Radar und GPS: Grundlagen der Navigationssysteme

Radar: Grundlagen und Funktionsweise

Was ist Radar?

Radar (Radio Detection and Ranging) ist ein System zur Ortung und Messung von Distanzen mittels Radiowellen.

Funktionsweise eines Radarsystems

Eine gerichtete Sendeantenne strahlt Energie aus, die von einem Oszillator erzeugt wird. Trifft ein Teil dieser übertragenen Energie auf ein Ziel, wird sie reflektiert und kehrt zur Empfangsantenne zurück. Der Empfänger nimmt diese Energie auf und verarbeitet sie.

Hauptkomponenten eines Radars

• Antenne: Sendet und empfängt Radiowellen, oft 360° drehbar für Navigationszwecke.
• Steuereinheit (Timer): Regelt den gesamten Betrieb der Geräte.
• TX/RX-Einheit (Sender/Empfänger):
  • Sender (TX): Erzeugt und verstärkt die Radarimpulse.
  • Empfänger (RX): Nimmt die reflektierten Signale auf, verstärkt sie und leitet sie an die Anzeigeeinheit weiter.

Radar-Frequenzbänder

• S-Band: 2900-3100 MHz (entspricht dem militärischen F-Band)
• X-Band: 9300-9500 MHz (entspricht dem militärischen I-Band)

Eigenschaften der Radarwellen

Die Ausbreitung von Radarwellen erfolgt geradlinig. Sie lassen sich leicht zu einem Strahl bündeln, ihre Energie wird jedoch schnell gedämpft.

Reichweite eines Radars

Die maximale Reichweite eines Radars hängt von mehreren Faktoren ab:

• Sendeleistung des Emitters
• Empfindlichkeit des Empfängers
• Antennenhöhe
• Ausbreitungsbedingungen (maximal und minimal)

Kurzstrecken-Diskriminierung

Dies ist die Fähigkeit, nahe beieinander liegende Ziele (z.B. 25 Meter Abstand) und Ziele mit geringem Zeitversatz (z.B. 1 Mikrosekunde) als separate Punkte zu erkennen.

Faktoren, die die Detektion beeinflussen

• Reflektierende Eigenschaften des Ziels:
  • Aussehen, Größe, Form
  • Oberflächentextur, Materialbeschaffenheit
• Meteorologische Faktoren:
  • Wellen
  • Regen
  • Nebel

Radar-Störechos und Interferenzen

• Seitenlappen-Echos: Große, nahe am Boot befindliche Ziele können Störechos durch Strahlung aus den Nebenkeulen der Antenne verursachen.
• Schatten: Bereiche, die durch Hindernisse (z.B. eigene Aufbauten) vor dem Radarstrahl abgeschirmt werden.
• Fehlstrahlung (Radiation): Eine fehlerhafte Rotation der Antenne oder schlechte Kontakte im System können den gesamten Bildschirm oder Teile davon mit Störungen überziehen.
• Bögen: Strukturen, die Impulse in der Ausbreitungsrichtung reflektieren.
• Indirekte Echos: Radar-Echos, die von bestimmten Strukturen an Bord indirekt reflektiert werden.
• Mehrfachechos: Wenn ein anderes Boot in der Nähe ist und ähnliche Eigenschaften oder die gleiche Richtung hat, kann es zu einer Serie von Echos auf dem Bildschirm kommen (Doppel-, Dreifachechos).
• Störungen durch andere Radare: Echos in Form von Kurven oder spiralförmigen Punkten, die sich von der Mitte ausbreiten und ihr Aussehen bei jeder Antennenumdrehung ändern.

Anzeige und Messung im Radar

Das Radar liefert Informationen über reale Verzögerungen und Entfernungen.

Anzeige von Verzögerungen

Verzögerungen können elektronisch angezeigt werden (z.B. EBL 1 und EBL 2 – Electronic Bearing Line).

Peilung und Entfernung messen

Mithilfe von EBL/VRM (Variable Range Marker) können Peilung und Entfernung gemessen werden.

Messmethoden

• Visuelle Verzögerung und Radar-Distanz: Messung des gleichen Punktes gleichzeitig.
• Abstandsradar: Bestimmung von Distanzen zwischen zwei Punkten.
• Entfernung und Verzögerung 90°: Messung des gleichen Punktes gleichzeitig.
• Verzögerungslinien und Sicherheitsradar.

Bildschirmdarstellung und Anzeigemodi

Echotypen

Echos von anderen Schiffen bewegen sich auf dem Bildschirm und sind oft als „Handys“ (bewegliche Ziele) erkennbar.

Darstellungsmodi

• Head-up (Kopf-oben): Das Zentrum des Displays ist immer die eigene Schiffsposition, die Buglinie zeigt nach oben.
• Relative Bearing Up (Relative Peilung oben): Die Buglinie stellt den eigenen Kurs dar.
• North Up (Nord oben): Der Norden ist immer oben auf dem Bildschirm.
• True Course Up (Kurs über Grund oben): Die Buglinie zeigt den Kurs über Grund an.
• True North Up (Rechtweisend Nord oben): Der rechtweisende Norden ist immer oben, das Schiff bewegt sich über den Bildschirm.

