DE102009042969A1 - Method and device for determining the position of a watercraft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs mittels eines Vergleiches von mit einer Sonaranlage gemessenen Tiefenwerten 14 mit bekannten Tiefenwerten, wobei jeweils ein bekannter Tiefenwert einem Rasterpunkt 36 eines gerasterten digitalen Geländemodells eines bekannten Seegebietes zugeordnet ist 10. Die gemessenen Tiefenwerte werden jeweils einem Rasterpunkt 36 eines Rastermodells eines Geländeausschnittes zugeordnet 16, dessen Rasterweite an die Rasterweite des digitalen Geländemodells angepasst ist. Es sind zum Feststellen einer Übereinstimmung eine Mehrzahl von Parametern definiert 30, wobei für jeden Parameter ein die Übereinstimmung kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß ermittelt wird 32. In Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße werden Gesamtübereinstimmungsmaße gebildet 58, welche wenigstens einen eine maximale Übereinstimmung angebenden Extremwert aufweisen, dessen zugehörige Position in dem digitalen Geländemodell als die Position oder eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs bestimmt wird 60. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for determining the position of a watercraft by comparing depth values 14 measured with a sonar system with known depth values, a known depth value being assigned to a grid point 36 of a rasterized digital terrain model of a known sea area Grid point 36 of a grid model of a terrain section assigned 16, the grid width of which is adapted to the grid width of the digital terrain model. To determine a match, a plurality of parameters are defined 30, with a match measure characterizing the match being determined 32 for each parameter. Depending on the match measures, overall match measures are formed 58, which have at least one extreme value indicating a maximum match, its associated position in the digital terrain model is determined 60 as the position or a possible position of the watercraft. The invention also relates to a device for carrying out such a method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.The invention relates to a method and a device for determining the position of a watercraft according to the preamble of claim 1 or 6.
Die Positionsbestimmung bei Überwasserwasserfahrzeugen basiert primär auf Satellitennavigationssystemen, wie bspw. dem Global Position System (GPS), bei dem die Laufzeiten der Satellitensignale zwischen den Navigationssatelliten und der Empfangsantenne bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Dadurch ergibt sich ein Abstand des Navigationssystems zu dem jeweiligen Satelliten. Aufgrund der bekannten Lage der Satelliten kann eine Positionsbestimmung eindeutig erfolgen.The position determination in the case of surface water vehicles is based primarily on satellite navigation systems, such as, for example, the Global Positioning System (GPS), in which the transit times of the satellite signals between the navigation satellites and the receiving antenna are determined at a known propagation speed. This results in a distance of the navigation system to the respective satellite. Due to the known position of the satellites, a position determination can be unambiguous.
Nachteilig an einer Positionsbestimmung mittels GPS ist jedoch, dass durch bekannte Täuschungssysteme zum Senden von gefälschten Satellitensignalen an fremde Satellitenempfänger die Positionsbestimmung eines Satellitennavigationsempfängers zumindest zeitweise gestört werden kann und eine korrekte Positionsbestimmung somit verhindert wird.A disadvantage of a position determination by means of GPS, however, is that the position determination of a satellite navigation receiver can be disturbed at least temporarily by known deception systems for transmitting counterfeit satellite signals to foreign satellite receivers and a correct position determination is thus prevented.
Ferner besitzt die Positionsbestimmung mittels GPS den Nachteil, dass das GPS-Signal unter Wasser sehr schnell absorbiert wird und somit nicht ausbreitungsfähig ist. Das führt dazu, dass tauchende Wasserfahrzeuge wie bspw. U-Boote, AUVs oder Unterwasserlaufkörper keinen Kontakt zu GPS-Sensoren haben, die ihnen eine genaue Positionsbestimmung ermöglichen würden.Furthermore, the position determination by means of GPS has the disadvantage that the GPS signal is absorbed very quickly under water and thus is not capable of propagation. As a result, submerged vessels such as submarines, AUVs or underwater bodies are out of contact with GPS sensors that would allow them to accurately locate them.
