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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Unterwasserkarte mittels dreidimensionaler Sonardaten sowie eine Unterwasserkarte und ein Fahrzeug, welches die Unterwasserkarte aufweist.
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Unterwasserkarten oder auch Seekarten mit eingetragenen Untiefen haben grundsätzlich das Problem, dass zum Zeitpunkt der Veröffentlichung oder des Benutzens der Karte sich die wahren Gegebenheiten häufig bereits geändert haben.
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So kann es beispielsweise vorkommen, dass ein Flusslauf im Laufe der Zeit an bestimmten Stellen Sediment aufspült, welches für Schiffe mit einem bestimmten Tiefgang eine Kollisionsgefahr darstellt. Um dem vorzubeugen, werden in alle üblichen Seekarten Untiefen mit einem gewissen Sicherheitsbereich eingezeichnet.
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Andererseits können beispielweise in vielbefahrenen Seestraßen, wie beispielsweise der Ärmelkanal, Wasserfahrzeuge sinken und somit ein Umfahren der Havariestelle zwingend vorgeschrieben sein oder es wird ebenfalls Schiffen mit einem bestimmten Tiefgang nicht erlaubt, die Stelle zu überfahren.
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Insbesondere für die Navigation unter Wasser, beispielsweise durch autonome Unterwasserfahrzeuge oder U-Boote, sind genaue Unterwasserkarten für eine optimale Navigation unerlässlich. So wird beispielsweise ein Unterwassergegenstand, wie beispielsweise ein unterseeischer Vulkan oder ein unterseeisches Gebirge, mittels geometrischer Körper modelliert und anhand dieses Modells werden Sonardaten optimiert berechnet, wodurch sich ein genaueres, exakteres Navigieren realisieren lässt.
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Zudem gibt es weitere wichtige Parameter, welche in einer Unterwasserkarte aufgenommen werden können oder sollten. Beispielsweise können die Salinität, die Temperatur oder sonstige für das Auswerten von Sonardaten wichtige Informationen in einer Unterwasserkarte verzeichnet sein.
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Im Allgemeinen sind derartige Karten aufwändig zu erstellen und werden äußerst selten auf den neusten Stand gebracht. Dies birgt Gefahren, da ein optimales Navigieren oder Durchfahren eines bestimmten Wasserbereiches nicht gewährleistet werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Unterwasserkarte, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- a) Ermitteln dreidimensionaler Sonardaten mittels eines ersten Sonars,
- b) Bestimmen von Unterwasserparameter anhand der ermittelten dreidimensionalen Sonardaten und
- c) Anpassen einer Ursprungsunterwasserkarte, insbesondere mit Ursprungsunterwasserparameter, mittels eines Korrekturalgorithmus, welcher die bestimmten Unterwasserparameter verwendet, sodass eine neue Unterwasserkarte vorliegt.
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Somit kann eine Unterwasserkarte bereitgestellt werden, in welche die aktuellsten Informationen zumindest teilweise mit aufgenommen sind. Insbesondere können so schnell gesunkene Schiffe vermessen werden und gegebenenfalls ein Wasserweg für die gesamte Schifffahrt oder für Teile der Schifffahrt freigegeben werden.
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Auch können modellierte Unterwasserlandschaften der Wirklichkeit angenähert werden, so dass ein besseres Unterwassernavigieren, insbesondere für autonome Unterwasserfahrzeuge oder U-Boote, gewährleistet werden kann.
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Weiterhin kann eine derartige Karte schnell anderen Fahrzeugführern oder anderen Fahrzeugen übermittelt werden, so dass diese ebenfalls auf aktuelle Daten zugreifen können. Dies kann die Verkehrssicherheit auf und in den Meeren und Flüssen erheblich steigern.
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Folgendes Begriffliche sei erläutert:
In ihrer einfachsten Ausgestaltung ist eine „Unterwasserkarte“ eine in der Schifffahrt verwendete (zweidimanesionale) Seekarte inklusive angezeigter Meereswassertiefen. Das bedeutet, dass es sich bei der Unterwasserkarte um eine zweidimensionale Oberwasserkarte handelt, in welcher die entsprechenden Tiefen eingezeichnet sind. Derartige Karten werden insbesondere von Seeleuten zum Navigieren verwendet.
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Weiter können Unterwasserkarten ein detaillierteres Bild der Gegebenheiten unter Wasser vermitteln. Insbesondere handelt es sich um einen vollständigen dreidimensionalen Datensatz, in welchem sämtliche natürliche und künstliche Objekte aufgezeichnet sind, welche sich unterhalb der Oberwasserfläche befinden.
