Auch Digital ist relativ

19.01.2016 von Michael Häßler

Auch wenn Kartenplotter, PC-Programme oder Apps vermeintlich simpel zu handhaben sind, muss man für eine kompetente Anwendung zumindest über Grundkenntnisse manueller Navigationsverfahren verfügen. Auch bei einem digitalen System gibt es Genauigkeitsgrenzen und die Güte eines ermittelten Standorts muss realistisch eingeschätzt werden können. Dazu muss man das System, das dahinter steckt, einigermaßen verstanden haben. 

Eine Position kann niemals „absolut“ sein. Auch dann nicht, wenn diese „digital“ ermittelt wurde. Die Genauigkeit ist für die navigatorische Praxis zwar sehr hoch, das Ergebnis aber trotzdem „relativ“. Ein digitales System rechnet nur mit absoluten Werten und zeigt auch nur absolute Werte an. Damit wird eine Genauigkeit „vorgegaukelt“, die gar nicht vorhanden sein kann. 

Die Nadel eines analogen Logs zeigt Zwischenwerte an, und wenn eine „fünf“ auf der Digitalanzeige steht  kann das auch „4,5“ bedeuten, oder „5,4“. Der angezeigte Wert wird immer gerundet und kann auch bei unendlich vielen Dezimalstellen nie absolut genau sein.

Maritime Navigation ist nicht mit der Navigation im Auto zu vergleichen, wo es Straßen gibt und das Standortsymbol des Geräts genau „weiss“, dass es sich nur auf einer Straße befinden kann. Eine Abweichung ist bei der Straßennavigation also immer nur auf der Achse des Straßenverlaufs möglich, aber nie quer zur Straße.

Auch wenn elektronische Navigationsgeräte für die Schifffahrt grundsätzlich sehr genau und zuverlässig arbeiten, darf man sich aber nie blind auf deren Angaben verlassen. Verantwortungsbewußte Seemannschaft orientiert sich immer am Grundsatz, seiner eigenen Navigation zu misstrauen. 

Allen navigatorischen Entscheidungen sollte die Philosophie des „Worst-Case Szenarios“ zugrunde liegen und gute Schiffsführung beinhaltet stets einen „Plan B“, falls sich eine Entscheidung als falsch oder als nicht durchführbar erweisen sollte.

Maritime Navigation soll den Anwender bei schlechter Sicht oder unbekanntem Revier in die Lage versetzen, eine Landmarke oder ein Seezeichen zu identifizieren und von dort aus auf Sicht beispielsweise einen Hafen anzulaufen. Der Anspruch, mit „zugezogenen Vorhängen“ durch den Seerhein fahren zu wollen, läuft an den realistischen Gegebenheiten vorbei. Sichtnavigation hat grundsätzlich oberste Priorität, weil es nichts zuverlässigeres gibt.

Maximale Präzision macht ein System kompliziert, fehleranfällig und teuer. Ein optimaler Präzisionsgrad ist dann erreicht, wenn der Fehlerbereich kleiner als die Sichtweite ist, die auch bei sehr starkem Nebel selten weniger als 50 Meter beträgt. 

Satellitenort

Bei einem Satellitenfix gibt es, genau so wie bei einem terrestrisch beobachteten Standort, verschiedene Ungenauigkeiten oder Fehlerquellen, die sich summieren oder kompensieren können. Eine Standortbestimmung per GPS kann um so genauer sein, je mehr Satellitensignale empfangen werden. Das System funktioniert über Laufzeitmessungen, ähnlich einem Radargerät oder einem Echolot. Daraus ergibt sich von jedem empfangenen Satelliten ein „Standkreis“ auf der Erdoberfläche. Jeder dieser unendlich vielen Punkte auf diesem Kreis hat den selben Abstand zum Satellit und auf einem dieser Punkte befindet sich das Boot. 

Ein einzelner Satellit ergibt noch keinen Ort, sondern unbegrenzt viele Orte. Mit dem Signal eines zweiten Satelliten begrenzt sich die Auswahl auf die zwei Schnittpunkte der beiden Standkreise. Erst durch einen dritten Standkreis ergibt sich eine eindeutige Position, und zwar dort, wo sich alle Kreise schneiden. In der Regel ist noch ein vierter Satellit für die Übertragung von Zeitsignalen an diesem Prozess beteiligt.

Würde man die Standkreise von Hand auf einer Karte zeichnen, ergäbe sich kaum ein klarer Punkt, sondern ein mehr oder weniger großes Dreieck zwischen den Schnittpunkten der Kreise. Dieses „Fehlerdreieck“ wird um so kleiner, je mehr Standkreise und somit Satelliten an der Positionsermittlung beteiligt sind.

