Navigation

©Dirk Oberschelp

Navigationshilfen und nautische Größen

In der Frühzeit der Seeschifffahrt blieb man in Küstennähe und betrieb Sichtnavigation. An markanten Punkten wurden Seezeichen wie die griechischen Türme (ab dem 5. Jahrhundert v.Chr.) angebracht. Der im Jahr 280 v.Chr erbaute Leuchtturm von Alexandria erlangte hierbei als eines der sieben Weltwunder Ruhm. Ein Leuchtfeuer wurde dort allerdings erst ab dem 1. Jahrhundert n.Chr. betrieben.

Um sich auch weiter auf den Ozean hinauswagen zu können, wurde mit der Zeit das klassische Instrumentarium zur Positionsbestimmung auf See entwickelt: Sextant, Chronometer und Kompass. Als Navigationshilfen kamen noch Seekarten und astronomische Tabellenwerke hinzu. Heute gibt es darüber hinaus Seehandbücher mit Hinweisen und Skizzen von Küstenformationen und Häfen, Gezeiten- und Strömungsatlanten. Das Deutsche Hydrographische Institut (BSH) gibt periodisch die »Nachrichten für Seefahrer« heraus; noch aktuellere Informationen bieten die Funkwarnmeldungen der Seefunkstellen.

Doch zurück zum klassischen Instrumentarium. Ein Kompass ermöglicht die Bestimmung der Himmelsrichtung. Bereits im 11. Jahrhundert besaßen die Chinesen eine primitive Art von Magnetkompass in Form einer magnetisierten Nadel, die in einem schwimmenden Strohhalm steckte. Die Wikinger verwendeten um das Jahr 1400 auf Holz montierte, aus Eisenerz bestehende Leitsteine. Gegen Ende des 16. Jahrhunderts etablierte sich die kardanische Aufhängung, welche die Lage einer Kompassnadel von den Schiffsbewegungen unabhängig machte.

Erst im 19. Jahrhundert wurde der wissenschaftliche Hintergrund des Magnetismus eingehend erforscht und dabei eine Korrekturmöglichkeit für Abweichungen der magnetischen Richtungsanzeige geschaffen, die von eisernen Schiffsbestandteilen stammten. Abweichungen aufgrund von örtlichen Unterschieden im Erdmagnetfeld mussten damals wie heute anhand von speziellen Karten korrigiert werden.

Da der Kreiselkompass nach einem gänzlich anderen Prinzip funktioniert, weist er nicht auf den magnetischen, sondern auf den geographischen Nordpol. Sein zentrales Funktionselement ist ein schnell rotierender, massiver Kreisel. Im Unterschied zu einem kardanisch aufgehängten Kreisel, der eine einmal eingestellte Drehachse stets beibehält, handelt es sich beim Kreiselkompass um ein gefesseltes System, dessen Drehachse durch die feste Anbringung des Kompassgehäuses im Schiff in die Horizontalebene gezwungen ist. Der gefesselte Kreisel muss die Erdrotation mitmachen, das heißt, seine Drehachse wird aus ihrer ursprünglichen Richtung ausgelenkt. Die Achse stellt sich daher tangential zu einem Meridian (Längengrad) ein, weist also nach Norden. Ebenso wie der Magnetkompass versagt dieses System an den Polen. Auch beim Kreiselkompass können Abweichungen auftreten, hier in Form von Fahrt- und Schlingerfehlern. Deshalb verwendet man die beiden Kompasstypen meist komplementär.

Die Marinechronometer früherer Zeiten, Meisterwerke der damaligen Uhrmacherkunst, sind Dank der Präzision, die moderne Quarzuhren oder per Funk übertragene Zeitsignale mit sich bringen, heute obsolet. Diese Schiffsuhren waren unter Ausnutzung tabellierter, zeitlich definierter Ereignisse wie dem Sonnenaufgang ein wichtiges Hilfsmittel zu Ermittlung des Längengrades, auf dem man sich befand.

