시하여 변침점으로 설정한다. 이 변침점에서 새로운 항로선 138〫를 긋고, 그 항로선 위에 21:32분의 DR 위치를 표시한다. 그리하여 21:05분과 21:32분 사이의 직항대수침로 및 직항대수항정을 구하여 처음의 항로선과 제1 위치선이 만난 점에서 그것과 같은 방향으로 같은 길이를 디바이더로 재어서 그 끝점을 지나 21:05분의 위치선에 평행선을 그으면 전위선이 되고, 이 전위선과 제2 위치선과 만나는 교점을 21:32분의 위치로 결정하면 된다.

⑵ 계산에 의한 격시관측 위치 결정법

  여기에서는 시간차를 두고 측정한 2개의 위치선에 대하여 계산으로 선위를 구하는 방법에 대하여 알아보도록 한다. 계산에 의한 선위 결정 방법은 두 가지로 나눌 수 있으며, 그 하나는 항해표 제 7표 “한 목표의 두 방위에 의한 거리표”를 이용하여 구하는 방법이 있고, 다른 하나는 삼각형의 성질을 이용하여 특별한 경우의 격시 관측 위치를 구하는 방법이다.

<그림 3-21> 격시 관측 삼각형

  이 방법의 기초 원리는 삼각형의 성질을 항해에서의 선위 결정에 이용하는 것으로, <그림>에서와 같이 선박이 일정한 속력으로 침로선 ABD 위를 항해하고 있을 경우에 A점에서 물표 C의 방위를 측정하여 침로선과 제1 방위선이 이루는 각, 즉 물표의 상대 방위각 α를 구할 수 있다. 그 후에 B점에 이르러 다시 물표 C의 방위를 측정하면 침로선과 제2 방위선이 이루는 각, 즉 상대 방위각 β를 구할 수 있다. 여기서 AB의 거리는 항주거리로 선속계 등에서 구할 수 있으며, 이 거리를 R이라고 하면,

 ΔABC에서

   ∴

이고, 이 식을 이용하여 제2의 방위를 측정한 위치 B에서 물표까지의 거리를 구할 수 있고, 또한 예상 정횡거리(CD=CB sinβ)도 구할 수 있다.

3) 측심에 의한 선위 측정법

  연안항해중 안개, 눈 또는 비 등으로 육상의 물표가 보이지 않을 때에 선위를 대략적으로라도 알기 위해서 연속적인 수심 측정을 통해 선위를 측정하는 방법인데 해도의 정확도, 간만의 차, 측심 요령 등의 여러 가지 요건들이 제대로 갖추어져야 어느 정도 믿을만한 선위를 측정하게 되므로 다른 방법에 의한 측정보다 신뢰성이 적다.

3.10 침로 계기

3.10.1 마그네틱 컴퍼스

 해상에서 선박의 침로나 물표의 방위를 측정하기 위해서 사용되는 계기가 컴퍼스이며, 마그네틱 컴퍼스(Magnetic compass)의 역사는 오래되지만, 오늘날 자이로 컴퍼스(Gyro compass)가 사용되게 되었어도 간단하면서도 정도(精度)도 높게 독립해서 사용할 수 있다는 점에서 그의 중요성은 변함이 없다.

 그러나, 실제로 마그네틱 컴퍼스를 선체에 장착했을 때에는 여러 가지 원인으로 지시 방위에 오차가 발생한다. 이들의 원인중에서도 선체 자신의 영향에 의한 것을 자차라고 하지만, 장소나 선수 방향에 따라서 복잡하게 변화하기 때문에 이들의 성질에 대해서 잘 이해해 두지 않으면 안된다.

1. 마그네틱 컴퍼스의 원리

 지구상에는 자침을 대체로 남북으로 향하게 하는 지구 자력이 전세계 어느 곳에서나 자연적으로 작용하고 있다.