Die Genauigkeit einer Position hängt aber nicht nur von der Anzahl der einzelnen Standkreise, sondern auch von deren Güte ab. Es ist ein Unterschied, ob der Satellit, dessen Signallaufzeit ermittelt wird, senkrecht direkt über dem eigenen Standort steht oder ob er gerade noch so eben hinter der Kimm „zu sehen ist“. Ungenauigkeiten bei der Laufzeitberechnung wirken sich im ersten Fall minimal und im zweiten Fall maximal aus. Allein aus der Anzahl der empfangen Satelliten kann man nicht auf die Genauigkeit eines Standorts schließen.

Wie bei terrestrischen Peilungen gilt auch hier: Schneiden sich Linien im spitzen Winkel, ergibt sich ein großes Fehlerdreieck. Der Navigator spricht dann von „schleifenden Schnitten“. Im Gegensatz zur manuellen Navigation hat man bei der Satellitennavigation oft keine Möglichkeit, die Güte eines ermittelten Standorts einzuordnen. Nicht alle Geräte geben Hinweise auf die Anzahl der empfangen Satelliten und auf deren Position.

Die Genauigkeit eines Satellitenfixes ist also zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedlich hoch. Statistisch wird bei rund 95 Prozent aller Messungen eine Abweichung von 15 Metern in der horizontalen Ebene unterschritten. Das ist für die navigatorische Praxis ausreichend genau. 

Ein Signal kann von starkem Schneefall oder anderen Störungen beeinflusst werden. Auch wenn sich die Antenne unter Deck befindet, muss mit Ungenauigkeiten gerechnet werden. Letztlich gibt es auch Qualitätsunterschiede bei der Hardware. Beim Umgang mit der IBN-eigenen Navigationsapp „Seapal“ haben wir festgestellt, dass es zwischen verschiedenen Geräten deutliche Unterschiede in der Stabilität des Satellitenempfangs zu geben scheint. Ferner wird das Global Positioning System (GPS) vom US-Verteidigungministerium betrieben. Es muss jederzeit damit gerechnet werden, dass das zivile Signal in der Genauigkeit reduziert wird, wie das schon einmal der Fall war.

Gute Seemannschaft erfordert immer entsprechenden Sicherheitsabstand zu Hindernissen und Gefahrenstellen. Der Kurs muss so abgesteckt werden, dass man sich in jedem Fall auf der sicheren Seite befindet. Die Grundregeln der manuellen Navigation behalten auch im Digitalzeitalter ihre Gültigkeit. 

Rasterkarten

Das Kartenbild ist zwar nicht für die Genauigkeit der ermittelten Position verantwortlich, aber für deren Anzeige in Relation zur Topographie.

Rasterkarten (engl.: RNC, Raster Nautical Charts) enthalten das Bild einer Papierkarte. Alle darauf enthaltenen Informationen sind jederzeit sichtbar. Rasterkarten sind deshalb für ungeübte Navigatoren die bessere Wahl. 

Das Kartenbild wird in einem mehr oder weniger aufwändigen Kartographieverfahren „georeferenziert“. Das heisst, dass mindestens drei Punkte auf dem Kartenbild mit ihrer geographischen Position exakt in Deckung gebracht werden. Zwischen diesen drei Punkten treten Verzerrungen auf, weil die dreidimensionale Erdoberfläche nur näherungsweise auf einer zweidimensionalen Karte wiedergegeben werden kann. Solche Verzerrungen machen sich bei Papierkarten weniger deutlich bemerkbar als auf dem Bildschirm, weil der Standort nicht „von außen geliefert“ wird, sondern erst mit Hilfe von terrestrischen Standlinien innerhalb der Karte konstruiert wird. Die Verzerrungen werden dadurch teilweise kompensiert, weil die Peilmarke, auf die sich die Standlinie bezieht, mit hoher Wahrscheinlichkeit auch schon eine ähnliche Verzerrung aufweist. 

Letztlich erwartet man von einem mit Papier und Bleistift ermittelten Standort auch gar nicht die Präzision eines EDV-Systems. Man wird sich bei der elektronischen Navigation über die selbe, geringe Abweichung ärgern, über die man sich bei der Handnavigation freuen würde. Dass sich der geographische Unterbau beider Systeme nicht wesentlich unterscheidet, wird dabei oft übersehen.

