Radaranlagen können sich auf Segelyachten nach wie vor als äußerst nützlich erweisen. Zumal sie in den letzten Jahren umfangreiche Weiterentwicklungen erfahren haben, wodurch sich ihre Attraktivität für den Einsatz auf Sportbooten deutlich gesteigert hat.
Die einen lieben es und würden keineswegs darauf verzichten wollen – andere fragen sich, ob das altgediente Radar im Zeitalter von GPS, AIS (automatischen Schiffsidentifizierungssystems) sowie Seekartenplottern und -apps nicht längst überholt ist. Immerhin ist die Installation einer Radaranlage mit einigem Aufwand und beachtlichen Kosten verbunden. Da sollte auf der anderen Seite schon ein entsprechender Nutzwert stehen.
Tatsächlich zählt das Radar nach wie vor zu den exaktesten und verlässlichsten Navigationssystemen. Wenn eine Seemeile querab an Steuerbord das Echo einer Ansteuerungstonne erscheint, dann befindet sich dieses Seezeichen auch genau dort. Für diese Erkenntnis bedarf es weder klarer Sicht, noch einer optimalen Satellitenkonstellation oder einer aktuellen elektronischen Seekarte, und das Ganze lässt sich auch nicht von außen manipulieren.
Gleichzeitig ist das Radar in der Lage, die Position und Bewegung anderer Schiffe abzubilden, ohne dass diese aktiv etwas dazu beitragen müssen. Sie brauchen im Gegensatz zum AIS nicht selbst entsprechende Daten auszusenden und man muss auch nicht auf deren Verlässlichkeit vertrauen. Und solange immer noch zahlreiche Sportboote, Fischer und andere kleinere Fahrzeuge auf den Betrieb eines AIS-Transceivers verzichten, liefert das AIS eben nur ein lückenhaftes Abbild des Verkehrsgeschehens.
Hinzu kommt die hohe Aktualität von Radardaten: Ein Radarbild ist immer nur maximal einen Antennenumlauf alt. Selbst bei einer relativ langsam drehenden Antenne mit 20 Umdrehungen pro Minute (U/Min) erfolgt alle drei Sekunden ein Update des Radarbildes. Beim AIS dauert es bis zur nächsten Positionsmeldung eines Sportbootes in Fahrt zehn Mal so lange (Sendeintervall Class-B-SO-Transponder bei zwei bis 14 Knoten Fahrt: 30 Sekunden), bei sehr langsamen Booten sogar mehrere Minuten.
Ungebrochener Praxisnutzen
In der Praxis wird das Radar vor allem dann zum wertvollen Begleiter, wenn die Navigation und Verkehrsbeobachtung nach Sicht nur mehr eingeschränkt möglich ist oder etwaige Unsicherheiten birgt. Das trifft auf verminderte Sicht – unter anderem bei Nebel und dickem Wetter – ebenso zu, wie beispielsweise auf nächtliche Begegnungen mit anderen Fahrzeugen, deren Lichterführung Rätsel aufgibt. Ein Blick aufs Radar liefert Aufschluss darüber, ob und in welche Richtung sowie mit welcher Geschwindigkeit sich das betreffende Fahrzeug bewegt.
Bei unsichtigem Wetter allein nach Seekartenplotter durch ein betonntes Fahrwasser zu lotsen, birgt derweil diverse Unsicherheitsfaktoren: Sind die Tonnenpositionen in der elektronischen Seekarte korrekt verzeichnet? Liegen die Tonnen weiterhin auf der angegebenen Position? Reicht die aktuelle Positionsgenauigkeit und -verlässlichkeit meines Satellitennavigationssystems (GNSS) gerade aus, um mich gefahrlos nahe an der Steuerbordseite des Fahrwassers zu halten, ohne ins Flachwasser zu geraten oder mit einer Tonne zu kollidieren? Die auf dem Radarbild dargestellte Position der Tonnenechos steht hingegen außer Zweifel.