 즉 지구상에는 전면에 걸쳐 천연적으로 자장이 있고 지구가 하나의 커다란 자석이라고 생각할 수 있는데, 자유롭게 움직일 수 있도록 한 자침(Magnet)의 중심을 공간에 매어 달면, 그 자침은 천연 자장(또는 지구 자장)과 일치하는 방향으로 멈추게 된다.

 마그네틱 컴퍼스는 이러한 원리를 이용해 방위 눈금판(Compass card) 아래에 자침(Magnet)을 붙여 피벗(Pivot)으로 수평이 되게 지지하고, 수평면 내에서는 항상 자유롭게 회전할 수 있도록 하여 지구 자기의 방향을 지시하도록 한 것으로, 지구상의 위치에 따라서 항상 일정한 방향을 지시하므로 선박의 침로(Course)를 알거나 물표의 방위(Bearing)를 관측하여 선위를 결정하는 항해 계기(Navigational instrument)이다.

 국제 해상 인명 안전 협약(International convention for the safety of life at sea, SOLAS)에는 150톤 이상의 선박에서는 마그네틱 컴퍼스를 비치하고, 각 마그네틱 컴퍼스의 자차는 적절히 수정되어야 하며, 자차 곡선도는 항상 유효한 것이어야 한다고 규정하고 있으며, STCW협약 규칙의 부록에는 당직 사관은 마그네틱 컴퍼스와 자이로 컴퍼스의 오차를 수정할 수 있는 능력을 갖추어야 한다고 규정하고 있다.

1) 자침과 지구 자장

  마그네틱 컴퍼스에서는 자차를 고려하지 않으면 거의 쓸모가 없기 때문에 자침이 만드는 자장과 지구 자장에 관한 성질을 이해해야 한다.

⑴ 자침(Magnet)

  자침에 관련된 몇 가지 용어에 대해서 먼저 알아보기로 한다.

  ① 자극(Magnetic pole) : 자침이 철편이나 철분을 끌어당기는 작용은 그 양끝에 강하게 나타나는 데, 이와 같이 자기 작용의 중심이 되는 점을 말한다.

  ② 자축(Magnetic axis) : 자석에는 반드시 2개의 자극이 있고, 이 양 자극을 연결하는 직선을 말한다.

  ③ 남극(South pole)과 북극(North pole) : 자축을 수평으로 해서 자유롭게 회전시키면 대체로 남북을 가리키며 정지한다. 이때 북을 가리키는 자극을 북극 또는 N극(+극, 적극, 양자극), 남을 가리키는 쪽의 자극을 남극 또는 S극(-극, 청극, 음자극)이라 한다.

  ④ 자력(Magnetic force)과 자장(Magnetic field) : 자침이 쇠를 끌어당기거나 밀어내는 힘을 자력 또는 자기력이라 하고, 자력이 미치는 공간을 자장(磁場) 또는 자계(磁界)라 한다.

  ⑤ 자화 및 감응 자기 : 자석 근처에 물체를 두고 그 물체에 자성이 나타났을 때, 그 물체는 자화(磁化)되었다고 하고, 이와 같이 해서 생긴 자기를 감응 자기(感應 磁氣)라 한다. 자성체의 자화상태는 온도와 밀접한 관계가 있다. 자성체에 열을 가해 어느 온도 이상에 달하면 자성을 잃고, 또 이것을 식혀서 그 온도에 달하면 다시 자성을 얻는다.

  ⑥ 강자성체 : 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등과 같이 전자석(電磁石) 근처에 두면 강하게 자화되는 물체를 말한다.

  ⑦ 상자성체와 반자성체 : 알루미늄(Al)이나 백금(Pt) 등과 같이 강자성체와 같이 강하지는 않지만, 다소 자화되는 것을 상자성체(常磁性體)라고 하고, 자화되지만 구리(Cu)나 아연(Zn)과 같이 접근한 자침의 극에 가까운 끝에, 접근한 자침의 극과 같은 극이 생기는 물체를 반자성체(反磁性體)라 한다.