Verzerrungen nehmen mit der Größe des von der Karte abgedeckten Gebiets zu. Wie bei einer gedruckten Karte auch, bestehen Linien auf dem Gerätedisplay aus einzelnen Bildpunkten, die größer oder auch kleiner sein können. Abhilfe bietet ein feineres Raster. Dem sind durch die Leistungsfähigkeit der Rechnersysteme aber Grenzen gesetzt. 

Mit einer gegebenen Datenmenge kann eine Karte entweder ein großes Gebiet abdecken, oder sie kann viele Details darstellen. Beides zusammen ist nicht möglich. Deshalb ist bei einer großmaßstäblichen Karte ab einer gewissen Zoomstufe nicht mehr viel zu erkennen. Eine solche Karte wird als „Übersegler“ bezeichnet und dient der weiträumigen Navigation. Ein Hafenplan, der nur eine kleine Fläche erfasst, ist dagegen viel feiner gerastert und kann eine ungleich bessere Detailtiefe darstellen und auch genauer sein. So, wie man mit dem Straßenbesen keine Zähne putzt und mit der Zahnbürste nicht den Hof fegt, kommt es darauf an, die Karte passend zur Aufgabe zu wählen. 

Eine weitere Eigenheit von Rasterkarten ist deren Generalisierung. Angenommen, auf einem Übersegler sind Seezeichen eingezeichnet, deren Symbole maßstäblich umgerechnet 200 Meter breit wären. Stehen zwei dieser Seezeichen real in 100 Meter Abstand neben einander, können sie auf der Kartendarstellung nicht an ihrer tatsächlichen Position platziert werden. Sie müssen dann zwangsweise etwas weiter auseinander rücken.

Jedenfalls gilt auch für die Arbeit mit elektronischen Rasterkarten der selbe Grundsatz wie für Papierkarten: „Vom Groben zum Feinen.“ Vom Übersegler zum Hafenplan. Wird das berücksichtigt, ist man mit Rasterkarten allen navigatorischen Anforderungen gewachsen.

Vektorkarten

Die Vektorkarte stellt ein völlig anderes technisches System dar. Im Grunde ist das keine Karte, sondern eine Datenbank, aus der permanent ein Kartenbild berechnet wird. Vektorkarten sind bei den Hardwareanforderungen weniger anspruchsvoll, weil nur jeweils diejenigen Daten verarbeitet werden müssen, die für den Bildaufbau erforderlich sind und nicht, wie bei Rasterkarten, immer der komplette Datensatz. 

Weil bei Vektorkarten kein fertiges Bild georeferenziert wird, sondern jedes Kartenelement bei jedem Bildaufbau an seiner exakten Position neu platziert wird, treten keine relevanten Verzerrungen auf. Auch die Effekte der Generalisierung fallen geringer aus, weil verschiedene Kartenelemente beim zoomen unterschiedlich skaliert werden. Die Kartendarstellung rückt mit wachsender Zoomtiefe immer näher an die realen Verhältnisse heran. 

Aber auch hier gilt: „Kein Licht ohne Schatten.“ Vektorkarten sind nicht das „bessere“, sondern das „andere“ System. Der große Vorteil, nämlich das höhere Präzisionspotential, spielt für die praktische Navigation keine wesentliche Rolle. Dafür stellen Vektorkarten höhere Anforderungen an den Navigator, seine Erfahrung und seine Sorgfalt, denn jedes Kartenelement ist mit einer bestimmten Zoomstufe verknüpft und wird nur in diesen definierten Stufen überhaupt angezeigt. Es besteht daher die reale Gefahr, dass aufgrund einer falschen Zoomstufe etwas Wesentliches übersehen wird. 

Vektorkarten sind für „Gelegenheitsnavigatoren“ eher nicht ideal, die in den allermeisten Fällen auf Sicht navigieren und nur dann, wenn sie im Nebel stecken, ernsthaft mit dem Gerät arbeiten. Ohne Routine durch permanente Übung ist das Fehlerpotential hoch und bei Fahrt ohne Sicht dürfen keine Fehler passieren. Dass selbst Profis nicht vor „klassischen“ Zoomfehlern gefeit sind, zeigte die Strandung der „Vestas“ beim letzten Volvo Ocean Race. 

Navigation am Bodensee?

Der Begriff „Navigation“ wird oft auf die reine Standortbestimmung reduziert. Daraus wird gefolgert, dass Navigation an einem Binnenrevier wie dem Bodensee nicht stattfinde. Das ist aber bestenfalls die halbe Wahrheit. 

