Navigation

Navigation ist ein Forschungsgebiet, das sich auf den Prozess der Überwachung und Kontrolle der Bewegung eines Fahrzeugs oder Fahrzeugs von einem Ort zum anderen konzentriert. Das Gebiet der Navigation umfasst vier allgemeine Kategorien: Landnavigation, Meeresnavigation, Luftfahrtnavigation und Weltraumnavigation.

Es ist auch der Begriff der Kunst, der für das Spezialwissen verwendet wird, das von Navigatoren verwendet wird, um Navigationsaufgaben auszuführen. Alle Navigationstechniken umfassen das Lokalisieren der Position des Navigators im Vergleich zu bekannten Orten oder Mustern.

Navigation im weiteren Sinne kann sich auf jede Fähigkeit oder Studie beziehen, die die Bestimmung von Position und Richtung beinhaltet. In diesem Sinne umfasst die Navigation Orientierungslauf und Fußgängernavigation.

Einfache Navigation
Die Navigation hat ihren Ursprung in der Vorgeschichte. Die Polynesier praktizierten die sogenannte polynesische Navigation im Pazifischen Ozean. Die Polynesier benutzten verschiedene Dinge, die sich um sie herum befanden, um sich durch große offene Seegebiete zu bewegen. Andere Menschen des Altertums lernten auch, große Entfernungen zu reisen, indem sie Hinweise aus der Natur benutzten. Beispielsweise:

Vor langer Zeit (und noch heute) haben die Menschen die Sterne, die Sonne und den Mond betrachtet. Von hier würden sie wissen, wo der Norden war. Mit der Grafik konnten sie herausfinden, wie weit sie vom Äquator entfernt waren. Dies wird als Himmelsnavigation bezeichnet. Bis sie genaue Uhren hatten, wussten sie nicht ihre Länge (wie weit östlich oder westlich sie waren), ohne die Bezugspunkte zu sehen.

Einige Arten von Wolken bilden sich an Land, und Wellen können von einem Ufer abprallen und zum Meer wandern.
Die Zeit, die es brauchte, um an einen Ort zu kommen. Wenn sie zu Land reisten, wussten sie, dass sie zum Beispiel zwei Tage brauchen würden, um von einem Ort zum anderen zu gelangen. Diesmal wird es wahrscheinlich gleich bleiben. Von hier aus konnten sie zwei Tage lang reisen und wissen, dass sie nah dran waren, wo sie sein wollten.
Die Tiere, die sie fanden, halfen auch. An verschiedenen Orten fanden Menschen verschiedene Arten von Fischen, Walen oder Vögeln, die nur an einem Ort oder in der Nähe der Erde lebten. Von dort aus konnten sie sagen, dass sie nah oder weit von ihnen entfernt waren.

Ein Beispiel für Leute, die die Sterne benutzten, waren die Wikinger. Sie wussten, dass der Stern namens Polaris (der Nordstern) seinen Standort nicht ändert und nach Norden zeigt. Dann würden sie die Breite (Entfernung vom Äquator) kennen und den Winkel zwischen Polaris und dem Horizont messen. Sie benutzten auch Tiere, vor allem Vögel, um zu wissen, ob es Land in der Nähe gab. Sie wussten auch, dass sich in der Nähe der Erde eine bestimmte Art von Wolke bildet und dass die Wellen in Bodennähe anders sind als auf hoher See.

Mittelalterliche Navigation
Im Laufe der Zeit erfanden oder entdeckten sie bessere Navigationsmethoden. Einige dieser Methoden sind:

Tot der Auktion. Ein Schiff könnte einen Baumstamm über Bord werfen. Auf dem Stamm war ein Seil mit Knoten in regelmäßigen Abständen gebunden. Als sie zählten, wie viele Knoten durch die Seite gingen, bevor sie den Stamm zurücksetzten, wussten sie, wie schnell sie gingen. Sie schrieben das jeden Tag und sie fanden heraus, wie viel sie für diesen Tag unterwegs waren. Dies ist der Grund, warum die Geschwindigkeit eines Schiffes in Knoten gemessen wird.

Ein Kompass . Es wurde entdeckt, dass die Erde zwei Pole (Nord und Süd) hatte und dass diese Pole unterschiedliche magnetische Ladungen hatten (positiv und negativ). Wenn man einen Streifen magnetisches Eisen an der Spitze des Stiftes ruhen ließ, wurde festgestellt, dass sich der Streifen drehen würde, bis er mit dem Magnetfeld der Erde zusammenfiel. Von hier aus könntest du eine Adresse nehmen und Pfaden folgen. Der Kompass wurde zum ersten Mal in China erfunden. Es wurde später in Frankreich im 12. Jahrhundert erfunden.

Präzise Uhren. Mit einer Uhr war es endlich möglich zu wissen, wie lang eine Person war. Die Länge ist die Ost- oder Westlage. Zuvor konnten nur Referenzpunkte und Totberechnungen verwendet werden.