Und selbst bei klarer Sicht können immer wieder Situationen eintreten, in denen sich ein zusätzlicher Blick aufs Radar als hilfreich erweist. Zum Beispiel, um nachts unbeleuchtete Seezeichen und Einmündungen aufzuspüren, oder um die Zugrichtung von Unwetterfronten zu verfolgen. Auch dazu nutzen vor allem Blauwasserseglerinnen und -segler gern das Radar. Und nicht zuletzt stellt das Radar in der Küstennavigation auch ein „Backupsystem“ zur Satellitennavigation bereit, was im Zeitalter von „GPS-Jammern“ und „Spoofing“ durchaus ebenfalls relevant werden kann.
Funktionsprinzip von Radarscannern
Die Kernkomponente jeder Radaranlage bildet die Antenne, die auch als Radarscanner bezeichnet wird. Sie sendet in rascher Folge elektromagnetische Signale aus. Diese breiten sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, also mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde. Wird das Signal von einem Ziel reflektiert, zum Beispiel von einem anderen Schiff, einem Seezeichen oder einer Uferkante, lässt sich anhand Laufzeit des Signals die Entfernung zum Ziel berechnen.
Das Ganze funktioniert also ähnlich wie bei der Koppelnavigation: Kenne ich die verstrichene Zeitspanne zwischen dem Aussenden und dem Empfang des reflektierten Signals sowie dessen Geschwindigkeit, kann ich die zurückgelegte Strecke berechnen. Die Hälfte der zurückgelegten Strecke entspricht der Entfernung des Ziels, denn das Signal muss ja den Weg bis zum Ziel und wieder zurück zur Antenne zurücklegen.
Obendrein wird die Radarantenne mittels eines Elektromotors kontinuierlich gedreht, um die gesamte Umgebung „abscannen“ zu können. Die Richtung, in welche die Antenne beim Empfang eines reflektierten Signals zeigt, entspricht der Peilung zum Ziel. Angesichts der extrem hohen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale hat sich die Antenne seit dem Aussenden des Signals ohnehin nicht nennenswert weitergedreht.
Kuppeln und Balken
Radarantennen finden sich auf Sportbooten in zwei unterschiedlichen Varianten: als geschlossene Kuppelantennen, die auch als Radome bekannt sind, sowie als frei drehende Balkenantennen. Letztere werden auch als „Schlitzstrahler“ oder „Open Array Radarscanner“ bezeichnet und sind in aller Regel deutlich größer und schwerer als yachtübliche Radome. Deshalb trifft man sie auf Segelyachten eher selten an. Zumal dort auch die latente Gefahr besteht, dass der frei drehende Antennenbalken mit den Segeleinrichtungen unklar kommen könnte.
In einem geschlossenen Radom ist die rotierende Antenne hingegen geschützt untergebracht. Allerdings lässt sich mit diesem Antennentypus nicht dasselbe Auflösungsvermögen realisieren, wie es größere Balkenantennen bieten.
Antennengröße und Peilgenauigkeit
Der Knackpunkt besteht in der horizontalen Bündelung des Radarstrahls. Um ein Ziel exakt peilen zu können, müsste man eigentlich ein punktförmig fokussiertes Signal ähnlich wie mit einem Laserpointer aussenden. Leider fächert sich ein Radarstrahl mit zunehmender Entfernung zur Antenne jedoch immer weiter auf.
Im Gegensatz zu einem schnurgeraden Laserstrahl gleicht das Strahlungsdiagramm einer Radarantenne von oben betrachtet mehr einer Keulenform, weshalb man auch von einer „Radarkeule“ spricht. Das Ganze ließe sich somit eher mit einer Taschenlampe vergleichen: Leuchte ich damit eine Wand an und gehe ein paar Schritte zurück, wird der auf die Wand projizierte Lichtkegel immer größer. Auch die Radarkeule wird mit zunehmender Entfernung immer breiter.
Das Ausmaß der seitlichen Streuung hängt vom horizontalen Öffnungswinkel der Antenne ab, der wiederrum mit der Antennengröße in Zusammenhang steht. Große Balkenantennen mit einer Balkenlänge von mindestens 1,2 Metern erreichen eine horizontale Bündelung von weniger als 2 Grad. Kompakte Radomantennen mit einem Durchmesser von weniger als 50 Zentimetern weisen demgegenüber einen horizontalen Öffnungswinkel von über 5 Grad auf.
