Handbuch für die Schiffsführung

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2 Müller /Krauß Handbuch für die Schiffsführung Fortgeführt von Martin Berger t Walter Helmers Karl Terheyden Gerhard Zickwolff Achte, neubearbeitete und erweiterte Auflage in 3 Bänden Springer-V erlag Berlin Heidelberg GmbH 1983

3 Band 1 Navigation Teil B Mathematik, Magnet- und Kreiselkompaß, sonstige Kreiselgeräte, Selbststeuer, Trägheitsnavigation, astronomische Navigation, Gezeitenkunde Herausgegeben von Karl Terheyden Gerhard Zickwolff Unter Mitarbeit von K. Heinz Cepok, Ludwig Hangen, Wolfgang Kohl, Hans Joachim Kunze, Hans-Rüdiger Uhlig Mit 124 Bildern Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1983

4 Dr.-Ing. Karl Terheyden Kapitän, Professor, Oberseefahrtschuldirektor a.d. Walter-Delius-Str. 52, 2850 Bremerhaven I Dr. Gerhard Zickwolff Präsident und Professor des Deutschen Hydrographischen Instituts Sülldorfer Kirchenweg 35, 2000 Harnburg 55 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Müller. Johannes: Handbuch für die Schiffsführung : in 3 Bd. I Müller ; Krauss. Fortge( von Martin Berger... Teilw. mit d. Erscheinungsorten: Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH. NE: Krauss, Joseph:; Berger, Martin [Bearb.] Bd. I.- Navigation Navigation I hrsg. von Kar! Terheyden ; Gerhard Zickwolff. (Handbuch für die Schiffsführung I Müller ; Krauss ; Bd. I) NE: Terheyden, Kar! [Hrsg.] Teil B. Mathematik, Magnet- und Kreiselkompass, sonstige Kreiselgeräte, Selbststeuer, Trägheitsnavigation, astronomische Navigation, Gezeitenkunde I unter Mitarb. von K. Heinz Cepok , neubearb. u. erw. Aufl ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Cepok, K. Heinz [Mitverf.] Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des 54, Abs. 2 UrhG werden durch die,verwertungsgesellschaft Wort', München, wahrgenommen. by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1925, 1938, 1949, 1956, 1961, 1970 and 1983 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo 1983 Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1983 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Hande1snamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gesamtherstellung: Graphischer Betrieb Konrad Triltsch, Würzburg

5 Vorwort zum Band 1 B Im Jahre 1911 gab Johannes Müller das jetzt unter dem Namen MÜLLER/ KRAUSS bekannte Handbuch der Schiffsführung zum ersten Mal heraus. Von der 2. Auflage (1925) an war Joseph Krauß Mitherausgeber. Beiden zu Ehren soll das Werk weiterhin ihre Namen tragen. Bei der 3. Auflage (1938) trat Martin Berger als Mitherausgeber hinzu und war bis zu seinem Tode am 19. Januar 1978 Motor des Werkes. Seit der 6. Auflage sind Walter Helmers und Dr.-Ing. Karl Terheyden Mitherausgeber. Bei der nun vorliegenden 8. Auflage ist Dr. Gerhard Zickwolff Mitherausgeber des Bandes 1. Die Weiterentwicklung und die vielen Innovationen auf allen Gebieten der navigatorischen Schiffsführung machten die Erweiterung und völlige Neubearbeitung des Bandes 1 notwendig; zusätzliche Wissensgebiete mußten aufgenommen werden. Daher erscheint Band I der 8. Auflage in drei Teil bänden. Der Band I A enthält die Kapitel Richtlinien für den Schiffsdienst, Gestalt der Erde, Seekarten und nautische Bücher, terrestrische Navigation, Wetterkunde und eine Formelsammlung für die terrestrische Navigation. Der vorliegende Band I B behandelt die Mathematik, den Magnet- und Kreiselkompaß, die sonstigen Kreiselgeräte für die Navigation, das Selbststeuer, die Trägheitsnavigation, die astronomische Navigation, die Gezeitenkunde und enthält eine Formelsammlung für die Kompaßkunde, Gezeitenkunde und astronomische Navigation. Band I C umfaßt die Themen Funkpeilwesen, Hyperbelnavigation, Radar, integrierte Navigation, Physik, Datenverarbeitung und eine Formelsammlung für die Funknavigation. Dozenten der nautischen Ausbildungsstätten und Mitarbeiter der für die Seefahrt tätigen Institute wirkten bereitwillig an der Neugestaltung mit. Im vorliegenden Band I B überarbeiteten K. Heinz Cepok Ludwig Hangen Wolfgang Kohl Hans Joachim Kunze Hans-Rüdiger Uhlig Kap.6 Kap.l.7 Kap.3 Kap.5 Kap. 2.I (siehe auch Inhaltsverzeichnis). Ihnen gebührt Dank für die Mühen in ihrer Freizeit. Ebenso gebührt Dank dem Deutschen Hydrographischen Institut, dem Seewetteramt, allen Reedereien und sonstigen Firmen, die die Autoren mit Rat und Material unterstützten.