Die Lotsung ist, wenn die Boote nach speziellen Beacons oder Markierungen suchen, die von Menschen gemacht wurden, die anzeigen, wo sie sich befinden oder auf bestimmte Hindernisse wie die Riffe achten.
Die Leute teilten den Kompass in 360 Grad auf. Dann konnten sie eine genaue Nummer der Adresse angeben, der das Schiff folgen musste (der „Kurs“), um einen Hafen zu erreichen. Die ersten Seekarten der Navigation, die sogenannten Seekarten, zeigten die notwendige Orientierung, um von einem Hafen zum anderen zu gelangen.

Grundlegendes Konzept

Breite
Grob gesagt ist die geografische Breite eines Ortes auf der Erde seine Winkelentfernung nördlich oder südlich des Äquators. Der Breitengrad wird normalerweise in Grad ausgedrückt (mit ° markiert) und reicht von 0 ° am Äquator bis 90 ° am Nord- und Südpol. Der Breitengrad des Nordpols beträgt 90 ° N und der Breitengrad des Südpols beträgt 90 ° S. Mariners berechnete den Breitengrad in der nördlichen Hemisphäre, indem er den Nordsternpolaris mit einem Sextanten anvisierte und zur Reduzierung der Augenhöhe Sehfehlerreduktionstabellen verwendete und atmosphärische Refraktion. Die Höhe des Polaris in Graden über dem Horizont ist die Breite des Beobachters innerhalb eines Grades oder so.

Längengrad
Ähnlich wie der Breitengrad ist der Längengrad eines Ortes auf der Erde der Winkelabstand östlich oder westlich des Nullmeridians oder Greenwich-Meridians. Die Länge wird normalerweise in Grad ausgedrückt (mit ° markiert) und reicht von 0 ° am Greenwich-Meridian bis 180 ° Ost und West. Sydney zum Beispiel hat eine Länge von etwa 151 ° Ost. New York City hat eine Länge von 74 ° West. Die meiste Zeit der Geschichte hatten Seeleute Mühe, die Länge zu bestimmen. Die Länge kann berechnet werden, wenn der genaue Zeitpunkt einer Sichtung bekannt ist. Da dies nicht möglich ist, kann man einen Sextanten benutzen, um eine Monddistanz zu nehmen (auch Mondbeobachtung oder kurz „Mond“ genannt), die mit einem nautischen Almanach verwendet werden kann, um die Zeit bei Null Länge zu berechnen (siehe Greenwich Mean Time). . Zuverlässige Marinechronometer waren bis Ende des 18. Jahrhunderts nicht verfügbar und erst im 19. Jahrhundert erschwinglich. Für ungefähr hundert Jahre, von ungefähr 1767 bis ungefähr 1850, nutzten Seeleute, denen ein Chronometer fehlte, die Methode der Mondabstände, um Greenwich-Zeit zu bestimmen, um ihre Länge zu finden. Ein Seemann mit einem Chronometer konnte seine Ablesung mit einer Mondbestimmung der Greenwich-Zeit überprüfen.

Loxodrom
In der Navigation ist eine Loxodrome (Loxodrome) eine Linie, die alle Meridiane der Länge unter dem gleichen Winkel kreuzt, dh ein Pfad, der von einer definierten anfänglichen Peilung abgeleitet ist. Das heißt, wenn man eine anfängliche Peilung nimmt, fährt man entlang des gleichen Lagers fort, ohne die Richtung zu ändern, die in Bezug auf den wahren oder magnetischen Norden gemessen wird.

Moderne Technik
Die modernste Navigation beruht hauptsächlich auf Positionen, die elektronisch durch Empfänger bestimmt werden, die Informationen von Satelliten sammeln. Die meisten anderen modernen Techniken beruhen auf der Kreuzung von Positionslinien oder LOP. Eine Positionslinie kann sich auf zwei verschiedene Dinge beziehen, entweder eine Linie auf einem Diagramm oder eine Linie zwischen dem Beobachter und einem Objekt im wirklichen Leben. Ein Peilwert ist ein Maß für die Richtung eines Objekts. Wenn der Navigator die Richtung im wirklichen Leben misst, kann der Winkel auf einer Seekarte gezeichnet werden und der Navigator wird auf dieser Linie auf dem Diagramm sein.

Neben Navigationen messen Navigatoren oft auch Entfernungen zu Objekten. Auf dem Diagramm erzeugt eine Entfernung einen Kreis oder einen Bogen der Position. Kreise, Bögen und Hyperbeln von Positionen werden oft als Positionslinien bezeichnet.

Wenn der Navigator zwei Positionslinien zeichnet und sich überschneidet, muss er sich an dieser Position befinden. Ein Fix ist der Schnittpunkt von zwei oder mehr LOPs.

Wenn nur eine Positionslinie verfügbar ist, kann dies anhand der Position der Positionsbestimmung berechnet werden, um eine geschätzte Position zu ermitteln.