Das hat Auswirkungen auf die Zeichengenauigkeit und das Zieltrennungsvermögen der Radaranlage. Bei einem Öffnungswinkel von 5 Grad wird jedes punktförmige Ziel – zum Beispiel eine Spierentonne – nicht als Echopunkt, sondern als 5 Grad breiter Echobogen auf dem Bildschirm dargestellt. Denn von diesem Ziel wird beim Überstreichen ja auch über die gesamte Bereite der Radarkeule Energie reflektiert. In Fachkreisen nennt man diesen Effekt „azimutale Verformung“ (Azimut = Richtung).
Da sich die Radarkeule mit zunehmender Entfernung immer weiter auffächert, hängt das räumliche Ausmaß der azimutalen Verformung vom Abstand zum Ziel ab. In entsprechender Entfernung können bei einem großen Antennenöffnungswinkel ganze Flussmündungen, Buchten und Hafeneinfahrten im Radarbild verschwinden, weil sich die Echos der gegenüberliegenden Ufer aufgrund der starken azimutalen Ausdehnung gegenseitig überlagern und somit einen durchgehenden Küstenverlauf vorgaukeln.
Elektronische Zieltrennung
Wer dies vermeiden möchte und Wert auf eine hohe horizontale, beziehungsweise azimutale, Auflösung legt, wird zu einer entsprechend großen Antenne greifen müssen. Zumindest, was die physikalische Auflösung angeht.
Hochwertige moderne Radarscanner nutzen mittlerweile aber auch leistungsfähige Elektronik, um das Zieltrennungsvermögen zu verbessern. Digitale Signalprozessoren analysieren die reflektierten Signale, woraus sich – vereinfacht beschrieben – Rückschlüsse auf die wahrscheinliche Beschaffenheit ziehen lassen. So nimmt zum Beispiel die ausgestrahlte Energiedichte naturgemäß zu den Seiten der Radarkeule hin ab.
Gern wird in diesem Zusammenhang auch von „HD-Radaranlagen“ gesprochen (HD = „High Definition“, also „hohe Auflösung“). Mit einer ausgeklügelten digitalen Schärfung des Radarbildes – auch als „Beam Sharpening“ bekannt – lassen sich selbst mit Radomantennen moderater Größe erstaunlich gute Ergebnisse erzielen.
Das setzt allerdings eine entsprechend hochwertige und aktuelle Gerätetechnik an Bord voraus – in dieser Hinsicht kann sich eine Neuinstallation durchaus auszahlen.
Impulslänge und Entfernungsauflösung
Noch größere Fortschritte hat die technische Weiterentwicklung bei der Entfernungsauflösung erzielt. Hier vermögen aktuelle Halbleiterradaranlagen ganz neue Maßstäbe zu setzen.
Während bei den früher üblichen Impulsradaranlagen zur Signalerzeugung ein sogenanntes Magnetron (eine Art Elektronenröhre) zum Einsatz kam, das erst einmal auf Betriebstemperatur aufwärmen musste, setzen moderne Radaranlagen auf eine digitale Signalerzeugung und -auswertung mittels Halbleitertechnologie (englisch: „solid state“). Sie sind dadurch nicht nur sofort nach dem Einschalten einsatzbereit, sondern realisieren auch eine höhere Zeichengenauigkeit.
Hintergrund: Konventionelle Impulsradaranlagen senden ihre Signale in Gestalt mehr oder weniger kurzer Impulse aus. Die Länge der Impulse hängt vom eingestellten Mess- beziehungsweise Entfernungsbereich ab. Denn vereinfacht betrachtet kann man davon ausgehen, dass sich mit einem längeren Impuls auch mehr Energie aussenden lässt. Das ist für eine Zielerfassung in größerer Entfernung auch nötig, da ein erheblicher Teil der ausgesendeten Energie auf dem Weg zum Ziel und wieder zurück zur Antenne verloren geht. Hinzu kommen die zunehmende Streuung des Radarsignals und Verluste bei der Reflexion.
