mini|300px|Omega-Sender-Standorte mini|166px|Hyperbelnavigation mit 3 Omega-Sendern: North Dakota, Liberia und Norwegen mini|166px|Omega-Sender Norwegen Das Funknavigationsverfahren OMEGA basierte auf Hyperbelnavigation. Es wurde von 1968 bis 1997 zur weltweiten Positionsbestimmung von Schiffen und Flugzeugen (für den zivilen Flugverkehr erst ab 1975) verwendet. Die Positionsbestimmung erfolgte durch Phasendifferenzmessung von Längstwellensignalen, die weltweit von acht Sendern ausgestrahlt wurden. Die Bestimmung der Standlinien erfolgte mittels Spezialkarten.
Namensgebung Das Omega-System erschien zu einer Zeit, in der es mit TRANSIT bereits eine Satellitennavigation gab und Planungen zu GPS existierten. Infolgedessen war das Ende der bodengestützten Funknavigation abzusehen, woraufhin man OMEGA für das letzte System dieser Art hielt und deswegen den letzten Buchstaben des griechischen Alphabets als Bezeichnung dafür wählte.
Sendestationen mini|166px|Abstand zwischen den Senderstandorten: Norwegen und North Dakota Das System basierte auf 8 OMEGA-Sendestationen, die rund um die Erde aufgestellt waren. Die Sender hatten eine große Reichweite von bis zu 10.000 Seemeilen (18.500 km). Bei einem Erdumfang von ca. 40.000 km entspricht das knapp dem halben Erdumfang. Ein Sender strahlte also fast bis zu seiner Antipode und war somit fast auf der gesamten Erdkugel empfangbar. Wegen der großen Reichweite konnten der Abstand zwischen zwei Stationen 5.000 bis 6.000 Seemeilen (9.300 km bis 11.100 km) betragen, was annähernd einem Viertel des Erdumfangs entspricht. Station Nr. Standort Koordinaten A 1 Aldra, Norwegen 66° 25' N; 13° 08' O B 2 Monrovia, Liberia 06° 18' 20.0" N; 10° 39' 43.9" W C 3 Haiku, Hawaii, USA 21° 24' N; 157° 50' W D 4 La Moure, North Dakota, USA 46° 21' 57.5" N; 98° 20' 08.9" W E 5 Réunion 20° 58' 26.8" S; 55° 17' 23.6" O F 6 Golfo Nuevo, Argentinien 43° 03' 12.5" S; 65° 11' 27.5" W G 7 bei Woodside, Victoria, Australien 38° 28' 52.5" S; 146° 56' 07.3" O H 8 Tsushima, Japan 34° 36' 53.5" N; 129° 27' 13.0" O Das System war durch die United States Navy aufgebaut und 1968 fertiggestellt worden. Seit 1971 wurde es von der United States Coast Guard betrieben. Neben zwei Stationen in den USA, von der das Omega-System initiiert und unterhalten wurde (North Dakota und Hawaii), wurden sechs weitere Stationen in verbündeten bzw. befreundeten Ländern betrieben (Argentinien, Australien, Réunion – zu Frankreich gehörend, Japan, Liberia und Norwegen).
Daneben gab es auch eine OMEGA-Station in Trinidad, welche 1980 stillgelegt wurde. Die für die OMEGA-Stationen errichteten Antennenanlagen waren sehr groß. Einige besaßen einen über 400 Meter hohen selbststrahlenden Sendemast, der eine Schirmantenne trug. Andere Stationen benutzten als Sendeantenne ein über einen Fjord (Norwegen) oder ein Tal (Hawaii, Trinidad) gespanntes Seil.
Eine ausführliche Beschreibung der Sendestationen folgt weiter unten.
Technik OMEGA zählt zu den Verfahren der Hyperbelnavigation. Das System arbeitete mit Längstwellen (engl. very low frequency, Abk. VLF) im Bereich von 10 bis 14 kHz (auf 12 festen Frequenzen – siehe unten), was mit den wenigen Stationen einen weltweiten Empfang ermöglichte.
OMEGA war konzipiert als Navigationshilfe für Langstreckenbomber, diente aber auch U-Booten zur Positionsbestimmung. Letzteres gestatteten die extremen Wellenlängen, da solche Funkwellen auch in Salzwasser eindringen. Die Navigation mit dem Omega-Navigationsverfahren war bis zu einer Wassertiefe von 15 m möglich.
Es wurde eine Genauigkeit von 2–4 Seemeilen (NM – nautische Meile), später von 1 Seemeile erreicht. Von Nachteil bei dem Verfahren war allerdings, dass es – genau wie auch Decca – eine fortlaufende Messung erforderte, man konnte also nicht allein mit dem Einschalten der Anlage seine Position ermitteln.