Linien (oder Kreise) der Position können aus einer Vielzahl von Quellen abgeleitet werden:

Himmelsbeobachtung (ein kurzes Segment des Kreises gleicher Höhe, aber in der Regel als Linie dargestellt),
terrestrischer Bereich (natürlich oder von Menschen gemacht), wenn zwei gepunktete Punkte in einer Linie liegen,
Kompasspeilung zu einem kartierten Objekt,
Radarreichweite zu einem gecharterten Objekt,
an bestimmten Küstenlinien ertönt eine Echolot- oder Handleine.
Es gibt einige Methoden, die heutzutage selten verwendet werden, wie zum Beispiel das „Eintauchen eines Lichts“, um den geografischen Bereich vom Beobachter zum Leuchtturm zu berechnen

Grundlegende Methoden
Die meisten Methoden der Navigation kommen aus der Nautik, also die Ortung und Kontrolle von Schiffen. Die klassischen Ortungswerkzeuge sind geometrischer Natur (Winkel- und Richtungsmessung) sowie die Bestimmung von Fluggeschwindigkeit und Entfernung. Sie werden seit Jahrhunderten in den folgenden Methodengruppen verwendet:

Visuelle Navigation: Sich auf der Grundlage der Erinnerung und der einfachen Küsten- oder Seekarten („Portolane“) auf dem Weg zur Küste orientieren
terrestrische navigation: Die Position in der Nähe der Küste basiert auf Landmarken (Landpunkte) und verstreuten Leuchttürmen. Die Sondierung (Tiefenbestimmung des Fairways) ist ebenfalls enthalten. Diese bewährten Methoden werden jetzt durch dichte Hafeneinfahrten, verschiedene Navigationsbaken und Funkfeuer ergänzt.
Dead Reckoning: Die aktuelle Standortbestimmung von Preis und Geschwindigkeit. Der Kurs kann mit Sonne, Sternen und (seit dem Mittelalter) mit dem Kompass, der Fahrt nach Kostenvoranschlag oder mit Staffellog ermittelt werden. Der Eintrag im Logbuch wird bis heute ergänzt, indem die Wegstücke in der Seekarte grafisch hinzugefügt werden. Die so ermittelte Position wird „gegisster“ oder Koppelort genannt und ist – je nach Wetterlage – zu einigen Prozent genau.
Wenn möglich, wird die Winddrift in der Kupplung berücksichtigt; Moderne Tools wie Kursrechner (für Winddreieck, Beacon, etc.) und Dopplerradar erhöhen die Genauigkeit auf ca. 0,5% der Entfernung und die Trägheitsnavigation wieder.
Astronomische Navigation: Die Ortung durch Höhenmessung zu Sonne, Navigationssterne oder Planeten. Es ergänzt die oben genannten drei Methoden auf Langstrecken. Die erreichbare Genauigkeit beträgt ca. 20 km mit dem Jakobsstab, mit modernen Sextanten 1-2 km.
Diese seit Jahrhunderten erprobten Methoden wurden erstmals 1899 in der Radionavigation und 1964 in der Satellitennavigation eingesetzt (siehe nächstes Kapitel).
Die weitgehend verlorene polynesische Navigation beruhte unter anderem auf einem Sternpfad und Zenitsternavigation. Zusammen mit der Beobachtung von Wellen, Wind, Tieren und Wolken konnten die Polynesier sogar ferne flache Atolle finden.

Langstrecken-Navigation
Als Langstrecken-Navigation (englisch: Long-Range Navigation – LRN) bezeichnet man in Nautik und Luftfahrt (Langstreckenflug) die auf Strecken von rund 100 km notwendigen Methoden der Ortung und der Fahrzeugkontrolle.

Die speziellen Langstrecken-Navigationsverfahren sind mittlerweile in den Hintergrund getreten, werden aber aufgrund der Vorherrschaft von GNSS-Satellitentechniken wie GPS und GLONASS immer noch für redundante, GPS-unabhängige Navigation benötigt. Bis etwa 1995 könnte Nautik eine Fernfahrt erfordern, wenn die terrestrische Navigation (im weiteren Sichtfeld einer Küste oder Inseln) nicht mehr ausreicht und das Ziel genauer gesteuert werden muss als etwa 50 km.

Astronavigation
Die Himmelsnavigation mittels Zeit- und Winkelmessungen an der Sonne und hellen Sternen ist die klassische Methode, da die Reisen der Polynesier und anderer Seevölker alle Nautiker erfahren – bis heute – und zum Training erfahren. Bis etwa 1970 war es die Grundlage für die Langstreckennavigation auf der gesamten südlichen Hemisphäre, wurde aber auch in nördlichen Ländern für etwa 10-20% aller lokalen Bestimmungen verwendet. Seit den 1970er Jahren wird es zunehmend auch im Süden durch Funk- und Satellitentechnik verdrängt (siehe unten), ist aber auch heute noch für kleine Schiffe und für Notfälle (Stromausfall etc.) notwendig.

Radio Navigation
In der Radio-Navigation sind wichtig

das LORAN (Long Range Navigation) ist zu nennen (neben dem älteren LORAN-A (Mittelwelle), insbesondere Loran-C (auf einer Laufzeitmessung BASED hyperbolisch mit Langwelle)). Obwohl es in abgelegenen Regionen oft unter einer schlechten Abdeckung leidet, hat es in den letzten zehn Jahren durch technische Modernisierung und Signalverarbeitung wieder an Bedeutung gewonnen. Der Federal Radionavigation Plan von 1994 und die EU hatten bereits erwogen, LORAN auslaufen zu lassen, aber seine Bedeutung als Backup und im Falle von GPS- oder Galileo-Ausfällen wurde rechtzeitig erkannt.
Zwischen 1975 und 1995 gab es auch das globale OMEGA-System, das mit der Verwendung von Longitudinalwellen mit nur 8 Sendern kam, deren Betrieb jedoch trotz internationaler Kooperation zu teuer war und durch das aufkommende GPS unnötig wurde.
Andere – eher regionale – Verfahren wie der russische Alpha (ein LORAN-Äquivalent), der britische Decca, der nach dem Zweiten Weltkrieg gebaute NavaRho und andere.