Plotting und erweiterte Funktionen

Automatisches Plotting (ARPA/ATA) erleichtert die Verfolgung von Zielen und bietet Funktionen wie:

• CPA (Closest Point of Approach)
• TCPA (Time to Closest Point of Approach)
• Geschwindigkeit und Position von Zielen
• Simulation von Manövern
• Relative und absolute Bewegungsinformationen
• Kollisionswarnungen
• Korrektur von Strömungseffekten
• Integration in Navigationssysteme

Global Positioning System (GPS) und Navigation

Das Geoid

Das Geoid ist eine Äquipotentialfläche des Erdschwerefeldes, die an allen Punkten senkrecht zur Richtung der Schwerkraft steht und dem mittleren Meeresspiegel entspricht.

Grundlagen der Satellitennavigation

Eine Bodenstation kann die Bahn eines Satelliten vorhersagen. Ist die Umlaufbahn des Satelliten bekannt, kann die Position eines Punktes auf der Erde bestimmt werden.

Referenzsystem: WGS-84

Das WGS-84 (World Geodetic System 1984) ist das globale Referenzsystem, das von GPS verwendet wird.

Was ist GPS?

GPS ist ein globales Satellitennavigationssystem, das kontinuierlich und weltweit Informationen über dreidimensionale Position, Geschwindigkeit und Zeit liefert.

Funktionsprinzip von GPS

GPS basiert auf der simultanen Messung der Entfernung zwischen einem Empfänger und mindestens vier Satelliten.

Die drei GPS-Segmente

• Weltraumsegment: Besteht aus 24 aktiven Satelliten, die die Erde umkreisen.
• Kontrollsegment: Umfasst Bodenstationen (z.B. in Ecuador), die die Satelliten überwachen, ihre Bahnen berechnen und Korrekturdaten an sie senden. Es gibt 3 Sendestationen (TX) und 5 Kontrollstationen (ESTC), die den Status und die Position überwachen.
• Nutzersegment: Besteht aus den GPS-Empfängern, die die Satellitensignale empfangen, entschlüsseln und die Laufzeitverzögerung messen, um die Position zu berechnen.

Zeitmessung und Synchronisation im GPS

Die Kontrollstationen verwenden extrem stabile Atomuhren. Diese Uhren sind mit atomaren Zeitstandards verbunden und werden ständig mit der koordinierten Weltzeit (UTC) verglichen. Abweichungen der Satellitenuhren werden vom Kontrollsegment berechnet und als Zeitkorrekturen in die Satellitensignale injiziert.

Struktur des GPS-Signals

Das GPS-Signal ermöglicht die Identifizierung des Satelliten, enthält Informationen über dessen Position zum Zeitpunkt der Sendung und dient zur Messung der Entfernung zwischen Satellit und Empfänger.

Satelliten-Übertragungen (L1, L2)

• L1-Frequenz: Sendet den C/A-Code (Coarse/Acquisition), den P-Code (Precision) und die Navigationsnachricht (NAV-SMS).
• L2-Frequenz: Sendet den P-Code und die Navigationsnachricht.

Zusammenfassung der Signalstruktur

Das Signal übermittelt im Wesentlichen: „Ich bin Satellit X, das ist mein Standort, diese Nachricht wurde zu dieser Zeit Y mit diesem Code Z gesendet.“

Angebotene GPS-Dienste

• SPS (Standard Positioning Service): Der zivile Dienst, der eine geringere Präzision bietet.
• PPS (Precise Positioning Service): Der militärische Dienst, der eine höhere Präzision erfordert und durch Anti-Spoofing-Maßnahmen geschützt ist.

Methoden zur Präzisionsreduzierung und Fehlerquellen

Selektive Verfügbarkeit (SA)

Die Selective Availability (SA) war eine absichtliche Verschlechterung der zivilen GPS-Genauigkeit, die 2000 abgeschaltet wurde.

Antispoofing

Antispoofing ist eine Methode, um die Nachahmung von GPS-Signalen zu verhindern und Fehler im P-Code zu transformieren.

GPS-Fehler

• Systematische Fehler:
  • Orbitalfehler (Ephemeridenfehler)
  • Satellitenuhrenfehler
  • Empfängerfehler
  • Ausbreitungsfehler (Ionosphäre, Troposphäre)
• Zufällige Fehler:
  • Elektronisches Rauschen
  • Mehrwegeffekte (Multipath)
  • Zufällige Beobachtungsfehler

Differentielles GPS (DGPS)

DGPS basiert darauf, dass die im System auftretenden Fehler für nahe beieinander liegende Empfänger ähnlich sind. Eine Referenzstation mit bekannter Position berechnet die Fehler und sendet Korrekturdaten an DGPS-Empfänger, um deren Genauigkeit zu verbessern.

Satellitenbasierte Ergänzungssysteme (SBAS)

Ähnlich wie DGPS werden bei SBAS Korrektursignale von geostationären Satelliten direkt an HF-GPS-Empfänger gesendet. Dies eliminiert die Notwendigkeit für separate Empfänger und Antennen. Beispiele sind WAAS (USA/Kanada) und EGNOS (Europa).

GLONASS: Russisches Satellitennavigationssystem

GLONASS ist dem GPS ähnlich und verfügt über zwei Standardsignale. Es wird von Russland verwaltet und bietet eine Genauigkeit von 57 bis 70 Metern.

Pseudorange-Messung

Die Pseudorange ist die Messung der scheinbaren Laufzeit vom Satelliten zur Empfängerantenne, ausgedrückt als Distanz.