Das dritte klassische Navigationsinstrument ist der Sextant, ein genaues Winkelmessgerät, das zusammen mit dem Chronometer und astronomischen Tabellenwerken zur Bestimmung der geographischen Breite dienen kann. Ein Sextant besteht im Wesentlichen aus einem kleinen Fernrohr mit einem davor fest angebrachten halbdurchlässigen Horizontspiegel sowie einem drehbaren Indexspiegel, dessen Stellung auf einer Winkelskala abgelesen wird. Mit dem Sextanten peilt man die Sonne oder bestimmte Sterne an und ermittelt ihre Höhe, das heißt den Winkel zwischen Horizont und Himmelskörper. Im Fall des Polarsterns entspricht dieser Winkel mit großer Genauigkeit direkt der geographische Breite, im Fall der Sonne müssen die Uhrzeit und die Datumsabhängigkeit ihrer Höhe zur Berechnung der Breite berücksichtigt werden.

Der Sextant ermöglicht mithilfe von Tabellenwerken auch die Astronavigation. Hierbei werden drei Sterne angepeilt, woraus sich drei Höhengleichen ergeben. Auf diesen Standlinien liegen alle Orte, von denen aus die Himmelsobjekte unter dem gleichen Winkel erscheinen. Der Standort ist der Schnittpunkt dieser drei kreisförmigen Standlinien.

Neben den klassischen Navigationsinstrumenten werden heute meist Funkpeilgeräte benutzt. Ihr Vorläufer, das Richtempfangsgerät, wurde um 1900 in Deutschland entwickelt. Sein Kernstück war eine drehbare Rahmenantenne, mit der die richtungsabhängige Signalintensität gemessen und der Sender angepeilt werden kann. Mithilfe von zwei Sendern lässt sich wenn auch relativ ungenau der Standort als Schnittpunkt zweier gerader Standlinien ermitteln. Heutige Funkpeilsysteme basieren auf Hyperbelnavigationsverfahren und arbeiten wesentlich exakter. Man benötigt dafür mindestens drei ortsfeste Sendestationen. Diese strahlen kontinuierlich Wellen aus (Decca- und Omega-Verfahren) oder werden pulsweise betrieben (LORAN-Verfahren und Varianten davon; LORAN = Long Range Navigation). Beim Decca- und Omega-Verfahren wird die Phasendifferenz der Wellen gemessen, die von verschiedenen Sendern ausgestrahlt werden. Beim LORAN-Verfahren misst man die Laufzeitdifferenz der von verschiedenen Sendern ausgehenden Impulse. Aus diesen zeitlichen Differenzen schließt man auf Entfernungsdifferenzen. Betrachtet man zunächst zwei Sender, so lassen sich prinzipiell alle Orte angeben, an denen die Differenz der Entfernungen zwischen dem Standort eines Empfängers und den Sendern gleich groß ist. Orte, die diese Bedingung erfüllen, liegen auf einer Hyperbel, in deren Brennpunkten die Sender stehen. Ist außerdem bekannt, welcher der beiden Sender näher am Empfangsort liegt, so weiß man, auf welchem der beiden Hyperbeläste man sich befindet. Durch Hinzuziehen eines weiteren Senderpaars ergibt sich eine zusätzliche Hyperbel und aus dem Schnittpunkt der beiden hyperbelförmigen Standlinien lässt sich dann der Standort des Schiffes bestimmen.

1981 wurde das satellitengestützte Global Positioning System (GPS) eingeführt. Seitdem haben andere Navigationsverfahren stark an Bedeutung verloren. Für das GPS gibt es preisgünstige, kleine Empfänger, die auf bequeme Weise präzise Standorte liefern und auf einem Bildschirm elektronisch gespeicherte Karten anzeigen. Die Arbeit des Steuermanns wird heute durch den elektronischen Autopiloten erleichtert, der das Schiff automatisch auf Kurs hält. Er kann mit dem GPS gekoppelt werden. Die Standortbestimmung nach dem GPS erfolgt im Prinzip ähnlich wie bei der Astronavigation. An die Stelle der anvisierten Sterne tritt hier ein System von in regelmäßigen Abständen angeordneten Satelliten, deren Bahnen die Erde netzartig umgeben. Zu drei dieser Satelliten wird die Entfernung aus der Laufzeit von Signalen errechnet, woraus sich für jeden dieser Satelliten eine kreisförmige Standlinie ergibt. Der Schnittpunkt dreier Kreise liefert, wie gehabt, den Standort.

