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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjekts, das ein Wasserfahrzeug ist. Derartige Verfahren werden von der Marine angewandt. Eine magnetische Signaturvermessung eines Wasserfahrzeuges ist beispielsweise notwendig, um eine magnetische Eigenschutz-Anlage eines Marine-Schiffes einzustellen.
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Aus einem Aufsatz (Titel: „Magnetic Signature Assessment System using Multiple Autonomous Underwater Vehicles (AUVs), Phase 2“, 11/7/2011, Dean B. Edwards, University of Idaho) ist ein Verfahren zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjekts, das ein Wasserfahrzeug ist, bekannt. Das bekannte Verfahren weist folgende Merkmale auf:
- • Das Verfahren verwendet zur Signaturvermessung ein auf das Messobjekt bezogenes Koordinatensystem, bei dem eine Koordinatenachse eine Längsachse des Messobjektes ist.
- • Das Verfahren verwendet mehrere autonome, elektrisch betriebene Unterwasserfahrzeuge (AUVs).
- • Außen an jedem AUV ist ein Magnetfeldsensor angeordnet, der ein 3-Achs-Magnetfeldsensor ist.
- • Im jedem AUV ist ein AUV-Positionssensor zur Positionsbestimmung des AUVs angeordnet.
- • Am Messobjekt ist ein Messobjekt-Positionssensor angebracht zur Ermittlung der Position des Messobjektes.
- • Am Messobjekt ist ein Messobjekt-Lagesensor angebracht zur Ermittlung des Verdrehwinkels der Längsausrichtung des Messobjektes gegenüber Norden.
Die Schritte sind:
- • Die mehreren AUVs fahren als Schwarm unter das entgegenkommende Messobjekt hindurch.
- • Während die AUVs unter das Messobjekt hindurch fahren und sich relativ zum Messobjekt bewegen, werden die Daten jedes Magnetfeldsensors jedes AUVs, jedes AUV-Positionssensors jedes AUVs, des Messobjekt-Positionssensors und des Messobjekt-Lagesensors und des AUV-Stromsensors aufgezeichnet und in einem Rechner wie folgt verarbeitet:
- • Von den Daten der Magnetfeldsensoren wird nur der Vektorbetrag der Magnetfelddaten betrachtet, von denen jeweils der Vektorbetrag des Erdmagnetfeldes abgezogen wird.
- • Die um den Vektorbetrag des Erdmagnetfeldes bereinigten Daten der Magnetfeldsensoren werden mit den Positionsdaten der AUV-Positionssensoren der AUVs und des Messobjekt-Positionssensors auf eine relative Position zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Messobjekt bezogen unter Erhalt von örtlichen magnetischen Vektorbeträgen der magnetischen Signatur des Messobjektes.
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Im bekannten Fall wird die magnetische Signatur des Messobjektes nur in Bezug auf einen Vektorbetrag des Magnetfeldes ermittelt. Die einzelnen Komponenten der magnetischen Signatur werden nicht berechnet. Hierdurch wird die magnetische Signatur nur unzureichend erfasst. Nur mit Kenntnis des Vektorbetrages des magnetischen Störfeldes ist eine Einstellung der magnetischen Eigenschutz-Anlage eines Marine-Schiffes nicht möglich.
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Im bekannten Fall ist ferner außen an jedem AUV jeweils ein Magnetfeldsensor angeordnet. Einerseits wird hiermit mit Vorteil ein Abstand zu Störmagnetfeldern innerhalb des AUVs erhalten. Andererseits können die jeweils außen an jedem AUV angeordneten Magnetfeldsensoren leicht beschädigt werden, so dass die AUVs mit den außen angebrachten Magnetfeldsensoren mit Sorgfalt zu behandeln sind.
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Nachfolgend werden Druckschriften genannt, die weiter abseits liegen:
Die
US 8 392 142 B1 zeigt ein autonomes, elektrisch betriebenes Unterwasserfahrzeug (AUV), mit dem Schiffsrümpfe auf Schäden untersucht werden.
