Navigation

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Einleitung

Navigation, Wissenschaft zur Positionsbestimmung von Schiffen (Nautik), Flugzeugen und anderen Flugkörpern wie beispielsweise Raketen sowie zur Planung und Berechnung von Routen und Kursen.

In der Navigation oder Nautik werden grundsätzlich vier Methoden unterschieden:

1. Das Koppeln (oder dead reckoning, abgeleitet von deduced reckoning: hergeleitete Berechnung). Mit ihm wird die Schiffsposition aus dem Kurs und der Geschwindigkeit ermittelt. Sie heißt auch Loggeort, weil am Log, dem Seemeilenzähler, die zurückgelegte Strecke abgelesen und in die Seekarte eingetragen wird.

2. Die terrestrische Navigation. Sie erfolgt mit Hilfe von geographischen Orientierungspunkten, das sind natürliche oder künstliche Landmarken, sowie mit Hilfe von Lotungen. Unter die Orientierungspunkte fallen Bergspitzen, Kaps, vorgelagerte Inseln, Leuchttürme sowie feststehende oder verankerte Seezeichen.

3. Die Funknavigation, zu der auch Radar- und Satellitenverfahren (Global Positioning System) als Sonderform der terrestrischen Navigation gehören.

4. Die astronomische Navigation, bei der mit Hilfe beobachteter Himmelskörper die Schiffsposition berechnet wird.

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Position und Kurs

Ziel in der Navigation oder Nautik ist es, neben der momentanen Position eines Fahr- oder Flugzeuges, die Richtung, d. h. seinen Kurs, seine Geschwindigkeit, seine Entfernung von Ausgangs- oder Zielpunkt sowie die Zeit zu ermitteln, die von einem Ort zum andern benötigt wird.

Die Position ist der Punkt auf der Erdoberfläche, der durch die geographische Breite und Länge, gemessen in Winkelgrad, Minuten und Sekunden, bestimmt ist. Siehe auch Trigonometrie: Sphärische Trigonometrie

Die Richtung und der Kurs von einem Ort zum andern ist der Winkel bezogen auf den geographischen Nordpol – also nicht der magnetische Pol. Siehe auch Erde: Magnetische Pole

Die Geschwindigkeit oder Fahrt ist die zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit. Sie wird gemessen in Knoten, das sind Seemeilen pro Stunde. Eine internationale Seemeile (englisch International Nautic Seamile) entspricht dabei einer Bogenminute eines Großkreises auf der Erdoberfläche, wie etwa dem Äquator. Eine Bogenminute ist ein Winkelmaß, das bei einem Kreis, der in 360 Grad unterteilt ist, dem sechzigsten Teil eines Grades entspricht

1 Grad = 60 Bogenminuten.

Für die Berechnung einer internationalen Seemeile teilt man den mittleren Erdumfang von 40 000 Kilometern durch 360 Grad mal 60 Minuten, also durch 21 600 Bogenminuten. Dies ergibt für eine internationale Seemeile 1,852 Kilometer

40 000 / (360×60) = 40 000 / 21 600 = 1,852;

eine englische Seemeile (Nautic Seamile) entspricht 1,85318 Kilometer. Weitere nautische Längenmaße sind die Kabellänge, die mit 185,2 Metern ein Zehntel einer Seemeile darstellt, und der Faden als rund ein Hundertstel einer Kabellänge. Die Meridiantertie ist mit 51,44 Zentimetern der 3 600. Teil einer Seemeile, während der Fuß (englisch foot) als sechster Teil eines Fadens gut 30,4 Zentimeter misst; ein foot (englisches System) entspricht 30,449974 Zentimetern, ein foot (US-System) entspricht 30,480061 Zentimetern.

Die Entfernung schließlich ist die kürzeste räumliche Länge zwischen zwei Orten.

