Navigation system for a ship
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Binnenschiffe haben oft nur wenig Platz zum Manövrieren. Für die Schiffsführer sind beispielsweise das Einfahren und Verlassen von Schleusen anspruchsvolle Maßarbeit. Nun haben Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zusammen mit Industriepartnern eine Technologie zur Unterstützung der Schiffsführer entwickelt. Die bekommen ein Assistenzsystem, das mit Satellitendaten navigiert und das Schiff autonom in die Schleuse bringen kann. Testfahrten mit der MS Victor Hugo bei Straßburg bewiesen, dass das System auch unter schwierigen Bedingungen funktioniert.

Binnenschiffe sicher steuern 

Das DLR-Projekt SCIPPER trägt der wachsenden Bedeutung von Binnenschiffen Rechnung. Denn sie können das Straßennetz entlasten und sind obendrein, neben der Eisenbahn, wirtschaftlicher und vor allem umweltfreundlicher als der Lkw. Ein modernes Binnenschiff ersetzt 90 von ihnen. Gegenwärtig werden Binnenschiffe meist für den Transport von Gütern wie Kohle und Erz genutzt.

Oft transportieren sie auch große und sperrige Ladungen wie Generatoren oder andere technische Großgeräte. Der Transport von Massengütern hat zu immer größeren Schiffen geführt, die in den beengten Binnengewässern immer schwieriger zu manövrieren sind.

SCIPPER führte zu einem Hilfesystem für die automatisierte Schleuseneinfahrt. SCIPPER ist im Grunde ein Parkassistent für Binnenschiffe. Dieser hilft Schiffsbesatzungen, ihre Fahrzeuge sicher in eine Schleuse oder in andere beengte Gewässer zu manövrieren und auch wieder hinauszubringen. Das ist wichtig, weil Binnenschiffe ausgesprochen träge und deswegen häufig schwer steuerbar sind. Die meisten sind um die 140 Meter lang und bis zu 11 Meter breit. Selbst große Flüsse wie Rhein oder Elbe bieten nicht viel Platz zum Manövrieren, weil die Fahrrinne immer wesentlich schmaler ist als der gesamte Fluss. 

Zu breit

In Europa ist die Größe der Schiffe genormt. In der kleinsten Klasse I sind sie 38, 5 Meter lang und 5 Meter breit. Schiffe der Klasse II sind zwischen 50 und 55 Meter lang. Die Klasse III umfasst Typen, die zwischen 60 und 80 Meter lang und bis zu 9 Meter breit sind. Außerdem enthält sie spezielle Typen für bestimmte Wasserstraßen. Die größten Binnenschiffe finden sich etwa in in der Klasse Va. Das sind die Großen Rheinschiffe mit 110 Metern Länge. Schub- und Koppelverbände, die Klasse Vb, sind bis zu 185 Meter lang. Ansonsten sind Schiffe der Klasse Vib die größten Binnenschiffe. Sie sind bis zu 135 Meter lang und 17 Meter breit und können nur größere Wasserstraßen wie den Rhein befahren. Für die meisten Schleusen sind sie zu breit. 

Der Autopilot steuert die MS „Victor Hugo“ in die Schleuse. © DLR

Satelliten-Navigationssysteme

SCIPPER zapft drei Datenquellen an. Einmal sind das gängige Satelliten-Navigationssysteme wie das US-amerikanische GPS und das europäische „Galileo“-System. Deren Ungenauigkeiten gleichen erdgebundene Navigationshilfen aus. Die Abkürzung SCIPPER verweist auf diese Navigationshilfen. Sie steht für „Schleusenassistenzsystem basierend auf PPP und VDES für die BinnenschiffahRt“.

PPP ist ein Übertragungsverfahren. Die Abkürzung steht für Precise Point Protocol. Dabei handelt es sich eine Methode, aus Satellitendaten und terrestrischen Signalen die genaue Position des Schiffes zu bestimmen. Jedoch sind Satellitendaten durch Funkschatten im Bereich von Brücken, Schleusen, Gebäuden oder Höhenzügen nicht immer genau oder werden verspätet empfangen. „Beim Unterqueren von Brücken oder in hohen Schleusenkammern wird der Empfang von Satellitensignalen oftmals unterbrochen und verhindert eine Positionsbestimmung. Für die automatisierte Schleusenfahrt ist eine hochgenaue Positionierung möglichst schnell nach den Abschattungen notwendig“, erklärt Dr. Ralf Ziebold vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Neustrelitz. Um dieses Defizit auszugleichen, haben Ziebold und seine Kollegen am DLR-Institut für Kommunikation und Navigation haben im Rahmen von SCIPPER ein neues PPP-Protokoll entwickelt, das die Empfangszeiten auf wenige Sekunden senkt. Ziebold selbst ist Gruppenleiter und spezialisiert auf nautische Systeme. 