Lange Impulse wirken sich allerdings nachteilig auf das Auflösungsvermögen aus. Sende ich beispielsweise für die Dauer von einer Mikrosekunde (Millionstelsekunde), würde das ausgesendete Signal eine räumliche Länge von rund 300 Metern aufweisen (300.000 km/Sek x 0,000001 Sek = 0,3 km). Wird dieses Signal von einem Ziel reflektiert und gelangt zurück zur Antenne, würde über die gesamte Signaldauer eine Zielerfassung erfolgen. Konsequenz: Das Echo des Ziels wird auf dem Radarbild entsprechend in die Länge gestreckt – und zwar um die halbe Impulslänge (bei der Entfernungsmessung wird ja die halbe Signallaufzeit angesetzt), im Beispiel also um 150 Meter.
Man nennt diesen Effekt auch „radiale Ausdehnung“. Er kann dazu führen, dass sich die Echoanzeigen hintereinanderliegender Ziele gegenseitig überdecken. Somit sind der praktikablen Impulslänge entsprechende Grenzen gesetzt. Eine Impulslänge von einer Mikrosekunde kommt bei einem konventionellen Impulsradar bereits einem recht langen Impuls gleich.
Um trotzdem hinreichend Energie auf den Weg zu bringen, wird zugleich mit einer sehr hohen Impulsleistung gearbeitet. Bei yachtüblichen Impulsradaranlagen sind Sendeleistungen von 2.000 bis 6.000 Watt durchaus gängig. Deshalb gilt der Aufenthalt im Abstrahlbereich solcher Anlagen als gesundheitsgefährdend. Hinzu kommt ein stattlicher Stromverbrauch.
Neue Radartechnologien durchbrechen alte Grenzen
Aktuelle Halbleiterradare für den Yachtbereich stoßen mit einer durchschnittlichen Sendeleistung von gerade einmal 20 bis 60 Watt in dieselben Reichweiten vor wie ihre konventionellen Vorgängerprodukte. Dies sorgt für eine vernachlässigbare Strahlungsbelastung und einen genügsamen Stromverbrauch.
Die Leistungsaufnahme liegt bei entsprechenden Radom-Modellen je nach Ausführung zwischen 20 und 40 Watt (Sendebetrieb). Wobei ein nicht unerheblicher Teil davon der benötigten Rechenleistung geschuldet sein dürfte. Denn für die ausgeklügelte Signalauswertung bedarf es einer beachtlichen Rechenleistung – was ein Grund dafür sein mag, dass solche Radare erst in jüngerer Zeit auf den Markt kamen.
Ihr eigentlicher Clou besteht in der Frequenzmodulierung der ausgesendeten Signale. Man kann sich das Ganze wie ein Tonsignal vorstellen, dessen Tonhöhe beständig variiert – von einem tiefen Brummen bis zu einem hohen Fiepen. Wenn ich mir merke, wann ich das hohe Fiepen ausgesendet habe, kann ich die Zeit messen, bis ich das Echo eines solchen Tons empfange. Wobei beim Halbleiterradar natürlich keine Töne, sondern elektromagnetische Signale mit beständig wechselnder Frequenz ausgesendet werden.
Das macht die Entfernungsauflösung unabhängig von der Impulslänge. Oder anders ausgedrückt: Ich kann nun sehr lange Signale aussenden, um mir entsprechende energetische Vorteile zunutze zu machen, ohne dass die Entfernungsauflösung darunter leidet. Eine radiale Streckung der Echoanzeigen entsprechend der Signallänge findet nicht mehr statt. Die radiale Auflösung der meisten modernen Halbleiterradaranlagen liegt im Bereich nur weniger Meter.
Vielfältiges Angebot
FMCW-Radare (FMCW = „Frequency Modulated Continous Wave“) geben sogar ein dauerhaftes Signal ab, wofür es jeweils einer separaten Sende- und Empfangsantenne auf dem rotierenden Balken bedarf. Inzwischen hat sich allerdings das Pulskompressionsverfahren bei aktuellen Yachtradaranlagen durchgesetzt.
Tatsächlich senden auch aktuelle Pulskompressionsradaranlagen ihre Signale in Gestalt von Impulsen aus. Allerdings werden gerade für größere Entfernungsbereiche eben deutlich längere Signale als bei konventionellen Impulsradaranlagen ausgesendet. Die Sendedauer beträgt bis zu mehreren Mikrosekunden.