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Kartenprojektionen

In der Navigation verwendet man spezielle Karten, aus denen sich Kurse und Richtungen mit Hilfe eines Kursdreiecks sowie Distanzen und Positionen mit Hilfe eines Stechzirkels ermitteln lassen. Ein Typ von See- und später Flugkarten beruht z. B. auf dem von Gerhard Mercator entwickelten Projektionsverfahren. Mercator war ein flämischer Geograph und Kartograph, der im 16. Jahrhundert lebte. Nach seiner Methode wird zunächst ein gedachter Zylinder tangential um den Äquator gelegt. Anschließend lassen sich auf diesem Zylinder Breiten- und Längengrade nach ganz bestimmten Regeln entwerfen. Dies hat zur Folge, dass sich die jeweiligen Abstände der parallel zur Äquatorebene verlaufenden Breitengrade zueinander in Richtung der Pole vergrößern, während die Längengrade als senkrechte Parallelen mit gleichen Abständen abgebildet werden. Diese Kartenprojektion ist winkeltreu und lässt die Berechnung von Kursen, Richtungen sowie Distanzen zu.

Die auf einer Mercatorkarte geradlinig abgebildete Loxodrome (auch Kursgleiche) ist in Wirklichkeit eine kompliziert gekrümmte Kurve (schiefläufig doppeltgekrümmt). Die Loxodrome schneidet alle Längen- und Breitenkreise unter gleichem Winkel. Auf Grund der Kugelgestalt der Erde verläuft die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten auf einem Großkreis, der so genannten Orthodrome.

Seit Jahrhunderten werden schiffbare Gewässer der Welt erkundet und inzwischen von den Vermessungsdiensten der wichtigen Seefahrtsnationen kartographisch erfasst. Diese von ihnen veröffentlichten nautischen Informationen stehen nicht nur in Form von Karten, sondern auch als Spezialliteratur zur Verfügung, wie den oft mehrbändigen Seehandbüchern mit Angaben u. a. über das Befahren von Küstengewässern und Häfen, Strömungs- und vorherrschenden Windverhältnissen oder militärischen Sperrgebieten. Detaillierte Angaben über die Ansteuerung von Häfen finden sich in den Hafenhandbüchern. Leuchtfeuerverzeichnisse geben Auskunft über die Charakteristika von Leuchttürmen und befeuerten Seezeichen (Feuerschiffe, Baken und Bojen), während Funkfeuerverzeichnisse über Frequenzen und Codes (Kennung) von Sendern für die See- oder Flugfunknavigation informieren. Wie das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie in Hamburg veröffentlichen die jeweiligen nationalen nautischen Ämter alljährlich neu die Gezeitentafeln, in denen der Zeitpunkt des täglichen Hoch- und Niedrigwassers in Abhängigkeit von den Phasen von Mond und Sonne vorausberechnet ist, oder die Nautischen Tafeln (Ephemeriden), in denen die Positionen der Sonne, des Mondes sowie ausgewählter Planeten und des Frühlingspunktes (siehe Ekliptik: Frühlingstagundnachtgleiche) für jede Stunde des Jahres angegeben sind. Zusätzlich erscheinen wöchentliche Informationen über kurzfristige Änderungen in den See- und Handelsschifffahrtsstraßen. In Deutschland veröffentlicht das DHI sie unter dem Titel „Nachrichten für Seefahrer” (analog dazu die „Nachrichten für Luftfahrer”).

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Navigationsinstrumente

Für die sichere Navigation von Schiffen und Flugzeugen stehen eine Fülle von mechanischen Instrumenten schon seit Jahrhunderten zur Verfügung, die mit dem technischen Fortschritt verfeinert und durch elektronische Geräte ergänzt oder ersetzt wurden.

