Den vidunderlige radaren

Rundt 1970 ble rimelige mikroprosessorer med stor regnekapasitet kommersielt tilgjengelig, noe som førte til en kraftig økning i bruk av elektroniske regnemaskiner også innenfor radar. De relativt enkle antikollisjonssystemene ble utviklet til avanserte antikollisjonssystemer hvor navigasjonsdata og kartdata ble integrert med radardata.
”En ekte elektronisk plotter”
Et av de siste forsøkene på å automatisere den tradisjonelle plottemetoden, ble presentert av nederlandske Philips i 1965. De hadde da utviklet det elektroniske plottesystemet ELPLOT, som automatisk kunne plotte inntil fem ekko samtidig. I markedsføringen la Philips vekt på at dette var et praktisk og nyttig navigasjonsinstrument, og ikke noen datagimmick:
”Våre teknologiske eksperter fikk hele tiden råd av nautiske eksperter, og instruksen deres var at de ikke skulle produsere det aller siste innen dataprosessering, men en ekte elektronisk plotter.”
ELPLOT ble koblet opp mot skipets radar, og fungerte også som en ekstra indikator. Indikatoren hadde kun to avstandsskalaer, 6 og 12 nautiske mil, med presentasjonsmodene ”Relativt stabilisert” og True Motion”, og var beregnet for større skip i åpne farvann.
Utvelgelsen av ekko som skulle plottes, foregikk ved at navigatøren åpnet en av fem små luker, og justerte posisjonen for et sirkelsymbol ved hjelp av to kontroller under luken. Når symbolet lå over ekkoet, lukket han luken, og plottets startposisjon var etablert. Deretter måtte han vente noen minutter til ekkoet hadde flyttet seg et stykke fra startposisjonen, før han la symbolet over ekkoet på nytt med to kontroller som var plassert ovenfor den lille luken. Etter noen minutter hadde regnemaskinen beregnet ekkoets kurs og fart, og presenterte en kurs- og fartsvektor ut fra ekkoet. Farten ble vist med markeringer for 6, 12, 18, 24 og 30 minutter, og avstanden kunne således hurtig gjøres om til knop. Plottesystemet fulgte ikke selve ekkoet, og hvis ekkoet endret kurs eller fart, ville det flytte seg bort fra kurs- og fartsvektoren. Plottet for det aktuelle ekkoet måtte da startes på nytt.
Plottesystemet hadde også en simulatorfunksjon slik at navigatøren kunne se resultatet av en planlagt unnvikelsesmanøver. Denne kunne også brukes motsatt, ved at navigatøren satte ut ønsket resultat, og så fikk oppgitt nødvendig kurs og fart for å oppnå dette.
Norsk maritim elektronikkindustri tar ledelsen
Da selskapene Noratom A/S, Kongsberg Våpenfabrikk, og Norsk Hydro A/S i 1965 etablerte interesseselskapet Norcontrol for å utvikle og produsere avanserte skipsautomatiseringssystemer, så de neppe for seg at Norcontrol (nå Kongsberg Norcontrol IT) i løpet av få år skulle bli verdensledende på dette området. I/S Norcontrol skulle utvikle og produsere antikollisjonssystemer, overvåknings- og kontrollsystemer for maskinrom, samt elektroniske regnemaskiner (datamaskiner) for lastplanlegging og hyreberegning.
Som verdens første bedrift leverte Norcontrol i 1969 et avansert radar antikollisjonssystem – et system som skulle bli forløperen til de senere så velkjente og uunnværlige ARPA-systemene (Automatic Radar Plotting Aid).
Prosjektet ”Regnemaskinintegrert instrumentering på skip” ble ledet av Norcontrol, med støtte fra Norsk Teknisk-Naturvitenskaplig Forskningsråd (NTNF), og i samarbeid Det norske Veritas, AS Noratom, Skipteknisk Forskningsinstitutt, og Selskapet for Industriell og Teknisk Forskning (SINTEF).
I tillegg tok prosjektet sjansen på å satse på det nyetablerte dataselskapet Nordata (Norsk Dataelektronikk AS – Norsk Data) sin utvikling av en norsk datamaskin, og Nordata sin første datamaskin ble levert til dette prosjektet. Både Norcontrol og Nordata hadde stort utbytte av dette forsknings- og teknologisamarbeidet, ved at de fikk utviklet, produsert, demonstrert og prøvd ut systemer som senere ga bedriftene store ordrer. Denne spesielle industrihistorien er heldigvis godt beskrevet og dokumentert i boken ”Norcontrol – Maritim innovasjon siden 1965”.
