Laporan MakalahSistem Navigasi KemaritimanCelestial Navigation

Disusun oleh :Kibar AftilaMuhammad PalestinRicky Saputra

Dosen Pengajar :Eko Prayetno, S.T., M.Eng.

Universitas Maritim Raja Ali Haji Batam

PENGENALAN NAVIGASI ASTRONOMISebagai salah satu sistem di dalam ilmu pelayaran, navigasi astronomi telah dikenal sejak lama untuk menjamin keselamatan pelayaran. Sistem tersebut ditumbuh kembangkan sesuai kemajuan ilmu dan teknologi.Para perwira di kapal pelayaran samudera setiap hari menggeluti navigasi astronomi, khususnya jika kapal berada di laut luas yang jauh dari daratan.

Pengertian Navigasi AstronomiNavigasi astronomi atau dapat disebut Astronavigasi adalah suatu sistem penentuan posisi kapal melalui observasi benda angkasa seperti matahari, bulan, bintang-bintang dan planet-planet. Instrumen navigasi yang digunakan adalah sextant, chronometer dan kompas dengan perhitungan tabel-tabel serta Almanak nautika. ini di tujukan untuk mengetahui posisi kapal di zaman dahulu kala

Gambar 1. Sistem Koordinat Bumi

Demi kemudahan pemetaan suatu posisi dipermukaan planet bumi yang bulat, dibuatlah suatu sistem koordinat X,Y. Garis X (horizontal) akan membagi Bumi menjadi dua bagian sama besar, bagian utara dan selatan. Garis ini disebut Ekuator/ Khatulistiwa. Garis sejajar ekuator di sebelah utara/selatannya dinamakan garis LINTANG. Garis Y (vertikal) akan membagi bumi menjadi bagian barat dan timur. Garis ini disepakati memotong/melewati kota Greenwich, Inggris sebagai bujur 0 derajat. Garis-garis sejajar 0 disebelah barat/timurnya dinamakan garis BUJUR.Garis Lintang (horizontal) terukur dengan rentang 0 - 90 utara/selatan, sedangkan garisbujur (vertikal) antara 0 - 180 ke barat/timur. Dengan cara pemetaan di atas manusia dapat lebih mudah menentukan suatu posisi.

Tiap derajat dibagi menjadi 60 menit busur dan tiap menit busur dibagi lagi 60 detik busur. Untuk perhitungan jaraknya, 1 menit busur setara dengan 1 mil nautika (1852m). Ukuran 1 mil ini menurut garis lintang (ke utara/selatan), bukan garis bujur karena jarak antar bujur makin ke kutub makin mengecil. Menit busur/detik busur bukan merupakan satuan waktu tetapi jarak.1 mil berbeda dengan 1 mil nautika1 mil (darat) = 1609,344 m1 mil nautika= 1852 m

Posisi di permukaan bumi akan dipaparkan dari perpotongan antara garis horisontal danvertikal tersebut. Garis Lintang disebut terlebih dahulu kemudian diikuti garis Bujur, misalnya Kota Batam, Kepulauan Riau, terletak pada posisi 0.25'29'' - 1.15'00'' LU dan 103.34'35'' - 104.26'04'' BT.

Cara penulisan KoordinatTiap satu derajat terbagi lagi menjadi 60 fraksi yang sama, dinamakan menit busur, dinotasikan dengan tanda apostrof (). Tiap satu menit busur masih terbagi lagi menjadi 60 fraksi detik busur (), namun dalam navigasi tiap menit busur biasanya hanya dibagi menjadi 10 fraksi . Sistem inilah yang akan kita pakai pada tulisan selanjutnya: derajat, menit busur, sepersepuluh dari 1 menit busur.Contoh: 7401.30 menjadi 7401.5Perhitungannya sebagai berikut:30/60 x 10 = 300/60 = 5