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Die
US 2014 / 0 076 225 A1 zeigt ein autonomes, elektrisch betriebenes Unterwasserfahrzeug (AUV) mit einem Magnetfeldsensor, um magnetische Abweichungen des Meeresbodens zu detektieren. Zur Erhöhung der Genauigkeit dient ein Algorithmus, mit dem AUV-Störmagnetfelder herausgerechnet werden.
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Die
US 5 570 023 zeigt ein System zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjektes
10, das ein Wasserfahrzeug ist. Das System verwendet eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren, die ortsfest auf dem Boden der See ausgelegt werden. Zur Signaturvermessung fährt das Messobjekt über die ortsfesten Magnetfeldsensoren, deren Daten verarbeitet werden.
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Die
DE 36 14 527 A1 zeigt ein Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Schiffes.
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Die
WO 2016 / 051 266 A1 zeigt ein Verfahren zur Kompensation magnetischer Störgrößen im Rahmen einer magnetischen Kartierung des Meeresbodens zur Gewinnung von Bodenschätzen. Das Verfahren verwendet ein einziges, autonomes, elektrisch betriebenes Unterwasserfahrzeug (AUV). Innerhalb des AUV ist ein Magnetfeldsensor angeordnet, der ein 3-Achs-Magnetfeldsensor ist. Im AUV sind ferner ein AUV-Positionssensor zur Positionsbestimmung des AUVs, ein AUV-Lagesensor zur Ermittlung eines Roll-, Nick- und Gierwinkels des Magnetfeldsensors und ein AUV-Stromsensor zur Messung eines Verbrauchsstroms angeordnet. Das Verfahren sieht zunächst Manöverfahrten in vorgegebener Richtung und Tiefe vor, um mit Hilfe eines Rechners magnetische Kompensationskoeffizienten zu ermitteln, die anschließend auf Erkundungsfahrten magnetische Störfelder der Stromleitungen des AUV und des Erdmagnetfeldes kompensieren.
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Die
US 8 392 142 B1 zeigt ein Verfahren zur Detektion magnetischer Anomalien mit Hilfe eines autonomen Unterwasserfahrzeuges. Hierbei wird das magnetische Eigenrauschen des Unterwasserfahrzeuges reduziert. Hierzu wird ein Algorithmus angewandt, der von einem Computer ausgeführt wird, der Daten eines Lagesensors und eines 3-Achs Magnetfeldsensors verarbeitet.
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Die
US 2004 / 0 042 150 A1 zeigt ein Verfahren zur Reduzierung der magnetischen Signatur eines elektrischen Motors eines Marineschiffes, damit Zünder von Seeminen nicht auslösen. Hierzu erfasst man mit einem Magnetsensor Daten des Magnetfeldes des elektrischen Motors, verarbeitet diese mit einem Computer und generiert ein kompensierendes Magnetfeld.
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Die
US 5 189 590 A zeigt ein Verfahren zur Regelung der magnetischen Signatur eines Wasserfahrzeuges hinsichtlich einzelner Vektorkomponenten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjekts so weiterzubilden, dass mit einfacher Handhabung die örtlichen magnetischen Komponenten der magnetischen Signatur eines Messobjektes berechnet werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die Wirkungen und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend beschrieben.
Ein Verfahren dient der magnetischen Signaturvermessung eines Messobjektes, das ein Wasserfahrzeug ist.
- a) Das Verfahren verwendet zur Signaturvermessung ein auf das Messobjekt bezogenes Koordinatensystem, derart, dass eine Koordinatenachse eine Längsachse des Messobjektes ist und der Nullpunkt mit einer Mitte eines Heckspiegels des Messobjekts zusammenfällt.
- b) Das Verfahren verwendet ein einziges, autonomes, elektrisch betriebenes Unterwasserfahrzeug (AUV). Gegenüber mehreren AUVs ist ein einzelnes AUV leichter in der Handhabung während eines Transports und während der Durchführung des Verfahrens der Signaturvermessung.
- c) Innerhalb des AUV ist ein Magnetfeldsensor angeordnet, der ein 3-Achs-Magnetfeldsensor ist. Der Magnetfeldsensor ist durch eine Hülle des AUV geschützt. Dadurch ist das AUV einfacher zu handhaben, da sich keine Anbauten im Außenbereich befinden. Ebenso ist das AUV nicht in seiner Manövrierfähigkeit eingeschränkt.