Den store norske handelsflåten i 1960-årene, med en rederinæring som var fremtidsrettet og villig til å satse på ny teknologi, var også en stor fordel for norsk elektronikkindustri. En ekstra fordel for dette prosjektet var det nok at direktør Oskar Bakkevig fra Wilh. Wilhelmsens rederi var formann i NTNF sin prosjektkomité, og at han bidro til at prosjektet fikk montere Norcontrol sin prototype ombord på rederiet sitt nye skip, M/S Taimyr, som da var under bygging i Japan.
Fremtiden på under to minutter
Det spesielle med Norcontrol sitt antikollisjonssystem var at det ikke bare viste ekkohistorien, men at det også automatisk viste hvordan ekkoene ville forflytte seg minutt for minutt, om dette kunne føre til farlige situasjoner, når det dette ville skje, og hva som ville skje hvis eget fartøy endret kurs eller fart. NEC-AEI (Electronics) Ltd sin COMPACT radar fra 1968 hadde noe av denne kapasiteten ved at ekkoene ble gitt en kursvektor, og datamaskinen anbefalte også ny kurs for å unngå kollisjonsfare (Skipsrevyen nr 3/2009). Decca sitt tidlige antikollisjonssystem benyttet vektorer som var rettet fra ekkoets posisjon idet navigatøren markerte det, mot eget fartøy, og det var kollisjonsfare hvis ekkoet flyttet seg langs denne vektoren. Norcontrol sitt antikollisjonssystem viste derimot en vektor fra ekkoets posisjon til enhver tid, hvor vektorens retning og lengde viste ekkoets kurs og fart. Farten vistes ved at vektorens lengde tilsvarte ekkoets beregnede utseilte distanse de neste 30 minuttene, med markeringer for hvert femte minutt.
Mens Decca sitt system i prinsippet var manuelt, var Norcontrol sitt system halvautomatisk. På begge systemene måtte navigatøren legge en markør over ekko som han vurderte kunne innebære en kollisjonsfare.
På Norcontrol sitt antikollisjonssystem tok det bare 1-2 minutter fra navigatøren hadde valgt ut et mål, til kurs- og fartsvektoren vistes på skjermen. Til sammenligning ville det ta nærmere 20 minutter å få frem denne informasjonen ved manuell plotting, ofte like lang tid som det tar fra en kollisjonsfare blir oppdaget, til kollisjonen er et faktum.
Norcontrol sitt antikollisjonssystem kunne følge inntil 8 mål automatisk, eller inntil 4 mål manuelt. Ved manuell følging måtte navigatøren markere ekkoets posisjon hvert fjerde minutt. Denne manuelle målfølgingen var primært for at datamaskinen skulle kunne følge ekko som ikke kunne følges automatisk på grunn av sjø- og nedbørsekko.
I tillegg til hva som kunne utledes ved observasjon av radarbildet, kunne navigatøren også få presentert nærmeste passeringsavstand (CPA – Closest Point of Approach) på et nummerisk display, samt at en alarm ville varsle hvis beregnet CPA var mindre enn den minimum CPA-avstanden som var valgt. Systemet hadde også en simuleringsmode hvor navigatøren kunne prøve ut hvordan en manøver ville utvikle seg.
I dag er det nærmest utenkelig å ha en navigasjonsradar uten disse funksjonene.

”Sikrere med Norcontrol i tåke, enn uten i klarvær”
Prototypen på det som senere skulle bli kjent som

Norcontrols DataBridge (DB), DB-1, ble montert om bord på M/S Taimyr i juni 1969, etter at skipet var levert til rederiet Wilh. Wilhelmsen i desember 1968.
I boken ”Norcontrol – Maritim innovasjon siden 1965” forteller Ibb Høivold ved Norcontrol, at etter sin første tur til Østen med DB-1 prototypen, uttalte kaptein Husum ”at han med vårt anlegg seilte sikrere i tett tåke, enn uten et slikt anlegg i klarvær.”
Det var således ikke uten grunn at Norcontrol fikk stor suksess med produksjonsmodellen DB-2, som kunne følge inntil 16 mål automatisk. Det første systemet ble installert på T/T Thorshavet, tilhørende Thor Dahl rederi, i desember 1970, og totalt leverte Norcontrol rundt 100 sett av DB-2. Og nye versjoner og mer suksess fulgte.
Fra ”Selvplottende radar” til ARPA
Mens de fleste tidlige antikollisjonssystemene bare anga om det var kollisjonsfare ved at peilingen til et ekko ikke forandret seg, tok de nye systemene også hensyn til fart og andre variable faktorer. Disse nye systemene ble til å begynne med betegnet som ”Self Plotting Radar”, men fikk betegnelsen ARPA da Den internasjonale Maritime Organisasjonen (International Maritime Organization - IMO) i november 1979 fastsatte krav til denne typen hjelpemidler gjennom resolusjon A.422(XI) ”Performance Standards for Automatic Radar Plotting Aids (ARPA)”.
