RADIO DETECTION AND RANGING (RADAR) ermöglicht das Auffinden entfernter Objekte (Ziele) von einem Standort aus trotz Finsternis, Nebel, Regen oder anderer Niederschläge. Darüber hinaus ermöglicht RADAR das Feststellen des genauen Zielortes (Vermessen) durch Angaben des Seiten- und Höhenwinkels und der Entfernungen. Die erzielbare Radarreichweite ist mindestens so groß wie die optische Sichtweite. Der Einsatz von Radaranlagen erfolgt seit vielen Jahren in fast allen Bereichen des täglichen Lebens wie folgt: Im Luftverkehr zur Überwachung des Luftraumes, zur Navigation von Bord aus, als Landehilfe bei schlechter Sicht und zur Überwachung der Landebahnen. Im Schiffsverkehr zur Überwachung von Häfen, Küstenregionen, Seewasserstraßen, zum Kollisionsschutz und zur Navigation. Im Straßen- und Schienenverkehr zur Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Sicherheitsabstandes zum vorausfahrenden Fahrzeug. Im Wetterdienst zur Beurteilung der Großraumwetterlage. In der Raumfahrt zur Zielverfolgung und zum Ankoppeln von Flugkörpern sowie zur Erd- und Umweltforschung. Im militärischen Sektor als Steuerelement für Funkleitsysteme von Geschossen, Raketen usw. Entwicklungsgeschichte
des RADARS
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In
Deutschland wurde das Radarsystem „FREYA“ im Jahr 1938 von der Marine zur
Küstenüberwachung eingesetzt. Das Gerät sendete auf einer
Frequenz von 125 MHz und hatte eine Ausgangsleistung von etwa 8 kW. Mit
Hilfe der Anlage auf Wangerooge konnte am 18. Dezember 1939 ein britischer
Bomber- verband in einer Entfernung von 130 km im Anflug auf die Deutsche
Bucht geortet werden.
Im Herbst 1941 kam das von TELEFUNKEN für Nachtjäger entwickelte Bordgerät „LICHTENSTEIN BC“ mit einer Frequenz von 490 MHz und einer Ausgangsleistung von 1,5 kW zum Einsatz. Zur Erhöhung der Reichweite wurden später Geräte mit Frequenzen unter 100 MHz eingesetzt, die die Typenbe- zeichnung „LICHTENSTEIN SN2“ trugen. Davon wurden mehr als 2000 Geräte in Jagdflugzeuge eingebaut. links:Antennenanlage des deutschen Radarsystems "FREYA" (Stand 1940) Quelle: H. v.Kroge "GEMA - Berlin, Geburtsstätte der deutschen aktiven Wasserschall- und Funkortungstechnik" Das
erste deutsche Bordradargerät mit den wesentlichen Merkmalen späterer
Nachkriegsgeräte arbeitete auf einer Frequenz von 3,3 GHz mit einer
Ausgangsleistung von 15 kW, erzielte eine Reichweite von 9 km und hatte
die Typenbezeichnung „BERLIN N1A“. Es verfügte über eine Parabol-Reflektor-Antenne
mit einem Durchmesser von 70 cm und einem rotierendem Speisedipol. Insgesamt
kamen 25 Geräte dieser Bauart zum Einsatz.
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Ein
wesentliches Element zur Verbesserung der Leistung, d.h. zu höheren
Frequenzen war die Erfindung des Magnetrons d.h. die Erzeugung von Höchstfrequenzen
durch Gruppierung der Dichte des Elektronenflusses durch ein elektrisches
und ein magnetisches Feld, im Jahr 1940 durch F. Randall und A.H.
Boot aus Großbritannien.
