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Navigation#

von H. Maurer, Februar 2017

Einleitung #

Navigation beschäftigt sich mit dem Prozess der Überwachung und der Steuerung eines bewegten Objektes, oft eines Fahrzeugs, von einem Ort zum anderen. Navigation kann sich auf die Bewegung am Land, auf dem Wasser, aber natürlich auch in der Luft und im Weltall beziehen.

Geschichte#

Für Jahrhunderte war es vor allem die Navigation auf den Meeren, die die größte Bedeutung hatte. Um etwa gefährliche Untiefen zu vermeiden, oder eine entdeckte Insel geographisch zu lokalisieren oder wieder aufzufinden war es notwendig, die geografische Breite und Länge möglichst genau zu bestimmen. Auf der nördlichen Halbkugel ist bei klarem Himmel die Bestimmung der geographischen Breite durch den Winkel zum Polarstern gegeben und gut messbar, und auf der Südhalbkugel können gleichfalls Sternkonfigurationen dazu herangezogen werden. Die geographische Länge ist hingegen sehr viel willkürlicher definiert.

Extant
Messung der Sonnenhöhe mit einem Sextant, Foto: US Navy, unter PD

Der Nullmeridian geht heute bekanntlich durch Greenwich bei London (aber es gab früher auch andere Festlegungen), d.h. um 12 Uhr Mittag steht die Sonne über Greenwich am höchsten Punkt.

Steht die Sonne aber z.B. um 15 Uhr GMT (Greenwich Mean Time) Mittag am höchsten Punkt, dann befindet man sich auf einer geographischen Länge von 45° West (also 3 mal 15° westlich von Greenwich, weil die 360° des Erdumfangs durch 24 Stunden dividiert 15 ergeben).

Man kann also auch den Längengrad bei klarer Sicht mit einem Messgerät (dem Sextanten) gut festlegen, wenn man die genaue Uhrzeit kennt. Genau dies ist aber auf Schiffen problematisch: Es gab Jahrhunderte lang keine hinreichend genaue gehenden Chronometer (Uhren), denn die am Land sich gut bewährenden Pendeluhren waren auf Schiffen offenbar nicht gut einsetzbar.

So konnten die Uhren etwa bei einer Atlantiküberquerung durchaus um 15 Minuten falsch liegen, und 30 Minuten entspricht in Äquatornähe einer Entfernung von 40.000/96, also mehr als 400 Kilometer!

Dead Reckoning#

Bei schlechtem Wetter waren sogar die ohnehin problematischen Messungen unmöglich, man musste sich auf „dead reckoning“ (ich würde es „intelligent abschätzen“ nennen) verlassen. Wenn man den gegenwärtigen Standort kennt, die Fahrtrichtung über einen Kompass, die Fahrgeschwindigkeit relativ zum Wasser und etwaige Strömungen (oft durch das Beobachten von Holzstückchen, die man von Bord warf und ihre Bewegung verfolgte!) abschätzen konnte, dann war natürlich eine ungefähre Abschätzung der Position eine gewisse Zeit später möglich. Dass es dabei aber immer wieder zu Fehleinschätzungen und Unfällen kann, ist nicht überraschend.

Das entscheidende Unglück#

Longitude
Das Buch Longitude. Foto: Amazon, unter PD

Dann kam es zu einem großen Unglück, das die Admiralität in London auf den Plan rief, die eine sehr große Belohnung aussetzte (nach heutigem Wert fast 3 Millionen Euro!) für eine Lösung der Bestimmung des Längengrades.