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Die Auflösung von Objekten in derartigen Unterwasserkarten kann bei einem Meter oder sogar darunter liegen. Die Auflösung ist insbesondere von der Art der Gewinnung der Daten und vorliegend insbesondere durch die verwendeten 3D-Sonare abhängig.
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In dieser speziellen Ausprägung ist eine Unterwasserkarte für autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) oder U-Boote von größter Wichtigkeit, da mit den Sonaren, beispielsweise mit dem Forward-Looking-Sonar eines U-Boots, die Umgebung gescannt und mit der vorliegenden Unterwasserkarte abgeglichen werden kann, so dass die aktuelle Position exakt bestimmbar ist.
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Unter „dreidimensionale Sonardaten“ sind sämtliche Sonardaten zu verstehen, welche einen räumlichen Eindruck von Unterwasserobjekten vermitteln können. Derartige dreidimensionale Sonardaten, werden insbesondere mittels eines 3D-Sonars ermittelt.
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Vorliegendes „Sonar“ ist insbesondere ein 3D-Sonar Auch kann das Sonar beispielsweise mehrere voneinander mit definiertem Abstand aufweisende Hydrophone umfassen, welche anhand der unterschiedlichen Laufzeit eines ausgesandten Schallsignals einen Reflektionsgegenstand unter Wasser ermitteln können.
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Insbesondere können durch die verwendeten Unterwasserschallsignale, deren Frequenzen und Intensität sowie deren zeitlicher Verlauf und der entsprechenden Hydrophonausgestaltung, unterschiedliche Informationen gewonnen werden, welche ein detailliertes Bild des Unterwassergegenstandes ermitteln.
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In einer primitiven Form entspricht das Sonar einem einfachen Echolot, bei dem über einen bestimmten Punkt über Wasser, welcher beispielsweise mittels GPS oder Galileo ermittelt wird, eine bestimmte Wassertiefe ermittelt. Durch versetzen des Echolots und dem Aufzeichnen der dazugehörigen Ortsveränderung kann mithin ein Abbild des Meeresbodens bestimmt werden.
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Die „bestimmten Unterwasserparameter“ sind sämtliche aus den Unterwasserschallsignalen mittels des Sonars gewonnenen Daten, wie beispielsweise Unterwassertiefe oder die Entfernung zu einem Unterwasserobjekt.
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Eine „Ursprungsunterwasserkarte“ ist eine bereits vorliegende Unterwasserkarte. Diese Ursprungsunterwasserkarte kann bereits Parameter, wie beispielsweise Wassertiefe oder Entfernung zu einem Unterwasserobjekt aufweisen, so dass die Ursprungsunterwasserkarte Ursprungsunterwasserparameter aufweist. Insbesondere handelt es sich um eine elektronische Karte.
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„Anpassen“ bedeutet vorliegend insbesondere, dass die Ursprungsunterwasserkarte entsprechend der ermittelten Unterwasserparameter modifiziert wird.
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Dieses Anpassen erfolgt mittels eines „Korrekturalgorithmus“, welcher den Einfluss der bestimmten Unterwasserparameter auf die neue Unterwasserkarte festlegt.
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In seiner einfachsten Form bildet der Korrekturalgorithmus zwischen dem Ursprungsunterwasserparameter und dem zugehörigen neuen mittels der dreidimensionalen Sonardaten ermittelten Unterwasserparameter einen Durchschnittswert. So kann beispielsweis eine eingetragene Ursprungs-Meerestiefe 37m betragen haben und die mittels dem Sonar bestimmte Meerestiefe 39m, so dass die neue Unterwasserkarte für die vorliegende Tiefe einen Wert von (37m + 39m)/2 = 38m annimmt.
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Mithin erfolgt also durch das vorliegende Verfahren nicht ein radikales Neubestimmen einer bestehenden Unterwasserkarte, sondern lediglich ein adaptiertes Ändern, welches sich beispielsweise durch mehrfaches Durchführen langsam einem realen Wert annähert.
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In einer weiteren Ausprägungsform werden weitere dreidimensionale Sonardaten mittels weiterer Sonare ermittelt und anschließend jeweils die Schritte b) und c) durchgeführt.
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Somit können Daten aus verschiedensten Quellen zum Bestimmten einer neuen Unterwasserkarte herangezogen werden.
