Navigation

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Navigation ist die "Steuermannskunst" zu Wasser (Nautik), zu Land und in der Luft. Allgemeiner bezeichnet sie das sich Zurechtfinden in einem geografischen Raum, um einen gewünschten Ort zu erreichen.

Quadrant des Hevelius, um 1644

Die Tätigkeit des Navigierens - von lat. navigare (Führen eines Schiffes), sanskrit navgathi - besteht aus drei Teilbereichen:

Bestimmen der geografischen Position durch Ortsbestimmung nach verschiedensten Methoden,
Berechnen des optimalen Weges zum Ziel und
Führen des Fahrzeugs zu diesem Ziel, also vor allem das Halten des optimalen Kurses.

Die Teilaufgaben 2 und 3 erfordern die Fähigkeit, den Verkehr auch unter schwierigen Bedingungen aufrecht zu erhalten (z. B. bei Nebel, Eisgefahr oder Gewitter) und jede Möglichkeit einer Kollision mit anderen Fahrzeugen auszuschließen. Daher beinhaltet Navigation auch die Technik und Wissenschaft, über die Ortung hinaus die Route unterwegs neuerlich optimieren zu können, sowie bei Luftfahrzeugen Änderungen von Fluglage und Flughöhe rasch festzustellen und Kurs/Geschwindigkeit darauf abzustimmen.

Inhaltsverzeichnis

1 Grundlegende Methoden
2 Kurze Geschichte der Navigation
- 2.1 Historische Literatur und Links
3 Überblick der heutigen Navigationsmethoden
4 Sonderfälle der Navigation
5 Siehe auch
6 Weblinks

[Bearbeiten] Grundlegende Methoden

Die meisten Verfahren der Navigation entstammen der Nautik, also der Ortsbestimmung und Steuerung von Schiffen. Die klassischen Hilfsmittel der Ortung sind geometrischer Natur: vor allem Winkel- und Richtungsmessung, sowie die Bestimmung der Eigengeschwindigkeit und von Distanzen. Sie werden seit Jahrhunderten in folgenden Methoden angewandt:

Die Sichtnavigation: das Zurechtfinden in Küstennähe anhand der Erinnerung und einfacher Küsten- bzw. Seekarten (erste "Portolane" um 1200)
Die terrestrische Navigation: die Ortsbestimmung in Küstennähe anhand von Landmarken (markante Punkte an Land) und vereinzelten Leuchttürmen. Auch die Lotung (Tiefenbestimmung des Fahrwassers) gehört dazu. Diese bewährten Methoden werden heute durch dicht markierte Hafeneinfahrten, verschiedene Seezeichen und Funkbaken ergänzt.
Koppelnavigation (engl. Dead Reckoning): die laufende Ortsbestimmung aus Kurs und Geschwindigkeit. Der Kurs kann mit Sonne, Gestirnen und (seit dem Mittelalter) mit dem Kompass bestimmt werden, die Fahrt durch Schätzung oder mit Relingslog. Die Eintragung ins Logbuch wird (bis heute!) durch grafisches Addieren der Wegstücke in der Seekarte ergänzt. Die so ermittelte Position wird als "gegißter" oder Koppelort bezeichnet und ist - je nach Wetterlage - einige Prozent genau (siehe auch Etmal).
- Wenn möglich, wird beim Koppeln die Abdrift durch Wind berücksichtigt; moderne Hilfsmittel wie Kursrechner (für Winddreieck, Funkfeuer etc.) und Dopplerradar steigern die Genauigkeit auf etwa 0,5 % der Strecke, und die Inertialnavigation abermals.
Für Langstrecken ergänzend die astronomische Navigation: die Ortsbestimmung durch Höhenwinkel-Messung zu Sonne, Fixsternen oder Planeten. Genauigkeit mit dem antiken Jakobsstab etwa 100 km, mit modernen Sextanten 1 – 2 km.
Zu diesen seit Jahrtausenden bewährten Methoden kam 1899 erstmals die Funknavigation und 1960 die Satellitennavigation (siehe übernächstes Kapitel).