- d) Im AUV ist ein AUV-Positionssensor zur Positionsbestimmung des AUVs angeordnet, um eine relative Position zwischen dem 3-Achs-Magnetfeldsensors und dem Messobjekt ermitteln zu können.
- e) Im AUV ist ein AUV-Lagesensor zur Ermittlung eines Roll-, Nick- und Gierwinkels des Magnetfeldsensors angeordnet, um Bewegungen des Magnetfeldsensors im Erdmagnetfeld herausrechnen zu können.
- f) Im AUV ist ein AUV-Stromsensor angeordnet, der einen elektrischen Verbrauchsstrom des AUVs misst, um ein AUV-Strom-Störmagnetfeld herausrechnen zu können, um eine Integration des Magnetfeldsensors einer guten Handhabbarkeit wegen innerhalb des AUV zu ermöglichen.
- g) Am Messobjekt ist ein Messobjekt-Positionssensor angebracht zur Ermittlung der Position des Messobjektes, um eine relative Position zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Messobjekt bestimmen zu können.
- h) Am Messobjekt ist ein Messobjekt-Lagesensor angebracht zur Ermittlung des Verdrehwinkels der Längsausrichtung des Messobjektes gegenüber Norden, um eine Umrechnung auf ein auf das Messobjekt bezogenes Koordinatensystem vornehmen zu können, bei dem eine Koordinatenachse eine Längsachse des Messobjektes ist.
- i) Die Schritte sind:
- j) Das AUV wird in Bahnen relativ zum driftenden Messobjekt bewegt. Beispielsweise wird das AUV auf einer vorgegebenen Messtiefe bewegt. Beispielsweise fährt das AUV versetzte Rechteckbahnen, derart, dass viele Punkte der durch die Messtiefe und der Fläche unterhalb des Messobjektes definierten Messfläche abgefahren werden. Das Driften des Messobjektes gleicht das AUV aufgrund seiner guten Manövrierfähigkeit mit Positionskorrekturen aus.
- k) Während das AUV in Bahnen relativ zum Messobjekt bewegt wird, werden die Daten des Magnetfeldsensors, des AUV-Lagesensors, des AUV-Positionssensors, des Messobjekt-Positionssensors, des Messobjekt-Lagesensors und des AUV-Stromsensors aufgezeichnet, zwischengespeichert, nach einem Auftauchen in einen Rechner eingelesen und im Rechner wie folgt verarbeitet:
- l) Von den Daten des Magnetfeldsensors werden Werte eines AUV-Strom-Störmagnetfeldes abgezogen, die mit den Daten des AUV-Stromsensors berechnet wurden.
- m) Die um die Werte des AUV-Strom-Störmagnetfeldes bereinigten Daten des Magnetfeldsensors werden mit Daten des. AUV-Lagesensors verrechnet unter Erhalt von geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors.
- n) Von den geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors werden Werte eines Erdmagnetfeldes abgezogen.
- o) Die um Werte des Erdmagnetfeldes bereinigten geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors werden mit den Positionsdaten des AUV-Positionssensors und des Messobjekt-Positionssensors auf eine relative Position zwischen dem 3-Achs-Magnetfeldsensor und dem Messobjekt bezogen und mit den Daten der mit dem Messobjekt-Lagesensor ermittelten Abweichung der Längsausrichtung des Messobjektes gegenüber Norden auf das Koordinatensystem des Messobjekts umgerechnet unter Erhalt von örtlichen magnetischen Komponenten der magnetischen Signatur des Messobjektes.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der AUV-Positionssensor ein Inertialsensor. Inertialsensoren sind einerseits aufwändig im Aufbau, andererseits aber hochgenau.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der AUV-Lagesensor ein Kreiselsensor. Kreiselsensoren zeichnen sich durch eine hohe Genauigkeit aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Koordinatensystem einen Nullpunkt auf, der mit einer Mitte eines Heckspiegels des Messobjekts zusammenfällt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen jeweils als Prinzipskizze:
- 1 ein System zur Durchführung eines Verfahrens zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjektes mit einem autonomen Unterwasserfahrzeug (AUV),
- 2 das Messobjekt und das AUV im Raster eines geodätischen Koordinatensystems mit Koordinatenachsen x, y und z, in der Draufsicht,
- 3 das Messobjekt und das AUV im Raster eines auf das Messobjekt bezogenen Koordinatensystems mit Koordinatenachsen u, v und w, in der Draufsicht,
Die 1 zeigt ein System zur Durchführung eines Verfahrens zur magnetischen Signaturvermessung eines Messobjektes 10, das ein Wasserfahrzeug ist.