Das Magnetron ist nach wie vor das Kernelement aller Radaranlagen im Mikrowellenbereich. Das Magnetron ist eine evakuierte (luftleere) Röhre mit einem Hohlraumresonator. Im Unterschied zu Elektrodenröhren, bei denen der Elektrodenfluss nur durch ein elektrisches Feld gesteuert wird, werden im Magnetron die Elektroden durch das elektrische und das magnetische Feld (Dauermagnet) verdichtet. Die Magnetrons sind meist für feste Wellenlängen ausgelegt. links: Magnetron vom Typ MI-158 für ein sowjetisches Flugzeug-Bordradar, 9 GHz, ca. 1970 Quelle: U. Seifert (Wikipedia) |
Radarentwicklungen
nach dem zweiten Weltkrieg
Beträchtliche Fortschritte machte die Entwicklung der Radartechnik in den Nachkriegsjahren in Großbritannien und den USA. Die neue Technik der Pulskompression und der Dopplersignalverarbeitung führte zur Hochauflösung der Anzeigen bei den Geschwindigkeits- und Entfernungsmessungen mittels Radar. Die rasante Entwicklung der Elektronik in Form von Hochleistungs- magnetrons und –Klystrons, Halbleitern und Mikroprozessoren und später der Digitalisierung waren die Grundlagen der weiteren Entwicklung moderner Radarsysteme. links: Blockschaltbild einer Schiffsradaranlage DA=Drehantenne M=Motor S=Sender E=Empfänger SG=Sichtgerät BD=Bregrenzerdioden AS=Azimutsender AE=Azimutempfänger (Quelle: P. Volk) |
Aufbau
und Arbeitsweise einer Schiffsradaranlage
Der Aufbau der Radaranlagen ist im Laufe der Entwicklung im Prinzip unverändert geblieben. Die Anlagen bestehen in der Regel aus einem Sendegerät, einem Empfangsgerät, einem Steuergerät, einem oder mehreren Sichtgeräten und der Antenneneinheit. Sender von Schiffsradaranlagen arbeiten normalerweise mit einer Impulsleistung von 5 bis 30 kW im X-Band (3 cm = 10 GHz) bzw. im S-Band (10 cm = 3 GHz). Je nach Leistung und effektiver Antennenhöhe werden damit Reichweiten bis zu 60 sm erzielt. In der zivilen Schifffahrt kommen sowohl 3 cm als auch 10 cm-Anlagen zum Einsatz. Beim Auftreten von tropischen Regenschauern bzw. starken Schneestürmen werden 10 cm-Anlagen bevorzugt, obwohl die Bildschärfe wesentlich schlechter als bei 3 cm-Anlagen ist. Das Herzstück der Sendeanlage ist, wie bereits mehrfach betont, das Magnetron. Für impulsgetaste Radaranlagen wurden ursprünglich als Senderöhren bis 900 MHz Trioden bzw. Tetroden verwendet, später dann Magnetrons bzw. Hochleistungs-Klystrons. Steuergeräte dienen zur Steuerung der Impulsfolgefrequenz des Generators. Dabei ist die Arbeitsfrequenz immer eine Hochfrequenz (100 bis 10 000 MHz) während die Impulsfolgefreuenz eine Niederfrequenz ist. Diese Steuerung durch die Niederfrequenz ist die Modulation. Deshalb wird für diese Steuergeräte auch die Bezeichnung Modulatoren angewandt. links:Schiffsradar-Anlage FGS 350 (Funkwerk Köpenick) |
Ein
Sendertastgerät wird von einer Steuerstufe impulsgesteuert und gibt
die erforderliche Tastleistung ab. Das Magnetron wiederum wird durch diese
Impulse getastet und gibt entsprechend der eingestellten Messbereiche Impulse
mit unterschiedlicher Impulsbreite ab, die über Hohlleiter bzw. Koaxialkabel
der Drehantenne zugeführt und abgestrahlt werden.
Links: Drehantenne 120 cm, Mitte: Drehantenne180 cm, Rechts: Drehantenne 270 cm Das Steuersystem hat die komplizierte Aufgabe, den Drehwinkel der Antenne zur Antennendrehanzeige zu übertragen und die Ablenkspulen des Anzeigegerätes (Bildschirm) synchron mit der Antenne zu drehen. Diese Übertragung erfolgte bisher vorwiegend mit Drehmeldern (kleine Wechselstrommotoren), heute voll elektronisch mittels Azimut-Gebern/Empfängern. Empfangsgeräte verarbeiten die von der Drehantenne aufgenommene reflektierte elektromagnetische Energie, die nur ein Bruchteil der von der Antenne ausgestrahlten Energie beträgt, zunächst in einem Vorverstärker. Diese Energie ist mit einigen Zehnteln Mikrowatt so gering, dass sie andernfalls nicht für die Aufbereitung eines Radarbildes verwendbar ist. Diese Aufgabe übernehmen besondere Verstärker zwischen der Drehantenne und dem Sichtgerät. |
Der
eigentliche Empfänger der Radaranlage verstärkt die reflektierten
elektromagnetischen Impulse und wandelt sie in Videoimpulse um, wodurch
sie auf dem Bildschirm sichtbar werden. Da die Sende- und Empfangsimpulse
von der gleichen Antenne ausgesendet bzw. empfangen werden, kommt eine
so genannte Weiche zum Einsatz. Diese Weiche verhinderte früher in
Verbindung mit Sperrröhren (Nulloden), heute mit modernen elektronischen
Bauelementen (Begrenzer-Dioden), das Eindringen der eigenen Sendeenergie
in den Empfänger.