Ketika kita tersesat dalam hutan, gurun pasir atau mungkin di atas perahu yang terapung-apung di tengah laut, lalu peralatan komunikasi radio atau GPS (Global Positioning System) tidak dapat berfungsi. Saat itulah navigasi diperlukan untuk menjawab dengan detail; berapa posisi lintang dan bujur kita saat itu.Para pelaut atau kafilah arab agar tidak tersesat di gurun pasir, mempunyai cara tersendiriuntuk menentukan posisi, yaitu dengan mengamati benda-benda langit; bintang, matahari,bulan dan planet. Cara ini dikenal dengan nama Astronavigasi atau Navigasi Langit ini berarti bahwa setiap pertualang atau pelaut harus mengetahui ilmu navigasi langit (Celestial navigation). Langit yang luas, yang berisi planet, bintang-bintang, bulan dan benda langit lainnya dipetakan dan disederhanakan menjadi seperti halnya bola bumi, yaitu bola langit. Jadi bayangkan saja ada dua buah bola, bola kecil di dalam bola besar. Bola kecil adalah bumi dan diluarnya langit. Seperti halnya bola bumi bila dibentangkan menjadi peta bumi, bola langit menjadi peta langit. Di peta bumi kita jumpai laut dan pulau, di peta langit akan kita jumpai bintang dan rasi .penjelasan diatas adalah perumpamaan peta langit.

PERKEMBANGAN NAVIGASI ASTRONOMI

Jaman dahulu, para pelaut, kafilah atau penghuni gurun pasir mempunyai tradisi tersendiriKafilahadalah sebuah rombongan (dagang) di padang pasir yang terdiri dari iring-iringan unta. Nama alternatif adalah karavan.untuk menentukan arah atau navigasi agar tidak mudah tersesat. Pelaut yang berada di daerahLintang utara bumi (misalnya Eropa) lebih mudah menentukan arah utara dengan mengamatibintang Polaris, bintang terang yang terletak hampir persis di kutub utara.Bila hendak berlayar ke Samudera luas, navigatornya mengukur ketinggian Polaris dari tempat pemberangkatan. Ketika kembali, mereka hanya perlu berlayar ke utara/selatan saja sampai mencapai sudut ketinggian Polaris yang sama, kemudian belok ke kiri/ kanan dengan tetap menjaga sudut Polaris. Ini cara yang di gunakan para pelaut di eropa dalam menentukan posisi mereka di tengah samudera.Orang Arab mungkin lebih lihai lagi. Mereka menggunakan lebar dua jari, biasanya ibu jari dan kelingking. Dengan lengan yang direntangkan, mata membidik horizon di bagian bawah dan Polaris di atas. Perkembangan selanjutnya mereka memakai seutas tali bersimpul yang disebut Kamal.

Gambar Kamal

KwadranPada sekitar abad ke-9 Kwadran umulai diperkenalkan. Merupakan lempengan seperempatlingkaran yang di buat dari kayu atau kuningan dan Bandul penunjuk. Tepi lingkaran memuat skala derajat. Bandul penunjuk dengan lubang terfiksasi di puncak/ujung seperempat lingkaran.

Gambar Kwadran

Cara menggunakannya, satu orang mengamati dan membidik benda langit melalui lubangkecil, sedangkan yang lain mencatat skala yang ditunjuk Bandul penunjuk. Pelaut terkenal, Columbus, dalam pelayarannya memakai alat ini.Walaupun Kwadran mampu mengukur posisi dengan lebih terpercaya karena sudah memakaiskala derajat, namun ada kelemahan paling mencolok; saat terjadi badai sulit mempertahankan posisi Kwadran dan bandul penunjuknya tetap vertikal. Kwardan bisa di bilang alat pertama yang di gunakan dalam menentukan posisi di waktu itu.

AstrolabeInstrumen lain adalah Astrolabe yang berasal dari Timur Tengah. Pada mulanya dipakai untuk menentukan waktu, zodiak dan posisi kiblat. "Astro" berarti bintang dan "labe" berarti menentukan. Dibuat pertama kali oleh ahli matematika Persia Al Fazari pada abad ke-8 dan mulai dikenal di Eropa pada zaman khalifah Cordova Spanyol.

