Den vidunderlige radaren

Den tradisjonelle indikatoren med katodestrålerør og roterende defleksjonsspole, begrenset radarens utnyttelse av datateknologien. Gjennombruddet for den moderne navigasjonsradaren kom derfor med raster billedskjermen.

Innovativt, avansert og foreldet
Med det vanlige katodestrålerøret (CRT) var man avhengig av interscan-teknologien for å få presentert informasjoner ut over det som fulgte antennerotasjonen. Denne teknologien utnyttet tiden fra lysstrålen hadde beveget seg fra sentrum til ytterkant av skjermen, og til radaren sendte ut neste puls og lysstrålen startet ny bevegelse fra sentrum. I denne tiden, ”fly-back”, ble det tegnet enkle grafiske former ved hjelp av et eget sett med faste defleksjonsspoler.
Rundt 1970 ble det utviklet avanserte radarindikatorer med interscan og automatisk målfølging. I disse systemene viste radaringeniørene at de kunne være både nytenkende og kreative for å tilfredsstille navigatører som ønsket seg en enklere og sikrere jobb på broen. Men de måtte hele tiden forholde seg til et billedrør hvor bildet ble tegnet synkront med antennerotasjonen. De fleste ellers så kreative løsningene, endte derfor opp med å bli både kompliserte og tidkrevende å bruke for navigatøren.
Raytheons TMCPA-radar (True Motion og Closest Point of Approach) var et slikt system. Med ”joystick” la navigatøren startpunktet for den elektroniske peilelinjen (interscan) over ekkoet (B 1), samtidig som han starter den integrerte klokken. Den elektroniske peilelinjen flyttet seg deretter over skjermen med eget skips (A) kurs og fart. Etter en tid, for eksempel 3 minutter, stoppes klokken og peilelinjen dreies rundt sin nye posisjon (2) slik at den ligger over ekkoets nye posisjon (B 3). Med kontrollen for tidsmerkene (Time Marker) justertes avstanden mellom dem til det andre merket ligger over ekkoet (B 3). Den siste operasjonen var å justere den variable avstandsringen (VRM) til den tangerte den elektroniske peilelinjen. I tangeringspunktet kunne så navigatøren lese av CPA (0,73 nautiske mil) og tid til CPA (TCPA = 10,2 minutter). Det ville altså ta minimum 4 minutter å bestemme CPA og TCPA, selv med databehandling av signalene. Det som manglet var en enklere og mer navigatørvennlig måte å presentere informasjonen på.

Da kom rasterskjermen
Det ble derfor en stor forbedring da den firkantede raster billedskjermen ble tatt i bruk for radar i begynnelsen av 1980-årene. Denne skjermtypen hadde da allerede vært brukt i over 50 år som fjernsynsskjerm. Her ble bildet tegnet med horisontale linjer som flyttet seg vertikalt et lite stykke nedover for hver horisontale linje som var tegnet. Denne avtegningen var synkronisert med kameraet som leste billedinformasjonen på samme måte.
For radaren måtte det sirkulære radarbildet først gjøres om fra polarpresentasjon med vinkel og avstand, til x-/y-koordinater. Deretter ble posisjonene lagret i et dataminne, for så å bli tegnet ut i linjemønsteret, flere titallsganger i sekundet. Rasterskjermen gjorde det også mulig å tegne ut nærmest enhver form for grafisk og alfanummerisk informasjon, samtidig og i samme linjemønster som det lagrede radarbildet. Siden radarbildet ble tegnet ut fra dataminne, vistes ikke lenger den roterende skoplinjen. Navigatørene var imidlertid vant til å se at radarbildet ble fornyet etter hvert som antennen roterte, og enkelte produsenter la derfor inn en kunstig roterende skoplinje slik at radarbildet skulle virke ”normalt”. Denne kunstige skoplinjen fungerte da som en roterende hjelpelinje slik at det ble enklere for navigatøren å se etter ny informasjon.
På de mindre radarsettene ble det gjerne benyttet rektangulære i stedet for kvadratiske billedrør, slik at det ble plass til alfanummerisk informasjon over og under selve radarbildet.
Både konstruksjonsmessig og vedlikeholdsmessig innebar rasterskjermen store fordeler ved at de mange mekaniske komponentene som roterende defleksjonsspole, synkromotorer, tannhjul, sleperinger, oppheng og lagre, ble erstattet av elektroniske kretskort hvor antennerotasjonen ble omgjort direkte til digital informasjon.