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Ein Verfahren verwendet zur Signaturvermessung ein auf das Messobjekt 10 bezogenes Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen u, v und w, bei dem eine Koordinatenachse u eine Längsachse I des Messobjektes 10 ist. Das auf das Messobjekt 10 bezogene Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen u, v, w weist einen Nullpunkt P auf, der mit einer Mitte eines Heckspiegels des Messobjekts 10 zusammenfällt.
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Das Verfahren verwendet ein gut handhabbares einziges Unterwasserfahrzeug (AUV) 20. Das AUV 20 ist autonom und elektrisch betrieben.
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Innerhalb des AUV 20 und daher geschützt ist ein Magnetfeldsensor 24 angeordnet, der ein 3-Achs-Magnetfeldsensor ist.
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Im AUV 20 ist ein AUV-Positionssensor 21 zur Positionsbestimmung des AUVs 20 angeordnet. Mit dem AUV-Positionssensor 21 wird eine relative Position zum Messobjekt 10 ermittelt. Der AUV-Positionssensor 21 ist ein genau arbeitender Inertialsensor.
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Im AUV 20 ist ein AUV-Lagesensor 22 zur Ermittlung eines Roll-, Nick- und Gierwinkels des Magnetfeldsensors 24 angeordnet, um die Daten des Magnetfeldsensors 24 geodätisch ausrichten zu können. Der AUV-Lagesensor 22 ist ein genauer Kreiselsensor.
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Im AUV ist ein AUV-Stromsensor 23 angeordnet, der einen elektrischen Verbrauchsstrom des AUVs 20 misst. Die Höhe des elektrischen Verbrauchsstromes bestimmt das herauszurechnende AUV-Strom-Störmagnetfeld.
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Am Messobjekt 10 ist ein Messobjekt-Positionssensor 11 angebracht zur Ermittlung der Position des Messobjektes 10, um die relative Position zum Magnetfeldsensor 24 des AUV zu bestimmen. Rechenarbeit wird eingespart, wenn der Messobjekt-Positionssensor 11 ohne Versatz auf dem Nullpunkt P des auf das Messobjekt 10 bezogenen Koordinatensystems angeordnet ist.
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Am Messobjekt 10 ist ein Messobjekt-Lagesensor 12 angebracht zur Ermittlung des Verdrehwinkels α (2 und 3) der Längsausrichtung I (2 und 3) des Messobjektes 10 gegenüber Norden N (2 und 3), um eine Umrechnung vom geodätischen Koordinatensystem mit Koordinatenachsen x, y und z (2) auf das Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen u, v und w (3) des Messobjektes 10 vorzunehmen.
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Ein Rechner 30 ist in dem Messobjekt 10 selbst angeordnet. In Abweichung hierzu könnte der Rechner 30 auch in einem zusätzlichen Messschiff angeordnet sein.
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Die Schritte sind:
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Das AUV 20 wird in Bahnen relativ zum driftenden Messobjekt 10 bewegt. Das AUV fährt versetzte Rechteckbahnen, derart, dass viele Punkte der durch die Messtiefe und der Fläche unterhalb des Messobjektes definierten Messfläche abgefahren werden. Das Driften des Messobjektes 10 gleicht das AUV 20 aufgrund seiner guten Manövrierfähigkeit mit empfangenen Positionskorrekturen aus.
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Zur wechselseitigen Datenübertragung der Positionsinformationen und Positionskorrekturinformationen zwischen dem AUV 20 und dem im Messobjekt 10 aufgestellten Rechner 30 dient eine akustische Unterwasserkommunikationseinrichtung 50, die im AUV 20 angeordnet ist, und eine akustische Unterwasserkommunikationseinrichtung 60, die im Messobjekt 10 angeordnet ist.