Satellitennavigation
Ab etwa 1960 das Transit-NNSS-System der US Navy (5-6 polar umlaufende Navigationssatelliten), das 1963/1964 für alle zivilen Einsätze freigegeben wurde und bis Ende der 1990er Jahre verfügbar war,
und seit etwa 1990 das Global Positioning System (GPS) des US-Verteidigungsministeriums. Seine zivile Version (CA-Code), die seit den Anfängen im Einsatz ist, reicht für 99% der Fernpositionierungsaufgaben aus. Die Anzahl der Satelliten (20.200 km hoch) ist im Laufe der Zeit von 5-10 auf etwa 30 gestiegen und bietet eine weltweite Abdeckung mit 5-8 simultan messbaren Satelliten (4 sind notwendig).
Des Weiteren ist das von der Sowjetunion noch entwickelte GLONASS (russisch / ähnlich GLObal NAvigation Satellite System), welches dem GPS ähnlich ist
und von 2012 bis 2015 das europäische Galileo-System, das die GPS-Methodik erheblich verbessert und erweitert.

Spezielle Verfahren
Last but not least für spezielle Aufgaben auf Langstrecken-Spezialverfahren z. B. die meteorologische Navigation, die Magnetik, die Polarnavigation oder die Tiefenmessung (Echolot, etc.) zu erwähnen. In der Antike und in den Anfängen der großen „Entdeckungszeit“ (14.-16. Jahrhundert) waren auch die Methode der Mondparallaxe und die Beobachtung von Naturphänomenen wie Vogelflug, treibende Gräser, Totholz, Seegras etc. wichtig. Auch für die Navigation über den Atlantik oder den Pazifik waren bekannte Meeresströmungen oder Windsysteme (Passat!)

Mentale Navigationschecks
Bei einer mentalen Navigation prüft ein Pilot oder Navigator Strecken, Entfernungen und Höhen, die dem Piloten helfen, Navigationsfehler zu vermeiden.

Pilotierung
Pilotierung (auch Lotsung genannt) beinhaltet das Navigieren eines Flugzeugs durch visuelle Bezugnahme auf Landmarken oder ein Wasserfahrzeug in eingeschränkten Gewässern und das Fixieren seiner Position so genau wie möglich in kurzen Intervallen. Mehr als in anderen Phasen der Navigation sind eine gute Vorbereitung und Aufmerksamkeit für Details wichtig. Die Verfahren variieren von Schiff zu Schiff und zwischen militärischen, kommerziellen und privaten Schiffen.

Navigation nach den Gestirnen
Himmelsnavigationssysteme basieren auf der Beobachtung der Positionen von Sonne, Mond, Planeten und Navigationssterne. Solche Systeme werden sowohl für das terrestrische Navigieren als auch für das interstellare Navigieren verwendet. Wenn Sie wissen, auf welchem ​​Punkt der rotierenden Erde sich ein Himmelsobjekt befindet und seine Höhe über dem Horizont des Beobachters misst, kann der Navigator seine Entfernung zu diesem Unterpunkt bestimmen. Ein nautischer Almanach und ein Marinechronometer werden verwendet, um den Unterpunkt auf der Erde zu berechnen, ein Himmelskörper ist vorbei, und ein Sextant wird verwendet, um die Winkelhöhe des Körpers über dem Horizont zu messen. Diese Höhe kann dann verwendet werden, um die Entfernung von dem Unterpunkt zu berechnen, um eine kreisförmige Positionslinie zu erzeugen. Ein Navigator schießt nacheinander eine Reihe von Sternen, um eine Reihe von überlappenden Positionslinien zu erzeugen. Wo sie sich kreuzen, ist die himmlische Fixierung. Der Mond und die Sonne können ebenfalls benutzt werden. Die Sonne kann auch allein verwendet werden, um eine Reihe von Positionslinien zu schießen (am besten um den Mittag herum), um eine Position zu bestimmen.

Marinechronometer
Um den Längengrad genau zu messen, muss die genaue Zeit einer Sextant-Sicht (bis auf die Sekunde, wenn möglich) aufgezeichnet werden. Jede Sekunde des Fehlers entspricht einem 15 Sekunden langen Längenfehler, der am Äquator einen Positionsfehler von 0,25 einer Seemeile darstellt, etwa der Genauigkeitsgrenze der manuellen Himmelsnavigation.

Der federbetriebene Marinechronometer ist ein Präzisionszeitmesser, der an Bord eines Schiffes verwendet wird, um genaue Zeit für Himmelsbeobachtungen zu liefern. Ein Chronometer unterscheidet sich von einer Federdruckuhr vor allem dadurch, dass sie eine variable Hebelvorrichtung enthält, um einen gleichmäßigen Druck auf die Hauptfeder aufrechtzuerhalten, und eine spezielle Waage, die zum Ausgleich von Temperaturschwankungen ausgelegt ist.