Dagslysradar med ekkohale
På de konvensjonelle billedrørene hvor skoplinjen roterte sammen med antennen, tok det vanligvis 3-4 sekunder mellom hver gang bildet ble tegnet (oppdatert). Disse billedrørene hadde derfor et oransje fosforbelegg som hadde lang etterglødning, men som gjorde det vanskelig å se ekkoene i dagslys på grunn av liten kontrast.
På rasterskjermen ble bildet tegnet flere titalls ganger i sekundet, og det var da ikke behov for den lange etterglødningen. Det var viktigere at radarbildet var lett å observere og tolke i dagslys. Bortsett fra ”ekkohalen” for å se hvordan andre fartøyer beveget seg, var det egentlig ikke behov for noen etterglødning som viste gammel situasjon sammen med den nye.
På de grønne billedskjermene var radarbildet lett å se i vanlig dagslys, selv med sollys, og disse skjermene ble derfor betegnet ”dagslysskjermer”. Dagslysskjermene fikk etter hvert flere fargealternativer, men siden øyet er mest følsomt for det blågrønne om dagen og det grønne om natten, holdt de fleste produsentene seg til et godt kompromiss med grønne skjermer.
For å beholde ”ekkohalene” på billedskjermene med liten etterglødning, ble det laget ekkospor (”echo trails” eller ”echo tails”) hvor de gamle ekkoene ble tegnet et visst antall ganger i de gamle posisjonene, gjerne slik at de ble svakere for hver gang historien ble tegnet.
Siden rasterskjermen var firkantet, men ellers et vanlig katodestrålerør, sparte den verken plass eller effektforbruk. Det firkantede billedrøret tok derimot opp større plass enn det runde billedrøret, i og med at et firkantet billedrør måtte være minimum 19” diagonalt for å gi plass til et sirkulært radarbilde (PPI) med en diameter på 12”. Noe som er gjeldende IMO-krav for skip mellom 500 og 10.000 tonn og for hurtigbåter under 10.000 tonn. Tilsvarende kreves det minimum 23” diagonalt for å gi et sirkulært radarbilde på 16” for alle skip på og over 10.000 tonn. For ARPA var kravet opprinnelig et sirkulært radarbilde med en diameter på 16” allerede da ARPA ble formalisert i 1979.
Området utenfor selve det sirkulære radarbildet benyttes til forskjellig grafikk, alfanumeriske data, alarmer og menyer, noe som har gitt gode muligheter til å gi navigatøren store mengder mer eller mindre nyttig informasjon. Det er derfor blitt vanlig med skjermer på 26” for å få plass til all denne informasjonen.

Berøringsskjermen
Etter at rasterskjermen var blitt vanlig for navigasjonsradar, prøvde produsentene også å utnytte andre muligheter som kom med disse skjermene.
I 1985 introduserte Sperry sin avanserte RASCAR (RASterscan Collision Avoidance Radar), en radar de selv betegnet som ”the highest performance Radar/ARPA in the world”. I tillegg til meget avansert signalbehandling, hadde denne radaren berøringsskjerm (Touchscreen), slik at navigatøren kunne justere kontrollene uten å se bort fra radarskjermen. I Marinen var det i mange år et ufravikelig krav at navigatørene skulle kunne justere enhver radarkontroll uten å måtte se etter hvor kontrollen var, eller hvordan den skulle justeres. Dette skulle sitte i fingrene.
Men uten slik trening og erfaring med å justere kontrollene, både enkeltvis og i kombinasjon, vi
lle det være positivt hvis navigatøren kunne konsentrere seg om radarskjermen. Av flere grunner fungerte imidlertid ikke berøringsskjermen like godt ombord som i ingeniørenes utviklingslokaler. Det var ikke lett å få en ustødig finger til å treffe og flytte seg presist langs det markerte området på en travel skipsbro med dårlig sikt, andre fartøyer og navigasjonsfarer, samtidig som kroppen skiftet tyngdepunkt mens skipet rullet og stampet. Selv i messehallen på Sjølyst var det vanskelig å få til presis innstilling av enkelte kontroller. Av/På-kontrollene var imidlertid enkle å operere, men man måtte se på skjermen, uansett hvilken kontroll som skulle opereres.