  ⑧ 잔류 자기 : 자성체를 자장 속에 넣어 자화시킨 후, 이것을 자장 밖으로 끄집어내어 보면, 그 정도는 다양하지만, 다소의 자기가 남는다. 이와 같이 잔류한 자기를 잔류 자기(殘留 磁氣)라 한다.

  ⑨ 영구 자석 : 어떤 종류의 자성체에서는 자장으로부터 끄집어 낸 뒤에도 강한 자성을 오랫동안 지니고 있는 것이 있다. 즉, 이와 같이 잔류 자기가 강하고, 그 후의 변화도 적은 것을 영구 자기라 하고, 이와 같은 자석을 영구 자석(永久 磁石)이라 하고, 경철(硬鐵)은 이와 같은 성질이 있다.

  ⑩ 일시 자석 : 영구 자석에 대해서, 자장에서 끄집어내면 자성의 대부분을 잃어버리는 것을 일시 자기 또는 감응 자기라 하고, 이와 같은 자석을 일시 자석(一時 磁石)이라 한다. 연철(軟鐵)이나 퍼멀로이 판(Permalloy plate)은 이와 같은 성질이 있다.

 자침 주변에는 수많은 자력선이 존재하며, 수많은 자력선 중 어느 한 자력선 위에 자침을 놓으면, 그 자침의 N단은 이 자력선에 대해 접선 방향을 가리킨다. 이것으로 자력선상에 있는 한 점에 작용하는 자장의 방향은 그 점이 가지는 접선 방향과 같음을 알 수 있고, 자침의 N극이 향하는 방향을 보고, 자력선은 자석의 N극에서 S극으로 향한다는 것을 알 수 있다.

 자력선은 양극 부근에 많이 분포되어 있고, 중앙 부근에는 적게 분포되어 있으므로, 자력은 자석의 양극 부근에서 강하고 중앙 부근에서는 약함을 알 수 있다. 또, 자력선이 곡선이므로 이것에 대한 접선은 그 위치에 따라 다르므로, 자장의 방향도 관측점의 위치에 따라서 다르기 마련이다.

⑵ 지구 자기(Geo-magnetism)

  마그네틱 컴퍼스가 방향 지시기 역할을 할 수 있는 것은 지구가 하나의 커다란 자석이기 때문이다. 이는 지구상에는 자침을 대체로 남북 방향으로 향하게 하는 지구 자력이 어느 곳에서나 자연적으로 작용하고 있기 때문에 지구상에는 전면에 걸쳐서 천연적으로 자장이 있고, 지구가 하나의 커다란 자석이라고 생각할 수 있다.

  이와 같은 지구상에 있는 자연 자장(自然 磁場)을 지구 자장(地球 磁場)이라고 하고, 그 원인을 지구 자기라 한다.

  지구 자장을 관측해 보면, 지구 중심에 자석이 있고, 이것이 만드는 자장으로 지구가 싸여 있는 것과 같으며, 이 막대 자석은 지구 자전축과 약간 어긋난 각을 이루고 있으며, 그 N극은 지구의 남극 부근에, S극은 북극 부근에 존재하고 있다.

  지구 자기는 그 양은 적지만 연속적으로 변화하고 있으며, 이들의 변화는 1년을 주기로 해서 변화하는 연변화(年變化), 1일을 주기로 해서 변하는 일변화(日變化)가 있으며, 이 외에 자기 폭풍(磁氣 暴風; Magnetic storm)이라고 불리는 돌발적인 변화가 일어나는 것도 있다.

⑶ 지구 자기의 3 요소

  지구 자장 속에서 자침의 중심(重心)을 가는 실로서 매달아 자유롭게 회전시키면, 자침은 지구 자기의 방향을 가리키며 정지하게 된다. 편차, 복각(또는 경차; dip) 및 수평 자력(水平 磁力)을 지구 자기의 3요소라 하고, 이들 용어들은 다음과 같이 간단히 설명할 수 있다.