Die amerikanischen strategischen Atom-U-Boote benötigten für den Start und die genaue Flugbahnberechnung ihrer mit Atomsprengköpfen ausgerüsteten ballistischen Interkontinentalraketen ihre genaue Standortposition. Als Basisnavigationssystem diente den U-Booten das Ships Inertial Navigation System (SINS) – ein geschlossenes Koppelnavigationssystem. Der zunehmende Positionsfehler musste täglich mit Hilfe eines Langstreckennavigationssystems (OMEGA) korrigiert werden.
Die USA und Großbritannien haben unter anderem gegenüber der australischen Regierung versichert, dass auf ihren Atom-U-Booten keine OMEGA-Empfänger installiert sind, um Bedenken in Australien zu zerstreuen, dass der australische OMEGA-Sender im Falle einer atomaren Auseinandersetzung zwischen den USA und der SU das Ziel eines strategischen Atomschlages der Sowjetunion werden könnte, die damit das OMEGA-Navigationssystem für die amerikanischen U-Boote ausschalten könnte.
Funktionsweise mini|300px|Bild 1 Das OMEGA-Navigationssystem strahlte weltweit von 8 Stationen mit einer Frequenz von 10 bis 14 kHz aus. Das ist VLF (engl. Very Low Frequency; Längstwelle), die als Frequenzbereich unter 30 kHz definiert ist. Diese elektromagnetischen Wellen breiten sich um den gesamten Erdball aus, da sie an der unteren Grenze der Ionosphäre und von der Erde reflektiert werden (Bild 1) (siehe Raumwelle).
Tag-Nacht-Grenze mini|300px|Bild 2 mini|300px|Bild 3 Die Ausbreitung der Längstwellen ist sehr stabil und deshalb gut voraussagbar. Probleme gab es, wenn sich Sender und Empfänger in unterschiedlichen Tageslichtzonen befanden, wenn also beispielsweise am Standort des Senders Lichter Tag war, während am Standort des Empfängers Nacht war (Bild 2). Da sich die Reflexionseigenschaften der Ionosphäre nachts ändern (grob vereinfacht: die Reflexion erfolgt in einer größeren Höhe und ist stärker; tags ist die Untergrenze der Ionosphäre 80 km hoch und nachts steigt sie auf 100 km an), war diese Konstellation für die Navigation unbrauchbar, da die Übergänge an der Tag-Nacht-Grenze unstabil und unregelmäßig waren. Das OMEGA-Empfangsgerät schaltete deshalb automatisch auf einen anderen Sender um, so dass sich Sender und Empfänger wieder gleichzeitig in der Tagzone (bzw. beide in der Nachtzone) befanden. Durch die geänderte Reflexionshöhe der Ionosphäre in der Nacht kommt es zu einer anderen Länge der Laufstrecke für die Längstwellen und damit zu einer störenden und unvorhersehbaren Phasenverschiebung (Bild 3). Im Bild ist vereinfachend nur ein einziger Ausbreitungsweg dargestellt, obwohl gleichzeitig Tausende nebeneinander davon bestehen. Entscheidend ist jedoch die Phasenverschiebung. Da die Phasenverschiebung zur Entfernungsberechnung verwendet wird, macht eine unberechenbare Phasenverschiebung an der Tag-Nacht-Grenze (engl. diurnal effect, diurnal phase shift) das Signal unbrauchbar.
Phasenverschiebung mini|300px|Bild 4 mini|300px|Bild 5 Die vom OMEGA-Navigationssystem verwendeten Längstwellen haben bei einer Frequenz von 10,2 kHz eine Wellenlänge von 16 NM (= 29,632 km) (Bild 4). Exemplarisch sei angenommen, dass ein Flugzeug mit dem OMEGA-Empfangsgerät genau über dem Sender startet. Der aktuelle Standort muss bei Beginn des Fluges eingegeben werden. Die Phasenverschiebung über der Station ist Null. Nach weiteren 16 NM Flug von der Station weg ist die Phasenverschiebung wieder Null. Dazwischen kommt es zu einer allmählichen Phasenverschiebung (Bild 5), die vom Empfangsgerät in Entfernungseinheiten (NM) umgerechnet und angezeigt wird.
Standortbestimmung
Line of Position mini|300px|Bild 6
Das OMEGA-Empfangsgerät muss während des ganzen Fluges eingeschaltet bleiben, damit es mitzählen kann, wie oft eine Phasenverschiebung um eine Periode (16 NM) stattfindet. Es kann also nur die Entfernung von der OMEGA-Station genau angeben (die Position auf einer Kreislinie um den Sender), nicht jedoch die Richtung. Allerdings sind genaue Richtungsangaben über einen zusätzlichen Kompass problemlos für die Navigation verfügbar.