Bekannte Navigationssysteme für Unterwasserfahrzeuge weisen im Allgemeinen eine Inertialmesseinrichtung auf, welche jedoch nur kurzzeitig eine genaue Navigation ermöglicht. Daher ist eine Stützung durch zusätzliche Sensoren notwendig wie bspw. eines Dopplerlogs und eines Heading-Sensors. Der Nachteil dieser Navigation liegt jedoch in der Summation des Fehlers. Der mit der Zeit wachsende Fehler verhindert eine genaue Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs.Known navigation systems for underwater vehicles generally have an inertial measuring device, which, however, allows accurate navigation only for a short time. Therefore, a support by additional sensors is necessary such as. A Doppler log and a heading sensor. The disadvantage of this navigation, however, lies in the summation of the error. The error that grows over time prevents a precise determination of the position of the vessel.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, die Positionsbestimmung von Wasserfahrzeugen zu verbessern und zwar unabhängig von bekannten Navigationssystemen, insbesondere Satellitennavigationssystemen.The invention is therefore based on the problem to improve the position determination of vessels, regardless of known navigation systems, in particular satellite navigation systems.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.The invention solves the problem by a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 6.
Verfügt ein Wasserfahrzeug über eine Sonaranlage zum Messen von Tiefenwerten, besteht die Möglichkeit einer Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs mittels eines Vergleiches von gemessenen Tiefenwerten mit bekannten Tiefenwerten eines Seegebietes.If a watercraft has a sonar system for measuring depth values, it is possible to determine the position of the vessel by means of a comparison of measured depth values with known depth values of a sea area.
Die bekannten Tiefenwerte werden bspw. einer mitgeführten Tiefenkarte, insbesondere einer Bathymetrischen Karte oder einer Seekarte entnommen oder liegen als zuvor gemessene Vergleichstiefenwerte vor. Sie werde im Folgenden Geländedaten genannt. Die von der Sonaranlage direkt gemessenen Tiefenwerte werden im Folgenden Suchmusterdaten genannt.The known depth values are taken, for example, from a depth map, in particular a bathymetric map or a sea chart, or are present as previously measured comparison depth values. In the following she will be called terrain data. The depth values measured directly by the sonar system are referred to below as search pattern data.
Die durch Digitalisierung von Tiefenlinien einer Karte erhaltenen Geländedaten oder die gemessenen Vergleichstiefenwerte liegen als unregelmäßig im Raum verteilte x, y, z-Tripels vor. Um einen Überblick über das gesamte zu betrachtende Seegebiet zu erhalten, wird eine flächendeckende Darstellung bspw. in Form eines digitalen Geländemodells (DGM) benötigt.The terrain data obtained by digitizing the depth lines of a map or the measured comparative depth values are present as x, y, z triples distributed irregularly in space. In order to obtain an overview of the entire sea area to be considered, a nationwide representation, for example, in the form of a digital terrain model (DTM) is needed.