 ① 편차(偏差; Variation) : 진 자오선과 자기 자오선이 이루는 각을 말하며, 지구상의 위치에 따라서 다르며, 지자기 편차는 사용하는 해도의 나침도에 기입되어 있으며, 또한 지자기 편차는 매년 수분씩 변동하고 있기 때문에 이와 같은 지자기 편차의 연 변화율(Annual change)도 나침도에 기입되어 있기 때문에 측정 당시의 편차를 구할 수 있다. 편차는 지자기의 북(자북)이 진북의 오른쪽에 있을 때를 편동편차(偏東偏差 : Easterly variation)라고 하고, 왼쪽에 있을 때를 편서편차(偏西偏差 : Westerly variation)라고 한다.

 ② 경차(傾差; Dip) : 자기 자오선과 지구 자력이 이루는 경사각을 말하며, 북위도 지방에서는 N단이 부각(俯角)을 나타내는데 이 때를 (+)경차라 하고, 남위도 지방에서는 앙각(仰角)을 가진 채로 북을 지시하는데 이 때를 (-)경차라 한다. 경차가 0인 지방을 자기 적도(磁氣 赤道)라 한다.

 ③ 수평 자력(水平 磁力) : 한 점에 작용하는 지자기의 세기를 T라고 하면, 수평 방향의 분력인 수평 자력 H와, 수직 방향의 분력인 수직 자력(垂直 磁力) Z로 나누어 생각할 수 있다. 이 때 수평방향의 분력을 수평 자력(또는 수평 분력)이라고 하며, 이들 분력은 위도에 따라 다르며, 지구 자기의 양극에서는 수직 분력만 존재하므로 H=0이 되고, 적도에서는 수평 분력만 존재하므로 Z=0이 된다. 그러나 그 외의 지방에서는 H와 Z가 동시에 존재하며, 북반구(北半球)에서는 Z가 아래쪽으로, 남반구(南半球)에서는 위쪽으로 작용하고 있다.

⑷ 자기 요소도(磁氣 要素圖)

  전 세계에 걸쳐 지자기의 요소를 측정해 각각의 요소에 대해 값이 같은 지점을 연결하여 그린 선을 기입한 지도(地圖)를 등자기선도(等磁氣線圖)라 하고, 지자기의 상태를 아는 데 사용된다.

  등자기선도에는 지자기 편차가 같은 점을 연결한 선인 등편차선을 기입한 등편차선도(等偏差線圖), 지자기 수평력(수평 자력)이 같은 지점을 연결한 선인 등수평 자력선을 기입한 등수평 자력선도(等水平 磁力線圖)등이 있다.

2. 마그네틱 컴퍼스의 구조

  마그네틱 컴퍼스의 구조는 보울(Bowl), 비너클(Binnacle), 투영 장치(Projector) 및 자차수정장치 등으로 크게 나눌 수 있다.

1) 보울

  보울은 마그네틱 컴퍼스의 가장 중요한 부분으로서 반 자성 재료인 청동(靑銅; 구리와 주석의 합금) 또는 놋쇠(구리와 아연의 합금)로 되어 있는 용기로서, 상실과 하실의 두 부분으로 나누어져 있다. 상반부(上室)에는 에틸 알콜(35%)과 증류수(65%)로 혼합된 액체(비중이 약 0.95, +60℃～-20℃에 걸쳐 점성 및 팽창 계수의 변화가 적음)나 버솔(Versol) 등의 컴퍼

<그림 3-22> 마그네틱컴퍼스

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  보울은 이 밖에도 컴퍼스 카드(Compass card), 부실(浮室 : Float), 피벗, 캡(Cap), 주액구(注液口 : Filler plug) 등의 중요한 것들이 부착되어 있다.

2) 비너클

  놋쇠 또는 목재 등의 비자성 재료로 만든 원통형으로 보울을 지지하는 지지대로 경사계(Clinometer), 조명등 및 조명가감장치(Dimmer), 비너클 커버(Binnacle cover), 짐벌 링(Gimbal ring), 투영장치(Projector), 자차수정장치 등이 부착되어 있다.