En kunnskapsløs tillit
Men heller ikke denne avanserte radaren kunne kompensere for uoppmerksomme navigatører med manglende kunnskaper og forståelse for radarens muligheter og begrensninger. Den hollandske kjemikaletankeren Jacobus Broere hadde to radarsett av den avanserte Sperry RASCAR, en i S-bånd og en i X-bånd, da den i september 1991 rente den britiske fiskebåten Margaret and William II i senk utenfor Cornwall, uten at noen på broen merket noe som helst.

Den offisielle undersøkelsesrapporten hadde følgende konklusjon:
As to JACOBUS BROERE, there appears to have been almost total reliance on the radar alerting the watchkeeper to targets coming within the guard rings. It cannot be too strongly emphasised that even modern sophisticated ARPA equipment does not always pick up small targets entering the guard zones; and it is manifestly such targets which are the most vulnerable.

Raster, matriser og piksler
Den nye skjermteknologien brakte også med seg en ny betegnelse, billedpunkter eller piksler, som anga hvor mange billedpunkter skjermen var inndelt i. Det var disse som bestemte hvor detaljert radarbildet skulle være.
På de analoge radarsettene var detaljeringsgraden på radarbildet bestemt av antennens horisontale strålebredde og pulslengden, samt lysstrålens utbredelse på radarskjermen. Lysstrålens utbredelse ble ikke tillagt noen betydning, verken av navigatørene eller av de som utarbeidet kravspesifikasjonene, og var heller ikke oppgitt i noen produsentenes spesifikasjoner. Dette kan nok skyldes at den, i tillegg til selve billedrøret og fosforbelegget, varierte med billedrørets høyspenning og fokusering.
På raster- og matriseskjermene med sine klart definerte billedpunkter, er det utenom radarstrålen og pulslengden, kun antall billedpunkter, ikke lysstrålens utbredelse, som bestemmer radarsystemets detaljeringsgrad. Dette har egentlig bare betydning hvis antallet billedpunkter er så lavt at skjermens oppløsning er dårligere enn radarens skilleevne i peiling og avstand. Og det var bare et problem de første 4-5 årene. Mens de første matriseskjermene for småbåtradar hadde 80 billedpunkter horisontalt, og 106 billedpunkter vertikalt, har tilsvarende skjermer i dag en oppløsning på 481 billedpunkter horisontalt og 640 billedpunkter vertikalt. De større IMO-skjermene har nå 1280 x 1024 billedpunkter som standard.
På den opprinnelige rasterskjermen ble antallet billedpunktene vertikalt bestemt av antallet horisontale linjer. Horisontalt var det egentlig bare et langt, ubrutt billedpunkt tvers over skjermen, men datamaskinen delte denne opp i et antall tidsrammer, hver med en viss varighet, slik at skjermen også fikk et antall horisontale billedpunkter.
Matriseskjermene innebar en stor forbedring siden hvert billedpunkt på disse har en klart fysisk definert horisontal og vertikal posisjon på skjermen. LCD billedskjermen (Liquid Crystal Display) med sine små dimensjoner, lave vekt, og små krav til kjøling, ble umiddelbart en suksess som erstatning for den plasskrevende og lite fleksible radarindikatoren med katodestrålerør. En forbedret utgave er TFT billedskjermen (Thin Film Transistor display) som har en liten transistor i hvert av de ørsmå billedpunktene. TFT-skjermen betegnes derfor også som ”aktiv matriseskjerm”, i motsetning til den passive LCD-skjermen uten noen aktive komponenter. Den er raskere og mer presis enn LCD-skjermen, og gir derfor et jevnere og klarere bilde, noe som merkes best på de store skjermene.