Ein DGM ist ein digitales, numerisches Modell der Geländehöhen bzw. Geländetiefen und der Geländeformen. Es nähert die Geländeoberfläche durch eine begrenzte Anzahl regelmäßig angeordneter Stützpunkte, sog. x, y, z-Tripel an. Diese werden üblicherweise als Quadratraster mit gleichen Abständen in x- und y-Richtung angegeben. Dabei sind zwei Definitionen eines Raumbezuges möglich. Ein x, y, z-Tripel repräsentiert entweder jeweils eine Fläche einer Rasterzelle des DGM oder bezieht sich auf die Schnittpunkte der Rasterlinien, den Rasterpunkten. Im Folgenden wird als Raumbezug ein x, y, z-Tripel immer einem Rasterpunkt zugeordnet. Das Quadratraster hat den Vorteil, dass logische und algebraische Operationen einfach durchführbar sind. Die Darstellung als Quadratraster ist jedoch nicht zwingend. Ferner ist bspw. eine Einteilung des DGM in Dreiecks-, allgemeine Vierecks- oder Hexagonalraster denkbar.A DTM is a digital, numerical model of terrain elevations or terrain depths and terrain forms. It approximates the terrain surface by a limited number of regularly arranged bases, so-called x, y, z-triples. These are usually given as a square grid with equal distances in the x and y directions. Two definitions of a spatial reference are possible. An x, y, z triplet either represents one surface of a grid cell of the DTM or refers to the intersections of the grid lines, the grid points. In the following, as spatial reference, an x, y, z triple is always assigned to a grid point. The square grid has the advantage that logical and algebraic operations are easy to perform. However, the representation as a square grid is not mandatory. Further, for example, a division of the DGM in triangular, general square or hexagonal grid is conceivable.
Mittels bekannter Interpolationsverfahren werden die Geländedaten an das Quadratraster des DGM angepasst. Jedem Rasterpunkt des DGM wird jeweils ein Tiefenwert zugeordnet. Das DGM stellt somit ein sog. Referenzmodell dar.By means of known interpolation methods, the terrain data are adapted to the square grid of the DGM. Each grid point of the DGM is assigned a depth value. The DGM thus represents a so-called reference model.
Die Suchmusterdaten der Sonaranlage repräsentieren einen Geländeausschnitt bzw. einen Teil der Oberfläche des Gewässergrundes. Dieser Geländeausschnitt ist möglichst kleiner als das bekannte Seegebiet des Referenzmodells und muss innerhalb des bekannten Seegebietes liegen. Zu diesem Geländeausschnitt wird ein sog. Rastermodell erstellt, indem jeweils einem Rasterpunkt ein gemessener Tiefenwert zugeordnet wird. Die den Abstand der Rasterpunkte angebende Rasterweite des Rastermodells wird an die Rasterweite des DGM angepasst. Diese Anpassung erfolgt derart, dass die räumliche, durch Zeilen und Spalten definierte Positionsangabe des Rastermodells der Positionsangabe des DGM übereinstimmt.The search pattern data of the sonar system represent a terrain cutout or a part of the surface of the river bottom. This terrain cutout is as small as possible the known sea area of the reference model and must be within the known sea area. A so-called raster model is created for this terrain clipping by assigning a measured depth value to each raster point. The raster width of the raster model, which indicates the spacing of the raster points, becomes the grid width of the DTM customized. This adaptation takes place in such a way that the spatial position specification of the raster model defined by rows and columns matches the position specification of the DTM.
Der Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten erfolgt für eine Mehrzahl von definierten Parametern, wie bspw. mittlere Tiefe, Bodenstruktur, Abweichung von der Bodenstruktur, Standardabweichung, Bodensteigung in West-Ost-Richtung und/oder Bodensteigung in Süd-Nord-Richtung. Die Parameter können für eine Mehrzahl an Positionsbestimmungen beibehalten werden oder zu jeder Positionsbestimmung beliebig neu ausgewählt werden.The comparison of the terrain data with the search pattern data is carried out for a plurality of defined parameters, such as mean depth, soil structure, deviation from the soil structure, standard deviation, bottom slope in west-east direction and / or bottom slope in south-north direction. The parameters can be maintained for a plurality of position determinations or arbitrarily re-selected for each position determination.
Für jeden Parameter wird ein die Übereinstimmung des DGM mit dem Rastermodell kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß ermittelt, und zwar für jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Rasterpunkten des DGM. Das Übereinstimmungsmaß besitzt dabei die Form einer prozentualen Übereinstimmung, welche von 0 bis 100 Prozent reicht.For each parameter, a match score indicative of the compliance of the DTM with the raster model is determined for each predetermined number of raster points of the DTM. The degree of agreement has the form of a percentage agreement, which ranges from 0 to 100 percent.