3.10.2 자이로 컴퍼스

  자이로 컴퍼스는 해상에서 선박의 방위를 가르키는 가장 중요한 계기로서 선박의 안전항해와 경제적인 운항을 위해서는 필수적인 계기이다. 특히 이 자이로 컴퍼스로부터 전기적인 방위신호를 받음으로 인하여 자동 조타장치를 비롯한 모든 항해계기들이 제기능을 발휘하여 효율적인 선박 운항을 도울 수 있는 것이다.

1. 자이로스코프의 특성

  자이로스코프는 그림과 같이 고속으로 회전할 수 있는 회전체가 그 자체의 회전축 인 로터축(Rotor axis)과 그 로터축과 직교되는 수평축 및 수직축을 각각 축으로 하여 3축의 주위를 자유롭게 회전할 수 있도록 만들어진 장치를 자이로스코프(Gyroscope)라 한다.

  특히 회전체의 로터축을 축으로 하여 고속으로 회전하고 있는 자이로스코프에서 나머지 2축이 마찰을 무시하고 평형 상태가 정확하게 유지될 수 있다면 로터축은 어떤 방향이라도 자유롭게 가리킬 수 있으며 이러한 상태의 자이로스코프를 프리 자이로스코프(Free gyroscope)라고 한다.

       

<그림 3-23> 프리 자이로스코프

  로터(Rotor)가 고속으로 회전하고 있는 프리 자이로스코프는 외부로부터의 어떤 토크의 작용을 받지 아니하는 한 그 받침대를 어느 쪽으로 경사시켜도, 그 로터축의 회전면은 공간의 일정한 방향을 계속 가리키며, 이러한 방향 보존성을 자이로스코프의 관성(Inertia) 또는 회전타성이라 한다. 이것은 “정지하고 있거나 또는 운동하고 있는 모든 물체는 현재의 상태를 보존하려는 관성이 있다”는 뉴톤의 운동 제1법칙이 적용되기 때문이다.

  그러나 회전하고 있는 자이로스코프에 토크를 작용하면 그 토크의 작용위치에 따라서 다음과 같은 현상이 나타난다. 즉, 그림과 같이 수평축에 토크를 가하면 로터축 자체는 수직축을 회전축으로 하여 회전하며, 수직축에 토크를 가하면 수평축을 회전축으로 하여 로터축이 경사하게 된다.

<그림 3-24> 로터축의 세차운동

  즉, 고속으로 회전하고 있는 회전체에 그 회전축과 일치하지 아니하는 토크를 작용하여 회전축의 방향을 변화시키도록 힘을 가하면 회전축은 그 로터 자체의 회전으로부터 생긴 운동량 벡터와 외부에서 가한 토크의 벡터와의 합성 벡터의 방향으로 가장 가까운 길을 찾아서 그 회전축의 방향을 변화시키려고 하며, 이러한 현상을 세차운동(Precession)이라고 한다.

  이것은 <그림 3-24>와 같이 벡터합성에 의하여 설명될 수 있으며, 로터의 회전으로 인한 토크 벡터는 N₁이고, 수평축에 가해진 새로운 토크 F에 의해서 축이 회전하려는 토크 벡터는 N₂가 된다_. 이 N₁과 N₂의 합성 벡터는 N가 되며 로터의 회전축은 새로운 합성 벡터의 방향으로 움직이게 되며, 결국 로터축은 P방향으로 선회하게 된다.

  지구 자전과 프리 자이로스코프와의 운동 관계를 알아보면 다음과 같이 설명할 수 있다.

  일반적으로 우리들은 지구의 자전운동에 의하여 태양, 달, 별과 같은 천체들이 동쪽에서 뜨서 서쪽으로 지는 것으로 알고 있다. 그러나 북극이나 남극에서 천체를 바라보면 천체가 뜨거나 지는 현상이 없이 지평선 위에 있는 천체는 항상 지평선상에서 맴돌 것이고, 머리 위에 있는 천체는 항상 머리 위에 머물 것이다. 그러므로 지구 자전으로 인한 현상은 관측자의 지구상의 위치에 따라서 다르게 나타난다.

