Ocean-Navigation, Celestial Navigation, Astronavigation

Ocean-Navigation   ---   Hochsee-Schifffahrt


 

Note: ENGLISH-Version is given below!

Das älteste Fahrzeug der Welt ist ein über 8000 Jahre altes Schiff (Einbaum von Pesse), welches nahe der Fundstelle im Drenthe Museum in Assen (Friesland, Niederlande) zu bewundern ist. Vor 2000 Jahren befuhren die Römer nicht nur den Rhein und die kleineren Flüsse, sondern setzten über die Nordsee auch nach England über. Ihnen war schon bekannt, dass der Transport zur See 60 mal und der Transport auf Flüssen immerhin noch 10 mal wirtschaftlicher ist, als Landtransport mit dem Ochsenkarren. Im Mittelalter war die Stadt Köln Mitbegründerin der Hanse und hatte durch Henry II. ab 1173 über den Londoner Stahlhof (steel yard) das Monopol für den gesamten deutschen Handel mit England. So ist die Rheinschifffahrt bis heute untrennbar mit der Seeschifffahrt verbunden. Beispielsweise müssen alle Berufsschiffe für automatische Positionsmeldungen mit AIS-Funk eine sog. MMSI-Nummer haben, die genauso für Seeschiffe vorgeschrieben ist. Damit sind alle Berufsschiffe weltweit auch auffindbar: www.marinetraffic.com

Für besonders an Seeschifffahrt Interessierte folgen hier einige Dateien zum Download: Downloads als pdf-Dateien und html-Dateien direkt aufrufbar. Weiterhin sind FORTRAN77-Programme mit *.exe-Dateien für Windows-PC64b als ZIP dabei. Ein praktischer Fortran77-Compiler (mit IDE) für Windows ist z.B. "FORCE209G77" mit dem GNU-Compiler von http://force.lepsch.com/p/downloads.html - Keine Gewähr für Richtigkeit, und keine Haftung!
 
* DGzRS = Deutsche Gesellschaft zur Rettung Schiffbrüchiger  

* Hydrodynamics.pdf = einige Eigenschaften von Oberflächenwellen, Luft-Wasser-Strömungen und Turbulenz

* Lichter, Tonnen und Schall.pdf = Lichterführung der Schiffe, Betonnung (IALA A) und Schallsignale

* Ausweichen auf dem Rhein.pdf = Ausweichregeln für Kleinfahrzeuge ( < 20m ) auf dem Rhein nach Rheinschifffahrtspolizeiverordnung  

* KVR: Kollisionsverhuetungsregeln.HTML = Ausweichregeln im See- und Küstenbereich. Frage-Antwort-Programm. Testet wesentliche Vorschriften der KollisionsVerhuetungsRegeln und der SeeSchStrO. (Download Regeln).  

* Radar-Plotten = Berechnet das Ausweich-Manöver unter Radar, um auf hoher See bei unsichtigem Wetter gegnerisches Schiff in hinreichendem Abstand zu passieren

* Wind-and-Waves = Eine Abschätzung von Wellenhöhen durch Wind, auch bei Strömung, abhängig von Fetch, Wirkdauer und Wassertiefe   

* Hurricane (North or South) = Berechnung von Ausweichmanövern bei Hurricane-Einfluss (Nord- oder Südhalbkugel)

* Proviant.xls = Proviant-Rechner auf Excel-Basis für mehrtägigen Segeltörn, getestet bei Atlantik-Überquerungen. Download hier  

* Astro-Formular.pdf = Formular zur astronomischen Positionsbestimmung für den Sporthochseeschifferschein  

* Sunrise-Sunset.html = berechne Sonnenauf- und Untergang in Zeitskala UTC (download hier). Die genaue Uhrzeit.pdf erhält man ggf. durch Funk-Uhren.

* Astro-Mittagsbesteck.pdf = Astro-Positionsbestimmung nur mit diesem Doppelblatt, Sextant und Uhr, also ganz ohne Elektronik, bis Jahr 2040.  