Gambar AstrolabeAstrolabe adalah suatu alat yang dapat digunakan, baik astronomi maupun astrologi, untukmemprediksi pergerakan matahari, bulan, planet dan bintang; menentukan waktu. Selain itu juga untuk menyusun horoskop/perbintangan.Alat ini terdiri dari cakram berlubang yang disebut mater, sebagai alas dari satu/lebih cakram tipis yang disebut tympan, tympan berisi gambar yang merepresentasikan langit di atas horizon. Disekeliling mater merepresentasikan waktu. Di atas mater dan tympan, ada lagi rete, memuat proyeksi eklips dan posisi bintang. Perputaran rete 360 derajat merepresentasikan perputaran bumi 24 jam. Sebuah penggaris putar disebut alidade ertempel dibelakang mater, berfungsi untuk membidik bintang.Dari Astrolabe muslim yang rumit ini kemudian sekitar abad ke-10 dimodifikasi menjadi lebih sederhana untuk keperluan navigasi. Misalnya Astrolabe buatan Haji Ali dari Kerbala tahun 1790, dipakai untuk mengetahui waktu terbit dan tenggelamnya matahari, ketinggian matahari dan bintang. Lebih penting lagi, di pakai untuk menentukan arah kiblat.

Cross StaffAvicenna (Ibnu Sina) ahli matematika dari persia, telah menulis tentang Cross-staff sekitarabad ke-11 M. Alat yang menyerupai Salib ini merupakan modifikasi dari Kamal.Cara meggunakannya seperti merentangkan busur panah. Bagian vertikal/lengan digeser-geser sepanjang tongkat sedemikian hingga Polaris tampak di ujung atas lengan dan horizon di bawah. Sejak saat itulah mulai dikenal istilah 'membidik' bintang. Bisa di bilang dari sini lah awal teleskop tercipta.Konsep ini kemungkinan masuk eropa ketika Levi ben Gerson, yang bekerja di sekolah Spanyol di Catalan tahun 1342, menulis tentang instrumen bernama Balestilla yang berbentuk tongkat dengan lengan geser.

Gambar Cross StaffKelemahan utama alat ini adalah navigator harus melihat dua arah pada saat yang sama,matahari/ bintang di ujung atas lengan dan horizon di ujung bawah.tentu saja ini sulit karena sang navigator harus membagi dua fokus melihat bintang dan horizon secara bersamaan. Yang kedua, penggunaanpada siang hari sering menyilaukan mata, maka penggunaan Cross staff mulai ditinggalkan sejak Backstaff/Kwadran Davis dikenalkan.Sebagai tambahan, sekitar tahun 1400-an, Portugis berlayar ke selatan menyusuri benua Afrika selanjutnya menuju ke Asia. Karena berada di belahan bumi selatan, maka bintang Polaris tidak kelihatan, jadi mereka mencari cara lain untuk menentukan posisinya. Seorang navigator bernama pangeran Henry, tahun 1480, menentukan posisi berdasarkan pergerakan matahari dan perbandingan sudutnya dari utara dan selatan, yang kemudian dikenal dengan nama deklinasi. Di karenakan bintang polaris terlihat hanya di kawasan eropa tidak di asia. Deklinasi adalah cara alternative yang di gunakan saat itu dalam menentukan posisi.

Kwadran Davis atau BackstaffDavis quadrant atau Backstaff, instrumen yang dibuat oleh John Davis, kapten Inggris, padatahun 1594. Backstaff terdiri dari dua buah rangka segitiga, rangka besar dengan skala 30 derajat, sedangkan rangka kecil 60. Cara menggunakannya dengan berdiri membelakangi matahari, kemudian navigator mengamati bayangan matahari yang jatuh di celah-celah. Penjumlahan skala rangka besar dan kecil menunjukkan ketinggian matahari. Kelemahan alat ini tidak bisa di gunakan pada malam hari, karena pengukuran berdasarkan bayangan obyek.