Pulskompressionsradare sind in diversen Ausführungen vom kompakten Radom bis zum ausgewachsenen „Open Array Scanner“ erhältlich – je nach Anspruch, Platzverhältnissen und Geldbeutel. Nahezu alle bekannten Markenanbieter haben mittlerweile entsprechende Produkte im Programm. Und viele unterstützen obendrein eine digitale Zieltrennung (auch wenn sie sich nicht mehr explizit als „HD Radar“ bezeichnen).
Ein weiterer Vorzug der modernen Radarscanner besteht in ihrem vergleichsweisen geringen Gewicht und dem moderaten Preisgefüge. Marken-Radome sind bereits für 2.500 bis 3.000 Euro zu bekommen. Das liegt auch daran, dass heute Radarscanner und -bildschirm keine verschworene Einheit mehr bilden.
Neue Wege bei der Auswertungselektronik
Zur Radarbildauswertung kommen schon seit längerem vorzugsweise Multifunktionsdisplays (MFDs) zum Einsatz, die ebenso als Seekartenplotter, grafisches Echolot (Fishfinder), AIS-Bildschirm, Instrumentendisplay und mehr fungieren. Das erlaubt unter anderem eine Zusammenführung der verschiedenen Daten – zum Beispiel in Gestalt eines Radarbild-Overlays über der elektronischen Seekarte oder einer AIS-Zieleinblendung auf dem Radarbild.
Der Radarscanner kommt dann als reine Blackbox-Gebereinheit daher. Hier gibt es allerdings selten eine herstellerübergreifende Kompatibilität. Das heißt: Radarscanner und MFD sollten aus derselben Familie stammen – das bedeutet nicht nur vom selben Hersteller, sondern auch aus kompatiblen Modellreihen. Denn auch bei der Anbindung des Radarscanners kommen unterschiedliche Schnittstellen und Standards zum Tragen.
Zusatznutzen durch kompatible Peripherie
Einige Pulskompressionsradare weisen die Zusatzbezeichnung „Doppler-Radar“ auf. Sie berücksichtigen obendrein den sogenannten Doppler-Effekt, den man auch von Schallwellen kennt: Nähert sich ein Fahrzeug mit Martinshorn dem eigenen Standort an, klingt es anders, als wenn es sich von einem entfernt. Das liegt daran, dass die Schallwelle in einem Fall gestaucht und im anderen gestreckt wird.
Dasselbe passiert im Prinzip mit der vom Radar ausgesendeten elektromagnetischen Welle, wenn sie von einem sich annähernden oder einem sich entfernenden Ziel reflektiert wird. Radare mit Doppler-Funktion erkennen diesen Effekt, so dass diese Ziele auf dem Radarbild entsprechend markiert werden können – zum Beispiel die Echos von sich annähernden Fahrzeugen in Rot und von sich entfernenden Fahrzeugen in Grün. Gefährliche und ungefährliche Ziele sind somit auf einen Blick zu identifizieren.
Dafür bedarf es neben eines Doppler-fähigen Radar-Scanners allerdings auch eines kompatiblen MFDs und eines angebundenen elektronischen Richtungsgebers (Kompass). Dies gilt ebenso für die Nutzung der sogenannten MARPA-Funktion. Das Kürzel steht für „Mini Automatic Radar Plotting Aid“. Es erledigt quasi die Aufgaben, die früher mittels zeichnerischem Radarplotten gelöst wurden. Dafür muss das Radar beziehungsweise das MFD aber eben wiederum auf die aktuellen Bewegungsdaten der eigenen Yacht zugreifen können.
Die Anbindung eines elektronischen Richtungsgebers erschließt ebenso eine nordausgerichtete („North Up“) und eine kursstabilisierte Radarbilddarstellung („Course Up“). Standardmäßig ist ein Radarbild derweil auf recht voraus („Head Up“) ausgerichtet, was bei starkem Gieren oder ungenauem Steuern zu einem Verwischen der Darstellung führen kann.
Fazit
Modernen Radartechnologien vermögen mehr Nutzen denn je zu bieten. Wobei vom technischen Fortschritt insbesondere Eigner profitieren, die nur eine vergleichsweise kleine Radomantenne mit einem Durchmesser von vielleicht 50 bis 60 Zentimetern unterzubringen vermögen. Ihnen stehen nun deutlich überzeugendere Kompromisslösungen zwischen Preis und Leistung zur Auswahl.
Text: Sven M. Rutter