Bevorzugt erfolgt die Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs nicht anhand eines einzelnen Parameters sondern anhand einer Kombination von mehreren Parametern zu Gesamtübereinstimmungsmaße. Die Gesamtübereinstimmungsmaße werden in Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße gebildet. Dies erfolgt bspw. mittels Multiplikation der einzelnen ggf. gewichteten Übereinstimmungsmaße und anschließender evtl. Radizierung oder mittels Mittelwertbildung. Es sind beliebige anwendungsbezogene Abhängigkeiten denkbar.The position determination of the watercraft preferably does not take place on the basis of a single parameter but on the basis of a combination of a plurality of parameters with respect to overall agreement dimensions. The overall agreement dimensions are formed as a function of the conformity measures. This is done, for example, by means of multiplication of the individual, possibly weighted, correspondence measures and subsequent possible radication or by averaging. Any application-related dependencies are conceivable.
Jedem Rasterpunkt des DGM, welchem jeweils ein Übertragungsmaß pro Parameter zugeordnet ist, wird ein Gesamtübereinstimmungsmaß zugeordnet. Es lassen sich somit vorteilhaft logische Verknüpfungen unter den Übereinstimmungsmaßen generieren, die einem Bediener erkennen lassen, inwieweit bspw. sowohl Parameter 1 als auch Parameter 2 als auch Parameter 3 an der Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs beteiligt sind.Each halftone dot of the DGM, to which one transmission measure per parameter is assigned, is assigned a total agreement measure. Thus, it is possible to advantageously generate logical links among the conformity measures which allow an operator to recognize to what extent, for example, both parameter 1 and parameter 2 and parameter 3 are involved in determining the position of the watercraft.
Aus den in Matrixform vorliegenden Gesamtübereinstimmungsmaßen wird wenigstens ein Extremwert bestimmt, welcher eine maximale Übereinstimmung des DGM mit dem Rastermodell angibt. Je nach vorher festgelegter Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße kann der Extremwert ein Minimum oder ein Maximum sein. Anhand der räumlichen Positionsangabe durch das Zeilen- und Spaltensystem kann eine dem Extremwert zugehörige Position in dem DGM des bekannten Seegebietes als die Position des Wasserfahrzeugs bestimmt werden. Liegen mehr als ein gleicher Extremwert vor, geben diese jeweils eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs an.From the overall agreement measures present in matrix form, at least one extreme value is determined, which indicates a maximum agreement of the DGM with the raster model. Depending on the predefined dependence of the matching measures, the extreme value may be a minimum or a maximum. Based on the spatial position indication by the row and column system, a position corresponding to the extreme value in the DGM of the known sea area can be determined as the position of the vessel. If more than one extreme value is present, these indicate in each case a possible position of the vessel.