Zu den traditionell wichtigsten Geräten gehört der Kompass, den die Chinesen schon im 2. Jahrhundert verwendet haben sollen und der in Europa im 13. Jahrhundert aufkam. Er stellt letztlich nichts anderes als eine magnetisierte Eisennadel dar, die sich immer parallel zum von Pol zu Pol verlaufenden Magnetfeld der Erde ausrichtet und so zum „magnetischen Nordpol” zeigt (siehe Erde: Erdmagnetisierung). Im Gegensatz zum Wanderkompass, der meist nur aus einer Nadel besteht, wird ein Schiffs- oder Flugzeugkompass aus einer Kompassscheibe gebildet, deren Mittelpunkt in einem Kessel auf einer dünnen Metallnadel ruht, so dass sie nach allen Richtungen frei schwingen kann. Damit die Scheibe, auf der die Haupthimmelsrichtungen und eine Gradeinteilung von Null bis 360 angebracht sind, bei Seegang noch ablesbar bleibt, werden ihre Schwingungen durch eine spezielle Flüssigkeit, häufig ein hochwertiges Öl, gedämpft.

Der Kompass zeigt dem Steuermann nun jeweils den Kurs, der nichts anderes als die verlängerte Schiffsmittellinie ist. Peilt der Navigator auf ein Objekt an Land oder ein Seezeichen, so verwendet er einen Handpeilkompass oder einen drehbaren Peilaufsatz für den Steuerkompass. Die so ermittelte Gradzahl ist dann die Richtung, in der sich das Objekt vom Schiff aus gesehen in Bezug auf magnetisch Nord befindet.

Ein anderes Instrument für Peilungen ist die Peilscheibe, eine mit einer Gradeinteilung versehene runde Metallplatte, deren Nullrichtung genau parallel zur Schiffsmittellinie ausgerichtet ist und die einen drehbaren Aufsatz hat, mit dem auf das Beobachtungsobjekt gezielt wird. Die mit der Peilscheibe ermittelte Gradzahl – in dieser Richtung befindet sich das Objekt – bezieht sich nicht auf Nord, sondern auf die Schiffsmittellinie, also den nach Kompass gesteuerten Kurs. Deshalb nennt man dieses Verfahren auch Schiffsseitenpeilung.

Die Werte, die mit diesen Peilverfahren gewonnen werden, muss der Navigator erst umrechnen, ehe er sie in die Karte eintragen kann. Der Grund dafür ist die Tatsache, dass der geographische Nordpol, auf den sich die Seekarte und damit auch die zu steuernden Kurse beziehen, nicht mit dem magnetischen Pol identisch ist. Im Gegenteil: Aufgrund der unterschiedlichen Stärke des Magnetfeldes der Erde an verschiedenen Orten weist der Kompass unterschiedliche Nordrichtungen aus. Zusätzlich kann er durch Metallteile des Schiffes oder der Ladung abgelenkt werden. Beides berücksichtigt der Navigator: Die Stärke des Erdmagnetfeldes ist bekannt und wird als Missweisung bezeichnet. Die magnetischen Bordeinflüsse, die so genannte Deviation, kann mit verschiedenen Verfahren ermittelt werden. Dies gelingt z. B. mit Deviationstabellen. Ausgehend von der Gradzahl des anliegenden Kompasskurses addiert oder subtrahiert der Navigator die Deviation und erhält so den missweisenden Kurs. Dieser muss nun um die Missweisung korrigiert werden, ehe der für die Kartenarbeit relevante rechtweisende Kurs ermittelt ist. Für Kompass- und Schiffsseitenpeilungen gilt das Gleiche: Auch sie müssen erst in rechtweisende Peilungen verwandelt werden. Will der Navigator vom rechtweisenden oder dem Kartenkurs zum Steuerkurs gelangen, so berechnet er den letzteren in der umgekehrten Reihenfolge.

Frei von jeglichen magnetischen Einflüssen sind dagegen der Kreiselkompass (siehe Kreisel), bei dem Karten- und Steuerkurs identisch sind, und Messungen mit einem Klassiker unter den nautischen Instrumenten, dem Sextanten. Er wird sowohl in der terrestrischen wie auch in der astronomischen Navigation verwendet, für die zusätzlich noch eine genau gehende Präzisionsuhr, das Chronometer, an Bord vorhanden sein muss.