Sichtgeräte waren ursprünglich reine Kathodenstrahlröhren mit entsprechender konvexer Wölbung der Oberfläche, die dadurch oft zu Missdeutungen besonders der Voraus-Anzeigen führte. Mit einer Lupe im Durchmesser der Bildröhre wurde versucht, diesen Betrachtungsfehler zu kompensieren. Diese konvexen Bildröhren wurden in den 70er Jahren durch flache Bildröhren mit geringer Wölbung abgelöst und ab den 90er Jahren durch Rechteckbildschirme ersetzt. Inzwischen kommen in Integrierten Navigations-Systemen (INS) moderne Flachbildschirme „Liquid Crystal Displays“ (LCD) zum Einsatz. Die Sichtgeräte der Schiffsradaranlagen dienen zur Sichtbarmachung der Ziele und der Beobachtung, Bestimmung und Verfolgung ihres Standortes, der Kurse und Geschwindigkeiten. Die Darstellung in kartenähnlicher Form mit Helligkeits- steuerung entsprechend dem Umfeld (Tag- und Nachtbetrieb) sind heute die gebräuchlichsten Darstellungsarten. In der Regel sind in einem Schiffsführungspult zwei Bildschirme vorhanden, die je nach Bedarf als Haupt- oder Tochtersichtgerät bzw. separat geschaltet werden können. links:Radaranlage DECCA TM 616 (etwa 1965 mit 30 cm Bildschirm) |
Die
Arbeitsweise, d.h. das Funktionsprinzip der Radartechnik von Hülsmeyer,
ist im Wesentlichen bis heute unverändert geblieben.
Schiffsradaranlagen sind in der Regel Rundsichtradaranlagen. Ein Sender mit einer Impulsleistung von 5 bis 30 kW sendet mittels einer rotierenden Richtantenne fortlaufend stark gebündelte Hochfrequenzimpulse aus. Dieser Vorgang wiederholt sich in jeder Sekunde vielfach in Form der Impulsfolgefrequenz (PRF = Pulse Repetition Frequency). Durch Reflexion am Ziel gelangt ein kleiner Bruchteil der Energie zum Ausgangspunkt zurück. Dabei wird ständig der zeitliche Abstand zwischen der Impulsabstrahlung und deren Rückkehr elektronisch gemessen, auch wenn er nur Millionstel Sekunden beträgt. Diesen Berechnungen liegt die Tatsache zugrunde, dass sich die elektromag- netischen Wellen genauso wie das Licht im Raum mit einer Geschwindigkeit von 300 000 km in der Sekunde ausbreiten. Die reflektierte Energie wird von der Drehantenne wieder aufgenommen, dem Empfangsgerät zugeführt und auf dem Bildschirm zur Anzeige gebracht. Dabei erscheinen alle Ziele als helle Punkte, Linien oder Flächen in kartenähnlicher Darstellung (PPI = Plan Position Indicator), da der Bildschirm einen Nachleuchteffekt hat. Jedes Ziel im Umkreis des eigenen Schiffes muss von einer genügend großen Zahl von Impulsen getroffen werden, damit auf dem Bildschirm sich die Ziele genügend aus dem Rauschen und den Seegangsreflexen herausheben. Das gleichmäßige Rotieren der Drehantenne ermöglicht ein kreisförmiges Absuchen der Umgebung nach Zielen im Umkreis von ca. 60 sm (ca.110 km) je nach Antennenhöhe. Ein variabler Messring bzw. Peilstrahl (IS = Inter Scan) ermöglicht Digitalanzeigen der Entfernung und der Azimutpeilwerte entsprechend ausgewählter Ziele. Da sich das eigene Schiff und damit auch das Radarsichtgerät entsprechend der eigenen Geschwindigkeit bewegt, treten auf dem Bildschirm scheinbare Bewegungen fester und bewegter Ziele auf, was die wahre Deutung der Ziele in der Umgebung des eigenen Schiffes erschwert. Die ersten Schiffsradaranlagen nach dem zweiten Weltkrieg verfügten zunächst nur über die Betriebsart RM (Relative Motion) „Voraus orientiert“, d.h. die Vorausmarke als aufleuchtender Strahl