  그러면 지구의 양극, 적도 및 중간위도 위치에서 프리 자이로스코프를 작동하여 지구 자전으로 인하여 생기는 로터축의 시운동과의 관계를 알아보면 다음과 같다.

 지구의 자전 운동은 지축을 회전축으로 하여 약 24시간마다 1회전의 속력으로 서쪽에서 동쪽으로 회전하고 있으므로 지구 자전 각속도의 벡터는 북향이다. 그러므로 지구의 북극에서 프리 자이로스코프를 작동하여 보면 로터축은 항상 일정한 방향을 가리키고 있으므로 지축을 중심으로 하여 지반과 반대 방향으로 도는 것처럼 보일 것이다.

  적도상에서 로터축의 한 단을 동쪽으로 향하게 하고서 회전시키면, 지구 자전에 의하여 지반은 서쪽에서 동쪽으로 움직이지만, 로터축은 항상 일정한 방향을 가리키므로 동측 단은 상승하고 서측 단은 경사하는 것처럼 보인다.

  중간 위도에서는 로터축이 극지방에서의 선회 운동과 적도지방에서의 경사 운동이 합성된 운동이 일어난다. 즉, 북위도 지방에서는 로터축을 진북방향에 맞추어두면 로터축의 북측 단은 편동되면서 앙각을 가지고, 남위도 지방에서는 로터축의 북측 단은 편서되면서 부각을 가진다.

  이상에서 알 수 있는 바와 같이 로터축이 지구 자전축과 나란할 때에는 일정한 시 방향을 지시하고, 그 외의 경우에는 지구 자전에 의하여 지반 운동이 끊임없이 일어나므로 일정한 시 방향을 지시할 수 없다. 그러나 이 경우에도 로터축에 대하여 알맞은 토크를 가하여 지반의 운동을 추종하는 세차 운동이 일어나도록 하면, 지구 표면에 대하여 로터축이 특정한 방향을 찾아 정지하게 할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 북쪽을 지시하도록 한 것이 자이로 컴퍼스이다.

  그러므로 자이로 컴퍼스는 지구 자전에 의한 지반 경사운동을 이용한 수평 세차운동 및 지구 중력을 이용한 제진 세차 운동의 상호작용에 의해서 지북작용을 하게 된다.

2. 자이로 컴퍼스의 분류

  오늘날 선박이나 항공기에서 필요로 하는 방위지시기에는 임의의 일정한 시 방향을 가리키는 방위자이로(Directional gyro)와 항상 진북을 가리키는 자이로 컴퍼스가 있다.

  특히 우리들이 많이 이용하고 있는 선박용 자이로 컴퍼스에는 여러 종류가 있다. 그러나 각 제품들은 모두 앞에서 설명한 원리를 이용한 것이며, 로터축이 수평 세차 운동을 하여 북탐 작용을 하도록 하기 위하여 로터축에 토크를 가하는 방법에 따라 분류하면, 톱 헤비(Top heavy)식과 보텀 헤비(Bottom heavy)식으로 나눌 수 있다.

  또한 로터축의 진동운동을 제진하여 방위지시기의 기능을 갖게 하기 위해서는 적당한 제진토크를 가하여야 하며 이러한 제진토크를 주는 방법에 따라 분류하면 경사제진식과 방위제진식으로 나눌 수 있다.

3. 자이로 컴퍼스의 기본 구성

  선박용 자이로 컴퍼스로 비교적 많이 사용하고 있는 스페리식 TG-100 자이로 컴퍼스는 로터축의 NS단의 기름통을 관으로 연결하여 액체가 자유롭게 유통되도록하고 그 액체의 중력토크에 의하여 북탐 세차운동이 일어나게 하고, 그리고 로터 케이스 서쪽 상부에 고정되어 있는 제진추(Damping weight)에 의하여 제진 토크작용을 하여 전체적으로 지북작용을 하는 톱헤비식 및 경사제진식 자이로 컴퍼스이다. 이 자이로 컴퍼스 장치는 마스터 컴퍼스(Master compass), 트랜스미션 장치(Transmission unit), 리피터(Repeater) 및 침로 기록기(Course recorder)로 구성되어 있고, 지북작용을 하는 중심부인 마스터 컴퍼스는 다음과 같이 주동부(Sensitive part), 추종부(Follow-up part), 지지부(Supporting part), 전원부(Power source part)로 나눌 수 있다.