[Bearbeiten] Kurze Geschichte der Navigation

Kompass der Schweizer Armee mit 6400°-Teilung

Die Kunst der Navigation wurde vor etwa 6000 Jahren zuerst in Indien auf dem Sindh und wahrscheinlich zeitnah auch in Ägypten und dem heutigen Libanon entwickelt. Diese Verfahren der Koppel- und teilweise Astronavigation wurden ursprünglich für die Seefahrt eingesetzt, ab etwa dem 1. Jahrtausend v. Chr. aber auch für Expeditionen zu Lande. In diesem Zeitraum befuhren die Phönizier als erste das offene Meer (im östlichen Atlantik und bei der Umrundung von Südafrika). Über Lotungen berichten Herodot (500 v. Chr.) und die Bibel, z. B. in Lukas' Apostelgeschichte (27, 28 – 30).

Die einfache Koppelnavigation mit dem Absetzen des Kurses sowie der Schätzung von Abdrift und Geschwindigkeit wurde etwa zur Zeitenwende um erste Messmethoden erweitert. Wo der Kompass erfunden wurde, ist immer noch umstritten; erstmals soll er in China im 11. Jahrhundert erwähnt worden sein, in Europa im 12. Jahrhundert. Die Küstenschifffahrt erfolgte aber weiterhin nach Sicht. Ab etwa dem 7. Jahrhundert ergänzten die Wikinger die Methodik durch Beobachtung von Vögeln, Wind und Strömungen und kamen um 980 bis 999 nach Grönland und Nordamerika. Die Araber perfektionierten astronomische Messgeräte (u. a. das Astrolabium) sowie Rechenmethoden und das stellten die ersten Seekarten her (siehe Piri Reis und Idrisi).

Spätestens im 4. Jahrhundert v. Chr. hatte jede Region im Mittelmeer ihr Seehandbuch. Solche sind aber im Jahrtausend zwischen Römerreich und dem Compasso di Navigare (1296) nicht überliefert. Das älteste mittelniederdeutsche "Seebuch" (um 1490) beruht auf Quellen aus dem 13. bis 14. Jahrhundert und beschreibt Meerestiefen, Häfen und Gezeiten, im jüngeren Teil auch Kurse zwischen verschiedenen Punkten. Etwa ab dem Ende des 13. Jahrhunderts tauchen die ersten Portolane auf, die das Mittelmeer und sämtliche Hafenstädte in verblüffender Genauigkeit wiedergeben. In Portugal gründete Heinrich der Seefahrer um 1420 die berühmte "Seefahrtschule", um die Erkundung Afrikas zu fördern. Gegen Ende des 15. Jahrhunderts wurde dort die astronomische Navigation nach Sonne und Polarstern zur Praxisreife entwickelt. Als Messinstrumente dienten dabei das am Pendelring gehaltene Astrolab und der Jakobsstab (Gradstock), für deren genaueste und kunstvolle Herstellung Nürnberg weltbekannt wurde.

Ab 1500 entstanden zahlreiche Weltkarten, es wurden Loggen und Quadrant eingesetzt und die Merkator-Projektion erfunden. Eine Lösung des Längenproblems gab es jedoch erst im achtzehnten Jahrhundert durch die Methode zur Messung von Monddistanzen zu Sternen (siehe auch Mondparallaxe) sowie durch die Konstruktion genau gehender Uhren. Berühmt wurden die 4 Chronometer (1735 – 1759) von John Harrison, dem aber ein Großteil des dafür ausgelobten Londoner Akademiepreises vorenthalten wurde, und der Streit um den 1731 – 1740 dreimal erfundenen Spiegelsextanten. Als der Bostoner Kapitän Thomas Sumner 1837 die Methode der astronomischen Höhenstandlinie gefunden hatte, fehlten auf die heute bekannten Navigationsprinzipien nur noch die Funknavigation (ab 1899) und die Trägheitsnavigation (J.M. Boykow 1935, Siegfried Reisch 1941). Die Nutzung von Erdsatelliten kann hingegen als Kombination von Astro- und Funknavigation betrachtet werden.

Heute werden Navigationssysteme (hauptsächlich automatisierte Verfahren zur Positionsbestimmung) in den Bereichen Seefahrt, Luftfahrt, Straßenverkehr und Landvermessung (Geodäsie) angewandt. Seit einigen Jahren entstehen auch kleine Geräte in Handyform für die Fußgängernavigation.