6 VI Vorwort zu Band 1 B Das Werk befindet sich auf dem neuesten Stand des Wissens, der Technik sowie der Gesetze, Verordnungen und Verträge. Zum besseren Verständnis wurde gelegentlich die geschichtliche Entwicklung aufgezeigt. Erstmalig wurden die Benennungen, Abkürzungen, Formelzeichen und graphischen Symbole verwendet, die für die Navigation in See- und Luftfahrt nach DIN vorgesehen sind; bei Drucklegung dieses Buches lag das Druckmanuskript der Norm (Stand Mai 1982) vor, so daß die endgültige Fassung der Norm noch geringfügige Änderungen aufweisen kann. Im vorliegenden Band 1 B gelten die Beispiele für die astronomische Navigation (Kap. 4), falls Jahrbuchgrößen in ihnen verwendet werden, für den 7. und 8. Mai Die beiden zugehörigen Tagesseiten des Nautischen Jahrbuches 1982 sind in diesem Band abgedruckt (Kap ). Ebenso ist das zur Berechnung der Gezeiten (Kap. 5) benötigte Tafelwerk beigefügt. Auf das umfangreiche Sachverzeichnis am Ende des Bandes wird besonders hingewiesen. Darin sind zur Erleichterung des Gebrauchs einige im Text verwendete Begriffe zusätzlich noch durch andere in der Praxis ebenfalls übliche Ausdrücke bezeichnet. Das Buch soll in erster Linie der Bordpraxis in allen Fahrtbereichen dienen. Es wird aber auch an Land Nutzen bringen, insbesondere den Reederei-Inspektoren, den Mitarbeitern der Schiffahrtsbehörden und sonstigen Schiffahrtsinstitutionen, nicht zuletzt den Dozenten und Studenten an den nautischen Ausbildungsstätten. Die Verfasser wissen, wie wenig freie Zeit die Nautiker heutzutage haben. Wenn sie trotzdem bitten, ihnen Verbesserungsvorschläge - möglichst formlos - mitzuteilen, so geschieht dies, um das Standardwerk der Schiffsführung immer vollkommener werden zu lassen (Anschriften der Herausgeber siehe Seite IV). Bremerhaven und Hamburg, im August 1983 Karl Terheyden Gerhard Zickwolff

7 Inhaltsverzeichnis 1 Mathematik Arithmetik Ordnungszeichen Gleichheit und Ungleichheit Elementare Rechenoperationen Elementare Geometrie Benennung der Zahlen (Zahlenarten) 4 Vorzeichenregeln für das Rechnen mit relativen Zahlen - Hierarchie - Allgemeine Zahlen - Mittelbildung - Grenzwerte Null und Unendlich - Regeln flir das Auflösen von Klammerausdrücken Potenzen und Wurzeln Logarithmen Taschenrechner Das rechtwinklige Koordinatensystem, graphische Darstellung von Funktionen Auflösen von Gleichungen Bestimmungsgleichungen - Gemischtquadratische Gleichungen - Gleichungen ersten Grades mit zwei Unbekannten- Verhältnisgleichungen (Proportionen) Prozentrechnung, Zins- und Zinseszinsrechnung Planimetrie Bogenmaß Segelberechnung Die Kegelschnitte als geometrische Örter Stereometrie Trigonometrie Ebene Trigonometrie 19 Die trigonometrischen Funktionen- Grenzwerte, Vorzeichen und besondere Werte der Funktionen- Funktionen negativer, stumpfer und überstumpfer Winkel - Funktionen kleiner Winkel- Einige goniometrische Formeln Berechnung schiefwinkliger ebener Dreiecke Sphärische Trigonometrie Rechtwinklige sphärische Dreiecke - Schiefwinklige sphärische Dreiecke