Die Auswahl des wenigstens einen Extremwertes zur Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs kann manuell durch einen Bediener erfolgen oder automatisch mittels geeigneter Datenverarbeitung. Dadurch ist vorteilhaft eine automatische Positionsbestimmung möglich.The selection of the at least one extreme value for determining the position of the watercraft can be carried out manually by an operator or automatically by means of suitable data processing. As a result, an automatic position determination is advantageously possible.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Suchmusterdaten in einen Gleichanteil und einen variablen Anteil aufgespalten. Vorteilhafterweise wird nur der variable Anteil für den Vergleich von Geländedaten mit Suchmusterdaten herangezogen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, den Vergleich ohne Kenntnis der absoluten Tiefe durchzuführen. Folglich ist der Vergleich der Tiefenwerte unabhängig von den Gezeiten des Gewässers.In a further embodiment of the invention, the search pattern data is split into a DC component and a variable component. Advantageously, only the variable component is used for the comparison of terrain data with search pattern data. This creates the opportunity to perform the comparison without knowing the absolute depth. Consequently, the comparison of the depth values is independent of the tides of the water.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil der Übereinstimmungskriterien mittels der linearen Regression ermittelt. Die Ergebnisse dieser Regressionsanalyse sind eine Steigung der Regressionsgeraden, ein evtl. vorhandener Y-Offset und eine Standardabweichung. Die Steigung der Regressionsgeraden gibt dabei ein Maß dafür an, mit welchem Anteil die Suchmusterdaten bei den Geländedaten vertreten sind, der evtl. vorhandene Y-Offset ist ein Maß für die mittlere Tiefe und die Standardabweichung ist ein Maß für die Abweichung des Geländeausschnittes von dem gerade untersuchten Seegebiet. Durch die Verwendung solch einer Regressionsanalyse entsteht der Vorteil einer Unabhängigkeit der Positionsbestimmung von der absoluten Tiefe.In a further preferred embodiment of the invention, a part of the matching criteria is determined by means of the linear regression. The results of this regression analysis are a slope of the regression line, a possibly existing Y-offset and a standard deviation. The slope of the regression line thereby gives a measure of how much of the search pattern data is represented in the terrain data, the possibly existing Y offset is a measure of the mean depth and the standard deviation is a measure of the deviation of the terrain cutout from the straight examined sea area. By using such a regression analysis, the advantage of independence of position determination from the absolute depth arises.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder die Gesamtübereinstimmungsmaße in einem Darstellungsraster eingegeben. Diese vorteilhafte, visuelle, flächenhafte Darstellung liefert dem Bediener ein sehr klares Bild darüber, ob es eine eindeutige Position gibt oder bei einer Vielzahl von möglichen Positionen, welche wie wahrscheinlich sind.In a further preferred embodiment of the invention, the correspondence measures of all parameters and / or the overall correspondence measures are entered in a display grid. This advantageous visual, areal presentation provides the operator with a very clear picture of whether there is a unique location or a variety of possible locations that are as likely as possible.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zur Position des Wasserfahrzeugs ein Maß für die Zuverlässigkeit dieser Position angegeben. Dazu werden diejenigen Rasterpunkte ermittelt, zu denen ein Gesamtübereinstimmungsmaß oberhalb einer vorbestimmten Schwelle bzw. Wertes zugehörig ist. Je geringer die Anzahl dieser ermittelten Rasterpunkte ist, umso größer ist das Maß für die Zuverlässigkeit der ermittelten Position. Dies liefert dem Bediener eine vorteilhafte Entscheidungshilfe zu der ermittelten Position des Wasserfahrzeugs. Wird bspw. eine Positionsbestimmung in einem vollkommen ebenen Gelände vorgenommen, ist das Übereinstimmungsmaß in dem gesamten Gebiet nahezu gleich groß und liefert somit ein geringes Maß an Zuverlässigkeit der ermittelten Position. Ferner ist es vorteilhaft diesen Zuverlässigkeitswert einer weiteren Verarbeitung bereitzustellen, um bspw. eine Historie der Zuverlässigkeitswerte zu erstellen.In a further preferred embodiment of the invention, a measure of the reliability of this position is given in addition to the position of the vessel. For this purpose, those grid points are determined, to which a total agreement measure above a predetermined threshold or value is associated. The smaller the number of these detected halftone dots, the greater the measure of the reliability of the determined position. This provides the operator with an advantageous decision aid to the determined position of the vessel. If, for example, a position determination is carried out in a completely flat terrain, the degree of agreement is almost the same in the entire area and thus provides a low degree of reliability of the determined Position. Furthermore, it is advantageous to provide this reliability value for further processing in order, for example, to create a history of the reliability values.