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Während das AUV 20 in Bahnen relativ zum Messobjekt 10 bewegt wird, werden die Daten des Magnetfeldsensors 24, des AUV-Lagesensors 22, des AUV-Positionssensors 21, des Messobjekt-Positionssensors 11, des Messobjekt-Lagesensors 12 und des AUV-Stromsensors 23 aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Daten des Magnetfeldsensors 24, des AUV-Lagesensors 22, des AUV-Positionssensors 21, des Messobjekt-Positionssensors 11, des Messobjekt-Lagesensors 12 und des AUV-Stromsensors 23 werden nach einem Auftauchen des AUVs in dem Rechner 30 wie folgt verarbeitet.
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Von den Daten des Magnetfeldsensors 24 werden Werte eines AUV-Strom-Störmagnetfeldes abgezogen, die mit den Daten des AUV-Stromsensors 23 berechnet wurden. Die Berechnung erfolgt mit Berechnungsparametern, die zuvor auf Testfahrten ohne Einfluss des Messobjekts ermittelt wurden.
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Die um das AUV-Strom-Störmagnetfeld bereinigten Daten des Magnetfeldsensors 24 werden mit Daten des AUV-Lagesensors 22 verrechnet unter Erhalt von geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors 24. Dies bedeutet, dass die Ausrichtung nach den Koordinatenachsen x, y und z (in 2 illustriert) des geodätischen Koordinatensystems erfolgt.
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Von den geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors 24 werden Werte eines Erdmagnetfeldes abgezogen.
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Die um Werte des Erdmagnetfeldes bereinigten geodätisch ausgerichteten Daten des Magnetfeldsensors 24 werden mit den Positionsdaten des AUV-Positionssensors 21 und des Messobjekt-Positionssensors 11 auf eine relative Position zwischen dem Magnetfeldsensor 24 und dem Messobjekt 10 bezogen und mit den Daten der mit dem Messobjekt-Lagesensor 12 ermittelten Abweichung α der Längsausrichtung I des Messobjektes 10 gegenüber Norden N auf das Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen u, v, w des Messobjekts 10 umgerechnet unter Erhalt von örtlichen magnetischen Komponenten Bu , Bv und Bw der magnetischen Signatur des Messobjektes 10. B ist die magnetische Induktion.
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2 und 3 illustrieren die jeweiligen Koordinatensysteme: Die 2 zeigt das Messobjekt 10 im geodätischen Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen x, y und z.
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Die 3 zeigt das Messobjekt 10 im auf das Messobjekt bezogenen Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen u, v und w, wobei die Längsausrichtung I des Messobjektes 10 mit der Koordinatenachse u zusammenfällt.
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In 2 und 3 sind ferner der mit dem Messobjekt-Lagesensor 12 ermittelte Verdrehwinkel α der Längsausrichtung I des Messobjektes 10 gegenüber Norden N illustriert.
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2 und 3 illustrieren darüber hinaus den AUV-Positionssensor 21 des AUVs 20 einerseits und den Messobjekt-Positionssensor 11 des Messobjekts 10 andererseits.
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Schließlich illustriert 3, dass der Messobjekt-Positionssensor 11 ohne Versatz auf dem Nullpunkt P des auf das Messobjekt 10 bezogenen Koordinatensystems mit den Koordinatenachsen u, v, und w angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Messobjekt
- 11
- Messobjekt-Positionssensor
- 12
- Messobjekt-Lagesensor
- I
- Längsachse
- α
- Verdrehwinkel der Längsausrichtung des Messobjekts gegenüber Norden
- u, v, w
- Koordinatenachsen eines auf das Messobjekt bezogenes Koordinatensystem
- P
- Nullpunkt
- 20
- autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV),
- 21
- AUV-Positionssensor
- 22
- AUV-Lagesensor
- 23
- AUV-Stromsensor
- 24
- Magnetfeldsensor
- x, y, z
- Koordinatenachsen eines geodätischen Koordinatensystems
- 30
- Rechner