Gambar Kwadran Davis

OctanTahun 1731 John Hadley, ahli matematika dari Inggris, mengajukan konsep dua pantulan,berdasarkan teori sudut sinar datang dan sinar pantul dari Robert Hooke, Isaac Newton, danEdmund Halley.Instrumen dari Hadley terdiri dari rangka kayu berbentuk seperdelapan lingkaran, denganbandul penunjuk di poros/ujung lancip rangka. Di poros bandul penunjuk terdapat cermin yang akan bergerak mengikuti ayunan bandul. Cermin kedua, separo kaca tembus pandang dan separo lagi cermin, terletak di salah satu rangka kayu.Prinsip kerjanya adalah bila sebuah obyek dilihat dari dua kali pantulan, maka perhitungansudutnya adalah dua kali lipatnya. Jadi sebuah obyek dengan sudut 90 derajat, maka skala yang ditunjukkan 45 derajat atau 1/8 lingkaran sehingga dinamakan Octant.Hampir bersamaan di tempat yang berbeda, Thomas Godfrey, tukang kaca dari Philadelphiajuga menciptakan alat dengan prinsip kerja yang sama.Karena untuk pengamatan dengan metode yang disebut Lunar Distance membutuhkan sudutlebih besar dari 90 derajat, maka Octan diperlebar menjadi 1/6 lingkaran, namanya menjadiSextant (a sixth of a circle) yang bisa mengukur hingga 120 derajat. Sextant adalah alat penyempurna dari octan

SextantBagian utama Sextant, seperti halnya Octan, adalah Kaca-cermin horizon, yaitu separo kacatembus untuk melihat horizon secara langsung dan separonya lagi cermin untuk melihat pantulan obyek langit dari Cermin Index. Cermin index, terletak diporos bandul penunjuk angka (dalam derajat), turut berputar mengikuti bandul penunjuknya.Cermin-cermin ini biasanya berukuran besar, lebih dari 5 cm untuk memudahkan pencarianobyek langit. Dilengkapi pula dengan lapisan pelindung sinar matahari/ film demi keamanan mata saat melakukan pengamatan matahari.

Skema Sextant

Cara menggunakan alat ini dengan memegang posisinya secara vertikal kemudian di arahkanke horizon/ ufuk. Bidikan ke arah horizon melalui bagian kaca dari Separo Kaca-cermin Horizon (lihat skema). Pada saat yang sama cermin index diputar hingga tampak obyek langit 'bertumpuk' dengan garis horizon (sejajar) seperti gambar di bawah ini:

Bidikan Sextant

Setelah posisi bertumpukan dengan horizon tercapai, secara otomatis bandul (yang terfiksasi dengan cermin Index) akan menunjukkan nilai sudutnya.Lebar Sextant kira-kira 1/6 lingkaran (Octan lebih sempit; 1/8 lingkaran) dan mempunyai skala 0120 derajat. Tiap derajat dibagi lagi menjadi 3 fraksi mewakili 20 menit busur. Sextant profesional dengan skala vernier bisa mengukur sampai 1 menit busur. Bahkan ada yang mampu mengukur sampai 0,2 menit busur! Karena 1 menit busur= 1 mil nautika (nautical mile)= = 1852 meter, maka tingkat kesalahannya kira-kira 0.2 mil nautika (kira-kira 370 m).

Contoh beberapa Sextant modernKeuntungan Sextant:1. Pengamat hanya perlu melihat satu arah saja di banding peralatan sebelumnya.2. Skala yang ditunjuk mudah difiksasi/ kunci dan distabilkan bahkan walaupun diamati dariperahu yang berjalan atau goncangan angin/ badai. Ini karena cermin index bisa dikuncisetelah pertumpukan tercapai.3. Mudah di kalibrasi dan disetel ulang.4. Tidak memerlukan sumber daya/ listrik/ batere seperti navigasi modern, misalnya GPS (Global Positioning system).

Sekarang kita telah paham bagaimana para pelaut menentukan posisi lintangnya di permukaan bumi. Namun ternyata banyak yang masih tersesat juga karena mereka kesulitan menentukan posisi bujur. Dua metode penentuan posisi bujur yang sering dipakai antara th. 1700-1900 yaitu;- Lunar Distance- Jam akurat atau kronometer.