8 VIII Inhaltsverzeichnis 1.5 Vektorrechnung Addition und Subtraktion von Vektoren Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar Komponentenzerlegung Skalares (inneres) Produkt Vektorprodukt (vektorielles oder äußeres Produkt) Infinitesimalrechnung Differentialrechnung 26 Rechenregeln Integralrechnung. 28 Rechenregeln 1.7 Fehlertheorie Grundlagen Zweidimensionale Fehlerverteilung Verwandlung von Meter in englische Längenmaße und umgekehrt Das griechische Alphabet Römische Zahlen Magnetkompaß, Kreiselkompaß und sonstige Kreiselgeräte für die Navigation, Selbststeuer Der Magnetkompaß Vorbemerkungen Abkürzungen, Formelzeichen und Benennungen Lehre von den Ablenkungen des Magnetkompasses Erdmagnetismus - Entstehung der Ablenkung (Deviation) - Bestimmung der Magnetkompaßablenkung - Allgemeine Ablenkungsformel - Schwächung der Feldintensität - Krängungsablenkung - Änderung der Ablenkung durch Blitzschlag, Magnetkräne und Eisenladungen Kompaßregulierung Behördliche Vorschriften - Koeffizienten und Krängungsfaktor (Zusammenstellung) - Durchfiihrung der KompaSregulierung - Getrennte Kompensation von B 1 und B 2 - Nachregulierung während der Reise - Aufstellen der Ablenkungstafel (Deviationstabelle) - Verbesserung der Ablenkungstafel nach Breitenänderung - Deviationstagebuch - Elektrische Botmagnetisierung eiserner Schiffe und MES Der Magnetkompaß, seine Aufstellung, Prüfung und Behandlung Schwimmkompaß - Kugelkompaß - Peilgeräte - Aufstellung des Magnetkompasses an Bord - Ausrüstung mit Magnetkompassen - Prüfung von Magnetkompassen - Nachprüfung der Kompasse an Bord - Behandlung der Kompasse an Bord - Ursachen fiir schlechte Einstellung oder Unruhigwerden der Rose - Magnetfemkompaßanlagen Größen und Einheiten im Magnetkompaßwesen Tabellen fiir D-Kugeln und Flindersstangen

9 Inhaltsverzeichnis IX 2.2 Der Kreiselkompaß Geschichtliches und Grundlagen der Kreiselmechanik Richtunghaltendes Kreiselgerät- Kurskreisel Der meridiansuchende Kreisel Fahrt-, Beschleunigungs- und Schlingerfehler 73 Fahrtfehler und Fahrtfehlerberichtigung- Beschleunigungsfehler - Schlingerfehler Kreiselkompaßfehlweisung Schiffskreiselkompasse 78 Einkreiselkompasse Aufstellung, Prüfung und Behandlung des Kreiselkompasses Sonstige Kreiselanlagen für die Navigation Der Wendekreisel und seine Anwendung Die Hubmeßanlage Die 3a.chsig gestützte Plattform Das Selbststeuer Allgemeines Das Reglerprinzip Elektronische Selbststeuer und ihr Aufbau 98 3 Trägheitsnavigation (lnertialnavigation) 3.1 Das Grundprinzip Das Inertial-Navigations-System Prinzipieller Aufbau Stabilisierte Plattform (Inertiale Meßeinheit) Rahmenanordnung- Stabilisierung Kreisel Beschleunigungsmesser Sonstige Plattformkomponenten Rechner Bedien- und Anzeigegerät Schnittstellenelektronik Stromversorgungseinheit. 3.3 Die Plattformorientierung Horizontale Orientierung Azimutorientierung... Nordweisende Ausrichtung- Wanderazimutausrichtung Der Betriebsablauf Anfangsausrichtung Navigation 3.5 Allgemeine Vor- und Nachteile der Trägheitsnavigation 3.6 Anwendung in der Schiffahrt Astronomische Navigation lll Koordinatensystem des wahren Horizonts - Begriffe, Benennungen und Abkürzungen