zeigte auf der Braunschen Röhre vom Mittelpunkt aus immer in die Voraus- richtung des eigenen Schiffes. Diese Vorausstabilisierung des Bildes hatte jedoch den Nachteil, dass bei Kursänderungen des eigenen Schiffes die auf dem Bildschirm abgebildeten Ziele jeweils eine andere Lage einnehmen und zu einem unübersichtlichen Bild führen. Die wesentlich günstigere Darstellungsart RM „Nordstabilisiert“ erforderte allerdings den Anschluss der Radaranlage an einen Kreiselkompass und verbesserte daraufhin die Bilddarstellung, da die Kursänderungen des eigenen Schiffes sich nur noch unwesentlich auf die Darstellung des Radarbildes auswirken. Die Zieldarstellung wird nur durch die Änderung der Geschwindigkeit des eigenen Schiffes bzw. der anderen Schiffe beeinflusst. Bei beiden Betriebsarten befindet sich das eigene Schiff immer im Mittelpunkt der Bildschirmanzeige. Nach Einführung der Betriebsart TM (True Motion) „Absolut-Darstellung“ Anfang der 70er Jahre wird die Vorausmarke auf den rechtwei- senden Kurs eingestellt und das Bild ist bei Kreiselanschluss des Radargerätes meistens nordstabilisiert. Dies bedeutet, dass Festziele auf dem Bildschirm unverändert bleiben und sich die beweglichen Ziele mit ihren eigenen Geschwindigkeiten und Kursen auf dem Bildschirm bewegen. Dabei bewegt sich das eigene Schiff auf dem Bildschirm von unten nach oben bzw. umgekehrt, oder auch von links nach rechts oder umgekehrt, und wird automatisch nach Erreichen des Bildrandes, zurückgesetzt. Die Nachleuchtdauer des Bildschirmes ermöglicht durch diesen Effekt eine Deutung des Kurses und der Geschwindigkeit aller beweglichen Ziele, da diese einen mehr oder weniger langen Schweif hinter sich herziehen. Ein elektronischer Peilstrahl gestattet darüber hinaus eine parallaxenfreie Peilung und Abstandsmessung beliebiger Ziele. Die Genauigkeit der Darstellung ist jedoch von der Genauigkeit der richtigen Eingabe der Geschwindigkeit des eigenen Schiffes über Grund abhängig. Da Fahrtmessanlagen in der Regel die Geschwindigkeit durch das Wasser nicht aber über Grund anzeigen (Ausnahme Doppler-Speed-Log bis zu einer Wassertiefe von einigen 100 m anwendbar), fand die Absolut-Darstellung bisher fast ausschließlich in Landnähe beim Vorhandensein von festen Zielen Anwendung. Nach der endgültigen Einführung und Freigabe des Global Positioning Systems (GPS) etwa 1990 ist bei laufender Einspeisung der Position des eigenen Schiffes in das Radargerät die Anwendung dieser Darstellungsart auch auf hoher See möglich. |
In
der heutigen Praxis wird jedoch auf hoher See die Darstellungsart „Relativ
Motion True“ bevorzugt, wobei das eigene Schiff immer im Mittelpunkt des
Bildschirmes verbleibt und Kurs und Geschwindigkeit der anderen Schiffe
in der Absolut-Darstellung relativ gut erkannt werden, ohne die Digitalanzeige
über die Zieldaten zu benutzen. Die von einer Schiffsradaranlage gelieferten
Augenblickswerte der Zielkoordinaten auf einem „Plan Position Indicator“
(PPI), d.h. auf einem Sichtgerät, allein genügen nicht für
eine sichere Kollisionsverhütung. Dafür muss das zeitliche Verhalten
der Zielkoordinaten bekannt sein, d.h. die Zielechos müssen manuell
oder automatisch verfolgt und ihre Fahrtwege entsprechend aufgezeichnet
und gespeichert werden. Aufsichtsbehörden und Reeder bestehen deshalb
aus Sicherheitsgründen nach wie vor auf Plotten eventueller
Kollisionsgegner.