Lunar DistanceMetode Lunar Distance, mengukur sudut antara bulan dengan benda langit lain, umumnyamatahari atau planet-planet disekitar ekliptika, kemudian di bandingkan dengan tabel.Menggunakan alat yang di namakan Reflecting Circle yang dibuat oleh Mayer, Borda, danTroughton pada tahun 1756. Metode ini kurang disukai karena sangat rumit. reflecting circle biasanya di gunakan di laut untuk menemukan garis bujur dengan menggunakan metode lunar distance.

ChronometerPada tahun 1735, John Harrison mengenalkan Chronometer, yaitu jam yang diklaim akurat.Dari dasar pemikiran bahwa ketersediaan jam akurat berdasarkan zona waktu tertentu, navigator akan lebih mudah menentukan posisi bujurnya di permukaan bumi. Chronometer pertama kali dibuat dan disetel di Greenwich, Inggris. Tepat tengah hari ditentukan jam 12.00. Para pelaut yang hendak mengarungi samudera selalu mengkalibrasi Chronometernya di Greenwich. Lama kelamaan menjadi tempat bengkel kalibrasi, hingga kemudian ditetapkan sebagai pusat rujukan semua waktu di bumi, Greenwich Mean Time (GMT) yang kita kenal sekarang.

Horizon ArtifisialBagaimana kalau pandangan ke horizon terhalang? misalnya oleh bukit, gunung atau mungkin gedung bertingkat? Sebagai gantinya navigator memakai horizon artifisial/ palsu/ buatan, misalnya mangkok berisi cairan. Air kolam renang juga bisa digunakan asalkan tidak ada angin/riak gelombang, tetapi yang direkomendasikan adalah Air Raksa.Sextant yang memakai horizon artifisial air raksa mempunyai skala khusus 170 derajat. Airraksa setelah dialirkan ke bak penampung berfungsi sebagai cermin. Agar cermin encer ini tidak bergoyang diterpa angin harus ditutup dengan tutup khusus; kaca bening yang di bentuk mirip tenda, untuk menghindari kesalahan baca karena pembiasan media kaca.Cara melakukan pengamatan dengan horison artifisial; obyek yang akan diukur dicaripantulannya di permukaan cairan. Kemudian bidikan Sextant diarahkan ke pantulan obyek langit tersebut. Cermin index digeser-geser hingga obyek langit dan pantulannya saling bertumpuk. Nilai akhir adalah skala yang ditunjuk dibagi dua.

Skema Horizon Artifisial Air Raksa

Sejak mulai diperkenalkan hingga pertengahan abad ke-20, Sextant telah menjadiperlengkapan standar navigasi. Modifikasi dan penambahan dilakukan demi kemudahan dankeakuratan pengukuran. Namun semuanya tetap memiliki kesamaan prinsip kerja; obyek langit dilihat dari dua kali pantulan.Sextant standar zaman modern dilengkapi lensa astigmatis dan teleskop monokular agarpertumpukan antara obyek langit-horizon lebih akurat. Penggunaan horison artifisial mutlak diperlukan oleh penerbang dan penyelam. Penerbang memandang horizon jauh di bawahnya karena posisinya di udara, bahkan di atas awan. Sebaliknya, penyelam jauh di bawah permukaan air.

Akhir abad ke-19 muncul inovasi horison artifisial dengan gelembung udara, dinamakan Balloon Sextant, yang kemudian menjadi perlengkapan standar pesawat terbang, mulai dari Perang Dunia 1 hingga perang Dunia 2. Hampir bersamaan waktunya, Nikola Tesla menemukan radio, maka sampailah pada navigasi modern.

Navigasi ModernSekitar tahun 1960, LORAN mulai dikembangkan, yaitu pemancar radio yang dikirim dari kapal ke stasiun penerima. Tak berapa lama, TRANSIT, satelit untuk navigasi juga dikembangkan. Kemudian tahun 1974, satelit GPS (Global Positioning System) pertama diluncurkan dengan tingkat kesalahan pengukuran hanya beberapa meter dengan waktu kurang dari satu mikrodetik. Akhirnya dengan adanya sistem GPS satelit, semua instrument navigasi langit di atas menjadi kuno.