<그림 3-25> 자이로컴퍼스와 내부 작동부 구조

1) 주동부

  자이로 컴퍼스의 심장부를 이루고 있는 자이로 로터가 자이로 케이스 내부에 있고, 자이로 케이스는 내측의 수직내환(Inner vertical ring)에 서스펜션 와이어(Suspension wire, 12가닥의 피아노선을 꼬이지 않은 상태로 묶은 것)로 전체의 중량이 매달려 있고, 수직내환은 수평환(Horizontal ring)에 지지되어 있으며, 수평환은 다시 추종환(Phantom ring)에 지지되어 있다.

  이 주동부의 주요 기능은 자동으로 북점을 찾아 정지하는 북탐제진 기능이다. 이 기능을 가진 부분은 로터(Rotor)를 중심으로 여러 가지 부품으로 구성되어 있으며, 특히 러터축은 고속회전 즉, 8,000rpm으로 회전하는 로터의 회전축이 알맞은 토크를 받아 지반운동을 추종하는 북탐 세차운동을 함과 동시에 로터 케이스 서쪽 상부에 부착되어 있는 제진추의 작용으로 제진 토크를 얻어 지북작용을 하도록 하며, 또한 어떤 원인으로 로터축이 북을 이탈하더라도 스스로 북을 찾아 수렴하는 제진 세차 운동을 하도록 한다.

2) 추종부

  주동부에 부착되어 있는 편각신호 검출장치인 1차, 2차 추종변압기에 의하여 로터 케이스와 수직환이 동일한 수직면내에 있지 않으면 추종변압기에 편각 신호가 생기고, 이것이 증폭되어 추종전동기를 작동시켜서 수직환이 로터 케이스와 동일한 평면을 다시 유지할 때까지 추종한다. 이 추종성이 지나치게 높으면 추종계통이 진동하는 경우가 있으며, 이 때에는 증폭기의 이득(Gain)을 조정하여 알맞게 유지해야 한다.

3) 지지부

  지지부는 추종환 내의 주동부를 안전하게 지지하는 부분으로 Support frame과 Stand로 구성되어 있고, 또한 이 지지부 전체는 기판 위에 고정되어 있으나 기선(Lubber line)을 조정할 필요가 있을 때에는 지지부를 돌려놓을 수 있게 되어있다.

  여기에는 추종계통에 속하는 증폭기 및 추종전동기(Servomotor)와 싱크로나이저(Synchronizer)가 부착되어 있다. 그 지지부 자체는 방진 장치인 비너클에 지지되어 있어서 자이로를 선체의 진동 및 충격의 영향으로부터 안전하게 보호하도록 되어있다.

4) 전원부

  보통 선박에서 사용하고 있는 선내전원을, 로터를 고속으로 회전시키는 데 필요한 전원인 AC 110V, 400Hz, 3φ의 전원으로 변환시켜주는 전원 변환장치인 전동 발전기(Motor generator)와 스태틱 인버터(Static inverter)가 있으며, 또한 여기서 얻어진 전원을 변압기 및 정류기를 거쳐서 증폭기에서 필요로 하는 DC 24V의 전원도 공급한다.

  스태틱 인버터는 직류를 교류전원으로 변환시키는 역할을 하고 그 동작 원리는 스위치회로에 비유될 수 있으며, 기계적인 회전부분이 없이 고정부품 소자만으로 되어 있는 전원 변환장치이다.

[황인혁]

그림들이 모두 뜨지 않네요