Ein federgetriebener Chronometer wird ungefähr auf die Greenwich Mean Time (GMT) eingestellt und wird nicht zurückgesetzt, bis das Instrument generalüberholt und gereinigt ist, üblicherweise alle drei Jahre. Der Unterschied zwischen GMT und Chronometerzeit wird sorgfältig bestimmt und als Korrektur für alle Chronometerwerte angewendet. Federgetriebene Chronometer müssen jeden Tag ungefähr zur gleichen Zeit gewickelt werden.

Quarzkristall-Marinechronometer haben aufgrund ihrer größeren Genauigkeit federgetriebene Chronometer an Bord vieler Schiffe ersetzt. Sie werden auf GMT direkt von Funkzeitsignalen gehalten. Dies eliminiert den Chronometerfehler und überwacht Fehlerkorrekturen. Sollte der Sekundenzeiger um einen lesbaren Betrag fehlerhaft sein, kann er elektrisch zurückgesetzt werden.

Das Grundelement für die Zeitgenerierung ist ein Quarzoszillator. Der Quarz ist temperaturkompensiert und in einer evakuierten Hülle hermetisch verschlossen. Eine kalibrierte Einstellmöglichkeit ist vorgesehen, um die Alterung des Kristalls einzustellen.

Der Chronometer ist für einen Zeitraum von mindestens 1 Jahr mit einem Batteriesatz ausgelegt. Beobachtungen können zeitlich festgelegt werden und Schiffsuhren werden mit einer Vergleichsuhr eingestellt, die auf Chronometerzeit eingestellt ist und zur Aufzeichnung von Sichtzeiten zu dem Brückenflügel geführt wird. In der Praxis ist eine Armbanduhr, die mit dem Chronometer auf die Sekunde genau abgestimmt ist, ausreichend.

Eine Stoppuhr, entweder mit Federwindung oder digital, kann auch für Himmelsbeobachtungen verwendet werden. In diesem Fall wird die Uhr bei einer bekannten GMT mit einem Chronometer gestartet, und die verstrichene Zeit jeder Sicht wird addiert, um GMT der Sicht zu erhalten.

Alle Chronometer und Uhren sollten regelmäßig mit einem Funkzeitsignal überprüft werden. Zeiten und Frequenzen von Funkzeitsignalen sind in Publikationen wie Radio Navigationshilfen aufgeführt.

Der marine Sextant
Die zweite kritische Komponente der Himmelsnavigation besteht darin, den Winkel zu messen, der am Beobachterauge zwischen dem Himmelskörper und dem sensiblen Horizont gebildet wird. Der Sextant, ein optisches Instrument, wird verwendet, um diese Funktion auszuführen. Der Sextant besteht aus zwei primären Einheiten. Der Rahmen ist eine starre dreieckige Struktur mit einem Drehpunkt an der Spitze und einem abgestuften Segment eines Kreises, der als „Bogen“ bezeichnet wird, an der Unterseite. Die zweite Komponente ist der Indexarm, der an dem Drehpunkt an der Oberseite des Rahmens befestigt ist. An der Unterseite ist ein endloser Nonius, der in die Zähne am Boden des „Bogens“ einklemmt. Das optische System besteht aus zwei Spiegeln und einem Teleskop mit geringer Vergrößerung. Ein Spiegel, der als „Indexspiegel“ bezeichnet wird, ist an der Oberseite des Indexarms über dem Drehpunkt befestigt. Wenn der Indexarm bewegt wird, rotiert dieser Spiegel und die abgestufte Skala auf dem Bogen zeigt den gemessenen Winkel („Höhe“) an.

Der zweite Spiegel, der als „Horizontglas“ bezeichnet wird, ist an der Vorderseite des Rahmens befestigt. Eine Hälfte des Horizontglases ist versilbert und die andere Hälfte ist klar. Das Licht vom Himmelskörper trifft auf den Indexspiegel und wird zum versilberten Teil des Horizontglases und dann zurück zum Auge des Betrachters durch das Teleskop reflektiert. Der Beobachter manipuliert den Indexarm, so dass das reflektierte Bild des Körpers im Horizontglas gerade auf dem visuellen Horizont ruht, gesehen durch die klare Seite des Horizontglases.

Die Einstellung des Sextanten besteht darin, alle optischen Elemente zu überprüfen und auszurichten, um eine „Indexkorrektur“ zu eliminieren. Die Indexkorrektur sollte überprüft werden, wobei der Horizont oder vorzugsweise ein Stern jedes Mal verwendet wird, wenn der Sextant verwendet wird. Die Praxis, himmlische Beobachtungen vom Deck eines rollenden Schiffs zu nehmen, oft durch Wolkendecke und mit einem verschwommenen Horizont, ist bei weitem der schwierigste Teil der Himmelsnavigation.