Fargeradar – Like bra som farge-TV
Det tok ikke mange årene fra rasterskjermen var tatt i bruk for radar, før produsentene forsto at ”fargeradar” kunne ha samme fordeler som farge-TV hadde i forhold til sort/hvitt-TV. Men pris er alltid en viktig faktor, så de mindre og enkle radarsettene leveres fremdeles i dag med enfargeskjermer (monokrome). Disse har en fast grunnfarge, hovedsakelig grønn, med samme farge på ekko, markere, symboler og meny, noe som er godt nok under enkle navigasjonsmessige forhold.
Japanske Furuno var også her tidlig ute, og var allerede i 1981 på markedet med FCR-1411, verdens første navigasjonsradar med fargeskjerm. Skjermen var 14” og ekkoene var grønne, gule eller røde, avhengig av styrke, plottede ekko var blå, bakgrunnen sort, mens markere og alfanumeriske tegn og symboler var hvite.
Denne bruken av farger ble ikke godkjent av IMO, som så sent som i 1996 vedtok å opprettholde de strenge kravene til flerfargeskjermene:
Flerfargeskjermer er tillatt, men må tilfredsstille følgende krav:
1. ekkoene skal vises med samme grunnfarge, og ekkostyrke skal ikke vises med forskjellige farger; og
2. tilleggsinformasjon kan vises i forskjellige farger.

Disse kravene ble tatt ut i 2004 da alle bestemmelser om farger og symboler ble ivaretatt av IMO/MSC resolusjon 191(79) ”Performance Standards for the Presentation of Navigation-related Information on Shipborne Navigational Displays”.
Ekkoenes farge kan nå velges tilnærmet fritt for å gi best mulig kontrast under forskjellige lysforhold, og ekkostyrken kan vises med forskjellige toner av den samme basisfargen. Men det er fremdeles bare tillatt med én basisfarge.
På større radarsett har fornuftig bruk av farger bidratt til at navigatøren lettere kan se de detaljene som er viktigst for navigeringen. Bakgrunnsfargen skal være enten blå eller sort, mens ekko, markere, symboler og den alfanummeriske informasjonen kan ha andre farger. Dette gir navigatøren mulighet til å velge den fargen som er best under forskjellige forhold, for eksempel i mørke, i dagslys og i sollys. På de første flerfargeskjermene var det den variable avstandsringen og den elektroniske peilelinjen som fikk egen farge, slik at disse lett kunne skilles ut fra ekkoene, de faste avstandsringene og bauglinjen. Disse i seg selv små forbedringene, ville ha hindret at losen på den svenske Ålandsfergen Botnia tok feil av bauglinjen og den elektroniske peilelinjen i november 1968, en feiltakelse som resulterte i kollisjon og tap av fire menneskeliv. (Skipsrevyen nr 1/2009)
Allerede tidlig i utviklingen av rasterskjermer ble det vanlig å kunne legge inn enkle kartriss og planlagt seilas. Også disse kunne gjøres tydeligere ved å la slik ruteinformasjon ha en annen farge enn selve radarbildet med tilhørende markere.
Et problem med raster- og LCD-billedskjermene var at radarprodusentene ble mer opptatt av skjermfunksjonene enn av radarfunk
sjoner. Et avansert radarbilde med mye grafikk, alfanumerisk informasjon og farger, ble dessverre et viktigere salgsargument enn at den nye radaren hadde mye bedre oppdagelsessannsynlighet i dårlig vær.