Mehr Sicherheit

VDES bezeichnet das „VHF Data Exchange System“, eine Art mobiles Internet zur Übermittlung von Positionsdaten und Schiffskennungen. Grundlage dieser Daten sind Referenzstationen entlang der Wasserstraßen, deren Daten im VHF-Band zwischen 47 und 68 Megahertz übertragen werden. VDES ist der Nachfolger von AIS oder „Automatisches Identifikationssystem“. AIS ist seit dem 6. Dezember 2000 in Betrieb und für die weltweite Schifffahrt verbindlich. Es besteht aus Sende- und Empfangssystemen an Bord der beteiligten Schiffe. Das System zeigt auf einer digitalen Karte die eigene Position und die Positionen anderer Schiffe in der unmittelbaren Umgebung. Außerdem dient AIS zum Austausch von Schiffs- und Navigationsdaten. Das System funktioniert auch, wenn zwischen den Schiffen Land liegt, etwa in einer Biegung. 

Störungsfreiere Datenübermittlung

DLR-Wissenschaftler am Institut für Kommunikation und Navigation in Oberpfaffenhofen arbeiten an der Entwicklung und Standardisierung von VDES mit.  „Im Gegensatz zum AIS verfügt das VDES über eine größere Bandbreite und ermöglicht so eine störungsfreiere Datenübermittlung zwischen den Schiffen, den Basisstationen und dem Wasserschifffahrtsamt“, sagt Ronald Raulefs, einer der beteiligten Forscher. 

Den Nahbereich um das Schiff überwacht SCIPPER durch Lasersensoren, die Bug- und Hecksektion erfassen. Schiffsführer können so auch Bereiche einsehen, die von der Brücke aus in toten Winkeln liegen. Denn gerade beim Einfahren in eine Schleuse ist der Platz begrenzt. Oft liegen zwischen Schiffswand und Schleusenwand nur wenige Zentimeter, denn viele Schleusenbecken bringen es gerade so auf 12 Meter Breite.

Digitalen Assistenzsystemen

Die SCIPPER-Technologien sollen nun weiter entwickelt werden. Das DLR errichtet gerade an der Spree-Oder-Wasserstraße ein digitales Testfeld für Binnenschiffe. Zwischen den Häfen Königs Wusterhausen und Eisenhüttenstadt wollen die Wissenschaftler Lösungen für den autonomen Betrieb von Binnenschiffen testen. Die Wasserstraße eignet sich wegen des geringen Verkehrsaufkommens gut für diese Arbeit. Das digitale Testfeld soll klären helfen, an welchen Stellen in den gängigen Gütertransportketten der Einsatz von Schiffen sinnvoll ist. 

Die Bedeutung des Schiffstransports dürfte in Zukunft weiter steigen. So sieht der Bundesverkehrswegeplan vor, dass der Transport auf Binnenschiffen bis 2030 um 23 Prozent wachsen soll. Allerdings dürfte sich auch ihr Aussehen stark verändern. Im Moment transportieren die meisten Binnenschiffe Massengüter wie Kohle. Der Kohletransport verliert jedoch wegen der Energiewende mehr und mehr an Bedeutung. Stattdessen müssen immer mehr Container und Schwergüter wie Maschinenteile befördert werden. 

Eigenständig Be- und Entladung

Möglicherweise sind die Binnenschiffe der Zukunft kleiner und flexibler. Digitale Assistenzsysteme wie SCIPPER könnten dabei eine wichtige Rolle spielen. Sie würden die jeweils günstigste Route und die sparsamste Fahrweise ermitteln. Außerdem könnten sie helfen, Unfallrisiken zu senken. 

Das Fernziel der Forscher sind Schiffe, die ihre Routen selbst berechnen, miteinander kommunizieren und sich eigenständig be- und entladen können. 

Bild: das-assistenzsystem-im-schiffsfuehrerhaus © DLR.

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