Sicherlich findet die Standortbestimmung am Bodensee in den allermeisten Fällen „auf Sicht“ statt. Auch das ist Navigation, und zwar in der  einfachsten und gleichzeitig exaktesten Form. 

Auch das Identifizieren eines Ziels ist Navigation und auch die Ermittlung der sichersten oder schnellsten Route dort hin.

Gerade Untiefen sind nachts schlecht zu identifizieren, auch weil die jeweiligen Seezeichen nicht befeuert sind, die Befeuerung eine geringe Tragweite besitzt oder sich nicht von der Beleuchtung an Land abhebt. So ist der Rheindamm beispielsweise seit Jahren als Unfallschwerpunkt bekannt. 

Auch wer am Untersee nachts zwischen den Seezeichen 32 und 33 hindurch will, betreibt Navigation, in welcher Form auch immer. Am einfachsten geht das natürlich per GPS.

Auch wer einen sicheren Ankerplatz für die Nacht sucht, betreibt Navigation. Bei Dunkelheit ist es nicht immer einfach, die Halde genau zu lokalisieren. Die Anzeige des Echolots wird spätestens ab Juli durch eine dicke Krautschicht verfälscht oder das Instrument reagiert nur mit zeitlicher Verzögerung. Hier hilft eine elektronische Seekarte, die verlässliche Tiefenlinien enthält, anhand derer man den Haldenverlauf identifizieren kann. 

Wenn die Wysse breit ist, kann man annehmen, dass sie flach zum Ufer hin verläuft. Dann kann ein Boot mit mehr Tiefgang oberhalb der Halde ankern, während dies an einer schmaleren Stelle nicht möglich wäre. Dort bliebe tiefgangsbedingt ein zu kleiner Schwoikreis und es könnte nicht genug Geschirrlänge gesteckt werden. Bei einem Pegelstand von vier Metern und einer Bughöhe von einem Meter ergäbe sich an der Fünf-Meter-Linie eine Wasserstiefe von rund 7,50 m für die Berechnung  der Geschirrlänge. Mit dem Faktor acht kommt man  auf eine Geschirrlänge von 60 Metern. In diesem Abstand von der Ankerposition entfernt muss das Wasser noch ausreichend tief sein, damit das Boot im Wellental nicht mit seinem Kiel auf dem Grund aufsetzt, und auch die 50 Meter Mindestabstand zum Schilf müssen eingehalten werden. Auch solche Überlegungen sind Navigation und sollten vor jedem Ankermanöver angestellt werden. Ein Anker muss  eingegraben werden. Er ist kein „Saugnapf“.

Unter dem Begriff „Routenplanung“ versteht man das sorgfältige Planen eines Törns oder einer Etappe, bevor man den Hafen verlässt. Es geht es um die Berücksichtigung von Untiefen oder anderen Schifffahrtshindernissen, um verschiedene Szenarien der Wetterentwicklung, der Festlegung von etwaigen, sicher anzulaufenden Ausweichhäfen und der Berücksichtigung anderer Aspekte. 

Auch wer nur bei schönem Wetter zum baden in die nächste Bucht fahren möchte, betreibt schon Routenplanung. Sicherlich auf einem bescheideneren Niveau als der Regattasegler, der für ein gutes Resultat bei der Rund Um alle möglichen Gegebenheiten des Reviers, taktische Eventualitäten sowie die voraussichtliche Wetterentwicklung einschätzen muss. Er wird nicht nur die Koordinaten der Bahnmarken ins System eingeben und sich einen „Plan B“ zurechtlegen, falls seine Taktik nicht aufgehen sollte, sondern auch einen „Plan C“ oder gar einen „Plan D“ . Ein elektronisches Navigationssystem erlaubt es, schon vor dem Start verschiedene Fallstudien durchzuführen und Routen zu generieren,  in der Routenverwaltung abzuspeichern und je nach Situation aufzurufen und zu aktivieren.

Allgemeine Grundfunktionen

Grundelemente von Routen sind Wegpunkte. Je nach technischem System werden diese entweder einfach oder umständlich eingegeben. Diese Wegpunkte werden miteinander verbunden, damit daraus eine Route wird. Komfortable Systeme zeigen die Kursabweichung von der geplanten Route grafisch an.

Viele Systeme besitzen eine „Mann über Bord“ (MoB) -Funktion. Wird diese aktiviert, erstellt das Gerät automatisch eine Route zur Position an der die „MoB-Taste“ gedrückt wurde und führt das Boot dahin zurück.

Der Begriff Route darf nicht mit „Track“ verwechselt werden, welcher einen bereits gefahrenen und aufgezeichneten Weg darstellt.