Det misforståtte rødlyset
På en skipsbro er sikt og syn like viktig både om dagen og natten. Med flerfargeskjermer ble det mulig å velge farge på billedskjermen ut fra hvordan radaren kunne plasseres om bord. Det ble mulig å ta hensyn til den negative virkningen lyset fra radarskjermen kunne ha på nattsynet, og å velge farger som gjorde det lettere å se svake ekko og annen viktig informasjon i dagslys, spesielt i sollys.
Siden LCD-skjermene var lette, tok liten plass, og ikke krevde spesiell kjøling, ble det enda enklere å plassere billedskjerm og kontrollpanel. Skjermen kunne monteres der hvor den var lettest å observere under seilasen, og kontrollpanelet der hvor det var lettest å betjene.
På den analoge radarskjermen hadde integrasjonen av ekkoene hatt stor betydning for operatørens evne til å oppdage svake ekko. Denne berodde i stor grad på evnen de forskjellige katodestrålerørene har til å beholde lyset, etterglødningen. Her var det oransje katodestrålerøret best, og dette ble derfor lenge foretrukket av mange produsenter, til tross for at det krevde at billedskjermen måtte skjermes med hette (hood) i sterkt lys. Dette billedrøret var dessuten enerådende for navigasjonsradar gjennom nærmere 30 år før de grønne dagslysskjermene kom på markedet. Det oransje billedrøret var imidlertid skadelig for nattsynet, siden øyet er minst følsomt for rødt lys, og derfor blir stresset. De fleste produsentene valgte derfor grønn skjerm siden øyet er mest følsomt for grønt og blågrønt, og derfor krever mindre lysstyrke.
Men det er som kjent vanskelig å lære en gammel hund nye triks. Og mange navigatører tviholder fremdeles på rød/oransje billedskjerm, siden dette er ”nattfarger”. Nattlyset, det vil si rødlyset, ble imidlertid brukt fordi det var vanskelig å se for fiendtlige ubåter som lå og ventet i nattemørket på at en eller annen skulle åpne en dør og slippe ut lys på et ellers mørklagt skip. Da ville gult eller hvitt lys bli sett på mye større avstand enn det røde.
Det er nå lenge siden politiet, brannvesenet og ambulansetjenesten forsto sammenhengen mellom farger og synbarhet, og derfor skiftet fra rødlys til blålys.

”Eet er et Sø-Kort at forstaae, et Andet Skib at føre”
Fra de enkle kurslinjene og kartrissene på ARPA, utviklet det seg i 1990-årene et behov for elektroniske sjøkart, og ikke minst et ønske fra navigatørene om å kunne se sjøkartet og radarbildet samtidig på samme billedskjerm. Dette var ikke helt enkelt, noe som i tillegg til manglende sanntids prosesseringskapasitet, unøyaktige posisjonssystemer, også skyldtes mangelen på korrekte elektroniske kart.
Mens ARPA skulle hjelpe navigatøren med å holde oversikt over skipstrafikken og derved redusere mulighetene for kollisjoner med andre fartøyer, skulle de elektroniske kartene sikre fartøyets navigasjon i forhold til holmer, skjær og land. Allerede i den tidlige ARPA-alderen fikk navigatøren vist andre skips kurs, fart, CPA, TCPA, seilingsleder, og egen planlagt seilas med innlagte posisjoner for kursendringer (waypoints), og alarmsektorer.
Men det var først da det amerikanske navigasjonssystemet Navstar GPS (Global Position System) ble fullt operativt i 1995, at det ble mulig å produsere elektroniske kart som kunne kobles direkte til radaren ombord. Navstar GPS hadde en standard ytelse for vanlige, sivile brukere, og en mye bedre ytelse for militære. Med differensiell GPS (dGPS) kunne posisjonsnøyaktigheten i kystfarvann og innseiling til havner, forbedres med en faktor på 10-100.
Siden ikke-vennlige nasjoner også kunne utnytte Navstar GPS til presisjonsstyring av våpen, la amerikanske myndigheter inn feil både i systemklokken og satellittposisjonene, slik at systemet fikk en tilsiktet, konstant feil. Da denne innlagte feilen ble fjernet ved midnatt, natten til 2. mai 2000, ble posisjonene så nøyaktige at det ble mulig å kombinere elektroniske kart basert på GPS, med radarbilde som også var basert på GPS. Problemet var at de elektroniske sjøkartene ble produsert fra gamle og unøyaktige papirkart. Ved inngangen til det 21. århundre, var fremdeles rundt mesteparten av de norske sjøkartene basert på mer enn hundre år gamle målinger. Forskjellen mellom eldre sjøkart som benyttet Norsk Gradnett og WGS-84, kunne dessuten være opptil 400-500 meter. Denne feilen kom i tillegg til GPS-feilen, og da hjalp det lite at kartene var elektroniske.
Med nøyaktige, elektroniske kart, kunne navigasjonssikkerheten forbedres betydelig. Flere nasjoner satte derfor inn store ressurser på å få produsert oppdaterte sjøkart, og også det norske sjøkartverket fikk etter hvert foretatt nye oppmålinger. Etter en ekstraordinær oppmålingsinnsats, hadde Sjøkartverket allerede i februar 2008 fått lagt inn primærdata for hele Norskekysten i sin elektroniske kartdatabase. I dag er autoriserte elektroniske sjøkart, ENC (Electronic Nautical Charts), tilgjengelig for hele norskekysten.
Med de nye mulighetene ble det utviklet et eget data behandlings- og presentasjonssystem, ECDIS (Electronic Chart Display and Information System), til å lagre, oppdatere og presentere de elektroniske kartene. Med ECDIS kan de autoriserte elektroniske kartene brukes i stedet for papirkart, og det er også mulig å overføre radardata for utvalgte ekko til ECDIS-skjermen.
Fra 2004 ble det også tillatt å presentere kartdata fra ENC og andre vektorkart på den delen av billedskjermen som ble benyttet til selve radarbildet. Men radarbildet skal fremdeles ha førsteprioritet, og kartdataene skal kunne fjernes med en enkel operatøroperasjon. Feil i kartdataene skal heller ikke kunne påvirke bruken av radaren eller presentasjonen av radardata.