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Vorliegend kann es sich beispielsweise bei dem einen Sonar um ein Forward-Looking-Sonar eines U-Bootes handeln, während es sich bei einem anderen Sonar beispielsweise um ein reines Echolot handelt, welches auf einem Schiff angeordnet ist. Zusätzlich kann dann noch beispielsweise das 3D-Sonar eines Forschungsschiffes ausgewertet werden, dessen Parameter dann ebenfalls mit in die neue Unterwasserkarte aufgenommen werden.
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Um nicht jeweils eine neue Karte wiederrum als dann neue Ursprungskarte zu verwenden, um dann wiederrum eine neue Karte zu generieren, können weitere dreidimensionale Daten mittels weiterer Sonare ermittelt werden und wenigstens zwei oder mehr Sonardaten unterschiedlicher Sonare fusioniert und anschließend die Schritte b) und c) durchgeführt werden.
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Bei dem Fusionieren können sowohl die Daten selbst als auch die anhand der dreidimensionalen Sonardaten ermittelten Unterwasserparameter fusioniert werden. Bei dem „Fusionieren“ kann dabei ein Gewichten oder auch sonstige dem Korrekturalgorithmus ähnliche Funktionen verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die dreidimensionalen Sonardaten des ersten Sonars und/oder jeweils die dreidimensionalen Sonardaten der weiteren Sonare einen Verlässlichkeitsindikator auf.
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Somit kann die Zuverlässigkeit des Sonars und somit der bestimmten Unterwasserparameter abgeschätzt werden.
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Insbesondere kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass militärische Sonare eines U-Bootes genauere Daten liefern als beispielsweise das Echolot eines Fischtrawlers. Das bedeutet, dass der Korrekturalgorithmus beispielsweise die Daten des U-Bootes höher gewichtet als beispielsweise die Daten des Fischtrawlers.
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Mithin kann beispielsweise jedes Sonar noch einen Identifizierer liefern, welcher das Modell des Sonars und somit die Genauigkeit des Sonars übermittelt. Diese Information kann beispielsweise in einer Datenbank hinterlegt werden, die beim Anpassen der Ursprungsunterwasserkarten mittels des Korrekturalgorithmus in Betracht gezogen werden.
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In seiner einfachsten Form können beispielsweise die ungenausten Sonardaten einen Kenner 1 und die genausten beispielsweise einen Kenner 10 erhalten. Sonare, beispielsweise guter Qualität, hätten in einem solchen Schema einen Kenner 8. Nicht nur lineare Werte sondern auch beispielsweise logarithmische Werte können verwendet werden, so dass beispielsweise 1.000 Messungen unterschiedlicher Fischtrawler mit einer Messung eines U-Bootes gleichzusetzen wären.
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Das bedeutet, dass mithin anhand des Verlässlichkeitsindikators der Korrekturalgorithmus eine Gewichtung durchführen kann.
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Dabei ist „Gewichtung“ in der Art zu verstehen, dass der Einfluss der Änderung der Ursprungskarte einen funktionalen Zusammenhang mit dem Verlässlichkeitsindikator hat.
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Um unterschiedlichste Unterwasserparameter Bereitstellen zu können, können diese eine Flächenkoordinate, eine Raumkoordinate, eine Strömung, eine tiedenabhängige Tiefe und/oder eine Salinität umfassen. Bei der Flächen- und Raumkoordinate kann beispielsweise ein kartesisches Koordinatensystem verwendet werden. Weiterhin kann die Flächenkoordinate beispielsweise durch ein Polarkoordinatensystem dargestellt werden oder können die Raumkoordinaten mittels einer Zylinderbasis oder sonstiger Basen dargestellt werden. Bei der Strömung können insbesondere die Ausdehnung der Strömung und die Geschwindigkeit der Strömung umfasst sein. Auch kann der Korrekturalgorithmus diese Strömung bei dem Anpassen der Ursprungsunterwasserkarte mit betrachten, da eine Strömung häufig einen Einfluss auf die Qualität der bestimmten Unterwasserparameter hat.
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Insbesondere in sehr flachen Gewässern, wie sie beispielsweise in der norddeutschen Bucht vorliegen, können die Unterwasserparameter eine tiedenabhängige Tiefe aufweisen, in welchen anhand des Standes des Mondes bestimmte Informationen gewonnen werden können und ein Navigieren beispielsweise bei Flut noch möglich, jedoch bei Ebbe nicht realisierbar ist.