I resolusjonen ble medlemslandene anmodet om:
å sikre at automatiske radar plotte hjelpemidler som pålegges båret, tilfredsstiller ytelsesstandarder som ikke er dårligere enn de som er spesifisert i vedlegget til denne resolusjonen.
å sikre at adekvat opplæring i korrekt bruk av automatiske radar plotte hjelpemidler blir etablert for å sette skipsførere og dekksoffiserer i stand til å forstå de grunnleggende prinsippene for virkemåten til automatiske plotte hjelpemidler, inkludert deres muligheter, begrensninger og feil.
USA var, som så ofte ellers når det gjelder sikkerhetskrav til skipfarten, også her tidligst ute med å kreve at skip med brutto tonnasje på 10.000 tonn eller mer, som transporterte olje eller annen farlig bulklast, skulle ha installert godkjent ARPA innen 1. juli 1982. IMO sitt krav var innen 1. september 1984, men det var de amerikanske kravene som fikk rederiene til å anskaffe ARPA, for å unngå at skipene deres skulle bli hindret adgang til amerikanske farvann.
ARPA var ingen radar
ARPA var i utgangspunktet ikke en radar, kun et hjelpemiddel for å forenkle plottingen og redusere arbeidsbelastningen for navigatøren. Dette var også grunnlaget for den første utgaven av ytelsesstandard for ARPA:
Automatiske plotte hjelpemidler (ARPA) bør, for å bedre standarden for kollisjonshindring til sjøs:
* redusere arbeidsbelastningen for observatører ved å la dem automatisk få tilgang til informasjon, slik at de kan yte like bra ved flere mål, som de kan ved å plotte et enkelt mål manuelt;
* gi en kontinuerlig, nøyaktig og hurtig situasjonsvurdering.
ARPA skulle opprinnelig automatisk og samtidig kunne følge, prosessere, presentere og oppdatere minimum 20 mål ved automatisk eller manuell målanvisning, og minimum 10 mål hvis systemet bare hadde manuell målanvisning. Som følge av den teknologiske utviklingen, er disse kravene blitt vesentlig skjerpet, samtidig som ARPA-funksjonene er blitt integrert i radarsettene.
Radarhistoriens største tabbe?
De første ARPA-systemene besto av to separate enheter, hvor ekko ble anvist på radarindikatoren, for så å bli overført til en egen ARPA-indikator hvor de ble presentert og fulgt automatisk. De fleste navigatørene ønsket imidlertid bare å ha en indikator, eller arbeidsstasjon, å forholde seg til, og produsentene tilbød selvsagt det navigatørene ville ha. Ulempen var at dette krevde stor datakapasitet, og at det tok tid å prosessere den store mengden radardata. Radarsettene fikk derfor automatiske funksjoner som skulle redusere datamengden. Det enkleste tiltaket var å redusere antallet signaler som skulle prosesseres, noe som vel må sies å være en av de store feiltakelsene innenfor radarutviklingen.
Ved digitalisering av radarsignalene, ble alle ”godkjente” signaler behandlet som virkelige ekko, selv om mange av dem egentlig bare var sporadiske støysignaler eller uønskede og forstyrrende ekko fra blant annet bølger og nedbør (clutter). Disse sporadiske og uønskede signalene måtte fjernes slik at antallet falske alarmer (False Alarm Rate) kunne holdes på et minimum. Radarsettene fikk derfor automatiske eller (nivå)tilpassede (adaptive) forsterkere som regulerte mottakerens forsterkning i forhold til støynivået. Den manuelt kontrollerte lineære forsterkeren ble erstattet av en automatisk logaritmisk forsterker, som hadde mye bedre dynamiske egenskaper og således reduserte muligheten for at forsterkeren skulle bli overstyrt. Med den lineære forsterkeren forsvant også den egentlige GAIN-kontrollen, og ble erstattet av VIDEO-GAIN. I motsetning til GAIN-kontrollen, regulerte ikke VIDEO-GAIN følsomheten til mottakeren, kun styrken på de videosignalene som ble presentert. Prinsippet var det samme som for ”kjøkkenhøyttaler” til radioen, hvor en variabel motstand regulerte styrken i høyttaleren uten å påvirke selve radioen.