Trägheitsnavigation
Trägheitsnavigationssystem ist ein Koppelnavigationssystem, das seine Position basierend auf Bewegungssensoren berechnet. Sobald der anfängliche Längen- und Breitengrad erreicht ist, empfängt das System Impulse von Bewegungsdetektoren, die die Beschleunigung entlang drei oder mehr Achsen messen, so dass es kontinuierlich und genau die aktuelle Breite und Länge berechnen kann. Seine Vorteile gegenüber anderen Navigationssystemen bestehen darin, dass nach der Festlegung der Startposition keine externen Informationen benötigt werden, keine nachteiligen Wetterbedingungen auftreten und diese nicht erkannt oder blockiert werden können. Sein Nachteil besteht darin, dass, da die aktuelle Position nur aus vorherigen Positionen berechnet wird, ihre Fehler kumulativ sind und mit einer Rate zunehmen, die ungefähr proportional zu der Zeit seit der Eingabe der Anfangsposition ist. Trägheitsnavigationssysteme müssen daher häufig mit einem Ort korrigiert werden, der von einem anderen Navigationssystem gelöst wird. Die US-Marine entwickelte während des Polaris-Raketenprogramms ein Schiffs-Inertial-Navigationssystem (SINS), um ein sicheres, zuverlässiges und genaues Navigationssystem für seine Raketen-U-Boote zu gewährleisten. Trägheitsnavigationssysteme waren weit verbreitet, bis Satellitennavigationssysteme (GPS) verfügbar wurden. Trägheitsnavigationssysteme werden noch immer auf U-Booten verwendet, da GPS-Empfang oder andere feste Quellen nicht möglich sind, während sie unter Wasser sind.

Elektronische Navigation

Radio Navigation
Ein Funkpeiler oder RDF ist eine Vorrichtung zum Auffinden der Richtung zu einer Radioquelle. Aufgrund der Fähigkeit des Radios, sehr lange Strecken „über den Horizont“ zurückzulegen, ist es ein besonders gutes Navigationssystem für Schiffe und Flugzeuge, die in einiger Entfernung vom Land fliegen können.

RDFs arbeiten, indem sie eine Richtantenne drehen und auf die Richtung hören, in der das Signal von einer bekannten Station am stärksten durchkommt. Diese Art von System wurde in den 1930er und 1940er Jahren weit verbreitet. RDF-Antennen sind an deutschen Luftfahrzeugen des Zweiten Weltkriegs leicht zu erkennen, als Schleifen unter dem hinteren Teil des Rumpfes, während die meisten US-Flugzeuge die Antenne in einer kleinen tränenförmigen Verkleidung umschlossen.

In Navigationsanwendungen werden RDF-Signale in Form von Funkbaken, der Funkversion eines Leuchtturms, bereitgestellt. Das Signal ist typischerweise eine einfache AM-Sendung einer Morse-Code-Reihe von Buchstaben, die der RDF einstellen kann, um zu sehen, ob die Bake „auf Sendung“ ist. Die meisten modernen Detektoren können auch irgendwelche kommerziellen Radiostationen einstellen, was aufgrund ihrer hohen Leistung und ihrer Lage in der Nähe von Großstädten besonders nützlich ist.

Decca, OMEGA und LORAN-C sind drei ähnliche hyperbolische Navigationssysteme. Decca war ein hyperbolisches Niederfrequenzradionavigationssystem (auch bekannt als Multilateration), das zuerst während des Zweiten Weltkriegs eingesetzt wurde, als die alliierten Streitkräfte ein System brauchten, mit dem genaue Landungen erreicht werden konnten. Wie im Fall von Loran C war ihr Haupteinsatzgebiet die Schifffahrt in Küstengewässern. Fischereifahrzeuge waren wichtige Nachkriegsbenutzer, aber sie wurden auch in Flugzeugen verwendet, einschließlich einer sehr frühen (1949) Anwendung von Moving-Map-Displays. Das System wurde in der Nordsee eingesetzt und von Hubschraubern genutzt, die auf Ölplattformen arbeiteten.

Das OMEGA Navigationssystem war das erste wirklich globale Radio-Navigationssystem für Flugzeuge, das von den Vereinigten Staaten in Zusammenarbeit mit sechs Partnerstaaten betrieben wurde. OMEGA wurde von der United States Navy für Benutzer der militärischen Luftfahrt entwickelt. Es wurde 1968 zur Entwicklung zugelassen und versprach eine wahre weltweite ozeanische Abdeckung mit nur acht Sendern und der Fähigkeit, eine Genauigkeit von sechs Kilometern bei der Positionsbestimmung zu erreichen. Zunächst sollte das System für die Navigation nuklearer Bomber über den Nordpol nach Russland eingesetzt werden. Später wurde es für U-Boote nützlich gefunden. Aufgrund des Erfolgs des Global Positioning Systems ging die Nutzung von Omega in den 1990er Jahren zurück, bis zu einem Punkt, an dem die Kosten für den Betrieb von Omega nicht mehr gerechtfertigt waren. Omega wurde am 30. September 1997 beendet und alle Stationen stellten den Betrieb ein.