* Großkreis-Navigation-WGS84 = berechnet die Distanz und Abfahrt-Ankunftswinkel für die Grosskreis-Navigation, also die kürzeste Entfernung, und zwar sowohl für das WGS84-Ellipsoid der Erde wie für die konventionelle Kugel-Näherung mit 1 Bogenminute = 1 Seemeile. Genauigkeit für Distanz < 1m, Azimute < 1 arcsec (download sources).  

Sehr nützlich für terrestrische und astronomische Navigation (bis ca. Jahr 2050) ist auch das Programm Nautic Tools, speziell auch wegen der praktischen Sternkarten.

Noch genauer und vergleichbar mit unseren Programmen unten rechnet der Ephemeris-calculator aa-56.zip von Stephen L. Moshier, basierend auf dem amtlichen Almanac 1986 und Jet Propulsion data DE404.

Astro-Navigation

Die folgenden Programme befassen sich speziell mit der Ortsbestimmung auf See.pdf mittels Sextant, also mit Astronomischer Navigation. Die Programme basieren auf dem Buch „Astronomical Algorithms“ von Jean Meeus, den französischen Ephemeriden-Daten VSOP87, der 1980 IAU Nutationstheory, sowie den russischen Mond-Reihenentwicklungen von S.M.Kudryavtsev.

Die hier integrierten Ephemeriden (Positionsdaten für Sonne, Mond, Planeten und Sterne) haben eine Genauigkeit von +- 1 Bogensekunde bis zum Jahr 2200 und darüber hinaus, im Vergleich zu den präzisesten Originaldaten des NASA-Jet-Propulsion-Laboratory (Programm „Horizons.html“).

Der „Astronomical Almanac-106“ basiert auf dem entsprechenden Almanach von Henning Umland: https://celnav.de, wo auch die Theorie dazu im Detail erläutert wird. Neben kleineren Änderungen (für smart-phones) sind jetzt insbesondere die Präzisionsdaten LEA406b für den Mond von Sergey M. Kudryavtsev eingebaut.

* Astronomical-Almanac-106f.html Ephemeriden für Sonne, Mond, Planeten und Sterne, sowie Sextant-Werte für Höhen und Azimute. Download hier. Vergleich mit NASA-JPL-Horizons model DE441 hier.pdf . Vergleich mit Nautical Almanac 2022 (UK,USA) hier.pdf . Für die angegebene Genauigkeit sollte der Delta-T-Wert.html (für die Änderungen der Erdrotation) mindestens auf 1 Sekunde genau angegeben werden. (Download hier). Automatisch wird er bis 2022 vorgegeben, Vorhersagen bis 2500, änderbar. Weitere Erläuterungen im Programm.

* AstroNavig-V13f.zip Sextant-Navigation. Vollständige Ortsbestimmung auf See mittels Sextant und genauer Uhr (Jahre 1800-2200: Fehler +- 1 Bogensekunde), inkl. Versegelung. Präzision wie beim Almanach-106. (Programmiersprache „C“ und *.exe für Windows10). Erläuterungen im Kopf des Programms Astronavig-V13.c, mit Text-Editor lesbar. (Getestet an Beispielen aus den Prüfungsaufgaben zum Sport-Hochsee-Schifferschein (Kumm, Lübbers, Schultz) sowie dem Buch „Astronomische Navigation, 2.Aufl“ von Helmut Knopp.)

* Lunars-V13f.zip Zeit und Ortsbestimmung auf See mit Sextant, ohne Kenntnis der Uhrzeit, über Mond-Distanzen (Lunar Distances). Dies scheint das z.Zt. einzige Programm zu sein, welches mittels Mond-Distanzen eine komplette Zeit- und Ortsbestimmung erlaubt. Präzision wie beim Almanac (Programmiersprache „C“ und *.exe für Windows10). Erläuterungen im Kopf des Programms Lunars-V13.c, mit Text-Editor lesbar. Erfolgreich ausprobiert auf See.