Navigation ist, ebenso wie Schifffahrt, international. Deswegen wurden in der Navigation normierte Begriffe eingeführt, deren Übersetzung in eine Landessprache kaum sinnvoll wäre, weil alle Geräte diese Begriffe verwenden und auch als Standard in nautischer Literatur verwendet werden.

Dazu zählen zu allererst die navigatorischen Abkürzungen. Die Wichtigsten davon sollte man sich einprägen, weil man dann schneller mit einem fremden Navigationsgerät zurecht kommt. Gerade Charterer sind oft nicht in der Lage oder gewillt, sich vor jedem Törn mit  der oft komplizierten Bedienung eines Navigationssystems auseinander zu setzen.

Der Kurs über Grund wird mit COG (Course over Ground) bezeichnet. Die Geschwindigkeit über Grund heißt SOG (Speed over Ground). DTM steht für Distance to Mark, dem Abstand zu einer Markierung und das Kürzel BTM (Bearing to Mark) für die Kompaßpeilung dort hin. VMG (Velocity made Good) ist eine mathematische Funktion aus Kurs und Geschwindigkeit und beschreibt die relative Annäherung an eine Markierung, beispielsweise die Luvtonne bei einer Wettfahrt. ETM (Estimated Time to Mark) ist ebenfalls das Ergebnis einer mathematischen Berechnung und sagt die Ankunftszeit an einer Marke bei gleichbleibendem Kurs und Geschwindigkeit voraus.

Weitere Grundfunktionen bei Navigationsgeräten sind die beiden Betriebsmodi „Course up“ und  „North up“. Bei ersterem zeigt der Schiffskurs auf dem Bildschirm immer nach oben und die Karte dreht sich quasi „um das Schiff herum“. Course up wird vorwiegend in der Flußsschifffahrt verwendet. Auf dem freien Wasser bietet dagegen „North Up“ Vorteile, weil die Karte dann fest bleibt und sich die Kurs-Voraus-Linie bewegt. 

Welche Geräte gibt es?

Es ist noch gar nicht lange her, da  galten Funkpeilsysteme wie Loran oder Decca als unerhört fortschrittlich. Beide Systeme funktionierten aber nur in Küstennähe. Omega war ein landgestütztes System, das weltweit funktionierte, aber unerschwinglich teuer und die Geräte sehr klobig waren. 

Etwa zur gleichen Zeit stieg man auf satellitengestütze Systeme um. Zunächst war das „Transit“ und seit den siebziger Jahren wurde GPS ausgebaut. Mittlerweile ist die dritte Satellitengeneration in Betrieb und erst seit GPS kann die gewohnt hohe Genauigkeit erreicht werden. 

Wer sich Anfang der neunziger Jahre  einen der ersten GPS-Empfänger leisten wollte, musste  mehrere tausend Mark auf den Ladentisch legen. Als der Autor Anfang der neunziger Jahre das erste Mal einen Magellan 1000, eines der ersten tragbaren Geräte für den zivilen Bereich ehrfürchtig in die Hand nahm, war auch immer noch ein Walker-Schlepplog und ein Sextant an Bord, weil man diesen Geräten eine höhere Zuverlässigkeit zutraute. 

Die ersten GPS-Empfänger zeigten außer Länge und Breite nicht viel an. Damit ging man als beobachteter Ort in die Papierkarte und traute dem gegissten Ort Anfangs eine höhere Zuverlässigkeit zu.

Als wenige Jahre später Kartenplotter im Taschenformat erhältlich waren, kosteten diese Geräte nur noch einen Bruchteil des Magellan. 

Die Navigation mit Laptop und GPS-Maus ist schon fast wieder „Schnee von Gestern“ seit es Programme für Tablet oder Smartphone gibt. Diese Apps können sehr leistungsfähig und einem physischen Kartenplotter in der Bedienungsfreundlichkeit überlegen sein. Ihr Nachteil liegt hauptsächlich in der Ablesbarkeit bei greller Sonne, aber da braucht man auf den meisten Revieren ohnehin keine permante Kartenbeobachtung in der Plicht. Unter Deck sind die Geräte dagegen gut ablesbar. Mit preiswerten  Gehäusen werden diese bei vollem Leistungsumfang wetterfest. 

Wer die Anschaffung eines digitalen Navigationsgeräts plant, sollte in seine Überlegungen nicht nur die Hardware einbeziehen, sondern auch die Qualität der erhältlichen Karten für das geplante Revier betrachten.