Zur Navigation genügt es nicht, bloß die Schiffsposition zu kennen. Es ist darüber hinaus wichtig, die Umgebung wahrzunehmen. Dabei ist Radar ein unentbehrliches Hilfsmittel, da es auch bei Nebel oder im Dunkeln funktioniert. Radar wurde ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt, und zwar zur Luftraumüberwachung. Seit den 1950er-Jahren sind Radaranlagen aber auch auf den meisten Zivilschiffen im Einsatz. Die Abkürzung steht für »Radio Detecting and Ranging«, das heißt Ortung und Entfernungsmessung mittels Radiowellen, womit das Funktionsprinzip schon umrissen ist. Eine elektromagnetische Welle im Mikrowellenbereich wird ausgestrahlt, an einem entfernten Objekt reflektiert und das Echo empfangen, wobei Sender und Empfänger langsam um eine vertikale Achse rotieren. Aus der Zeit, die ein Funkimpuls für den Hin- und Rückweg benötigt, lässt sich die Entfernung zwischen dem reflektierenden Objekt und der Radaranlage berechnen, die Richtung, aus der das Echo kommt, wird ebenfalls erfasst. Die Signale werden elektronisch aufbereitet und die Echoquellen als Radarbild gezeigt. Ähnlich wie das Radar, nur mit Schall- anstelle von Radiowellen, funktioniert das 1912 entwickelte Echolot, mit dessen Hilfe der Meeresgrund unter einem Schiff vermessen werden kann. Dieses Gerät strahlt von der Unterseite des Schiffes aus Ultraschall- oder Hörschallwellen in die Tiefe ab, empfängt die vom Meeresgrund oder von Hindernissen reflektierten Echos, errechnet aus der Laufzeit den Abstand und zeichnet die Daten auf einer Papierrolle auf. Aufwendige Scannersysteme sind in der Lage, ein Relief des Meeresbodens auf einem Bildschirm darzustellen.

Die Wassertiefe unter einem Schiff wurde früher in Faden angegeben. Dies geht auf die traditionelle Methode der Tiefenbestimmung mit einem an einer Schnur befestigten Lot oder Senkblei zurück. Ein Faden entspricht dabei einer Armspanne (althochdeutsch: fadum) des Seemanns, der das auf Grund befindliche Lot Spanne um Spanne wieder heraufholt: etwa 1,8 Meter.

Die nautische Geschwindigkeitsangabe in Knoten geht auf eine im Mittelalter entwickelte und noch im 19. Jahrhundert verwendete Messmethode zurück, bei der ein Log genannter Schwimmkörper ausgeworfen wurde, der an eine dünne Leine gebunden war, in die in regelmäßigen Abständen Knoten gebunden waren. Beim Abwickeln der Leine zählte man die Anzahl der Knoten, die während des Durchlaufs einer Sanduhr abgespult wurden. Später wurde das eher ungenaue Geschwindigkeitsmaß Knoten als eine Seemeile pro Stunde definiert, wobei eine Seemeile mit 1,852 Kilometern die Länge ist, die einer Bogenminute (dem sechzigsten Teil eines Grades) auf der als Kugel angenommenen Erdoberfläche entspricht. Ende des 17. Jahrhunderts wurde zur Geschwindigkeitsmessung ein mit Propellerflügeln versehenes Laufrad entwickelt, das aber erst im 19. Jahrhundert unter der Bezeichnung Patentlog zum Einsatz kam. Besonders bei schnellen Schiffen sind heute Staudruckmessgeräte verbreitet, deren Vorläufer das Pitot-Rohr ist und bei denen der Staudruck des umströmenden Wassers ein Maß für die Geschwindigkeit liefert. Eine verbesserte Konstruktion ist das Prandtl-Rohr, bei dem korrigierend auch der statische Druck berücksichtigt wird. Natürlich lässt sich heute auch das GPS zur Ermittlung der Geschwindigkeit nutzen.

Das Dreigespann Kompass, Chronometer und Log bildete zusammen mit Seekarten jahrhundertelang die Grundlage der Koppelnavigation: Ausgehend von einem bekannten Standort wurde mit Kompass, Log und Uhr die auf einem Kurs zurückgelegte Strecke ermittelt und in die Karte eingetragen. Die Strömungsabdrift, verzeichnet in Seekarten, wurde dabei berücksichtigt. Zur Kontrolle wurde außerdem die Tiefe gemessen und mit den Angaben in der Seekarte verglichen. Durch vielfaches Wiederholen der Messungen ergab sich aus den zusammengesetzten Strecken näherungsweise der gesamte Weg.