LORAN ist ein terrestrisches Navigationssystem, das niederfrequente Funksender verwendet, die das Zeitintervall zwischen Funksignalen verwenden, die von drei oder mehr Stationen empfangen werden, um die Position eines Schiffs oder Flugzeugs zu bestimmen. Die derzeit gebräuchliche LORAN-Version ist LORAN-C, die im niederfrequenten Bereich des EM-Spektrums von 90 bis 110 kHz arbeitet. Viele Nationen sind Nutzer des Systems, einschließlich der Vereinigten Staaten, Japans und mehrerer europäischer Länder. Russland benutzt ein fast exaktes System im selben Frequenzbereich, CHAYKA genannt. Der Einsatz von LORAN ist stark rückläufig, wobei GPS der primäre Ersatz ist. Es gibt jedoch Versuche, LORAN zu verbessern und populärer zu machen. LORAN-Signale sind weniger störanfällig und können besser in Blätter und Gebäude eindringen als GPS-Signale.

Radar Navigation
Wenn sich ein Schiff innerhalb der Radarreichweite eines Landes befindet oder spezielle Navigationshilfen zur Verfügung stehen, kann der Navigator Entfernungen und Schräglagen zu gecharterten Objekten nehmen und diese verwenden, um Bögen von Position und Linien der Position auf einem Diagramm zu erstellen. Ein Fix, der nur aus Radarinformationen besteht, wird als Radar-Fix bezeichnet.

Zu den Arten von Radarfestlegungen gehören „Reichweite und Peilung zu einem einzelnen Objekt“, „zwei oder mehr Lager“, „tangentiale Lager“ und „zwei oder mehr Bereiche“.

Parallelindexierung ist eine Technik, die von William Burger in dem Buch The Radar Observer’s Handbook von 1957 definiert wurde. Bei dieser Technik wird eine Linie auf dem Bildschirm erstellt, die parallel zum Kurs des Schiffes verläuft, jedoch um eine bestimmte Entfernung nach links oder rechts versetzt ist. Diese parallele Linie ermöglicht es dem Navigator, eine bestimmte Entfernung von Gefahren einzuhalten.

Einige Techniken wurden für spezielle Situationen entwickelt. Eine, die als „Konturmethode“ bekannt ist, beinhaltet das Markieren einer transparenten Plastikschablone auf dem Radarschirm und das Bewegen zu der Karte, um eine Position zu fixieren.

Eine weitere spezielle Technik, die als Franklin Continuous Radar Plot Technique bekannt ist, beinhaltet das Zeichnen des Weges, den ein Radarobjekt auf dem Radar-Display verfolgen sollte, wenn das Schiff auf seinem geplanten Kurs bleibt. Während des Transports kann der Navigator überprüfen, ob das Schiff auf Kurs ist, indem er überprüft, ob der Pip auf der gezeichneten Linie liegt.

Satellitennavigation
Global Navigation Satellite System oder GNSS ist die Bezeichnung für Satellitennavigationssysteme, die eine Positionierung mit globaler Abdeckung ermöglichen. Ein GNSS ermöglicht es kleinen elektronischen Empfängern, ihre Position (Länge, Breite und Höhe) auf wenige Meter genau zu bestimmen, indem sie Zeitsignale verwenden, die von Satelliten aus über eine Sichtlinie gesendet werden. Empfänger am Boden mit einer festen Position können auch verwendet werden, um die genaue Zeit als Referenz für wissenschaftliche Experimente zu berechnen.

Ab Oktober 2011 sind nur das Global Positioning System (GPS) der USA NAVSTAR und der russische GLONASS vollständig global operierende GNSS. Das Galileo-Positionierungssystem der Europäischen Union ist ein GNSS der nächsten Generation in der ersten Bereitstellungsphase, das bis 2013 betriebsbereit sein soll. China hat angedeutet, dass es sein regionales Beidou-Navigationssystem zu einem globalen System ausbauen könnte.

Mehr als zwei Dutzend GPS-Satelliten befinden sich in einer mittleren Erdumlaufbahn und senden Signale, mit denen GPS-Empfänger Ort, Geschwindigkeit und Richtung des Empfängers bestimmen können.

Seit der Markteinführung des ersten Versuchssatelliten im Jahr 1978 ist GPS zu einem unentbehrlichen Hilfsmittel für die Navigation auf der ganzen Welt geworden und ein wichtiges Werkzeug für die Kartenerstellung und Landvermessung. GPS liefert auch eine genaue Zeitreferenz, die in vielen Anwendungen verwendet wird, einschließlich der wissenschaftlichen Erforschung von Erdbeben und der Synchronisation von Telekommunikationsnetzen.

GPS wurde vom US-Verteidigungsministerium entwickelt und heißt offiziell NAVSTAR GPS (Navigationssatelliten-Timing und Ranging Global Positioning System). Die Satellitenkonstellation wird vom 50. Space Wing der United States Air Force gemanagt. Die Kosten für die Wartung des Systems belaufen sich auf etwa 750 Millionen US-Dollar pro Jahr, einschließlich der Ersetzung alternder Satelliten sowie Forschung und Entwicklung. Trotz dieser Tatsache ist GPS für die zivile Nutzung als öffentliches Gut frei.

Moderne Smartphones dienen als persönliche GPS-Navigatoren für Zivilisten, die sie besitzen. In der Regel ist ein Kompass vorgesehen, um die Richtung zu bestimmen, wenn man sich nicht bewegt.