[Bearbeiten] Historische Literatur und Links

Geschichte der Navigation, Kompass (Geschichte), Dutchmans Log
Seevölker, Portolan, Seekarte
Freiesleben, H.C.: Geschichte der Navigation. Wiesbaden 1978
Hertel, Peter: Das Geheimnis der alten Seefahrer. Aus der Geschichte der Navigation. Gotha 1990
Hilscher, G.: Flug ohne Sterne. Siegfried Reisch - Pionier der Trägheitsnavigation. Vaduz 1992
Sobel, Dava: Längengrad (zur Geschichte der Zeitmessung). Berlin 1999
Köberer, Wolfgang (Hrsg.): Das rechte Fundament der Seefahrt: Deutsche Beiträge zur Geschichte der Navigation. Berlin 1982
Gelcich, Eugen: Studien über die Entwicklungs-Geschichte der Schiffahrt mit besonderer Berücksichtigung der nautischen Wissenschaft. Laibach 1882
Salzburger Nachrichten: Thule und der weite Weg nach Amerika (Wikinger bis Harrison), 18. Mai 1991
Taylor, E.G.R.: The Haven Finding Art. A History of Navigation from Odysseus to Captain Cook. London 1956

[Bearbeiten] Überblick der heutigen Navigationsmethoden

Eine US-Luftwaffensoldatin geht in einem Satellitenkontrollraum der Schriever Air Force Base in Colorado (USA) eine Checkliste zur Steuerung von GPS-Satelliten durch

Zu den 3 klassischen Verfahren (siehe oben) kamen im Lauf der Zeit weitere hinzu. Heute unterscheidet man im allgemeinen 7 Methodengruppen und als achte ihre optimale Kombination:

Die terrestrische Navigation beinhaltet die Positionsbestimmung in Küstennähe anhand von Landmarken (markanten Punkte an Land), Funkbaken und sonstigen Seezeichen.
Die Sichtnavigation beruht auf dem Vergleich von Karte und Gelände (Küstenform, [Kap]]s, Orte).
Die astronomische Navigation ortet die Position durch Richtungs- und Höhenmessung von Gestirnen (Sonne, Planeten oder Fixsterne).
Als Koppelnavigation wird die laufende Ortsbestimmung aus Kurs und Geschwindigkeit bezeichnet. Die so bestimmte Position heißt Koppelort oder gegißter (vermuteter) Ort. Durch Berechnung oder direkte Beobachtung der Abdrift wird die seitliche Versetzung durch den Wind berücksichtigt; Doppler-Radar und Trägheitsnavigation steigern die Genauigkeit von einigen Prozent auf etwa 0,2 Prozent der zurückgelegten Strecke.
Die Funknavigation benützt Sendestationen, deren Funksignale geometrische Örter für die eigene Position ergeben (Gerade, Kreise und Hyperbeln).
Die Trägheitsnavigation erlaubt autonome Navigation durch Verwendung von Beschleunigungsmessern und Kreiseln.
Bei der Satellitennavigation (siehe auch GPS, Glonass und Galileo) werden Signale von 4 – 6 gleichzeitig sichtbaren Satelliten genutzt, aus deren Laufzeitunterschieden zum Standort eines Empfängers dessen Position errechnet werden kann.
Die Integrierte Navigation oder Hybridnavigation vereinigt mehrere dieser Verfahren und gewichtet sie entsprechend ihrer Qualität. Die dadurch optimal errechnete Position erlaubt Aussagen über ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit ("Integrität").

[Bearbeiten] Sonderfälle der Navigation

In Polnähe: versagen mehrere Standardverfahren der Navigation ...
Lokalisation von Geräuschen: Beim natürlichen Hören finden wir uns auch in einem Raum zurecht, wie ganz oben beim Wort "Navigation" erklärt wird, wobei wir die Richtungsbestimmung des einfallenden Schalls einer Schallquelle unrichtig mit "Ortung" bezeichnen. Wir orten aber nicht aktiv unter Aussenden von Wellen, wie bei der Echoortung der Funknavigation oder wie es die Fledermäuse tun. Für die richtige Bestimmung der Schalleinfallsrichtung ist besser der Fachbegriff Lokalisation für das Richtungshören zu verwenden. Wir Menschen lokalisieren also beim Hören.
Raumfahrt: Auch bei der Navigation von Raumsonden sind spezielle Probleme zu lösen, vor allem das Fehlen des Schwerefeldes als Bezugsystem ... Sternpeilung, spezielle Sextanten für Bemannte Raumfahrt (Rendezvousmanöver), Astropeilung usw.