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Damit sehr verlässliche Daten einer Ursprungsunterwasserkarte nicht leichtfertig abgeändert werden, kann ein Ursprungsunterwasserparameter einen Vertrauensindikator aufweisen.
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So kann beispielsweise ein gesunkenes Wrack durch Taucher händisch vermessen worden sein, so dass beispielsweise die Ausdehnung des Wracks exakt bestimmt ist. Sollten nun Unterwasserparameter, welche mittels dreidimensionaler Sonardaten bestimmt wurden, eine größere oder eine geringere Länge des Wracks ergeben, so kann durch den Vertrauensindikator abgebildet werden, dass die Länge des Wracks nicht oder nur marginal geändert werden darf.
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In einer weiteren Ausführungsform werden Anpassungen oberhalb eines Grenzwertes gesondert in der neuen Unterwasserkarte bereitgestellt.
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Somit kann ein menschlicher Betrachter nochmal überprüfen, ob die Anpassungen gegebenenfalls stimmig sind, oder ob noch eine Referenzmessung erfolgen soll. Weiterhin können akute Änderungen in den Karten verzeichnet werden, so dass Schiffe einer akuten Gefahrenstelle aus dem Weg gehen können.
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Auch kann beispielsweise eine Unterwasserpipelinestruktur mithin auf Austreten des Öls untersucht werden, insbesondere da ein Austreten des Öls andere Ausbreitungseigenschaften für Schall aufweist als übliches Meerwasser, so dass die Werte stark von vorherigen Werten abweichen. Mithin können somit also Überwachungsfunktionen durchgeführt werden, in denen eine Ursprungsunterwasserkarte mit der Eingangs zur Lösung der Aufgabe beschriebenen Verfahren aufgefunden werden.
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Um eine hohe Qualität von dreidimensionalen Sonardaten zu erhalten, können wenigstens zwei Sonare ortsfest oder quasi ortsfest angeordnet sein.
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Es kann beispielsweise an einem Fundament am Meeresboden eines der Sonare und an einer Kaimauer ein weiteres Sonar angeordnet sein. Zum einen können darüber qualitativ hochwertige dreidimensionale Daten von einem Objekt zwischen den beiden Sonaren ermittelt werden, zum anderen kann damit eine gute Qualität der dreidimensionalen Sonardaten bereitgestellt werden.
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Unter „ortsfest“ ist zu verstehen, dass die Sonare sich im Wesentlichen nicht bewegen. Unter „quasi ortsfest“ ist zu verstehen, dass etwaige Bewegungen bestimmt oder entsprechend berechnet werden können. Beispielsweise können Bojen am Meeresgrund verankert sein, welche ein Sonar aufweisen und welche sich entsprechend einer Strömung bewegen können. Aufgrund eines GPS-Signals kann jedoch zum jeweiligen Zeitpunkt des Ermittelns der dreidimensionalen Sonardaten zusätzlich der aktuelle Ort bestimmt werden, so dass eine Korrektur erfolgen kann.
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Insbesondere bei der Navigation von Unterseebooten, werden künstliche oder natürliche Unterwasserstrukturen modelliert, um bessere Navigationsdaten zu erhalten. Häufig werden somit diese Ursprungsunterwasserkarten mittels geometrischer Objekte wie Quader modelliert, so dass dies eine erste Näherung der Realität darstellt. Um die modellierte Ursprungsunterwasserkarte zu verbessern, kann das zur Lösung der Aufgabe genannte Verfahren auch auf derartige modellierte Ursprungsunterwasserkarten angewandt werden.
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Auch kann die Erfindung zum Kalibrieren von Lageinformationen dienen. Insbesondere bei einem längeren Manöver eines AUVs oder U-Boots Unterwasser kann es durch die Umweltbedingungen und durch Messungenauigkeiten zu einer Verschiebung des Koordinatensystems der Lageinformationen kommen.
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Durch die Erfassung von Echtzeitdaten aus der Umwelt und den Abgleich mit den digitalen Karten (z.B. markante natürliche und unnatürliche Punkte) kann die Karte auf die realen Weltkoordinaten "zurück" kalibriert werden. Alle darauf basierenden Systeme (z.B. Navigation, Vermessung etc.) werden genauer und zuverlässiger.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Unterwasserkarte, insbesondere elektronische Unterwasserkarte in einem Rechner, welche eine mittels einer Unterwasserkarte entspricht, welche mit einem zuvor beschriebenen Verfahren ermittelt wurde.