Navigationsprozesse

Schiffe und ähnliche Schiffe

Tagesarbeit in der Navigation
Die Arbeit des Tages in der Navigation ist ein minimaler Satz von Aufgaben, die konsistenter Navigation sind. Die Definition wird auf militärischen und zivilen Schiffen und von Schiff zu Schiff variieren, hat jedoch eine Form, die ähnelt:

Pflegen Sie ein fortlaufendes Blind-Plot.
Nehmen Sie zwei oder mehr Sternbeobachtungen in der Morgendämmerung für eine Himmelsbefestigung (vorsichtig, um 6 Sterne zu beobachten).
Morgensonne Beobachtung. Kann für die geografische Länge oder zu jeder Zeit für eine Positionslinie aufgenommen werden.
Bestimmen Sie den Kompassfehler durch Azimutbeobachtung der Sonne.
Berechnung des Intervalls bis Mittag, Beobachtungszeit des lokalen scheinbaren Mittags und Konstanten für Meridian- oder Ex-Meridianvisiere.
Mittag Meridian oder Ex-Meridian Beobachtung der Sonne für Mittag Breitenlinie. Lauf Fix oder Kreuz mit Venus Linie für Mittag Fix.
Noontime Bestimmung der Lauf und Tag des Tages und Drift.
Mindestens eine Nachmittagssonnenlinie, falls die Sterne in der Dämmerung nicht sichtbar sind.
Bestimmen Sie den Kompassfehler durch Azimutbeobachtung der Sonne.
Nehmen Sie zwei oder mehr Sternbeobachtungen in der Abenddämmerung für eine Himmelsbefestigung (Vorsicht, um 6 Sterne zu beobachten).

Durchgangsplanung
Die Passageplanung oder die Reiseplanung ist ein Verfahren, um eine vollständige Beschreibung der Schiffsreise von Anfang bis Ende zu entwickeln. Der Plan beinhaltet das Verlassen des Docks und des Hafens, den Streckenabschnitt einer Reise, der sich dem Ziel nähert, und das Festmachen. Nach internationalem Recht ist der Kapitän eines Schiffes rechtlich für die Passageplanung verantwortlich, jedoch wird die Aufgabe auf größeren Schiffen an den Schiffsnavigator delegiert.

Studien zeigen, dass menschliches Versagen bei 80 Prozent der Navigationsunfälle eine Rolle spielt und dass in vielen Fällen der Mensch, der den Fehler begangen hat, Zugang zu Informationen hatte, die den Unfall hätten verhindern können. Die Praxis der Reiseplanung hat sich von den Linien auf Seekarten zu einem Prozess des Risikomanagements entwickelt.

Die Durchgangsplanung besteht aus vier Phasen: Beurteilung, Planung, Durchführung und Überwachung, die in der Resolution A.893 (21) der Internationalen Seeschifffahrtsorganisation, Richtlinien für die Reiseplanung, festgelegt sind und in den lokalen Gesetzen der IMO-Unterzeichnerstaaten ( zum Beispiel, Titel 33 des US Code of Federal Regulations), und eine Reihe von Fachbüchern oder Publikationen. Je nach Größe und Art des Schiffes gibt es etwa fünfzig Elemente eines umfassenden Durchgangsplans.
Das Beurteilungsstadium befasst sich mit der Sammlung von Informationen, die für die vorgeschlagene Reise relevant sind, sowie der Ermittlung von Risiken und der Bewertung der Hauptmerkmale der Reise. Dazu gehört die Art der erforderlichen Navigation, z. B. die Eisnavigation, die Region, durch die das Schiff fährt, und die hydrographischen Informationen auf der Route. In der nächsten Phase wird der schriftliche Plan erstellt.Die dritte Phase ist die Durchführung des abgeschlossenen Reiseplans unter Berücksichtigung besonderer Umstände, die sich ergeben können, z. B. Wetteränderungen, die eine Überprüfung oder Änderung des Plans erforderlich machen können. Die letzte Stufe der Passageplanung besteht darin, den Fortschritt des Schiffes in Bezug auf den Plan zu überwachen und auf Abweichungen und unvorhergesehene Umstände zu reagieren.

Landnavigation
Navigation für Autos und andere landbasierte Reisen verwendet typischerweise Karten, Landmarken und in letzter Zeit Computer-Navigation („Satellitennavigation“, kurz für Satellitennavigation), sowie alle verfügbaren Mittel auf dem Wasser.

Computergestützte Navigation verlässt sich üblicherweise auf GPS für aktuelle Standortinformationen, eine Navigationskartendatenbank für Straßen und befahrbare Routen, und verwendet Algorithmen, die mit dem Problem des kürzesten Wegs in Beziehung stehen, um optimale Routen zu identifizieren.

Integrierte Brückensysteme
Elektronische integrierte Brückenkonzepte treiben die zukünftige Navigationssystemplanung voran. Integrierte Systeme nehmen Eingaben von verschiedenen Schiffssensoren auf, zeigen elektronisch Positionsinformationen an und liefern Steuersignale, die erforderlich sind, um ein Schiff auf einem voreingestellten Kurs zu halten. Der Navigator wird zum Systemmanager, wählt Systemvoreinstellungen, interpretiert die Systemausgabe und überwacht die Schiffsreaktion.