Multifunksjonsskjermer
Med rasterskjermer og dataprosessering mistet radaren sin spesielle radarindikator. Den hadde nå en alminnelig monitor som kunne brukes til nesten hva som helst; TV, maskinovervåkning, prosesskontroll, overvåkningskamera og administrative oppgaver. Og med ”Windows”-baserte skjermløsninger kunne flere av disse funksjonene også kombineres med flere skjermbilder på en skjerm, en teknologi som dagens navigatører er vokst opp med. Dette kunne være en fordel på mindre skip med liten plass på bro. På større skip ble det imidlertid vanlig å ha flere multifunksjonsskjermer av samme type til de forskjellige oppgavene, og den enkelte skjerm kunne da tildeles den oppgaven navigatøren ønsket til enhver tid.
Denne bruken av multifunksjonsskjermer ga en viktig utholdenhet, redundans, til skipets elektroniske systemer. Hvis det oppsto feil på radarskjermen, kunne radarbildet presenteres på kartskjermen eller på maskinkontrollskjermen, og omvendt, avhengig av hva som til enhver tid var viktigst.
Multifunksjonsskjermer for bruk under alle lysforhold, gjorde det mulig å innrede åpne broer hvor skipets besetning fikk enkel tilgang til alle n&oslash
;dvendige informasjonskilder. Dette i motsetning til 1950-årenes spesialkonstruerte radarindikatorer med hette for å beskytte skjermen mot dagslyset, og som var montert for å passe navigatører av standard høyde.
En parallell utvikling til multifunksjonsskjermene, var at en hvilken som helst skjerm skulle kunne brukes til hva som helst. Og allerede i 2000 kom Furuno med sitt NavNet og sin Black Box radar, hvor det var mulig å bruke en vanlig PC-skjerm som felles monitor.
Elektroniske kart på PC hadde da allerede vært vanlig i rundt ti år. Nå kunne en enkelt skjerm brukes til alt utstyr som krevde billedskjerm; tekst- og billedbehandling, TV, ekkolodd, radar og elektroniske kart. PC-skjermen er imidlertid beregnet for lystbåter og mindre yrkesbåter, og vil ikke tilfredsstille IMO-kravene til navigasjonsradar.
De nye radarskjermene førte også til en storstilt utvikling innenfor radar for mindre yrkesfartøyer, fiskebåter og lystbåter. De mange spennende småbåtradarene er temaet for del 8 i denne artikkelserien.

Se siste nummer av Skipsrevyen for illustrasjoner og flere bilder.

DEL