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Eine derartige Unterwasserkarte kann beispielsweise mittels einer virtuellen Realität einem Bediener zur Verfügung gestellt werden oder kann zweidimensional beispielsweise durch das Bereitstellen etwaiger Schnitte durch die Unterwasserkarte dem Bediener einen Eindruck vom Unterwassergebiet vermitteln.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere ein Wasserfahrzeug, welches eine zuvor beschriebene Unterwasserkarte aufweist.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
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1 eine stark schematische Darstellung eines vertikalen Schnittes durch drei verschiedene Unterwasserkarten an einer identischen Stelle und
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2 eine stark schematische Darstellung eines vertikalen Schnitts durch eine modellierte Ursprungsunterwasserkarte und einer neuen Unterwasserkarte an einer identischen Stelle.
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Auf einer Wasserroute sei ein Schiff, welches auf der Wasseroberfläche 101 fuhr, auf dem Meeresgrund 103 gesunken. Nach der Havarie wurde an der Havariestelle in einer Unterwasserkarte ein grobes Modell 105 des gesunkenen Schiffes in Form eines Quaders, welcher das Schiff komplett aufnimmt, eingezeichnet. Sofern Schiffe einen größeren Tiefgang als die Sicherheitstiefe 107 haben, ist die Havariestelle für diese Schiffe gesperrt.
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Um weiteren Schiffen möglichst zeitnah die Möglichkeit zu geben, die Havariestelle zu überfahren, wird mittels einem einfachen Echolots der Umkreis der Havariestelle abgefahren und an mehreren Punkten die entsprechende Wassertiefe bestimmt. Aus den mit dem Echolot ermittelten ortsabhängigen Tiefenwerten und dem modellierten gesunkenen Schiff 105 wird eine neue Unterwasserkarte mit einer ersten Näherung 111 des Wracks erstellt. Dabei hat sich die Sicherheitstiefe 107 vergrößert, so dass Schiffe mit größerem Tiefgang die Havariestelle überfahren dürfen.
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Darauffolgend wird ein Schiff mit einem hochauflösenden 3D-Sonar mit sehr hoher Qualität und sehr guter Auflösung zu der Havariestelle gesandt, um das gesunkene Wrack zu vermessen. Die damit ermittelten 3D-Daten weisen den höchsten Verlässlichkeitsindikator auf. Mithin wird die Unterwasserkarte erster Näherung, welche vorliegend die neue Ursprungsunterwasserkarte ist, derart mit den durch das hochauflösende 3D-Sonar ermittelten Daten angepasst, dass die daraus entstehende neue Unterwasserkarte zu 90 % aus den Daten des hochauflösenden 3D-Sonars und somit den Daten der zweiten Näherung und zu 10 % aus den Daten der ersten Näherung 111 gebildet ist.
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Die nun neue vorliegende Unterwasserkarte zweiter Näherung 113 weist eine neue Sicherheitstiefe 117 auf, welche weiteren Schiffen mit größerem tieferem Tiefgang ermöglicht, die Stelle zu passieren. Zudem wurde auch der seitliche Seitensicherheitsabstand 109 verringert, so dass ein genaueres Unterwasserbild der Havariestelle vorliegt.
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In einer Alternative wurde ein Unterwassergebirge mittels eines Modells 205, welches Modellquader 207 aufweist, modelliert. Dieses Modell 205 ermöglicht es einem U-Boot anhand von Sonardaten besser zu navigieren.
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Im Laufe der Zeit wurde das Unterwassergebirge mehrfach von einem Forschungsschiff mit hochauflösendem Sonar überfahren und sämtliche ermittelten Parameter zu einem Gesamtparametersatz fusioniert. Vorliegend weist der mittels des Forschungsschiffs ermittelte Gesamtparametersatz einen hohen Verlässlichkeitsindikator auf. Dieser Gesamtparametersatz wird mit dem modellierten Unterseegebirge mittels Korrekturalgorithmus zusammengeführt, so dass eine neue Unterwasserkarte gegeben ist.
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Das sich dann ergebende Unterwassergebirge gemäß der neuen Unterwasserkarte ist mittels der Kurve 213 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Wasseroberfläche
- 103
- Meeresgrund
- 105
- Modell eines gesunkenen Schiffs
- 107
- Sicherheitstiefe
- 109
- Sicherheitsabstand
- 111
- Erste Näherung
- 113
- Zweite Näherung
- 117
- Neue Sicherheitstiefe
- 205
- Modell eines Unterwassergebirges
- 207
- Modellquader
- 213
- Unterwassergebirge gemäß neuer Unterwasserkarte