Diese Möglichkeiten erfolgen etwa seit 1984 mit modernen ARPA-Schiffsradaranlagen (ARPA = Automatic Radar Plotting Aids) gegenüber reiner grafischer Handarbeit auf Pottscheiben in früheren Jahren. Die computergestützten ARPA-Anlagen ermöglichen auf dem Bildschirm zeitlich frei wählbare Darstellungen der zukünftigen Situationen in der Umgebung des eigenen Schiffes entsprechend dem gewählten Entfernungsbereich bei Beibehaltung von Kurs und Geschwindigkeit des eigenen Schiffes und eventueller Kollisionsgegner. Je nach Ausweichpflicht kann ggf. die eigene Geschwindigkeit herabgesetzt bzw. der eigene Kurs geändert werden, um Kollisionen zu vermeiden. Rechts:
Blockschaltbild
Radaranlage FURUNO INS
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Schlussbetrachtung
Auf modernen Schiffen sind die ARPA Radargeräte mit den übrigen nautischen Schiffsführungsgeräten (Selbststeuer, Kreiselkompass, GPS-Navigator, SAT.- Kompass, Doppler-Log, Echolot, Windmesser, Alarm- und Anzeigesystem, AIS = Automatic Identification System, ECDIS = Electronic Chart Display and Information System) in ergonomischer und moderner Pultbauweise zu einem Integrierten Navigations System (INS) zusammengeschaltet und vereinigt. Alle Messwerte der einzelnen Navigationsanlagen werden auf ein einheitliches Bezugssystem bezogen und entsprechend aufbereitet. Wesentlich ist dabei eine anschauliche und verwechslungsfreie grafische Darstellung der Position und der Bewegung des eigenen Schiffes in seiner Umgebung auf einem Bildschirm. Obwohl das Radarbild eigentlich ein extrem schlechtes Abbild (Draufsicht) der Umgebung des eigenen Schiffes in Form von Punkten, Linien und Flächen liefert, sind herkömmliche Radargeräte in der Schifffahrt, Luftfahrt und Raumfahrt nach wie vor unentbehrlich. In der Militärtechnik existieren aber bereits Radaranlagen, bei denen bei Bedarf ausgewählte Ziele schemenhaft die Konturen des georteten Objektes auch in vertikaler Ausdehnung anzeigen. Die Möglichkeiten der weiteren Simplifikation der Überlagerung des ARPA-Radarbildes mit einer Elektronischen Seekarte (ECDIS) oder umgekehrt wird dabei zukünftig die Sicherheit des Transportprozesses auf See wesentlich verbessern. Die Forderung der Ausrüstung aller Schiffe mit dem Automatischen Identifizierungs System (AIS), d.h. der Möglichkeit der grafischen Anzeige von Kennung, Kurs, Geschwindigkeit, Schiffslänge und –breite, Fracht, Abgang- und Zielhafen bei Abfrage als Digitalanzeige auf dem Radarbildschirm, gehört bereits heute zur Standardausrüstung aller Schiffe. Dies ermöglicht dem Wachoffizier auf der Brücke eines jeden Schiffes neben allen anderen im Seegebiet operierenden Schiffen eventuelle Kollisionsgegner rechtzeitig und eindeutig zu identifizieren und direkten Funkkontakt aufzunehmen, um gegebenenfalls konkrete Absprachen über eventuell notwendige Ausweichmanöver beider Schiffe miteinander abzustimmen. Moderne Schiffsbrücke (2005) mit Radaranlagen RAYTHEON INS Die Fusion von INS mit Infrarot- bzw. Laser-Systemen scheint in Zukunft durchaus zur weiteren Erhöhung der Sicherheit der Schifffahrt möglich zu sein. Zur Gewährleistung der Systemsicherheit des Navigationsprozesses ist allerdings in naher Zukunft zum GPS die Möglichkeit der Nutzung eines weiteren Satelliten System (z.B. EU–Sat–Nav-System „GALILEO“) dringend erforderlich. Im Rückblick auf die Entwicklung der Radartechnik und ihrer Darstellungsmethoden erscheint der Fortschritt in den vergangenen 50 Jahren für die Sicherheit der Schifffahrt und des menschlichen Lebens auf See nahezu unglaublich. Trotzdem bleibt nach wie vor der hoch qualifizierte Wachoffizier auf der Brücke eines Schiffes zur Einstellung, Auswertung und Alarmquittierung im Rahmen des Integrierten Navigations Systems zur sicheren Führung dieses komplizierten Transportmittels auf See ein wichtiges Glied in diesem Navigationsprozess. Quellenangaben:
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