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die mittels der Sonaranlage gemessenen Tiefenwerte punktuell, linienhaft oder flächenhaft erfasst. Demnach sind verschiedene Ausführungsformen der Sonaranlage denkbar. Je nachdem welche Erfassung des Geländes gefordert ist, kommen einfache Echolote oder sog. Fächerlote zum Einsatz. Die Suchmusterdaten in Form von gemessenen Tiefenwerten können demnach eindimensional sein oder einem echten zweidimensionalen Muster entsprechen.In a further embodiment of the invention, the depth values measured by means of the sonar system are detected selectively, linearly or areally. Accordingly, various embodiments of the sonar system are conceivable. Depending on which detection of the terrain is required, simple echo sounders or so-called fan solders are used. The search pattern data in the form of measured depth values can therefore be one-dimensional or correspond to a true two-dimensional pattern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach einmaliger eindeutiger Positionsbestimmung ein Suchbereich für nachfolgende Positionsbestimmungen festgelegt, wobei derjenige Bereich ermittelt wird, welcher von dem Wasserfahrzeug in der Zeit zwischen den Positionsbestimmungen theoretisch erreichbar ist. Dies reduziert in vorteilhafter Weise den Rechenaufwand.In a further embodiment of the invention, after a unique unambiguous position determination, a search range is defined for subsequent position determinations, wherein the range is determined which is theoretically achievable by the vessel in the time between the position determinations. This advantageously reduces the computational effort.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch eine fortlaufende Positionsbestimmung zusätzlich zur Position der Kurs über Grund und die Geschwindigkeit über Grund ermittelt. Das hat den Vorteil, dass alle für eine Navigation relevanten Daten vorliegen.In a further embodiment of the invention, the position over ground and the speed over ground are determined by a continuous position determination in addition to the position. This has the advantage that all data relevant for navigation is available.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:Further advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and from the closer explained with reference to the accompanying drawings embodiments. In the drawing show:
Zunächst werden die einer mitgeführten Karte entnommenen Tiefenlinien eines bekannten Seegebietes digitalisiert, indem die den Tiefenlinien zugehörigen Punkte in bestimmten Intervallen gespeichert und mit den zugehörigen Tiefenwerten als Attribut versehen werden. Da diese Punkte ungleichmäßig verteilt sind, wird für eine flächendeckende Darstellung ein DGM erstellt
Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein DGM in Form eines Quadratrasters. Sie sind jedoch auch auf andere Geometrie-Modelle anwendbar.The following explanations refer to a DGM in the form of a square grid. However, they are also applicable to other geometry models.
Im rasterbasierten DGM bildet eine Rasterzelle ein Grundelement. Sie ist von Rasterlinien begrenzt, deren Schnittpunkten bzw. Rasterpunkten jeweils ein Tiefenwert zugewiesen ist. Mittels bekannter Interpolationsverfahren werden die Punkte der Tiefenlinien an das Quadratraster angepasst. Die Genauigkeit einer derartigen geometrischen Beschreibung ist abhängig von der Basisgröße der Rasterzelle, einer sog. Rasterweite. Die Rasterweite wird so eng gewählt, dass markante Strukturen der Geländeoberfläche von dem Raster mit erfasst werden.In raster-based DTM, a grid cell forms a primitive. It is limited by grid lines whose intersections or grid points are each assigned a depth value. By means of known interpolation methods, the points of the depth lines are adapted to the square grid. The accuracy of such a geometric description depends on the basic size of the raster cell, a so-called raster width. The grid width is chosen so narrow that prominent structures of the terrain surface are captured by the grid.
Da es in einem Quadratraster keine durch Koordinaten definierte Punkte gibt, muss zur Definition der Geometrie der Rasterzellen ein Ursprung des Rasters, eine Orientierung des Rasters sowie eine Rasterweite definiert werden. Zur geometrischen Positionsbeschreibung werden sog. Index-Tupel (i, j) verwendet, welche die Position einer Rasterzelle in Bezug auf den Ursprung (1, 1) des Rasters beschreiben. Unter Beachtung dieser Definitionen werden die Geländedaten aus dem DGM ausgelesen
Von dem Wasserfahrzeug aus erfolgt eine systematische hydrographische Vermessung eines Gewässerbodens eines Seegebietes mittels einer Sonaranlage.From the watercraft, a systematic hydrographic survey of a watercourse of a sea area is carried out by means of a sonar system.