10 X Inhaltsverzeichnis 4.2 Koordinatensystem des Himmelsäquators - Begriffe, Benennungen und Abkürzungen Bewegung der Weltkörper Erdbewegung Die Planeten und ihre Bewegungen Die Mondbewegung Winkelmeßinstrumente Ausrüstung mit Spiegelinstrumenten, ihre Prüfung und Kontrolle Gebrauch und Behandlung des Sextanten Künstlicher Horizont Ausfti.hrungsformen des Sextanten Schiffszeit Einheiten und Schreibweise von Zeitpunkten und Zeitspannen Begriffe, Benennungen und Abkürzungen Zeitskalen Chronometer Bestimmung der Chronometerstandberichtigung und der Chronometergangberichtigung Gesetzliche Zeiten und Überschreiten der Datumsgrenze Umwandeln der Zeiten Verbesserung der beobachteten Kimmabstände Graphische Symbole und Abkürzungen fti.r Gestirne, Sextautahlesungen und Kimmabstände Die Einzeiheschickungen vom Kimmabstand auf die wahre Höhe Kimmtiefenmessung und Kimmtiefenmesser Anmerkungen zu Höhenmessungen Das nautische Grunddreieck Formeln fti.r die Höhen- und Azimutberechnung mittels elektronischer Taschenrechner Das Nautische Jahrbuch Auszug aus dem Nautischen Jahrbuch Berechnung der nautisch-astronomischen Ephemeriden Kleinrechner fti.r die astronomische Navigation Berechnung des Ortsstundenwinkels und der Zeit Berechnung des Ortsstun_denwinkels mit Hilfe des Nautischen Jahrbuches Berechnung des Ortsstundenwinkels aus Breite, Deklination und Höhe- Zeitbestimmung Sonderfälle der Berechnung des Ortsstundenwinkels Berechnung der Durchgangszeiten der Gestirne durch den Meridian (Kulminationszeiten) Vorausberechnung der Meridiandurchgangszeiten von Fixsternen während der Dämmerung 167

11 Inhaltsverzeichnis XI 4.12 Berechnung des wahren Auf- und Untergangs der Gestirne Berechnung des sichtbaren Auf- und Untergangs der Sonne und des Mondes Berechnung der Dämmerungszeiten Bestimmung des Namens eines unbekannten Sterns Identifizierung der Fixsterne und Planeten Bestimmung des Azimuts eines Gestirns Zeitazimut Höhenazimut Höhenzeitazimut Azimut eines Gestirns beim wahren Auf- und Untergang Astronomische Kompaßkontrolle Berechnung der Höhe eines Gestirns Sonderfälle der Höhenberechnung 182 Höhe des Gestirns im oberen und unteren Meridian- Nordsternhöhe - Höhe eines Gestirns im Sechsuhrstundenkreis, im Ersten Vertikal und in der größten Ausweichung Tafeln und andere Hilfsmittel zur Berechnung der Höhe Angenäherte Berechnung der Gestirnshöhe Die astronomische Standlinie Zuverlässigkeit der astronomischen Standlinie nach dem Höhenverfahren Verwertung einer einzelnen astronomischen Standlinie Verschiebung (Versegelung) der Standlinie Berechnung der Standlinie nach dem Höhenverfahren Berechnung der Standlinie nach dem Längenverfahren- Chronometerlänge Pageische Berichtigung Berechnung der Standlinie nach dem Breitenverfahren 195 Meridianbreite - Größte Höhe und Stundenwinkel der größten Höhe eines Gestirns- Nebenmeridianbreite 4.17 Astronomische Ortsbestimmung Zuverlässigkeit der astronomischen Ortsbestimmung nach dem Höhenverfahren Ort aus zwei Höhen ohne Versegelung Ort aus zwei Höhen mit Versegelung- Mittagsbesteck Ort aus Chronometerlänge und Meridianbreite- Mittagsbesteck Ort aus drei und mehr Beobachtungen- Vorbereitung der Morgen- und Abendbeobachtung Ortsbestimmung mit Hilfe der "Sight Reduction Tables No. 229 and 249" Fehlergleichungen aus der nautischen Astronomie Einige Größen von Erde, Sonne, Mond und Planeten Einige astronomische Größen und Einheiten 221