Ulempen var at disse kretsene også reduserte styrken på de ekkoene man gjerne skulle se tydelig, og at sterke landekko kunne redusere eller fjerne andre ekko nært land. På de ”gode, gamle” analoge mottakerne kunne en dyktig operatør oppdage ekko som ikke var vesentlig sterkere enn denne bakgrunnsstøyen. I 1950- og 1960-årene måtte for eksempel Sjøforsvarets radaroperatører være i stand til å oppdage ekko som var dobbelt så sterke som bakgrunnsstøyen. Til sammenligning krevde de digitale navigasjonsradarsettene at ekkoene måtte være mellom 20 og 40 ganger så sterke som bakgrunnsstøyen for å bli godkjent, noe som reduserte datamengden betydelig.
For å fjerne sporadiske signaler som sjøekko og forstyrrelser fra andre radarsett, fikk radarsettene også to spesielle funksjoner, ”sveip-til-sveip sammenligning” (sweep-to-sweep corrolation), og ”søk-til-søk sammenligning” (scan-to-scan corrolation). Den første funksjonen sammenlignet ekko fra flere påfølgende utsendelser (sveip), mens den andre funksjonen sammenlignet hele radarbildet fra flere påfølgende antennerotasjoner.
Disse automatiske funksjonene og kravene om få falske alarmer, førte til at mange svake eller fluktuerende ekko, for eksempel fra mindre båter, forsvant fra radarskjermen. En annen ulempe var at navigatørene ikke lenger fikk erfaring med å justere sender- og mottakerkontrollene, men lot automatikken overta. Og den teknologiske utviklingen førte i realiteten til at mange radarsett i 1980-årene hadde dårligere ytelse enn radarsettene fra 1950-årene.
Virker radaren?
Funksjonene for å redusere bakgrunnsstøyen ga et rent og støyfritt radarbilde, og gjorde det vanskelig for navigatøren å se om radarmottakeren virket som den skulle hvis det ikke var ekko fra fartøyer eller

land til stede. I henhold til påslåingsprosedyren for analoge radarsett, skulle GAIN-kontrollen skrus opp til radarskjermen fikk en lett spraglet bakgrunn. Den¬ne spraglete bakgrunnen skyldtes atmosfærisk støy og støy fra første delen av mottakeren, og var en enkel måte å kontrollere mottakeren på. Hvis skjermen ikke ble spraglet, selv om GAIN var skrudd helt opp, kunne man anta at mottakeren var dårlig eller defekt. Radarsett med digital signalbehandling hadde liten eller ingen bakgrunnsstøy, og fikk derfor egne testfunksjoner slik at navigatøren likevel kunne testet både sender og mottaker. Han gikk imidlertid glipp av den enkle og kontinuerlige overvåkningen av mottakerens tilstand som bakgrunnsstøyen ga.
ARPA på godt og ondt
Med ARPA ble navigatørens jobb på broen mer oversiktlig og enklere, med blant annet automatisk beregning av hvilken avstand og i hvilken peiling et fartøy ville passere på, CPA (Closest Point of Approach), og tiden til fartøyet vil være i denne posisjonen, TCPA (Time to CPA).
Det kunne etableres alarmsoner (Guard Zones), hvor navigatøren fikk både hørbar og visuell alarm hvis et ekko kom inn i et slikt område. De første og enkleste alarmsonene besto av et område mellom en maksimumsavstand og en minimumsavstand rundt fartøyet, og alarmen ble utløst når det ble oppdaget ekko innenfor disse områdene eller avstandene. Disse sonene kunne etter hvert utformes av navigatøren for forskjellige situasjoner, og slike soner kunne også konstrueres for områder hvor man skulle ha automatisk målfatning (Acquisition zone), og områder innenfor en slik sone hvor man ikke skulle ha automatisk målfatning (Exclusion zone).
Det vanligste var alarm både når ekko gikk inn i og ut av alarmsonen. Små båter med lite radartverrsnitt kunne imidlertid passere den indre grensen for en alarmsone før ekkoet ble sterkt nok til å bli oppdaget av det automatiske systemet. I så fall vil ikke systemet gi alarm, og navigatøren ville ikke bli gjort oppmerksom på faren. Dette var en klar ulempe ved et system som skulle bedre sikkerheten og redusere navigatørens arbeidsbelastning.
For ytterligere å forenkle navigeringen, kunne det legges inn kurslinjer, faste seilingsruter, seilingsleder, seilingskorridorer og tillatt avvik. Systemet ville dessuten kunne gi alarm hvis fartøyets posisjon avvek for mye fra kurslinjen (Cross-Track Error). På den annen side fikk navigatøren mange flere kontroller å forholde seg til, og radarindikatorene ble stadig større og mer kompliserte.
Datateknologien og nye billedskjermer innebar imidlertid store muligheter for både avansert signalbehandling og presentasjon av navigasjonsdata og radarbilde. Dette vil være tema for neste artikkel.

Denne artikkelen er rikelig illustrert med foto og illustrasjoner i vår papirutgave.