Für eine sichere Schiffsführung unerlässlich ist vor allem in Küstennähe die Kenntnis der Wassertiefe, die mit dem Lot festgestellt wird. In seiner einfachsten Form besteht es aus einem Bleikegel, der an einer 25 bis 35 Meter langen Lotleine hängt, die alle zwei Meter farbig und alle zehn Meter mit einem Lederstreifen markiert ist. Die Bodenfläche des Senkbleis ist ausgehöhlt und kann vor der Lotung mit Talg gefüllt werden. Trifft das Lot nun auf dem Grund auf, können einige Bodenteile im Talg hängen bleiben, aus denen der Navigator auf die Grundbeschaffenheit schließen kann. Die Geschwindigkeit des Schalles im Wasser wird beim Echolot benutzt. Es misst die Dauer, die ein von einem am Schiffsboden angebrachten Geber ausgesandtes Ultraschallsignal braucht, ehe es dort als Echo von einem Empfänger wieder aufgefangen wird. Aus der verstrichenen Zeit berechnet das Echolot automatisch die Wassertiefe und zeigt sie an. Siehe auch Ultraschallakustik; Sonar

Unabdingbar für die Navigation ist schließlich die Logge, ein Seemeilenzähler und/oder Geschwindigkeitsmesser. Die einfachste Form, die Fahrt durchs Wasser zu messen, bildet die Relingslogge, auf Jachten auch scherzhaft als „Bierdosen-Logge” bezeichnet. Bei der Relingslogge wird auf der Höhe des Bugs ein schwimmfähiger Gegenstand über Bord geworfen, und die Zeit gestoppt, die vom Auftreffen auf dem Wasser vergeht, bis der Gegenstand genau auf der Höhe des Hecks ist. Da die Messstrecke beispielsweise aufgrund der Schiffslänge bekannt ist, die allerdings in so genannte Meridiantertien (51,44 Zentimeter) umgerechnet werden muss, ergibt die Division der Durchlaufzeit die Fahrt in Knoten. Liegt ein Schiff vor Anker, so kann mit der Relingslogge auch die Geschwindigkeit einer Strömung ermittelt werden. Eine frühe, Ende des 16. Jahrhunderts von den Holländern entwickelte Logge bestand aus einem dreieckigen Logscheit, dessen untere gerundete Kante mit Blei beschwert war und damit im Wasser schwimmend eine senkrechte Position behielt. Das Ganze war an einer langen, in regelmäßigen Abständen mit Knoten markierten Leine befestigt und auf einer Handspule aufgerollt. Wurde das Handlog am Heck ins Wasser geworfen, spulte sich die Leine innerhalb einer durch eine Sanduhr festgelegten Zeit von der Rolle ab, wobei die durchlaufenden Knoten mitgezählt wurden. Ihre Anzahl ergab die Fahrt in Knoten. Nicht ein Logscheit, sondern ein Propeller wird beim Patentlog oder Schlepplog verwendet, der ebenfalls an einer langen Leine hängt und diese in Umdrehungen versetzt, die so auf ein Zählwerk am Heck des Schiffes übertragen werden. Dort wird wie bei einem Kilometerzähler die durchs Wasser gefahrene Strecke in Seemeilen und Kabellängen angezeigt. Ähnlich wie das Patentlog arbeitet das Sumlog, nur das bei ihm der Propeller direkt am Unterwasserschiff montiert ist. Beim Elektro-Log wird der Propeller durch ein kleines Schaufelrad, den Impeller, ersetzt, dessen Drehungen einen kleinen Stromgenerator antreiben, wobei die erzeugte elektrische Energie auf Anzeigeinstrumente übertragen wird. Wiederum andere Loggen arbeiten mit Messfühlern und/oder mit Staudruckrohren. Hierbei werden elektromagnetische Felder erzeugt, die sich bei der Fahrt verändern und so die Geschwindigkeit wiedergeben. Andere Modelle senden Ultraschallimpulse auf den Meeresgrund, die anschließend reflektiert werden und auf diese Weise die Geschwindigkeit anzeigen.