12 XII Inhaltsverzeichnis 5 Gezeitenkunde Begriffsbestimmungen, Benennungen und Abkürzungen Gezeiten Normalnull Pegel Kartennull Berechnung der Gezeiten Berechnung der Gezeiten für Bezugsorte nach den Gezeitentafeln des DHI Berechnung der Gezeiten für Anschlußorte nach den Gezeitentafeln (Differenzenverfahren) Das harmonische Verfahren zur Berechnung der Gezeiten Beschickung der geloteten Wassertiefe aufkartentiefe Einfluß des Windes auf die Gezeitenerscheinungen Wasserstandvorhersage Seiches Bestimmung des Gezeitenstromes Tafeln und Tabellen Tafel5.1 Ausführliche Gezeitenvorausberechnungen für Cuxhaven 234 Tafel5.2 Mittlere Tidenkurve für Cuxhaven Tafel 5.3 Gezeitengrundwerte der europäischen Bezugsorte. 236 Tafel5.4 Mondphasen UTC 236 Tafel5.5 Gezeitenunterschiede Tafel 5.6 Harmonische Gezeitenkonstanten Tafel5.7 Höhen des mittleren Wasserstandes Z 0 einiger Orte für die Mitte jedes Monats Tafel5.8 Tageswerte 21 bis Tafel5.9 Stundenwerte 31 bis Formelsammlung ftir die Kompaßkunde, Gezeitenkunde und astronomische Navigation Allgemeine Erläuterungen Anwendung der Formeln Alphabetisches Verzeichnis der in der Formelsammlung verwendeten Formelzeichen, Abkürzungen und Indizes Formeln der Kompaßkunde Kursbeschickungen Peilungsbeschickungen Erd- und schiffsmagnetisches Feld Magnetkompaßablenkung Ablenkungskoeffizienten Trennung von B und C Verbesserung der Ablenkungstafel Krängungsfaktor Krängungsablenkung

13 Inhaltsverzeichnis XIII 6.3 Formeln für die Gezeitenrechnung Formeln für die astronomische Navigation Besteckrechnung nach Mittelbreite Verwandeln der Zeiten Stundenwinkel Gesamtbeschickung Höhe und Azimut Unbekannter Stern Meridiandurchgang Auf- und Untergang der Gestirne Berichtigung der berechneten Höhe Sonstige Berichtigungen Ort aus zwei Höhen Rechnungen im nautischen Grunddreieck mit Hilfe der Koordinatentransformation für die Programmierung eines elektronischen Taschenrechners Berechnung der nautisch-astronomischen Ephemeriden 254 Sachverzeichnis Inhalt der Bände 1 A, 1 C, 2, 3 A und 3 B Band 1 Navigation Teil A: Richtlinien flir den Schiffsdienst, Gestalt der Erde, Seekarten und nautische Bücher, terrestrische Navigation, Wetterkunde Teil C: Funkpeilwesen, Hyperbelnavigation, Radar, integrierte Navigation, Physik, Datenverarbeitung Band 2 Schiffahrtsrecht und Manövrieren Band 3 Seemannschaft und Schiffstechnik Teil A: Schiffssicherheit, Ladungswesen, Tankschiffahrt Teil B: Stabilität, Schiffstechnik, Sondergebiete