Hinweis: Um die C-Programme auf „smart-phones“ (Android oder Apple) laufen zu lassen, muss dort erst ein „C-Compiler“ installiert werden: C-Compiler für Android.pdf - C-Compiler für Apple-IOS.pdf Da der hier angegebene Apple-ios-C.-Compiler die großen Kudryavtsev-Mondtabellen nicht verarbeitet, müssen für Apple-ios smart-phones oder Apple-Tablets die leicht modifizierten Programme AstroNavig-13ios.c und Lunars-V13ios.c geladen werden. Außerdem die Mond-Tabelle astronavtab911.dat, und zwar in das gleiche Verzeichnis wie die Programme. Wegen des dann externen Zugriffs auf diese Mondtabelle läuft die Apple-ios-Version langsamer als Android. Hier die Apple-ios-Programme. Für Windows-computer ein einfach zu benützender 'free' C-compiler ist "DEV-CPP" (based on MinGW64), zusammen mit einem "Integrated development environment (IDE)" zum effizienten Schreiben und Korrigieren.

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ENGLISH version:



Ocean-Navigation


     Drake-Passage, 1000 km from Cape Horn to Antarctica: waves, icebergs and whales     Owner: Wolf Kloss, S.Y. Santa Maria [Link]  

The worlds oldest known vehicle is an over 8000 years old vessel, the dugout canoe of Pesse. It can be admired near the place of its discovery in the Drenthe Museum in Assen, Netherlands. The Romans 2000 years ago were navigating the river Rhine and the smaller rivers and also went across the North-Sea to England. They were aware of the cost-efficiency of ship-transport, at sea by a factor 60 cheaper than on land and still by a factor 10 on rivers. In the middle-ages the city of Cologne was one of the founders of the "Hanseatic League", the dominating trading association in northern Europe. Cologne held the trading-monopoly for all German merchants in London since 1173 through king Henry II. at the "steel yard". Until today the shipping on the Rhine is intertwined with seafaring. Just as an example, all professional ships on the Rhine must be equipped with an AIS-radio adressable by an MMSI-number for automatic transmission of its position, which is equally mandatory for sea-going ships. Thereby all professional ships are worldwide identifyable: www.marinetraffic.com

In the following there are some files for download, for individuals interested in seafaring and ocean-navigation. Downloads provided as pdf-files and html-files open directly. A practical Fortran77-Compiler (incl. IDE) for Windows is e.g. "FORCE209G77" with the GNU-Compiler from http://force.lepsch.com/p/downloads.html - There is no guarantee whatsoever for correctness and there is no liability!
 
* DGzRS = Deutsche Gesellschaft zur Rettung Schiffbrüchiger (German association for maritime search and rescue).  

* Hydrodynamics.pdf = some properties of surface-waves, air-water currents and turbulence.

* Lights, Buoys and Sounds.pdf = position-lights on ships, buoyage (IALA - A) and sound signals (in German)  

* Traffic regulations for small vessels on river Rhine.pdf (in German only)  

* COLREG: Preventing Collisions at Sea.HTML = evading collisions at sea and in coastal areas, query-answer-program, checking the International regulations for the prevention of collisions at sea and the German traffic regulations for maritime waters. (Download Rules).  

* Radar-Plotting = calculating the manoeuvre under RADAR, to evade a collision with another ship, passing at acceptable distance

* Wind-and-Waves = estimating wave-heights due to wind and current depending upon fetch, duration and depth of water.   

* Hurricane (North or South) = calculation of strategies to escape from hurricane-impact (northern and southern hemisphere)

* Provisions.xls = calculation for the provisions of food and drink during Atlantic crossings (Excel-program, practically tested). Download here

* Astro-Formular.pdf = pdf-form for astronomical determination of position by sextant and clock.  

* Sunrise-Sunset.html = calculate sunrise, sunset and approximate duration of dawn in UTC. (Download here). The precise time of the day.pdf can be obtained e.g. by radio-controlled clocks.  