Das Sonar (Sound Navigation and Ranging) ist eine Schallmesstechnik zur Ortung und Vermessung von Gegenständen unter Wasser. Eine aktive Sonarvermessung basiert auf ein vom eigenen Wasserfahrzeug ausgesendeten und vom Schallwandler anschließend empfangenen akustischen Signal. Aus der Laufzeitmessung der Schallwellen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit wird die Tiefe ermittelt. Echolote bspw. arbeiten nach dem aktiven Sonarprinzip.Sonar (Sound Navigation and Ranging) is a sound measurement technique for locating and surveying objects under water. An active sonar survey is based on an emitted by its own watercraft and then received by the transducer acoustic signal. From the transit time measurement of the sound waves and the propagation speed, the depth is determined. Echosounders, for example, work according to the active sonar principle.
Für die Vermessung von Gewässerböden werden jedoch üblicherweise statt Echolote mit Einzelstrahl Fächerlotsysteme eingesetzt. Dabei werden Wasserschallsignale abgestrahlt und mittels einer Empfangsantenne, welche eine Vielzahl elektroakustischer oder optoakustischer Wandler zum Empfangen von Schallwellen und Erzeugen von elektrischen Empfangssignalen aufweist, richtungsselektiv empfangen. Der Empfangsantenne ist ferner ein Richtungsbildner nachgeschaltet, in dem die Empfangssignale der Wandler, abhängig von der Anordnung der Wandler auf der Antenne verzögert und zu Gruppensignalen zusammengefasst werden. Dadurch wird erreicht, dass die Empfangsanordnung in einem festgelegten Empfangssektor einen Fächer von einer Vielzahl gegeneinander verschwenkter Richtcharakteristiken aufweist. Somit wird die Vermessung des Gewässerbodens genauer und effizienter. Die auf diese Weise gewonnenen Tiefenwerte der einzelnen Richtcharakteristiken ergeben aneinandergereiht eine flächendeckende Vermessung.For the measurement of watercourses, however, fanlight systems are usually used instead of echo sounders with single jet. In this case, water sound signals are radiated and received by means of a receiving antenna, which has a plurality of electro-acoustic or opto-acoustic transducer for receiving sound waves and generating electrical reception signals, directionally selective. The receiving antenna is also a Direction generator downstream in which the received signals of the converter, depending on the arrangement of the converter on the antenna delayed and combined into group signals. This ensures that the receiving arrangement has a fan of a plurality of mutually pivoted directional characteristics in a fixed receiving sector. Thus, the measurement of the watercourse becomes more accurate and efficient. The depth values of the individual directional characteristics obtained in this way result in a comprehensive survey.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf eine flächendeckende Vermessung beschränkt. Ferner ist es möglich die Messdaten eines Einzelstrahlecholotes als punktförmige oder linienförmige Vermessung zu speichern.The inventive method is not limited to a comprehensive survey. Furthermore, it is possible to store the measurement data of a single-jet echo sounder as a punctiform or linear measurement.
Die mittels der Sonaranlage gewonnenen Daten werden gemäß
Da es bei einem Rastermodell keine Punkte gibt, die durch Koordinaten beschrieben werden können, wird zur Definition der Geometrie des Rasters ein Ursprung des Rasters, eine Orientierung des Rasters und eine Rasterweite bestimmt.Since there are no points in a raster model that can be described by coordinates, an origin of the raster, an orientation of the raster, and a screen ruling are defined to define the geometry of the raster.