Die spannende Geschichte und der überraschende Ausgang wird wunderbar in dem Buch „Längengrad“ von Dava Sobel beschrieben. Das Original erschien 1995 unter dem Titel „Longitude: The True Story of a Lone Genius Who Solved the Greatest Scientific Problem of His Time” und Buch und Geschichte verdienen ein paar Zeilen:

Auslösend war der Verlust der Flotte Admirals Sir Cloudesley Shovel nahe Sizilien im Jahr 1707: Die Flotte war unterwegs nach Gibraltar und wegen des schlechten Wetters auf dead reckoning angewiesen. Die Werte wurden vom Kapitän falsch interpretiert, man näherte sich gefährliche Riffen. Ein Matrose, der mit der Route besonders gut vertraut war, erkannte den Fehler, wollte zum Kapitän aber der Zugang wurde ihm verweigert. In seiner Verzweiflung verschaffte er sich mit Gewalt Zutritt, kam aber gar nicht dazu, seine Argumente vorzubringen, sondern wurde wegen Meuterei sofort erhängt! Minuten später fuhr die Flotte in die Riffe und ging mit Mann und Maus (inklusive Kapitän) unter.

Aus diesem Grund wurde von der britischen Regierung 1714 die Längengradkommission einberufen und ein hoher Preis für die genaue Bestimmung des Längengrades ausgesetzt, nachdem Sir Isaac Newton noch vor der Royal Society ausgesagt hatte, dass es keine Uhr gab, die auf Schiffen die Zeit genau anzeigt, und eine solche Uhr auch in der Zukunft nie existieren würde (!!).

Nun kam es zum Wettrennen der damals führenden Astronomen, eine verlässliche Methode für die Bestimmung des Längengrads zu finden. Man versuchte Mondesfinsternisse, die Größe der sichtbar beleuchteten Mondesoberfläche, und das Verschwinden des Jupitermondes Ganymed hinter dem Jupiter (dafür gab es genaue Tabellen), usw. zu verwenden, um die Position längengradmäßig zu bestimmen. Keine Methode befriedigte voll.

Harrison der Tischler
Gemälde des Uhrmachers John Harrison. Auf dem Bild sind hinter ihm seine 1726 erfundenen Pendeluhr und seine H3-Uhr auf dem Tisch neben ihm zu sehen. Aus dem Jahr 1768 von P. L. Tassaert nach einem Ölgemälde von T. King aus den Jahr 1767., unter PD
Erstes Modell
Model H1, unter PD
Modell H4
Harrisons chronometer sucessful H4 model on display at National Maritime Museum in Greenwich, 2009, Foto: Colonel Warden at en.wikipedia, unter CC BY-SA 3.0

Aber der Tischler und Turmuhrbauer John Harrison benutze seine Kenntnisse, wie man durch die Verwendung verschiedener Hölzer Temperatur und Feuchtigkeitsunterschied kompensieren kann und reichte eine Uhr ein, die minutengenau ging. Sie wurde unter fadenscheinigen Gründen abgelehnt. Harrison gab nicht auf: Das vierte Model, das heute noch im Museum Greenwich zu sehen ist, ist eine kompakte Taschenuhr, die unglaublich genau geht. Dieses bzw. etwas größere Modelle wurden dann 200 Jahre erfolgreich für die Navigation verwendet.

GPS Satellite
Artist`s conception of GPS Block II-F satellite in Earth orbit. Foto: NASA, unter PD

Heute werden Globale Navigations-Satelliten Systeme (GNSS) verwendet. Zurzeit sind als solche nur das GPS der Vereinigten Staaten und das russische LONASSS einsatzfähig. Das Europäische Galileo System soll 2020 in Betrieb gehen.

GPS basiert auf Satelliten, die mit codierten Radiosignalen ständig ihre aktuelle Position und die genaue Uhrzeit ausstrahlen. Aus den Signallaufzeiten können spezielle GPS-Empfänger ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen. Theoretisch reichen dazu die Signale von drei Satelliten aus, welche sich oberhalb ihres Abschaltwinkels befinden müssen, da daraus die genaue Position und Höhe bestimmt werden kann.

In der Praxis haben GPS-Empfänger keine ausreichend genaue Uhr, um die Laufzeiten korrekt zu messen. Deshalb wird das Signal eines vierten Satelliten benötigt, mit dem die genaue Zeit im Empfänger bestimmt werden kann. Wie komplex die genaue Ortsbestimmung ist, zeigt der ausführliche Beitrag über GPS Technik.

Weiterführendes#