* Astronomical Noon-Fix.pdf = determination of position at sea by sextant and clock, and with this double-sheet of information (vaild through year 2040), i.e. without electronics or almanacs.  

* Great-Circle-Navigation-WGS84 = calculates distance and directions for departure and arrival for great-circle navigation, i.e. the shortest distance, as well as for the WGS84-ellipsoid of the earth also for the conventional approximation of a sphere with 1 arc-minute (taken along a meridian) corresponding to 1 nautical mile. Precision: For distances < 1 m, azimuths < 1arcsec
(download sources).  

Very useful for terrestrial and celestial navigation (until 2050) is the program Nautic Tools, in particular also for its practical star-maps.

Even more precise and comparable with our prorgams below is the ephemeris-calculator aa-56.zip by Stephen L. Moshier, based upon the Astronominal Almanac 1986 and Jet Propulsion data model DE404.

Astro-Navigation

The following programs are concerned with the determination of a ships position at sea.pdf obtained using a sextant, i.e. by Astronomical Navigation observing the stars. The programs are based on the book „Astronomical Algorithms“ by Jean Meeus, furthermore the French ephemeris data VSOP87 by P. Bretagnon and G. Francou, the IAU 1980 nutation-theory and the Russian moon-series-expansions LEA406 by S.M.Kudryavtsev. (Further details given in the headers of the programs below).

The Ephemeris incorporated here (positions of sun, moon, planets and stars) have a precision of +- 1 arc-second up to year 2200 and beyond, as compared with the best available data by the NASA Jet Propulsion Laboratory („Horizons.html“). - See also the ephemeris aa-56.zip by Stephen L. Moshier.

The „Astronomical Almanac 106“ is based on the corresponding almanac by Henning Umland: https://celnav.de, where also the appropriate theory is presented in appreciable detail. Apart from small modifications (for smart phones), in particular the high-precision data LEA406b for the moon-ephemeris given by Sergey M. Kudryavtsev has now been incorporated.

* Astronomical-Almanac-106f.html Ephemeris for sun, moon, planets and stars, and geocentric sextant-values for altitude and azimuth. Download here. Comparison with NASA-JPL-Horizons model DE441 here.pdf. Comparison with Nautical Almanac 2022 (UK,USA) here.pdf. To achieve the mentioned precision the Delta-T value.html (for changes of the earth-rotation speed) should be given at least to within 1 second accuracy.(Download here). The value until 2022 is automatically provided, predictions up to 2500, but can be changed. Further explanations are given in the program.

* AstroNavig-V13f.zip Sextant-Navigation. Complete determination of position at sea using a sextant and a precise clock (years 1800-2200: accuracy +- 1 arc-second), including change-of-position. Same precision as in Almanac-106. (Programming language „C“ and *.exe for Windows10). Further explanations in the header-section of the program Astronavig-V13.c (use a text-editor). The program has been tested against exercises for (German) ocean-yacht-master exams.

* Lunars-V13f.zip Determination of time and position at sea using a sextant, without knowledge of the precise time of the day, by measuring LUNAR DISTANCES. At present this seems to be the only program existing which allows for a complete determination of time and position at sea by measuring two altitudes and the lunar distance. Precision as by the almanac. (Programming language „C“ and *.exe for Windows10). Successfuly tested at sea.


Real time position + of the International Space Station ISS:


NOTE: In order to run the C-programs on smart-phones (Android or Apple-ios) a „C-Compiler“ must first be installed on the smart-phone: C-Compiler for Android.pdf - C-Compiler for Apple-IOS.pdf Since the suggested Apple-ios-C-compiler cannot digest the big Kudryavtsev-moon-files internally, one must use the slightly modified programs AstroNavig-13ios.c and Lunars-V13ios.c, and in addition the moon-file astronavtab911.dat, the latter in the same folder as the C-programs. Because of the external access to the moon-file the Apple version of the programs runs slower. Here the Apple-ios-Programs. For Windows-computer a simple free C-compiler is "DEV-CPP" (based on MinGW64), including an integrated development environment (IDE) for editing etc.




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