Zu beachten ist, dass die Form und Größe der Rasterzellen, welche mit der Definition des Rasters vorgegeben sind, bei der Erstellung des Rastermodells an die Rasterzellen des DGM angepasst sind. Diese Anpassung erfolgt derart, dass die zu vergleichenden Rasterpunkte des DGM und des Rastermodells ein und den selben Geländepunkt repräsentieren. Dabei ist es denkbar, die Rasterweite des Rastermodells bspw. um den Faktor 2 zu vergrößern und für einen Vergleich nur jeden zweiten Rasterpunkt heranzuziehen.It should be noted that the shape and size of the grid cells, which are defined by the definition of the grid, are adapted to the grid cells of the DGM when the grid model is created. This adaptation takes place in such a way that the grid points of the DGM and the grid model to be compared represent one and the same terrain point. It is conceivable, for example, to increase the raster width of the raster model by a factor of 2 and to use only every second raster point for a comparison.
Zur Definition der Geometrie von Rasterzellen
Anhand
Anschließend werden die Übereinstimmungsmaße berechnet
Für einen Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten wird nun zu jedem Rasterpunkt, beginnend beim Ursprung
Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf einen Vergleich mittels einer Bezugsposition
Für die Ermittlung der Übereinstimmungsmaße unabhängig von der absoluten Tiefe des Wasserfahrzeugs ist es vorteilhaft, die Suchmusterdaten aufzuspalten.
In
In
Dabei entspricht der Parameter a der Steigung der Regressionsgeraden
Gemäß
Als letzter Verfahrensschritt erfolgt das Bestimmen der Position des Wasserfahrzeugs
Bei einer Verfahrensvariante wird zusätzlich zur Position des Wasserfahrzeuges ein Maß für die Zuverlässigkeit dieser Positionsangabe ermittelt. Je geringer die Anzahl derjenigen Gesamtübereinstimmungsmaße ist, die oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, umso größer ist das Maß für die Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung. Dieses Maß wird dem Bediener zusammen mit der ermittelten Position angezeigt. Ferner ist es denkbar, dieses Maß für eine weiter Verarbeitung zu speichern um bspw. nach mehrmaliger Positionsbestimmung auf Bereiche hinzuweisen, in denen die angegebene Position mit geringerer Zuverlässigkeit ermittelt wurde.In a variant of the method, a measure of the reliability of this position information is determined in addition to the position of the watercraft. The smaller the number of total coincidence amounts that is above a predetermined value, the greater the measure of the reliability of the position determination. This measurement is displayed to the operator together with the determined position. Furthermore, it is conceivable to store this measure for further processing in order, for example, to refer to areas after repeated positioning in which the specified position was determined with less reliability.
Um dem Bediener eine vorteilhafte Entscheidungshilfe zu bieten, wird das vorstehend beschriebene Verfahren mit einer visuellen Darstellung der Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder der Gesamtübereinstimmungsparameter verknüpft. Die Darstellung dieser Werte erfolgt in einem Darstellungsraster, welches an die Anzahl der Werte angepasst ist, indem jedem Rasterpunkt ein Übereinstimmungsmaß bzw. ein Gesamtübereinstimmungsmaß zugeordnet ist. Die Zeilen und Spalten geben die geometrische Position des zugewiesenen Wertes wieder. Eine derartige Darstellung liefert dem Bediener ein sehr klares Bild darüber, ob es eine eindeutige Position gibt oder eine Vielzahl von möglichen Positionen.In order to provide the operator with an advantageous decision-making aid, the method described above is linked to a visual representation of the correspondence measures of all parameters and / or of the overall agreement parameters. The representation of these values takes place in a display grid which is adapted to the number of values by assigning to each grid point a measure of conformity or a total degree of agreement. The rows and columns represent the geometric position of the assigned value. Such a representation provides the operator with a very clear picture of whether there is a unique location or a variety of possible locations.
Alle in der vorgenannten Funktionsbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannte Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.All features mentioned in the aforementioned functional description, in the claims and in the introduction to the description can be used both individually and in any combination with one another. The invention is thus not limited to the described or claimed feature combinations. Rather, all feature combinations are to be regarded as disclosed.
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