Range-Range-Navigation mini|300px|Bild 7 Bei der Auswertung von zwei OMEGA-Sendern ergeben sich zwei mögliche Standorte. Diese lassen sich bereits mit Hilfe einer groben Orientierung am Kompass differenzieren. Wegen der Besonderheit des OMEGA-Navigationsverfahrens ist die Ortsbestimmung mit Hilfe von zwei Sendern zweideutig. Bei anderen Navigationsverfahren geht von zwei Sendern je eine gerade Standlinie aus und es ergibt sich bereits ein eindeutiger Schnittpunkt. Beim OMEGA-Navigationsverfahren handelt es sich aber um zwei Kreise, die von zwei Sendern ausgehen. Diese zwei Kreise schneiden sich naturgemäß an zwei Punkten. Da nur bekannt ist, dass der Empfänger irgendwo auf diesen Kreislinien ist, kann der Empfänger an einem der beiden Punkte sein.
Range-Range-Range-Navigation mini|300px|Bild 8 Eine eindeutige Positionsbestimmung ergibt sich erst bei der Auswertung von 3 Stationen. Die Entfernungsangabe zu 3 Stationen gibt einen einzigen Schnittpunkt. Erst das Hinzukommen eines dritten Senders löst die Zweideutigkeit auf, die bei der Navigation mit zwei Sendern noch existiert.
Hyperbel-Navigation
mini|300px|Hyperbelstandlinien (schwarze Linien) zwischen zwei Sendern
Die Hyperbelnavigation ist nicht mit der Range-Range-Range-Navigation gleichzusetzen. Sie stellt einen noch genaueren Navigationsmodus dar. Dazu gibt es spezielle Navigationskarten.
Frequenztabelle mini|400px|Bild 11 Die 8 weltweiten Sender (A, B, C … bis H) senden streng synchron nach einer festen Sequenz und Dauer (Bild 11: Sendetabelle – engl. transmission format, deutsch: Übertragungsformat). Ein Sendezyklus dauert 10 Sekunden. Jede Station sendet nacheinander auf vier gemeinsamen Frequenzen (engl. common frequencies) (10,2 kHz; 11,05 kHz; 11,33 kHz und 13,6 kHz) und zusätzlich auf einer stationstypischen Frequenz, die nur für diese Station reserviert ist (Stationsfrequenz, im Bild 11 rot unterstrichen). Die Station sendet während eines Sendezyklus von 10 Sekunden genau zweimal mit der Stationsfrequenz, wobei dieser Sendeimpuls ungefähr doppelt so lang ist, wie die Sendeimpulse auf der allgemeinen Frequenz. Ein Sendezyklus besteht gewissermaßen aus 8 „Takten“, wovon 4 Takte auf den allgemeinen Frequenzen und vier Takte auf der Stationsfrequenz gesendet werden. Die Sendeimpulse auf den Stationsfrequenzen überlappen sich um jeweils einen Takt. Die Pausen zwischen den „Takten“ betragen genau 0,2 s, während die Länge der einzelnen Takte innerhalb eines Sendezyklus – nach einer festen Reihenfolge – leicht variiert. Bei der Betrachtung der einzelnen Spalten der Sendetabelle wird deutlich, dass je „Takt“ jeweils 4 Sender auf ihrer individuellen Stationsfrequenz senden, während die übrigen vier Sender auf den gemeinsamen Frequenzen senden, wobei innerhalb eines „Taktes“ nur gleichzeitig auf unterschiedlichen gemeinsamen Frequenzen gesendet wird, da es sonst zu Signalinterferenzen käme.
In den OMEGA-Empfangsgeräten war die Information der Sendetabelle gespeichert, so dass das Empfangsgerät beim Empfang der Signale jede Station eindeutig zuordnen konnte.
Die vier allgemeinen Frequenzen lauten: Frequenz Wellenlänge 10,20 kHz 15,87 NM 29,39 km 11,05 kHz 14,65 NM 27,13 km 11,33 kHz 14,29 NM 26,46 km 13,60 kHz 11,90 NM 22,04 km Zur Grobortung wurden Mischfrequenzen (3,40 kHz und 1,13 kHz) benutzt, die sich aus der Differenz von jeweils zwei passend ausgesuchten gemeinsamen Frequenzen ergaben. Die Frequenzen für 15,87 NM (10,20 kHz) und für 11,90 NM (13,60 kHz) ergeben eine Differenz von 3,40 kHz (13,60 − 10,20 = 3,4). 3,4 kHz entsprechen einer Wellenlänge von 47,61 NM (88,17 km). Die Frequenzen für 15,87 NM (10,20 kHz) und für 14,29 NM (11,33 kHz) ergeben eine Differenz von 1,13 kHz (11,33 − 10,20 = 1,13). 1,13 kHz entsprechen einer Wellenlänge von 143,25 NM (265 km). Das Interferenzband mit der Amplitude 143 NM wurde besonders von schnell fliegenden Flugzeugen für die Navigation verwendet, da der OMEGA-Empfänger die Positionsanzeige nur alle 10 Sekunden neu berechnet. Die Stationsfrequenzen waren: