DE102018218231B3 - Method of navigating an underwater vehicle and underwater vehicle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Navigieren eines Unterwasserfahrzeugs sowie ein Unterwasserfahrzeug (1), welches dieses Verfahren durchführen kann. Zu einem ersten Zeitpunkt t0 werden M Stellgrößen u und N Zustandsgrößen x des Unterwasserfahrzeugs (1) gemessen. Die N Zustandsgrößen x werden für einen nachfolgenden Zeitpunkt t1 vorhergesagt. Für die Vorhersage wird ein linearer Zusammenhangmit einer Koeffizienten-Matrixverwendet. Die Komponenten dieser Koeffizienten-Matrixwerden mit Hilfe einer Stichprobe { y[t(k)], X[t(k)] } berechnet, welche in einer Trainingsphase aus gemessenen Werten für die Stellgrößen u und die Zustandsgrößen x gewonnen wird.The present invention relates to a method for navigating an underwater vehicle and an underwater vehicle (1) which can carry out this method. At a first point in time t0, M manipulated variables u and N state variables x of the underwater vehicle (1) are measured. The N state variables x are predicted for a subsequent point in time t1. A linear relationship with a coefficient matrix is used for the prediction. The components of this coefficient matrix are calculated with the aid of a sample {y [t (k)], X [t (k)]}, which is obtained in a training phase from measured values for the manipulated variables u and the state variables x.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um ein Unterwasserfahrzeug zu navigieren, sowie ein Unterwasserfahrzeug, in welchem dieses Verfahren angewendet wird.The invention relates to a method for navigating an underwater vehicle and an underwater vehicle in which this method is used.

Insbesondere während einer Tauchfahrt kann ein Unterwasserfahrzeug in der Regel weder die eigene tatsächliche Geoposition noch die tatsächliche Fahrtrichtung über Grund mit ausreichender Zuverlässigkeit direkt messen. Trotzdem soll ein Unterwasserfahrzeug auch bei einer Tauchfahrt sicher durch das Wasser navigieren können.In particular, during a diving trip, an underwater vehicle can usually neither measure its own actual geoposition nor the actual direction of travel over the ground with sufficient reliability. Nevertheless, an underwater vehicle should be able to navigate safely through the water even when diving.

Aus der DE 101 53 212 A1 ist ein Navigationssystem zur Kursbestimmung, insbesondere eines Unterwasserfahrzeuges, mit Sensoren zur Messung von Zustandsgrößen und einem mathematisch beschreibenden Fahrzeugmodell bekannt.From the DE 101 53 212 A1 a navigation system for course determination, in particular an underwater vehicle, with sensors for measuring state variables and a mathematically describing vehicle model is known.

Aus der DE 10 2012 222 812 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Zustandes, insbesondere eines Unterwasserfahrzeuges mit den Schritten Einlesen aktueller Werte, Rekonstruieren von Zustandsgrößen, Bestimmung eines Arbeitspunktes, Bestimmung einer Stabilisierung des Arbeitspunktes und Ausgeben von Steuergrößen bekannt.From the DE 10 2012 222 812 A1 A method for controlling a state, in particular an underwater vehicle, comprising the steps of reading in current values, reconstructing state variables, determining a working point, determining a stabilization of the working point and outputting control variables is known.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Unterwasserfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11 bereitzustellen, welche weniger Aufwand erfordern, um die Vorhersage des Systemzustands durchzuführen.The object of the invention is to provide a method with the features of the preamble of claim 1 and an underwater vehicle with the features of the preamble of claim 11, which require less effort to carry out the prediction of the system state.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und ein Unterwasserfahrzeug mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by a method with the features specified in claim 1 and an underwater vehicle with the features specified in claim 11. Advantageous further developments result from the subclaims, the following description and the drawings.

Gemäß dem lösungsgemäßen Verfahren werden zu einem Zeitpunkt t0 die M Werte u(t0) von M Stellgrößen u und die Werte x(t0) von N Zustandsgrößen x des Unterwasserfahrzeugs gemessen. Aus diesen gemessenen M + N gemessenen Werten werden die P Werte von P veränderlichen Größen X für diesen Zeitpunkt t0 hergeleitet. Die N Werte x(t1), welche die N Zustandsgrößen x zu einem späteren Zeitpunkt t1 annehmen, werden wenigstens näherungsweise vorhergesagt und für die weitere Fahrt des Unterwasserfahrzeugs verwendet. Um x(t1) vorherzusagen, wird ein linearer Zusammenhang y = X * C T verwendet, wobei y(t0) = x(t1) - x(t0) ein Differenz-Vektor zwischen den Systemzuständen an den beiden Zeitpunkten t1 und t0 und C eine Koeffizienten-Matrix mit N Zeilen und P Spalten ist.According to the method according to the solution, the M values u (t0) of M manipulated variables u and the values x (t0) of N state variables x of the underwater vehicle are measured at a time t0. From these measured M + N measured values, the P values of P variable quantities X for this point in time t0 derived. The N Values x (t1), which are the N state variables x at a later point in time t1 assume are at least approximately predicted and used for the further travel of the underwater vehicle. To predict x (t1), a linear relationship y = X * C T is used, where y (t0) = x (t1) - x (t0) is a difference vector between the system states at the two times t1 and t0 and C is a coefficient matrix with N rows and P columns.

Die Koeffizienten für die Koeffizienten-Matrix C werden unter Verwendung einer ersten Stichprobe berechnet. Diese erste Stichprobe wird in einer ersten Trainingsphase gewonnen. In der ersten Trainingsphase werden zu K+1 vorgegebenen Zeitpunkten t(1), ..., t(K+1) jeweils die Stellgrößen u[t(k)] und die Zustandsgrößen x[t(k)] gemessen. Hieraus wird eine erste Stichprobe mit K Wertepaaren {y[t(k)], X[t(k)] } abgeleitet (k=1, ..., K). Die Koeffizienten ci,j der Koeffizienten-Matrix C werden unter Verwendung dieser ersten Stichprobe berechnet.The coefficients for the coefficient matrix C are calculated using a first sample. This first sample is obtained in a first training phase. In the first training phase, the manipulated variables u [t (k)] and the state variables x [t (k)] are measured at K + 1 predetermined times t (1), ..., t (K + 1). From this a first sample with K value pairs { y [t (k)], X [t (k)]} is derived (k = 1, ..., K). The coefficients c i, j of the coefficient matrix C are calculated using this first sample.

Bei herkömmlichen Verfahren wird ein vorgegebenes physikalisches Modell verwendet, um den Systemzustand des Unterwasserfahrzeugs zum Zeitpunkt t1 vorherzusagen. Dieses physikalische Modell beschreibt den Systemzustand zum Zeitpunkt t1 als Funktion des Systemzustands zum Zeitpunkt t0 und der Werte der M Stellgrößen zum Zeitpunkt t0. Das physikalische Modell ist in der Regel nichtlinear und hängt von physikalischen Parametern ab, also Parametern mit einer physikalischen Bedeutung. Um die Werte dieser Parameter zu bestimmen, sind häufig aufwändige Versuche, beispielsweise Versuchsfahrten des Unterwasserfahrzeugs, erforderlich. Es kann notwendig sein, diese Versuche nach einiger Zeit erneut durchzuführen, beispielsweise weil nach Umbauten am Unterwasserfahrzeug oder durch Alterung Parameter-Werte sich verändert haben können.In conventional methods, a predetermined physical model is used to determine the system state of the underwater vehicle at the time t1 predict. This physical model describes the system status at the time t1 as a function of the state of the system at the time t0 and the values of the M manipulated variables at the time t0 , The physical model is usually non-linear and depends on physical parameters, i.e. parameters with a physical meaning. In order to determine the values of these parameters, complex tests, for example test runs of the underwater vehicle, are often required. It may be necessary to carry out these tests again after some time, for example because parameter values may have changed after modifications to the underwater vehicle or due to aging.

Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit, derartige Versuche durchzuführen. Stattdessen wird die erste Stichprobe verwendet, welche in der ersten Trainingsphase gewonnen wurde. Die Koeffizienten-Matrix C wird unter Verwendung dieser ersten Stichprobe berechnet. Die Koeffizienten ci,j dieser Koeffizienten-Matrix C haben nicht notwendigerweise eine physikalische Bedeutung und werden unter Verwendung der ersten Stichprobe automatisch berechnet.The invention avoids the need to conduct such tests. Instead, the first sample that was obtained in the first training phase is used. The coefficient matrix C is calculated using this first sample. The coefficients c i, j of this coefficient matrix C do not necessarily have a physical meaning and are calculated automatically using the first sample.

Die erste Trainingsphase lässt sich während einer regulären Fahrt des Unterwasserfahrzeugs durchführen. Möglich ist, nach der ersten Trainingsphase die Koeffizienten-Matrix C anzuwenden und anschließend eine zweite Trainingsphase durchzuführen, in welcher die Koeffizienten-Matrix C angepasst wird. Dadurch lässt die Koeffizienten-Matrix C sich schrittweise an eine immer größer werdende Stichprobe anpassen oder auch an Umgebungsbedingungen, welche sich im Laufe der Fahrt ändern können. Möglich, aber dank der Erfindung nicht erforderlich ist es, Versuchsfahrten unter speziellen vorgegebenen Versuchsbedingungen oder Umgebungsbedingungen durchzuführen, um die Vorhersage zu ermöglichen. Die Anzahl der Stichproben-Elemente lässt sich an die Zeit anpassen, welche für die erste Trainingsphase zur Verfügung steht, sowie die Abtastrate, welche sich an Bord des Unterwasserfahrzeugs erzielen lässt.The first training phase can be carried out during a regular trip of the underwater vehicle. It is possible to use the coefficient matrix C after the first training phase and then to carry out a second training phase in which the coefficient matrix C is adapted. As a result, the coefficient matrix C can be adapted step by step to an ever increasing sample or to environmental conditions that can change during the journey. It is possible, but thanks to the invention, it is not necessary to carry out test drives under specific predetermined test conditions or environmental conditions in order to enable the prediction. The number of sample elements can be adapted to the time available for the first training phase and the sampling rate that can be achieved on board the underwater vehicle.

Lösungsgemäß werden P veränderliche Größen X1 , ..., XP verwendet. Mit Hilfe dieser P veränderlichen Größen lässt sich in einer vorhergehenden Designphase ein linearer Zusammenhang y _ = X _ * C _ _ T

Figure DE102018218231B3_0004
mit zunächst unbekannten Koeffizienten der Matrix C aufstellen. Um diesen linearen Zusammenhang aufzustellen, wird nicht notwendigerweise die Kenntnis eines physikalischen Modells für das Unterwasserfahrzeug benötigt. Weiterhin werden keine Werte für physikalische Parameter benötigt. Vielmehr wird lösungsgemäß der Zusammenhang zwischen Stellgrößen und Zustandsgrößen für verschiedene Zeitpunkte automatisch und in der ersten Trainingsphase unter Verwendung der ersten Stichprobe berechnet. According to the solution, P become variable sizes X 1 , ..., X P used. With the help of these P variable sizes, a linear connection can be made in a previous design phase y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0004
with initially unknown coefficients of matrix C. In order to establish this linear relationship, knowledge of a physical model for the underwater vehicle is not necessarily required. Furthermore, no values for physical parameters are required. Rather, according to the solution, the relationship between manipulated variables and state variables for different points in time is calculated automatically and in the first training phase using the first sample.

In Versuchen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit dem lösungsgemäßen Verfahren eine Vorhersage für erheblich größere Zeiträume möglich ist als mit herkömmlichen Verfahren. Mit anderen Worten: Zwischen dem Mess-Zeitpunkt t0 und dem Vorhersage-Zeitpunkt t1 kann ein erheblich größerer zeitlicher Abstand liegen als bei herkömmlichen Verfahren, beispielsweise mehrere Minuten anstelle mehrerer Sekunden.Experiments have surprisingly shown that the method according to the solution makes it possible to predict for considerably longer periods of time than with conventional methods. In other words: between the measurement time t0 and the prediction time t1 can be a considerably larger time interval than in conventional methods, for example several minutes instead of several seconds.

Bevorzugt wird das Verfahren „Partial Least Squares Regression“ (PLSR) verwendet, um in der ersten Trainingsphase unter Verwendung der ersten Stichprobe und dem Zusammenhang y _ = X _ * C _ _ T

Figure DE102018218231B3_0005
die Koeffizienten der Matrix C zu berechnen. PLSR berücksichtigt nicht nur die maßgebliche Varianz von X, um die Varianz in y zu erklären. Vielmehr ermittelt PLSR auch automatisch diejenigen Komponenten in X, die y bestmöglich erklären, und projiziert hierfür y und X auf latente Variablen in einem gemeinsamen Raum. Das Verfahren PLSR ist insbesondere dann besonders geeignet, wenn eine hohe Multikollinearität zwischen den einzelnen Komponenten von X vorliegt, also die einzelnen Komponenten von X stark miteinander korrelieren. Dies ist bei den P veränderlichen Größen X für das Unterwasserfahrzeug häufig der Fall.The method “partial least squares regression” (PLSR) is preferably used in the first training phase using the first sample and the context y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0005
to calculate the coefficients of the matrix C. PLSR does not only take into account the relevant variance of X to explain the variance in y . Rather, PLSR also automatically determines those components in X that best explain y and projects y and X onto latent variables in a common space. The PLSR method is particularly suitable when there is a high multicollinearity between the individual components of X , that is to say the individual components of X correlate strongly with one another. This is often the case with the P variable sizes X for the underwater vehicle.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 ein beispielhaftes Unterseeboot mit mehreren Stellgliedern, für welches das Verfahren angewendet wird;
  • 2 eine beispielhafte Fahrtroute des Unterseeboots mit zwei Trainingsphasen und zwei Tauchfahrten;
  • 3 eine Ausgestaltung, bei der probeweise Stellgrößen-Werte vorgegeben werden und die Konsequenz ermittelt wird.
The method according to the invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawings. Here show:
  • 1 an exemplary submarine with multiple actuators, for which the method is applied;
  • 2 an exemplary route of the submarine with two training phases and two diving trips;
  • 3 an embodiment in which manipulated variable values are given on a trial basis and the consequence is determined.

Im Ausführungsbeispiel wird die Erfindung an Bord eines bemannten Unterseeboots (U-Boots) eingesetzt, welches einen eigenen Antrieb aufweist. Das U-Boot umfasst eine Stellglieder-Anordnung mit M Stellgliedern (M >= 1), welche die Fahrt des U-Boots beeinflussen, insbesondere mindestens eines der folgenden Stellglieder:

  • - Stellglieder für die Höhenruder,
  • - Stellglieder für die Seitenruder,
  • - Stellglieder, welche die Vortriebs-Geschwindigkeit des U-Boots durch das Wasser verändern („kommandierte Geschwindigkeit“), beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit einer Welle für einen Propeller oder im Falle eines elektrisch angetrieben U-Boots die Spannung, die an dem Elektromotor anliegt,
  • - optional Stellglieder, die einen Trimmzustand des U-Boots im Wasser verändern, und
  • - optional Stellglieder, welche die aktuelle Position eines Bestandteils, der sich ausfahren und einziehen lässt, verändern.
In the exemplary embodiment, the invention is used on board a manned submarine (submarine) which has its own drive. The submarine comprises an actuator arrangement with M actuators (M> = 1) which influence the travel of the submarine, in particular at least one of the following actuators:
  • - actuators for the elevator,
  • - actuators for the rudder,
  • - Actuators that change the propulsion speed of the submarine through the water ("commanded speed"), for example the rotational speed of a shaft for a propeller or, in the case of an electrically powered submarine, the voltage that is applied to the electric motor,
  • - Optional actuators that change the trim status of the submarine in the water, and
  • - Optional actuators that change the current position of a component that can be extended and retracted.

1 zeigt beispielhaft ein bemanntes Unterseeboot 1, welches in eine Fahrtrichtung FR durch das Wasser fährt. Dieses Unterseeboot 1 umfasst die folgenden Bestandteile:

  • - eine Fahrzeughülle 10,
  • - ein Steuerbord-Seitensonar 12, welches auf der Steuerbordseite an der Fahrzeughülle 10 befestigt ist,
  • - ein entsprechendes nicht gezeigtes Backbord-Seitensonar,
  • - ein Bug-Sonar 13, welches am Bug der Fahrzeughülle 10 befestigt ist, und
  • - einen Turm 11 mit mehreren ausfahrbaren und einziehbaren Bestandteilen.
1 shows an example of a manned submarine 1 which in one direction FR drives through the water. This submarine 1 includes the following components:
  • - a vehicle shell 10 .
  • - a starboard side sonar 12 , which is on the starboard side of the vehicle shell 10 is attached
  • a corresponding port sonar, not shown,
  • - a bug sonar 13 , which is on the bow of the vehicle shell 10 is attached, and
  • - A tower 11 with several extendable and retractable components.

Das Unterseeboot 1 umfasst die folgenden Stellglieder, welche die Fahrt des Unterseeboots 1 durch das Wasser beeinflussen:

  • - einen angetriebenen Propeller 14,
  • - ein vorderes Steuerbord-Höhenruder 15,
  • - ein hinteres Steuerbord-Höhenruder 16,
  • - zwei korrespondierende nicht gezeigte Backbord-Höhenruder,
  • - ein Seitenruder 17 und
  • - nicht gezeigte Stellglieder zum Ausfahren und Einziehen von Bestandteilen.
The submarine 1 includes the following actuators, which are the submarine travel 1 influenced by the water:
  • - a powered propeller 14 .
  • - a forward starboard elevator 15 .
  • - a starboard aft elevator 16 .
  • - two corresponding port elevators, not shown,
  • - a rudder 17 and
  • - Actuators, not shown, for extending and retracting components.

Das Unterseeboot 1 erstreckt sich entlang einer Längsachse X, einer Querachse Y und einer Hochachse Z.The submarine 1 extends along a longitudinal axis X , a transverse axis Y and a vertical axis Z ,

Die aktuellen Zustände der Stellglieder der Stellglieder-Anordnung werden durch einen Vektor mit M Elementen beschrieben. Diese aktuellen Zustände der Stellglieder werden zu jedem Abtast-Zeitpunkt t(k) (k=1, 2, ...) sowie zu Zeitpunkten t0, t1, t2 gemessen, beispielsweise mittels Positions-Sensoren, und sind daher für das folgende Verfahren bekannt. Für jeden Zeitpunkt t(k) ist also ein Stellgrößen-Vektor u[t(k)] = u1[t(k), ..., uM[t(k)] bekannt. The current states of the actuators of the actuator arrangement are described by a vector with M elements. These current states of the actuators are at every sampling time t (k) (k = 1, 2, ...) and at times t0 . t1 . t2 measured, for example by means of position sensors, and are therefore known for the following method. A manipulated variable vector u [t (k)] = u 1 [t (k), ..., u M [t (k)] is therefore known for each time t (k).

Damit das U-Boot 1 durch das Wasser fahren kann, werden insbesondere folgende Größen benötigt, die über die Zeit veränderlich sind und im Folgenden als Navigationsgrößen bezeichnet werden:

  • - die aktuelle Geoposition des U-Boots1,
  • - die 3D-Lage des U-Boots 1 im Wasser, beispielsweise als die Orientierung der Längsachse X, der horizontalen Querachse Y und der Hochachse Z des U-Boots 1 in einem absoluten 3D-Koordinatensystem, welches zum Nordpol zeigt, also der Kurs (heading) des U-Boots 1, und
  • - die Geschwindigkeit des U-Boots 1 relativ zum umgebenden Wasser.
So that the submarine 1 can travel through the water, the following parameters are required in particular, which vary over time and are referred to below as navigation parameters:
  • - the current geoposition of the submarine1,
  • - The 3D position of the submarine 1 in water, for example as the orientation of the longitudinal axis X , the horizontal transverse axis Y and the vertical axis Z of the submarine 1 in an absolute 3D coordinate system that points to the North Pole, i.e. the heading of the submarine 1 , and
  • - the speed of the submarine 1 relative to the surrounding water.

Während einer Tauchfahrt des U-Boots 1 lässt sich insbesondere die tatsächliche aktuelle Geoposition nicht oder zumindest nicht zu jedem Zeitpunkt exakt bestimmen, weil Signale von einem Satelliten nicht von einem Empfänger des U-Boots 1 empfangen werden können. Daher werden die gesuchten und nicht direkt messbaren Werte der Navigationsgrößen abhängig von den Werten einer zeitlich veränderlichen Zustandsgröße x berechnet, welche aus N einzelnen Zustandsgrößen besteht. Der Wert x[t(k)] = x 1[t(k)], ..., xN[t(k)], x(t0), x(t1), x(t2), ... der vektor-wertigen Zustandsgröße x zum Zeitpunkt t(k), t0, t1, t2 beschreibt jeweils einen Systemzustand des U-Boots zum Zeitpunkt t(k). Zu den einzelnen Zustandsgrößen des U-Boots 1 gehören insbesondere folgende Größen:

  • - die drei linearen Geschwindigkeiten u, v, w des U-Boots 1 in einem lokalen 3D-Koordinatensystem, welches an die aktuelle Lage des U-Boots 1 angepasst ist, wobei bevorzugt die Längsachse X des U-Boots 1 die x-Achse des lokalen 3D-Koordinatensystems definiert, die horizontale Querachse Y die y-Achse und die Hochachse Z die z-Achse,
  • - die drei aktuellen Winkelgeschwindigkeiten des U-Boots 1 in diesem lokalen 3-D Koordinatensystem und
  • - die Lage der drei Achsen X, Y, Z des U-Boots 1 im Wasser in einem absoluten Koordinatensystem.
During a submarine dive 1 in particular, the actual current geoposition cannot be determined exactly, or at least not at all times, because signals from a satellite are not from a receiver of the submarine 1 can be received. Therefore, the searched for and not directly measurable values of the navigation variables become dependent on the values of a temporally variable state variable x calculates which consists of N individual state variables. The value x [t (k)] = x 1 [t (k)], ..., x N [t (k)], x (t0), x (t1), x (t2), ... the vector-valued state variable x at the time t (k) . t0 . t1 . t2 describes a system state of the submarine at time t (k). About the individual state variables of the submarine 1 include in particular the following sizes:
  • - the three linear speeds u, v, w of the submarine 1 in a local 3D coordinate system that matches the current position of the submarine 1 is adapted, preferably the longitudinal axis X of the submarine 1 defines the x-axis of the local 3D coordinate system, the horizontal transverse axis Y the y-axis and the vertical axis Z the z axis,
  • - the three current angular velocities of the submarine 1 in this local 3-D coordinate system and
  • - the position of the three axes X . Y . Z of the submarine 1 in the water in an absolute coordinate system.

Der aktuelle Systemzustand x[t(k)] lässt sich zumindest zeitweise vollständig messen, beispielsweise unter Verwendung mindestens eines Inertialnavigationssystems an Bord des U-Boots 1. Insbesondere dann, wenn das U-Boot 1 eine längere Tauchfahrt durchgeführt oder wenn ein Sensor des Inertialnavigationssystems ausgefallen ist oder Messwerte liefert, die in der aktuellen Situation physikalisch unmöglich sind, verliert das U-Boot 1 kurzfristig die Fähigkeit, die Position präziser zu koppeln. Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit, dass das U-Boot 1 deshalb nach kurzer Zeit auftaucht, um seine aktuelle Geoposition auf eine Weise zu bestimmen, die nur nach dem Auftauchen möglich ist, beispielsweise indem das aufgetauchte U-Boot 1 Geopositions-Signale empfängt und bei Bedarf die Sensoren des Inertialnavigationssystems neu aufsetzt.The current system state x [t (k)] can be measured completely at least temporarily, for example using at least one inertial navigation system on board the submarine 1 , Especially when the submarine 1 If the dive is carried out for a longer period or if a sensor of the inertial navigation system has failed or provides measured values that are physically impossible in the current situation, the submarine loses 1 the ability to link the position more precisely in the short term. The invention avoids the need for the submarine 1 therefore shows up after a short time to determine its current geoposition in a way that is only possible after surfacing, for example by the submarine that has appeared 1 Receives geoposition signals and, if necessary, repositions the sensors of the inertial navigation system.

2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der Fahrtroute des U-Boots 1. Diejenigen Teile der Fahrtroute, in denen sich der Systemzustand x zu jedem Zeitpunkt messen lässt, insbesondere eine Fahrtstrecke im aufgetauchten Zustand, sind durch jeweils eine durchgezogene Linie dargestellt. Diejenigen Teile der Fahrtroute, in denen der Systemzustand x nicht gemessen, sondern vorhergesagt wird, sind durch jeweils eine gestrichelte Linie dargestellt. Die Stellgrößen u lassen sich während der gesamten Fahrtroute messen. Im Beispiel von 2 werden nacheinander zwei Trainingsphasen durchgeführt. In jeder Trainingsphase lassen sich nicht nur der Stellgrößen-Vektor u , sondern auch der Systemzustand x zu jedem Zeitpunkt messen. 2 shows an example of a section of the route of the submarine 1 , Those parts of the route in which the system state x can be measured at any point in time, in particular a route in the surfaced state, are each represented by a solid line. Those parts of the route in which the system state x not measured, but predicted are shown by a dashed line. The manipulated variables u can be measured during the entire route. In the example of 2 two training phases are carried out one after the other. Not only the manipulated variable vector can be used in each training phase u but also the system state x measure at any time.

Im Ausführungsbeispiel wird der Systemzustand x(t0) zu einem Zeitpunkt t0 gemessen. Aus dem gemessenen aktuellen Systemzustand x(t0) zu diesem Zeitpunkt t0 lassen sich die Werte der Navigationsgrößen zu diesem Zeitpunkt t0 herleiten. Gesucht werden die Werte der Navigationsgrößen für mindestens einen zukünftigen Zeitpunkt t1, also für einen Zeitpunkt t1, der zeitlich nach dem Mess-Zeitpunkt t0 liegt, beispielsweise t1 = t0 + Δ. Die Werte der Navigationsgrößen für den zukünftigen Zeitpunkt t1 werden aus mindestens einem vorhergesagten Systemzustand x^(t1) für diesen zukünftigen Zeitpunkt t1 hergeleitet. Der Systemzustand x^(t1) zum Zeitpunkt t1 wird also nicht gemessen, sondern vorhergesagt. Weil der Systemzustand für den Zeitpunkt t1 vorhergesagt und nicht gemessen wird, wird er mit x^(t1) und nicht mit x(t1) bezeichnet. Möglich ist, zusätzlich den Systemzustand x^(t1') für mindestens einen weiteren Zeitpunkt t1' vorherzusagen, wobei t1' zwischen t0 und t1 liegt, und die Werte der Navigationsgrößen für den Zeitpunkt t1 abhängig von den beiden vorhergesagten Systemzuständen x^(t1) und x^(t1') zu berechnen. Beispielsweise wird über eine zeitliche Abfolge von Systemzuständen integriert.In the exemplary embodiment, the system state x ( t0) at a time t0 measured. From the measured current system status x ( t0) at this time t0 the values of the navigation sizes at this time t0 derived. The values of the navigation parameters are searched for at least one future point in time t1 , for a time t1 , the time after the measurement time t0 lies, for example t1 = t0 + Δ. The values of the navigation parameters for the future point in time t1 become at least one predicted system state x ^ ( t1) for this future time t1 derived. The system state x ^ ( t1) at the time t1 is therefore not measured, but predicted. Because the system state for the time t1 is predicted and not measured, he is using x ^ (t1) and not with x (t1) designated. It is also possible to change the system status x ^ ( t1 ') for at least one other point in time t1 'to predict where t1 ' between t0 and t1 lies, and the values of the navigation variables for the time t1 depending on the two predicted system states x ^ ( t1) and x ^ ( t1 ') to calculate. For example, integration is carried out over a time sequence of system states.

Der tatsächliche Systemzustand x(t1) zu einem zukünftigen Zeitpunkt t1 hängt von dem zum Zeitpunkt t0 gemessenen Systemzustand x(t0) sowie vom Stelleingriff u(t0) zu diesem Zeitpunkt t0 ab. Diese Abhängigkeit wird durch ein physikalisches Modell beschrieben. Ein solches Modell wird beispielsweise in DE 102017200468 A1 und in DE 102017200470 A1 angegeben.The actual system state x ( t1) at a future time t1 depends on the time t0 measured system state x ( t0) and from the intervention u (t0) at this time t0 from. This dependency is described by a physical model. Such a model is, for example, in DE 102017200468 A1 and in DE 102017200470 A1 specified.

Eine physikalische Randbedingung ist, dass zu jedem Zeitpunkt die Kräfte und die Momente, die auf das fahrende U-Boot 1 wirken, im Gleichgewicht sein müssen. Insbesondere sind daher die Kräfte in der x-Achse (Längsachse des U-Boots 1), in der y-Achse (horizontale Querachse) und in der z-Achse (Hochachse) im Gleichgewicht, außerdem die Drehmomente beim Rollen (Drehung um die x-Achse), beim Nicken (Drehung um die y-Achse) und beim Gieren (Drehung um die z-Achse). Diese sechs Randbedingungen liefern sechs nichtlineare Differenzialgleichungen. Diese sechs Randbedingungen und optional weitere physikalische Randbedingungen liefern insgesamt ein nichtlineares Modell x^(t1) = x^(t0+Δ) = f[x(t0), u(t0)]. Dieser Zusammenhang f gilt bei fester Differenz Δ für jeden Zeitpunkt t0. Die Schreibweise x^(t1) deutet an, dass ein Modell die physikalische Realität natürlich immer nur näherungsweise abbildet.A physical constraint is that at all times the forces and moments on the moving submarine 1 work, have to be in balance. The forces in the x-axis (longitudinal axis of the submarine 1 ), in the y-axis (horizontal transverse axis) and in the z-axis (vertical axis) in equilibrium, also the torques when rolling (rotation around the x-axis), when nodding (rotation around the y-axis) and when yawing (Rotation around the z-axis). These six boundary conditions provide six nonlinear differential equations. These six boundary conditions and optionally further physical boundary conditions provide a non-linear model x ^ (t1) = x ^ (t0 + Δ) = f [ x (t0), u (t0)]. This relationship f applies to a fixed difference Δ for every point in time t0 , The notation x ^ (t1) indicates that a model naturally only approximates physical reality.

Der nichtlineare System-Zusammenhang f enthält Parameter, die bekannt sein müssen, um mit ihm direkt den Systemzustand x vorhersagen zu können. Diese Parameter des System-Zusammenhangs f haben physikalische Bedeutungen und hängen von physikalischen Eigenschaften des U-Boots 1 ab, welche sich experimentell und / oder durch Simulation ermitteln lassen. Diese Ermittlung kann zu fehlerhaften ParameterWerten führen. Außerdem ist es möglich, dass ein Parameter-Wert sich im Laufe der Zeit ändert, beispielsweise aufgrund von baulichen Änderungen an dem U-Boot 1, neuen Einsatzbedingungen oder Alterung. Dank der Erfindung ist es nicht nötig, diese physikalischen Parameter zu bestimmen.The nonlinear system relationship f contains parameters that must be known in order to be able to directly predict the system state x . These parameters of the system relationship f have physical meanings and depend on the physical properties of the submarine 1 which can be determined experimentally and / or by simulation. This determination can lead to incorrect parameter values. It is also possible that a parameter value changes over time, for example due to structural changes to the submarine 1 , new operating conditions or aging. Thanks to the invention, it is not necessary to determine these physical parameters.

Das oben erwähnte Modell mit physikalischen Parametern wird verwendet, um den Systemzustand x^(t1) zum Zeitpunkt t1 vorherzusagen, und zwar auf eine Weise, welche im Folgenden beschrieben wird.The model with physical parameters mentioned above is used to determine the system state x ^ ( t1) at the time t1 to predict in a manner to be described below.

Bevor ein Systemzustand vorhergesagt wird, werden im Ausführungsbeispiel einmal vorab eine Designphase und anschließend mindestens eine Trainingsphase durchgeführt. Die Designphase kann an jedem Ort stattfinden. Die oder jede Trainingsphase wird an Bord des U-Boots 1 durchgeführt.Before a system state is predicted, a design phase and then at least one training phase are carried out in advance in the exemplary embodiment. The design phase can take place anywhere. The or each training phase will be on board the submarine 1 carried out.

In der Designphase werden P veränderliche Größen X1 , ..., XP festgelegt. Für jede veränderliche Größe X1 , ..., XP wird jeweils eine funktionale Abhängigkeit Fj (j=1,..., P) festgelegt. Die funktionale Abhängigkeit Fj beschreibt die veränderliche Größe Xj (j=1,..., P) als Funktion mindestens einer Zustandsgröße xi (i=1,..., N) und / oder mindestens einer Stellgröße ui (i=1,..., M). Möglich ist, dass eine veränderliche Größe Xj von mehreren oder sogar allen Zustandsgrößen xi (i=1,..., N) und / oder von mehreren oder sogar allen Stellgrößen ui (i=1,..., M) abhängt.In the design phase, P become variable sizes X 1 . .. ., X P established. For every variable size X 1 , ..., X P a functional dependency F j (j = 1, ..., P) is defined in each case. The functional dependency F j describes the variable X j (j = 1, ..., P) as a function of at least one state variable x i (i = 1, ..., N) and / or at least one manipulated variable u i (i = 1, ..., M). It is possible that a variable X j of several or even all state variables x i (i = 1, ..., N) and / or of several or even all manipulated variables u i (i = 1, ..., M) depends.

Beispielsweise gehört jede veränderliche Größe Xj zu genau einer der folgenden zehn Gruppen von veränderlichen Größen:

  • - Staudruck-lineare Terme - nur abhängig von Geschwindigkeitskomponenten,
  • - Staudruck-lineare Terme - nur abhängig von Drehraten,
  • - Staudruck-lineare Terme - abhängig von Geschwindigkeiten und Drehraten,
  • - nichtlineare Partialkräfte und -Momente - nur abhängig von Geschwindigkeitskomponenten,
  • - nichtlineare Partialkräfte und -Momente - nur abhängig von Drehraten,
  • - nichtlineare Partialkräfte und -Momente - abhängig von Geschwindigkeiten und Drehraten,
  • - Fourierglied des Rollmomentes,
  • - auftriebsabhängige Kräfte und Momente als Funktion der Lagewinkel,
  • - Brückenwirbelanteile, hervorgerufen von dem Turm 11 des U-Boots 1, und
  • - Stellgrößenanteile in Abhängigkeit von der Stellgröße u.
For example, every variable X j belongs to exactly one of the following ten groups of variable variables:
  • - back pressure linear terms - only dependent on speed components,
  • - back pressure linear terms - only dependent on rotation rates,
  • - back pressure linear terms - depending on speeds and rotation rates,
  • - non-linear partial forces and moments - only dependent on speed components,
  • - non-linear partial forces and moments - only dependent on yaw rates,
  • - non-linear partial forces and moments - depending on speeds and rotation rates,
  • - Fourier element of the rolling moment,
  • - buoyancy-dependent forces and moments as a function of the attitude angle,
  • - parts of the bridge vortex caused by the tower 11 of the submarine 1 , and
  • - Control variable shares depending on the control variable u.

Für jede Zustandsgröße xi (i=1,..., N) wird jeweils ein linearer funktionaler Zusammenhang xi(t+Δ) - xi(t) = yi(t) mit yi(t) = ci,1*X1(t) + ... + ci,P*XP(t) aufgestellt und für das nachfolgend beschriebene Verfahren vorgegeben. Dieser Zusammenhang gilt wenigstens näherungsweise für jeden Zeitpunkt t und wird für die Vorhersage verwendet. For each state variable x i (i = 1, ..., N) there is a linear functional relationship x i (t + Δ) - x i (t) = y i (t) with y i (t) = c i , 1 * X 1 (t) + ... + c i, P * X P (t) and specified for the procedure described below. This relationship applies at least approximately to every time t and is used for the prediction.

Diese Zusammenhänge enthalten N*P zunächst unbekannte Koeffizienten ci,j , wobei N die Anzahl der Zustandsgrößen und P die Anzahl der veränderlichen Größen ist Diese Koeffizienten ci,j , haben nicht notwendigerweise eine physikalische Bedeutung und werden nicht durch Versuche oder Simulationen, sondern automatisch mit Hilfe mindestens einer Stichprobe berechnet, was weiter unten beschrieben wird. Diese N*P Koeffizienten ci,j werden zu einer Koeffizienten-Matrix C mit N Zeilen und P Spalten zusammengefasst. Die P veränderlichen Größen X1 , ..., XP werden zu einem Vektor X mit P Komponenten zusammengefasst. Die N Differenzgrößen y1, ..., yN werden zu einem Vektor y mit N Komponenten zusammengefasst. Der lineare funktionale Zusammenhang lässt sich dann auch als y = X * C T schreiben, wobei die C T die zu C transponierte Matrix ist, welche P Zeilen und N Spalten aufweist.These relationships contain N * P initially unknown coefficients c i, j , in which N the number of state variables and P the number of variable variables is these coefficients c i, j , do not necessarily have a physical meaning and are not calculated by tests or simulations, but automatically using at least one sample, which is described below. These N * P coefficients c i, j are combined into a coefficient matrix C with N rows and P columns. The P variable sizes X 1 . .. ., X P become a vector X summarized with P components. The N Difference quantities y 1 , ..., y N become a vector y summarized with N components. The linear functional relationship can then also be expressed as y = Write X * C T , where C T is the matrix transposed to C , which has P rows and N columns.

Für die erste Trainingsphase wird eine Abfolge mit K+1 Abtast-Zeitpunkten t(1), t(2), ..., t(K+1), beispielsweise äquidistant angeordneten Abtast-Zeitpunkten, vorgegeben, vgl. 2. Diese K+1 Abtast-Zeitpunkte decken bevorzugt die erste Trainingsphase ab. Zu jedem Abtast-Zeitpunkt t(k) wird der aktuelle Systemzustand x[t(k)] = x1[t(k)], ..., xN[t(k)] gemessen (k = 1, ..., K+1). Aus zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Systemzuständen wird jeweils ein Systemzustands-Differenzvektor y[t(k)] = x[t(k+1)] - x[t(k)] hergeleitet, welcher N Komponenten y i[t(k)] = xi[t(k+1)] - xi[t(k)] aufweist (i=1,..., N, k=1, ..., K). Dadurch werden K Systemzustands-Differenzvektoren y[t(1)], ..., y[t(K)] bereitgestellt.For the first training phase, a sequence with K + 1 sampling times t (1), t (2), ..., t (K + 1), for example equidistantly arranged sampling times, is specified, cf. 2 , These K + 1 sampling times preferably cover the first training phase. At each sampling time t (k) the current system state x [t (k)] = x 1 [t (k)], ..., x N [t (k)] is measured (k = 1, .. ., K + 1). A system state difference vector y [t (k)] = x [t (k + 1)] - x [t (k)] is derived from two successive system states, which N components y i [t (k)] = x i [t (k + 1)] - x i [t (k)] has (i = 1, ..., N, k = 1, ..., K). This provides K system state difference vectors y [t (1)], ..., y [t (K)].

Weiterhin wird zu jedem Abtast-Zeitpunkt der aktuelle Stellgrößen-Vektor u[t(k)] = u1[t(k)], ..., uM[t(k)] gemessen. Die P vorgegebenen funktionalen Abhängigkeiten F1, ..., FP werden auf die gemessenen Systemzustände x und gemessenen Stellgrößen-Vektoren u angewendet. Dadurch werden für jede veränderliche Größe X1 , ..., XP jeweils K+1 Werte Xj[t(k)] berechnet, welche die veränderliche Größe Xj zum Zeitpunkt t(k) annimmt (j=1, ..., P, k=1, ..., K). Dadurch werden K Größen-Vektoren X[t(1)], ..., X[t(K)] bereitgestellt. Die K Systemzustands-Differenzvektoren und die K Größen-Vektoren bilden insgesamt eine Stichprobe mit K vektor-wertigen Wertepaaren {y[t(k)], X[t(k)] } (k=1, ..., K).Furthermore, the current manipulated variable vector u [t (k)] = u 1 [t (k)], ..., u M [t (k)] is measured at each sampling time. The P Predefined functional dependencies F 1 , ..., F P are applied to the measured system states x and measured manipulated variable vectors u . This will change for every size X 1 , ..., X P each calculated K + 1 values X j [t (k)], which is the variable size X j assumes at time t (k) (j = 1, ..., P, k = 1, ..., K). This provides K size vectors X [t (1)], ..., X [t (K)]. The K System state difference vectors and the K size vectors form a sample with K vector value pairs { y [t (k)], X [t (k)]} (k = 1, ..., K).

In dem Zusammenhang y = X * C T gibt die erste Stichprobe K Werte für y und X vor. Unter Verwendung der ersten Stichprobe werden die P*N Komponenten ci,j der Koeffizienten-Matrix C automatisch bestimmt. Dadurch ist die Koeffizienten-Matrix C festgelegt.In the context of y = X * C T gives the first sample K Values for y and x . Using the first sample, the P * N components c i, j the coefficient matrix C is automatically determined. This defines the coefficient matrix C.

Am Ende der oder jeder Trainingsphase werden also die Koeffizienten der Koeffizienten-Matrix C automatisch und unter Verwendung einer in der Trainingsphase gewonnenen Stichprobe bestimmt, was im Folgenden am Beispiel der ersten Stichprobe beschrieben wird. Im Ausführungsbeispiel wird das Verfahren „Partial Least Squares Regression“ (PLSR) angewendet, welches in der folgenden Veröffentlichung für Anwendungen der chemischen Analyse (Chemometrik) beschrieben wird: S. Wold, M. Sjöström, L. Eriksson: „PLS-regression: a basic tool of chemometrics“, Chemometrics and Intelligent Laboratoy Systems 58 (2001), pp. 109 - 130.At the end of the or each training phase, the coefficients of the coefficient matrix C are thus determined automatically and using a sample obtained in the training phase, which is described below using the example of the first sample. In the exemplary embodiment, the method “partial least squares regression” (PLSR) is used, which is described in the following publication for applications of chemical analysis (chemometrics): S. Wold, M. Sjöström, L. Eriksson: “PLS regression: a basic tool of chemometrics ”, Chemometrics and Intelligent Laboratoy Systems 58 (2001), pp. 109-130.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird PLSR angewendet, um die Koeffizienten ci,j (i=1,...,N; j=1,...,P) der Koeffizienten-Matrix C zu berechnen und hierbei den linearen Zusammenhang y = X * C T und die erste Stichprobe {y[t(1)], X[t(1)], ..., y[t(K)], X[t(K)] } zu verwenden. Der Differenzen-Vektor y hat N Komponenten (Anzahl der Zustandsgrößen), der Vektor X hat P Komponenten (Anzahl der variablen Größen), die Koeffizienten-Matrix C hat N Zeilen und P Spalten und die Transponierte C T somit P Zeilen und N Spalten.In the present embodiment, PLSR is applied to the coefficients c i, j (i = 1, ..., N; j = 1, ..., P) of the coefficient matrix C and calculate the linear relationship y = X * C T and the first sample { y [t (1) ], X [t (1)], ..., y [t (K)], X [t (K)]}. The difference vector y has N components (number of state variables), the vector X has P components (number of variable variables), the coefficient matrix C has N rows and P columns and the transposed C T thus P rows and N columns.

Die erste Stichprobe enthält für jeden Mess-Zeitpunkt t(k) (k=1,... ,K) jeweils einen Vektor X[t(k)] mit P Elementen und einen Vektor y[t(k)] mit N Elementen. Die K Messwerte Xj[t(1), ..., Xj[t(K)] für eine veränderliche Größe Xj bilden einen Messwerte-Vektor, der mit X j' bezeichnet wird (j=1,...,P). Gemäß PLSR werden A so genannte X-Scores s 1, ..., s A berechnet, wobei A in der Regel deutlich kleiner als P ist, jeder Vektor s a K Elemente aufweist (a=1,..., A) und K die Anzahl der Mess-Zeitpunkte ist. Die Anzahl A kann vorgegeben werden, beispielsweise abhängig von der Rechenkapazität an Bord des U-Boots 1. Möglich ist auch, probeweise im Laufe des Verfahrens verschiedene Werte für A zu verwenden. Jeder X-Score s a wird als eine gewichtete Zusammenfassung, also als eine Linearkombination, der P Messwerte-Vektoren von X berechnet (a = 1, ..., A), also wie folgt: s _ a = w a ,1 * X _ 1 ' + + w a , P * X _ P ' .

Figure DE102018218231B3_0006
The first sample contains a vector X [t (k)] with P elements and a vector y [t (k)] with N elements for each measurement time t (k) (k = 1, ..., K) , The K Measured values X j [t (1), ..., X j [t (K)] for a variable X j form a measured value vector which is designated X j '(j = 1, ..., P ). According to the PLSR, A so-called X-scores s 1 , ..., s A are calculated, whereby A is usually significantly smaller than P, each vector s a K has elements (a = 1, ..., A) and K is the number of measurement times. The number A can be specified, for example depending on the computing capacity on board the submarine 1 , It is also possible to use different values for A on a trial basis in the course of the method. Everyone X -Score s a is calculated as a weighted summary, i.e. as a linear combination, of the P measured value vectors of X (a = 1, ..., A), i.e. as follows: s _ a = w a ,1 * X _ 1 ' + ... + w a . P * X _ P ' ,
Figure DE102018218231B3_0006

In Komponenten-Schreibweise: s _ a ( k ) = w a ,1 * X 1 [ t ( k ) ] + + w a , P * X P [ t ( k ) ] ( k = 1, , K ) .

Figure DE102018218231B3_0007
Die Gewichtsfaktoren wa,j (a=1,...,A; j=1,...,P) werden so bestimmt, dass die AX-Scores s 1, ..., s A paarweise senkrecht (orthogonal) aufeinander stehen. Ein weiteres Kriterium, um die Gewichtsfaktoren wa,j zu bestimmen, ist das, dass die so genannten X-Residuen e 1, ..., e P minimiert werden (möglichst nahe bei Null), beispielsweise durch eine multiple lineare Regression. Die zu minimierenden X-Residuen sind die Abweichungen zwischen den Messwerte-Vektoren für X und der bestmöglichen linearen Kombination aller X-Scores: e _ j = X _ j ' { p 1, j * s _ 1 + + p A , j * s _ A } ( j = 1, , P ) .
Figure DE102018218231B3_0008
Hierbei sind pa,j die Gewichtsfaktoren, die zu den kleinstmöglichen Residuen e j führen. In Komponenten-Schreibweise: e _ j ( k ) = X _ j [ t ( k ) ] { p 1, j * s _ 1 ( k ) + + p A , j * s _ A ( k ) } .
Figure DE102018218231B3_0009
Möglich ist auch, dass die Anzahl A der X-Scores vergrößert wird, wenn einzelne Residuen auch bei bestmöglichen Gewichtsfaktoren noch zu weit von Null entfernt sind.In component notation: s _ a ( k ) = w a ,1 * X 1 [ t ( k ) ] + ... + w a . P * X P [ t ( k ) ] ( k = 1, ... . K ) ,
Figure DE102018218231B3_0007
The weighting factors w a, j (a = 1, ..., A; j = 1, ..., P) are determined in such a way that the AX scores s 1 , ..., s A in pairs are perpendicular (orthogonal) stand on each other. Another criterion for determining the weighting factors w a, j is that the so-called X residuals e 1 , ..., e P are minimized (as close as possible to zero), for example by a multiple linear regression. The X residuals to be minimized are the deviations between the measured value vectors for X and the best possible linear combination of all X scores: e _ j = X _ j ' - { p 1, j * s _ 1 + ... + p A . j * s _ A } ( j = 1, ... . P ) ,
Figure DE102018218231B3_0008
Here p a, j are the weighting factors that lead to the smallest possible residuals e j . In component notation: e _ j ( k ) = X _ j [ t ( k ) ] - { p 1, j * s _ 1 ( k ) + ... + p A . j * s _ A ( k ) } ,
Figure DE102018218231B3_0009
It is also possible that the number A the X-Score is increased if individual residuals are still too far from zero even with the best possible weight factors.

Nachdem die X-Scores bestimmt sind, werden N*A Regressions-Koeffizienten bi,a (i=1,...,N; a=1,...,A) berechnet, wobei N die Anzahl der Zustandsgrößen und A die Anzahl von X-Scores ist. Diese N*A Regressions-Koeffizienten bi,a werden so bestimmt, dass die N so genannten Y-Residuen f 1, ..., f N minimiert werden: f _   i = y _ i ' { b i ,1 * s _ 1 + + b i , A * s _ A } ( i = 1, , N ) .

Figure DE102018218231B3_0010
In Komponenten-Schreibweise: f _   i ( k ) = y _ i [ t ( k ) ] { b i ,1 * s _ 1 ( k ) + + b i , A * s _ A ( k ) } ( k = 1, , K ) .
Figure DE102018218231B3_0011
After the X-scores are determined, N * A are regression coefficients b i, a (i = 1, ..., N; a = 1, ..., A), where N is the number of state variables and A is the number of X scores. These N * A regression coefficients b i, a are determined so that the N so-called Y residuals f 1 , ..., f N are minimized: f _ i = y _ i ' - { b i ,1 * s _ 1 + ... + b i . A * s _ A } ( i = 1, ... . N ) ,
Figure DE102018218231B3_0010
In component notation: f _ i ( k ) = y _ i [ t ( k ) ] - { b i ,1 * s _ 1 ( k ) + ... + b i . A * s _ A ( k ) } ( k = 1, ... . K ) ,
Figure DE102018218231B3_0011

Aus den N * A Regressions-Koeffizienten bi,a (a=1,...,A; i=1,...,N) und den P*A Gewichtsfaktoren wa,j (a=1,...,A; j=1,...,P) werden die N * P Koeffizienten ci,j der Koeffizienten-Matrix C wie folgt bestimmt: c i , j = b i ,1 * w 1, j + , b i , A * w A , j .

Figure DE102018218231B3_0012
From the N * A regression coefficients b i, a (a = 1, ..., A; i = 1, ..., N) and the P * A weighting factors w a, j (a = 1, ..., A; j = 1, ..., P) become the N * P coefficients c i, j of the coefficient matrix C is determined as follows: c i . j = b i ,1 * w 1, j + ... . b i . A * w A . j ,
Figure DE102018218231B3_0012

Nach der ersten Trainingsphase wird die Koeffizienten-Matrix C mindestens einmal angewendet. Wie bereits dargelegt, werden zu einem Zeitpunkt t0 der Systemzustand x(t0) mit N Komponenten sowie der Stellgrößen-Vektor u(t0) mit M Komponenten gemessen. Im Ausführungsbeispiel kann dieser Zeitpunkt t0 am Ende der ersten Trainingsphase oder nach der ersten Trainingsphase liegen. Im Beispiel von 2 liegt der Zeitpunkt t0 nach der ersten Trainingsphase und ist beispielsweise der letzte Zeitpunkt vor einer Tauchfahrt, an dem der Systemzustand noch gemessen werden kann.After the first training phase, the coefficient matrix C is applied at least once. As already stated, will be at a time t0 the system state x ( t0 ) with N components and the manipulated variable vector u ( t0 ) measured with M components. In the exemplary embodiment, this point in time t0 at the end of the first training phase or after the first training phase. In the example of 2 is the time t0 after the first training phase and is, for example, the last time before a dive at which the system status can still be measured.

Aus diesen beiden Vektoren x(t0) und u(t0) wird der Vektor X(t0) mit P Komponenten berechnet. Der lineare Zusammenhang y = X * C T mit der in der ersten Trainingsphase berechneten Koeffizienten-Matrix C wird auf den durch die Messungen gewonnenen Vektor X(t0) angewendet und liefert einen Vektor y(t0) = x^(t1) - x(t0). Der gesuchte Systemzustand x^(t1) für den Zeitpunkt t1 wird gemäß x^(t1) = y(t0) + x(t0) berechnet und somit vorhergesagt. Aus diesem vorhergesagten Systemzustand x^(t1) zum Zeitpunkt t1 werden die Navigationsgrößen zum Zeitpunkt t1 abgeleitet und dadurch vorhergesagt.From these two vectors x (t0) and u (t0) becomes the vector X (t0) calculated with P components. The linear relationship y = X * C T with the coefficient matrix C calculated in the first training phase is based on the vector obtained by the measurements X (t0) applied and returns a vector y ( t0 ) = x ^ ( t1 ) - x ( t0 ). The searched system state x ^ (t1) for the time t1 according to x ^ ( t1 ) = y ( t0 ) + x ( t0 ) calculated and thus predicted. From this predicted system state x ^ ( t1 ) at the time t1 are the navigation sizes at the time t1 derived and thus predicted.

Möglich ist, dass diese Vorhersage mehrmals durchgeführt wird. Vorgegeben wird eine Abfolge von Zeitpunkten t1, t2, ... Für jeden Zeitpunkt soll der jeweilige Systemzustand vorhergesagt werden. Zu jedem Vorhersage-Zeitpunkt wird der Stellgrößen-Vektor u gemessen, so dass die Messwerte u(t1), u(t2), ... vorliegen. Der Systemzustand x^(t1) für den Zeitpunkt t1 wird so wie gerade beschrieben vorhergesagt. Anschließend werden die funktionalen Zusammenhänge F1 , ..., FP erneut angewendet, und zwar auf den gemessenen Stellgrößen-Vektor u(t1) und auf den vorhergesagten Systemzustand x^(t1). Diese Anwendung liefert einen Vektor X(t1) mit den P Werten der P veränderlichen Größen X1 , ..., XP für den Zeitpunkt t1. Der lineare Zusammenhang y = X * C T wird erneut angewendet und liefert einen Vektor y(t1) = x^(t2) - x^(t1). Hieraus wird der gesuchte vorherzusagende Systemzustand x(t2) berechnet. Dieses Verfahren wird für die nachfolgenden Vorhersage-Zeitpunkte t4, t5, ... entsprechend durchgeführt.It is possible that this prediction is carried out several times. A sequence of times is specified t1 . t2 . .. , The respective system status should be predicted for each point in time. The manipulated variable vector u is measured at each prediction time, so that the measured values u (t1) . u (t2) , ... are available. The system state x ^ (t1) for the time t1 is predicted as just described. Then the functional relationships F 1 , ..., F P reapplied to the measured manipulated variable vector u (t1) and the predicted system state x ^ ( t1 ). This application provides a vector X (t1) with the P values of the P variable sizes X 1 , ..., X P for the time t1 , The linear relationship y = X * C T is applied again and yields a vector y (t1) = x ^ (t2) - x ^ ( t1 ). From this, the system state to be predicted is sought x (t2) calculated. This procedure is used for the subsequent prediction times t4 . t5 , ... carried out accordingly.

Im Beispiel von 2 wird zunächst unter Verwendung der gemessenen Vektoren x(t0) und u(t0) der Systemzustand x^(t1) für den Zeitpunkt t1 vorhergesagt. Anschließend wird unter Verwendung des gemessenen Stellgrößen-Vektors u(t1) und des vorhergesagten Systemzustands-Vektors x^(t1) der Systemzustands-Vektor x^(t2) für einen nachfolgenden Zeitpunkt t2 vorhergesagt.In the example of 2 is first measured using the vectors x (t0) and u (t0) the system state x ^ (t1) for the time t1 predicted. Then using the measured manipulated variable vector u (t1) and the predicted system state vector x ^ (t1) the system state vector x ^ (t2) for a subsequent point in time t2 predicted.

In einer Ausgestaltung werden nacheinander eine erste Trainingsphase und eine zweite Trainingsphase durchgeführt. In der ersten Trainingsphase werden so wie gerade beschrieben die Schritte durchgeführt, dass eine Stichprobe mit K vektor-wertigen Stichproben-Elementen ermittelt wird und die P * N Komponenten ci,j der Koeffizienten-Matrix C bestimmt werden. In einem nachfolgenden Anwendungszeitraum wird so wie gerade beschrieben der jeweilige Systemzustand x(t1), x(t2), ... für mehrere Vorhersage-Zeitpunkte t1, t2, ... berechnet.In one embodiment, a first training phase and a second training phase are carried out in succession. In the first training phase, the steps are carried out as just described, so that a sample is determined using K vector-valued sample elements and the P * N components c i, j of the coefficient matrix C can be determined. In a subsequent application period, the respective system status will be as just described x (t1) . x (t2) , ... for several prediction times t1 . t2 , ... calculated.

Anschließend wird eine zweite Trainingsphase durchgeführt, in welcher sich erneut der Systemzustand x messen lässt und beispielsweise insbesondere die aktuelle Geoposition des U-Boots gemessen werden kann. Für die zweite Trainingsphase wird eine Abfolge mit K1+1 Abtast-Zeitpunkten t1(1), t1(2), ..., t1(K1+1) vorgegeben. K1 kann gleich K sein oder sich von K unterscheiden. Zu jedem Zeitpunkt t1(k) werden jeweils

  • - die N Werte x1[t1(k)], ..., xN[t1 (k)], welche die N Zustandsgrößen zum Zeitpunkt t1(k) jeweils annehmen, und
  • - die M Werte u1[t1(k)], ..., uN[t1(k)], welche die M Stellgrößen zum Zeitpunkt t1(k) jeweils annehmen,
gemessen (k=1,..., K1+1). K1 Differenz-Werte yi[t1(k)] = xi[t1(k+1)] - xi[t1(k)] werden berechnet (i=1,..., N, k = 1,..., K1). Für jede veränderliche Größe Xj werden jeweils K1 Werte Xj[t1(k)] berechnet, welche die veränderliche Größe Xj zum Zeitpunkt t1(k) annimmt (j=1,..., P, k=1,..., K1). Aus den berechneten K Differenz-Werten und den berechneten P * K Werten der P veränderlichen Größen X1 , ..., XP wird eine zweite Stichprobe mit K1 vektor-wertigen Wertepaaren { y[t1(k)], X[t1(k)] } abgeleitet. Unter Verwendung der zweiten Stichprobe wird die Koeffizienten-Matrix C die in der ersten Trainingsphase bestimmt wird, an die zweite Stichprobe angepasst. Möglich ist, dass in der zweiten Trainingsphase alle Elemente der zweiten Stichprobe oder auch nur einige automatisch ausgewählte Stichproben-Elemente verwendet werden. Möglich ist, die Koeffizienten-Matrix C aus der ersten Trainingsphase anzupassen oder auch die vollständige Berechnung der Koeffizienten-Matrix C erneut „von Null an“ durchzuführen.Then a second training phase is carried out, in which the system state is again x can be measured and, for example, in particular the current geoposition of the submarine can be measured. A sequence with K1 + 1 sampling times t1 (1), t1 (2), ..., t1 (K1 + 1) is specified for the second training phase. K1 can be equal to K or different from K. Anytime t1 (k) are each
  • - the N values x 1 [t1 (k)], ..., x N [t1 (k)], which each take on the N state variables at time t1 (k), and
  • - the M values u 1 [t1 (k)], ..., u N [t1 (k)], which each take the M manipulated variables at time t1 (k),
measured (k = 1, ..., K1 + 1). K1 Difference values y i [t1 (k)] = x i [t1 (k + 1)] - x i [t1 (k)] are calculated (i = 1, ..., N, k = 1, .. ., K1). For each variable size X j are each K1 Values X j [t1 (k)] calculated, which the variable size X j assumes at the time t1 (k) (j = 1, ..., P, k = 1, ..., K1). From the calculated K difference values and the calculated P * K values of the P variable quantities X 1 , ..., X P is using a second sample K1 vector value pairs { y [t1 (k)], X [t1 (k)]} are derived. Using the second sample, the coefficient matrix C determined in the first training phase is passed to the second Sample adjusted. It is possible that all elements of the second sample or only some automatically selected sample elements are used in the second training phase. It is possible to adapt the coefficient matrix C from the first training phase or to perform the complete calculation of the coefficient matrix C again "from zero".

In einer Ausgestaltung wird eine Gesamt-Stichprobe erzeugt. Diese Gesamt-Stichprobe wird unter Verwendung der ersten Stichprobe, die in der ersten Trainingsphase ermittelt wurde, und unter Verwendung der zweiten Stichprobe, die in der zweiten Trainingsphase ermittelt wurde, erzeugt. Diese Gesamt-Stichprobe kann alle Elemente der ersten Stichprobe und alle Elemente der zweiten Stichprobe enthalten oder auch nur automatisch ausgewählte Elemente der ersten und / oder der zweiten Stichprobe. In der zweiten Trainingsphase wird die Gesamt-Stichprobe verwendet, um die Koeffizienten-Matrix C erneut zu bestimmen oder um die bereits bestimmte Koeffizienten-Matrix C anzupassen.In one embodiment, an overall sample is generated. This total sample is generated using the first sample, which was determined in the first training phase, and using the second sample, which was determined in the second training phase. This total sample can contain all elements of the first sample and all elements of the second sample or only automatically selected elements of the first and / or the second sample. In the second training phase, the overall sample is used to calculate the coefficient matrix C redetermine or around the already determined coefficient matrix C adapt.

In den bislang beschriebenen Anwendungen wurden die M Stellgrößen u 1 , ..., u M zu jedem Abtastzeitpunkt gemessen. Möglich ist auch, probeweise Werte für die Stellgrößen vorzugeben und durch eine Vorhersage zu ermitteln, welchen Systemzustand das Unterseeboot 1 zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t5 haben würde, wenn die M Stellgrößen tatsächlich auf die probeweise vorgegebenen Werte eingestellt werden. Dies wird im Folgenden mit Bezug auf 3 erläutert. Der Zeitpunkt t5 kann gleich dem Zeitpunkt t1 sein oder von ihm abweichen.In the applications described so far, the M manipulated variables u 1 , ..., u M measured at each sampling time. It is also possible to give test values for the manipulated variables on a trial basis and to determine which system status the submarine has by means of a prediction 1 at a subsequent time t5 would have if the M manipulated variables were actually set to the values given on a trial basis. This is referred to below 3 explained. Point of time t5 can be the same time t1 be or deviate from it.

Das Unterseeboot 1 befindet sich in der Nähe eines Areals Ar und darf nicht in dieses Areal Ar fahren. Zum Zeitpunkt t0 werden probeweise M Stellgrößen-Werte vorgegeben, die zusammen einen Vektor u'(t0) bilden. Der Systemzustand zum Zeitpunkt t0 wird gemessen, wodurch ein Zustandsgrößen-Vektor x(t0) geliefert wird. So wie gerade beschrieben wird der Systemzustand x^(t5) zu einem späteren Zeitpunkt t5 vorhergesagt. In einer Ausgestaltung werden nacheinander mehrere Systemzustände an Zwischen-Zeitpunkten t2, t3, ... vorhergesagt. Um den Systemzustand x^(t5) zum Zeitpunkt t5 vorherzusagen, wird in dieser Ausgestaltung jedes Mal derselbe vorgegebenen Stellgrößen Vektor u'(t0) oder auch eine Abfolge von probeweise vorgegebenen Stellgrößen-Vektoren u'(t0), u'(t1), ... verwendet. Der vorhergesagte Systemzustand x^(t5) wird mit einem vorgegebenen Kriterium verglichen. Beispielsweise wird die Geoposition vorhergesagt, die gemäß der Vorhersage bei dieser Abfolge von probeweise vorgegebenen Stellgrößen-Vektoren u'(t0), u'(t1), und den vorhergesagten Systemzuständen x^(t1), ..., x^(t5) zum Zeitpunkt t5 erreicht wird. In dem in 3 gezeigten Beispiel wäre das Unterseeboot 1 dann in dem Areal Ar, was unzulässig ist. Daher wird statt des probeweise vorgegebenen Stellgrößen-Vektors u'(t0) ein geänderter Stellgrößen-Vektor u(t0) verwendet. Dieser führt zu einer Fahrtroute, die an dem Areal Ar vorbeiführt.The submarine 1 is located near an area Ar and is not allowed in this area Ar drive. At the time t0 As a test, M manipulated variable values are specified, which together form a vector u '( t0 ) form. The system state at the time t0 is measured, whereby a state quantity vector x (t0) is delivered. As just described, the system state x ^ ( t5 ) at a later time t5 predicted. In one embodiment, several system states are created one after the other at intermediate times t2 . t3 , ... predicted. To the system state x ^ (t5) at the time t5 to predict, in this embodiment the same predetermined manipulated variables each time become vector u '(t0) or also a sequence of manipulated variable vectors that have been predetermined on a trial basis u '(t0) . u '(t1) , ... used. The predicted system state x ^ (t5) is compared with a given criterion. For example, the geoposition is predicted, which, according to the prediction, is given in this sequence of trial-and-error manipulated variable vectors u '(t0) . u '(t1) , and the predicted system states x ^ (t1) , ..., x ^ (t5) at the time t5 is achieved. In the in 3 The example shown would be the submarine 1 then in the area Ar what is prohibited. Therefore, instead of the control variable vector that is given as a test u '(t0) a changed manipulated variable vector u (t0) used. This leads to a route that leads to the area Ar passes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
bemanntes Unterseebootmanned submarine
1010
Fahrzeughülle des Unterseeboots 1Submarine vehicle hull 1
1111
Turm des Unterseeboots 1Submarine tower 1
1212
Steuerbord-Seitensonar, an der Steuerbordseite der Fahrzeughülle 10 montiertStarboard side sonar, on the starboard side of the vehicle hull 10 assembled
1313
Bug-Sonar, am Bug der Fahrzeughülle 10 montiertBow sonar, on the bow of the vehicle hull 10 assembled
1414
Propeller des Unterseeboots 1Submarine propeller 1
1515
vorderes Steuerbord-Höhenruder des Unterseeboots 1forward starboard elevator of submarine 1
1616
hinteres Steuerbord-Höhenruder des Unterseeboots 1aft starboard elevator of submarine 1
1717
Seitenruder des Unterseeboots 1Submarine rudder 1
AA
Anzahl der X-Scores s a (a=1,..., A)Number of X-scores s a (a = 1, ..., A)
ArAr
Areal, in welches das Unterseeboot 1 nicht fahren sollArea in which the submarine 1 shouldn't drive
bi,a b i, a
Regressions-Koeffizienten (i=1,...,N; a=1,..., A)Regression coefficients (i = 1, ..., N; a = 1, ..., A)
CC
Koeffizienten-Matrix, hat N Zeilen und P Spalten und die Koeffizienten ci,j Coefficient matrix, has N rows and P columns and the coefficients c i, j
ci,j c i, j
Koeffizienten der Koeffizienten-Matrix C (i=1,...,N; j=1,...,P)Coefficients of the coefficient matrix C (i = 1, ..., N; j = 1, ..., P)
e 1, ...,e P e 1 , ..., e P
zu minimierende X-Residuen, haben jeweils K KomponentenX residuals to be minimized each have K components
f 1, ..., f P f 1 , ..., f P
zu minimierende Y-Residuen, haben jeweils K KomponentenY residuals to be minimized each have K components
FRFR
Fahrtrichtung des Unterseeboots 1Direction of travel of the submarine 1
MM
Anzahl der Stellgrößen, Anzahl der Komponenten des Vektors u Number of manipulated variables, number of components of the vector u
NN
Anzahl der Zustandsgrößen, Anzahl der Komponenten der Vektoren x und yNumber of state variables, number of components of the vectors x and y
PP
Anzahl der variablen Größen, Anzahl der Komponenten des Vektors X Number of variable sizes, number of components of the vector X
s 1, ..., s A s 1 , ..., s A
X-Scores, haben jeweils K Komponenten, sind paarweise orthogonalX-scores, each with K components, are orthogonal in pairs
t0t0
Zeitpunkt, an dem die M Stellgrößen und die N Zustandsgrößen gemessen werdenTime at which the M manipulated variables and the N state variables are measured
t1, t2, ...t1, t2, ...
Zeitpunkte, an denen die M Stellgrößen gemessen werden und für welche die N Zustandsgrößen vorhergesagt werdenPoints in time at which the M manipulated variables are measured and for which the N state variables are predicted
u1, ..., uM u 1 , ..., u M
messbare Stellgrößen für die Stellglieder-Anordnungmeasurable manipulated variables for the actuator arrangement
x1, ...,x 1 , ...,
Zustandsgrößen, werden gemessen oder vorhergesagt, bilden zusammenState variables, measured or predicted, form together
xN x N
den Systemzustandthe system state
KK
Umfang der ersten StichprobeScope of the first sample
K+1K + 1
Umfang der zweiten StichprobeScope of the second sample
x(t1), x(t2), ... x (t1), x (t2), ...
tatsächlicher Systemzustand zum Zeitpunkt t1, t2, ...actual system status at the time t1 . t2 , ...
x^(t1), x^(t2),... x ^ (t1), x ^ (t2), ...
für die Zeitpunkte t1, t2,... vorhergesagte Systemzustände (Vektoren der Zustandsgrößen x)for the times t1 . t2 , ... predicted system states (vectors of the state variables x )
XX
Längsachse des Unterseeboots 1Longitudinal axis of the submarine 1
XX
Vektor der veränderlichen Größen, hat P KomponentenVector of variable sizes, has P components
X1, ..., XP X 1 , ..., X P
veränderliche Größen, hängen jeweils von Zustandsgrößen und / oder von Stellgrößen abvariable variables, each depend on state variables and / or manipulated variables
yy
Differenzen-Vektor aus den Systemzuständen an zwei aufeinanderfolgenden ZeitpunktenDifference vector from the system states at two successive points in time
YY
horizontale Querachse des Unterseeboots 1horizontal transverse axis of the submarine 1
y(t) y (t)
Differenz aus den Systemzuständen an zwei aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, ist gleich x(t+Δ)-x(t)Difference from the system states at two successive points in time is equal to x (t + Δ) - x (t)
ZZ
vertikale Hochachse des Unterseeboots 1vertical vertical axis of the submarine 1

Claims (11)

Verfahren zum Navigieren eines Unterwasserfahrzeugs (1), wobei das Unterwasserfahrzeug (1) eine Stellglieder-Anordnung (14, 15, 16, 17) mit mindestens einem Stellantrieb umfasst, wobei die Stellglieder-Anordnung durch M einstellbare und messbare Stellgrößen u1,..., uM mit M >= 1 veränderbar ist, wobei ein Systemzustand, der N zeitlich veränderliche Zustandsgrößen x1,..., xN umfasst und mit der Bewegung des Unterwasserfahrzeugs (1) durch das Wasser korreliert, vorgegeben ist, wobei N >= 1, und wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass - die N Werte x1(t0),..., xN(t0), welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zu einem Zeitpunkt t0 annehmen, gemessen werden, - die M Werte u1(t0),..., uM(t0), welche die M Stellgrößen u1,..., uM zum Zeitpunkt t0 annehmen, gemessen oder vorgegeben werden, - unter Verwendung der N Zustandsgrößen-Werte x1(t0),..., xN(t0), der M Stellgrößen-Werte u1(t0),..., uM(t0) und eines vorgegebenen funktionalen Zusammenhangs automatisch die N Werte x^1(t1),..., x^N(t1), welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zu einem vorgegebenen späteren Zeitpunkt t1 annehmen, wenigstens näherungsweise vorhergesagt werden und - die vorhergesagten N Zustandsgrößen-Werte x^1(t1),..., x^N(t1) für das Navigieren des Unterwasserfahrzeugs (1) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass P veränderliche Größen X1, ..., XP und für jede veränderliche Größe X1, ..., XP jeweils eine funktionale Abhängigkeit Fj, welche die veränderliche Größe Xj (j=1,..., P) als Funktion mindestens einer Zustandsgröße xi (i=1,..., N) und / oder mindestens einer Stellgröße ui (i=1,..., M) beschreibt, vorgegeben sind, für jede Zustandsgröße xi (i=1,..., N) ein linearer funktionaler Zusammenhang xi(t+Δ) - xi(t) = yi(t) mit yi(t) = ci,1*X1(t) + ... + ci,P*XP(t) vorgegeben ist, wobei die zunächst unbekannten Koeffizienten ci,j zu einer Koeffizienten-Matrix C mit N Zeilen und P Spalten, die P veränderlichen Größen X1, ..., XP zu einem Vektor X und die N Differenzgrößen y1, ..., yN zu einem Vektor y zusammengefasst sind, so dass y _ = X _ * C _ _ T  glit ,
Figure DE102018218231B3_0013
wobei in einer ersten Trainingsphase die Schritte durchgeführt werden, dass - das Unterwasserfahrzeug (1) durch das Wasser bewegt wird, - K+1 Zeitpunkte t(1), ..., t(K+1) vorgegeben sind, - für jeden Zeitpunkt t(k) (k = 1, ..., K+1) die N Werte x1[t(k)], ..., xN[t(k)] gemessen werden, welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zum Zeitpunkt t(k) jeweils annehmen, - für jeden Zeitpunkt t(k) (k = 1, ..., K) die M Werte u1[t(k)], ..., uM[t(k)] gemessen werden, welche die M Stellgrößen u1,..., uM zum Zeitpunkt t(k) jeweils annehmen, - K Differenz-Werte yi[t(k)] = xi[t(k+1)] - xi[t(k)] berechnet werden (i=1,..., N, k=1, ..., K), - durch Anwendung der funktionalen Abhängigkeit Fj für jede veränderliche Größe Xj jeweils K+1 Werte Xj[t(k)] berechnet werden, welche die veränderliche Größe Xj zum Zeitpunkt t(k) annimmt (j=1, ..., P, k=1, ..., K), - aus den berechneten K Differenz-Werten und den berechneten P * K Werten der P veränderlichen Größen X1, ..., XP eine erste Stichprobe mit K vektor-wertigen Wertepaaren { y[t(k)], X[t(k)] } abgeleitet wird (k=1, ..., K) und - unter Verwendung der ersten Stichprobe und des Zusammenhangs y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0014
die Koeffizienten-Matrix C berechnet wird und beim Schritt, die Werte x^1(t1),..., x^N(t1) der N Zustandsgrößen für den späteren Zeitpunkt t1 vorherzusagen, die Schritte durchgeführt werden, dass - unter Verwendung der funktionalen Abhängigkeiten F1,..., FP, der für den Zeitpunkt t0 gemessenen N Zustandsgrößen-Werte x1(t0),..., xN(t0) und der M Stellgrößen-Werte u1(t0),..., uM(t0) die P Werte X1(t0), ..., XP(t0) berechnet werden, welche die P veränderlichen Größen X1, ..., XP zum Zeitpunkt t0 annehmen, - unter Verwendung der in der ersten Trainingsphase berechneten Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0015
und der P Werte X1(t0), ..., XP(t0) N Differenz-Werte yi(t0) = ci,1*X1(t0) + ... + ci,P*XP(t0) (i=1, ..., N) berechnet werden und - die N Zustandsgrößen-Werte x^1(t1),... , x^N(t1) für den späteren Zeitpunkt t1 unter Verwendung der für den früheren Zeitpunkt t0 gemessenen N Zustandsgrößen-Werte x1(t0),..., xN(t0) und der berechneten N Differenz-Werte y1(t0),..., yN(t0) vorhergesagt werden.
Method for navigating an underwater vehicle (1), the underwater vehicle (1) comprising an actuator arrangement (14, 15, 16, 17) with at least one actuator, the actuator arrangement being adjustable and measurable manipulated variables u 1 ,... ., u M can be changed with M> = 1, a system state comprising N time-variable state variables x 1 , ..., x N and being correlated with the movement of the underwater vehicle (1) through the water is predetermined, N > = 1, and wherein the method comprises the steps that - the N values x 1 (t0), ..., x N (t0), which represent the N state variables x 1 , ..., x N at a time t0 assume, be measured, - the M values u 1 (t0), ..., u M (t0), which assume the M manipulated variables u 1 , ..., u M at time t0, are measured or specified, - under Use of the N state variable values x 1 (t0), ..., x N (t0), the M manipulated variable values u 1 (t0), ..., u M (t0) and a specified functional relationship the N values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1), which assume the N state variables x 1 , ..., x N at a predetermined later time t1, are at least approximately predicted, and - the predicted N state variable values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1) are used for navigating the underwater vehicle (1), characterized in that P variable variables X 1 , ..., X P and for each variable X 1 , ..., X P there is a functional dependency F j , which shows the variable X j (j = 1, ..., P) as a function of at least one state variable x i (i = 1, ..., N) and / or at least one manipulated variable u i (i = 1, ..., M) describes, are given a linear functional relationship for each state variable x i (i = 1, ..., N) x i (t + Δ) - x i (t) = y i (t) with y i (t) = c i, 1 * X 1 (t) + ... + c i, P * X P (t ) is specified, whereby the initially unknown coefficients c i, j form a coefficient matrix C with N rows and P columns, the P variable quantities X 1 , ..., X P form a vector X and the N difference quantities y 1 , ..., y N are combined into a vector y , so that y _ = X _ * C _ _ T glit .
Figure DE102018218231B3_0013
in a first training phase, the steps are carried out such that - the underwater vehicle (1) is moved through the water, - K + 1 times t (1), ..., t (K + 1) are specified, - for each point in time t (k) (k = 1, ..., K + 1) the N values x 1 [t (k)], ..., x N [t (k)] are measured, which are the N state variables x 1 , ..., x N each assume at time t (k), - for each time t (k) (k = 1, ..., K) the M values u 1 [t (k)], ... , u M [t (k)] are measured, which each assume the M manipulated variables u 1 , ..., u M at time t (k), - K difference values y i [t (k)] = x i [t (k + 1)] - x i [t (k)] can be calculated (i = 1, ..., N, k = 1, ..., K), - by applying the functional dependence F j for each variable X j K + 1 values X j [t (k)] are calculated, which the variable X j assumes at time t (k) (j = 1, ..., P, k = 1,. .., K), - from the calculated K difference values and the calculated P * K values of the P variable quantities X 1 , ..., X P a first sample with K vector value pairs {y [t (k)], X [t (k)]} is derived (k = 1, ..., K) and - using the first sample and the relationship y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0014
the coefficient matrix C is calculated and in the step of predicting the values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1) of the N state variables for the later time t1, the steps are performed that - using the functional dependencies F 1 , ..., F P , the N state variable values x 1 (t0), ..., x N (t0) measured at time t0 and the M manipulated variable values u 1 (t0) ,. .., u M (t0) the P values X 1 (t0), ..., X P (t0) are calculated, which assume the P variable quantities X 1 , ..., X P at time t0, - under Use of the coefficient matrix calculated in the first training phase C _ _
Figure DE102018218231B3_0015
and the P values X 1 (t0), ..., X P (t0) N difference values y i (t0) = c i, 1 * X 1 (t0) + ... + c i, P * X P (t0) (i = 1, ..., N) are calculated and - the N state quantity values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1) for the later time t1 using the for the earlier state t0 measured N state variable values x 1 (t0), ..., x N (t0) and the calculated N difference values y 1 (t0), ..., y N (t0) can be predicted.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schritt, unter Verwendung der ersten Stichprobe die Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0016
zu berechnen, mindestens eines der folgenden Verfahren angewendet wird: - eine lineare Regressionsanalyse, - eine Hauptkomponentenanalyse (principal component analysis), - das Verfahren „Partial Least Squares Regression (PLSR)“.
Procedure according to Claim 1 , characterized in that at the step using the first sample the coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0016
To calculate, at least one of the following methods is used: - a linear regression analysis, - a principal component analysis, - the method "Partial Least Squares Regression (PLSR)".
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug (1) sich entlang - einer Längsachse (X), - einer senkrecht auf der Längsachse (X) stehenden horizontalen Querachse (Y) und - einer senkrecht auf der Längsachse (X) und der Querachse (Y) stehenden Hochachse (Z) erstreckt und mindestens eine der folgenden Größen gemessen und als eine Zustandsgröße xi verwendet wird: - die Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund in eine Richtung parallel zur Längsachse (X), - die Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund in eine Richtung parallel zur Querachse (Y), - die Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund in eine Richtung parallel zur Hochachse (Z), - die Winkelgeschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund um eine Achse parallel zur Längsachse (X), - die Winkelgeschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund um eine Achse parallel zur Querachse (Y), - die Winkelgeschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) über Grund um eine Achse parallel zur Hochachse (Z).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the underwater vehicle (1) along - a longitudinal axis (X), - a horizontal transverse axis (Y) perpendicular to the longitudinal axis (X) and - one perpendicular to the longitudinal axis (X) and the transverse axis (Y) standing vertical axis (Z) and measuring at least one of the following variables and used as a state variable x i : - the speed of the underwater vehicle (1) over the ground in a direction parallel to the longitudinal axis (X), - the Speed of the underwater vehicle (1) above the ground in a direction parallel to the transverse axis (Y), - the speed of the underwater vehicle (1) above the ground in a direction parallel to the vertical axis (Z), - the angular speed of the underwater vehicle (1) above the ground by one Axis parallel to the longitudinal axis (X), - the angular velocity of the underwater vehicle (1) above the ground about an axis parallel to the transverse axis (Y), - the angular velocity ability of the underwater vehicle (1) over the ground about an axis parallel to the vertical axis (Z). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug (1) einen Antrieb (14) aufweist, der dazu ausgestaltet ist, das Unterwasserfahrzeug (1) durch das Wasser zu bewegen, wobei mindestens eine Stellgröße ui eine Größe ist, die mit der Fahrgeschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs (1) relativ zum umgebenden Wasser korreliert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the underwater vehicle (1) has a drive (14) which is designed to move the underwater vehicle (1) through the water, at least one manipulated variable u i being a variable which with the driving speed of the Underwater vehicle (1) correlated relative to the surrounding water. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserfahrzeug (1) - einen Fahrzeugkörper (10), - ein Richtungs-Veränderungs-Element (15, 16, 17) und - einen Antrieb zum Bewegen des Richtungs-Veränderungs-Elements umfasst, wobei mindestens eine Stellgröße ui eine Größe ist, die mit der Position des Richtungs-Veränderungs-Elements (15, 16, 17) relativ zum Fahrzeugkörper (10) korreliert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the underwater vehicle (1) comprises - a vehicle body (10), - a change of direction element (15, 16, 17) and - a drive for moving the change of direction element , at least one manipulated variable u i being a variable which correlates with the position of the direction change element (15, 16, 17) relative to the vehicle body (10). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die M Werte u1(t1),..., um(t1), welche die M Stellgrößen u1,..., uM zu dem nachfolgenden Zeitpunkt t1 annehmen, gemessen oder vorgegeben werden und die Werte x^1(t2),..., x^N(t2) der N Zustandsgrößen für einen nachfolgenden Zeitpunkt t2, der nach dem Zeitpunkt t1 liegt, vorhergesagt werden, wobei die Vorhersage für den Zeitpunkt t2 die Schritte umfasst, dass - unter Verwendung der funktionalen Abhängigkeiten F1,..., FP, der für den Zeitpunkt t1 vorhergesagten N Zustandsgrößen-Werte x^1(t1),..., x^N(t1) und der M Stellgrößen-Werte u1(t1),..., uM(t1) für den Zeitpunkt t1 die P Werte X1(t1), ..., XP(t1) berechnet werden, welche die P veränderlichen Größen X1, ..., XP zum Zeitpunkt t1 annehmen, - unter Verwendung der in der ersten Trainingsphase berechneten Koeffizienten-Matrix C und der P Werte X1(t1), ..., XP(t1) N Differenz-Werte yi(t1) = ci,1*X1(t1) + ... + ci,P*XP(t1) (i=1, ..., N) berechnet werden und - die N Zustandsgrößen-Werte x^1(t2),..., x^N(t2) für den nachfolgenden Zeitpunkt t2 unter Verwendung der für den Zeitpunkt t1 vorhergesagten N Zustandsgrößen-Werte x^1(t1),..., x^N(t1) und der berechneten N Differenz-Werte y1(t1),..., yN(t1) vorhergesagt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the M values u 1 (t1), ..., u m (t1), which assume the M manipulated variables u 1 , ..., u M at the subsequent time t1, are measured or predetermined and the values x ^ 1 (t2), ..., x ^ N (t2) of the N state variables are predicted for a subsequent time t2, which is after the time t1, the prediction for the time t2 the steps comprises that - using the functional dependencies F 1 , ..., F P , the N state variable values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1) and the predicted for the time t1 M manipulated variable values u 1 (t1), ..., u M (t1) for the time t1 the P values X 1 (t1), ..., X P (t1) are calculated, which are the P variable variables X 1 , ..., X P at time t1, - using the coefficient matrix C calculated in the first training phase and the P values X 1 (t1), ..., X P (t1) N difference values y i (t1) = c i, 1 * X 1 (t1) + ... + c i, P * X P (t1) (i = 1, ..., N) are calculated and - the N state variable values x ^ 1 (t2), ..., x ^ N (t2 ) for the subsequent time t2 using the N state variable values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1) predicted for the time t1 and the calculated N difference values y 1 (t1), .. ., y N (t1) can be predicted. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vorhersage der N Werte x^1(t1),..., x^N(t1), welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zum nachfolgenden Zeitpunkt t1 annehmen, in einer zweiten Trainingsphase die Schritte durchgeführt werden, dass an K1 + 1 vorgegebenen Zeitpunkten t1(1), ..., t1(K1+1) - die N Werte x1[t1(k)], ..., xN[t1(k)], welche die N Zustandsgrößen zum Zeitpunkt t1(k) jeweils annehmen, und - die M Werte u1[t1(k)], ..., uN[t1(k)], welche die M Stellgrößen zum Zeitpunkt t1(k) jeweils annehmen, gemessen werden, K Differenz-Werte yi[t1(k)] = xi[t1(k+1)] - xi[t1(k)] berechnet werden (i=1,..., N, k=1,...,K1), für jede veränderliche Größe Xj jeweils K1 Werte Xj[t1(k)] berechnet werden, welche die veränderliche Größe Xj zum Zeitpunkt t1(k) annimmt (j=1,..., P, k=1,..., K1), aus den berechneten K Differenz-Werten und den berechneten P * K1 Werten der P veränderlichen Größen X1, ..., XP eine zweite Stichprobe mit K1 vektor-wertigen Wertepaaren { y[t1(k)], X[t1(k)] } abgeleitet wird, die Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0017
C an die zweite Stichprobe angepasst wird und anschließend erneut eine Vorhersage durchgeführt wird, bei welcher die Schritte durchgeführt werden, dass - die N Werte x1(t3),..., xN(t3), welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zu einem nachfolgenden Zeitpunkt t3 annehmen, gemessen werden, - die M Werte u1(t3),..., um(t3), welche die M Stellgröße u1,..., uM zu dem Zeitpunkt t3 annehmen, gemessen oder vorgegeben werden, - unter Verwendung der N Zustandsgrößen-Werte x1(t3),..., xN(t3), der M Stellgrößen-Werte u1(t3),..., uM(t3) und der angepassten Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0018
die N Werte x^1(t4),..., x^N(t4), welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zu einem vorgegebenen späteren Zeitpunkt t4 annehmen, wenigstens näherungsweise vorhergesagt werden und - die vorhergesagten N Zustandsgrößen-Werte x^1(t4),..., x^N(t4) für das weitere Navigieren des Unterwasserfahrzeugs (1) verwendet werden.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the prediction of the N values x ^ 1 (t1), ..., x ^ N (t1), which the N state variables x 1 , ..., x N for subsequent Assume time t1, in a second training phase the steps are carried out, that at K1 + 1 predetermined times t1 (1), ..., t1 (K1 + 1) - the N values x 1 [t1 (k)], .. ., x N [t1 (k)], which each assume the N state variables at time t1 (k), and - the M values u 1 [t1 (k)], ..., u N [t1 (k)] , which each assume the M manipulated variables at time t1 (k), K difference values y i [t1 (k)] = x i [t1 (k + 1)] - x i [t1 (k)] are calculated (i = 1, ..., N, k = 1, ..., K1), for each variable X j K1 values X j [t1 (k)] are calculated, which change the variable X j to Time t1 (k) assumes (j = 1, ..., P, k = 1, ..., K1), from the calculated K difference values and the calculated P * K1 values of the P variable quantities X 1 ,. .., X P a z wide sample with K1 vector value pairs { y [t1 (k)], X [t1 (k)]} is derived, the coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0017
C is adapted to the second sample and a prediction is then carried out again, in which the steps are carried out that - the N values x 1 (t3), ..., x N (t3), which represent the N state variables x 1 , ..., x N at a subsequent time t3, are measured, - the M values u 1 (t3), ..., u m (t3), which increase the M manipulated variable u 1 , ..., u M accept, measure or specify the time t3, - using the N state variable values x 1 (t3), ..., x N (t3), the M manipulated variable values u 1 (t3), ..., u M (t3) and the adjusted coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0018
the N values x ^ 1 (t4), ..., x ^ N (t4), which assume the N state variables x 1 , ..., x N at a predetermined later time t4, are at least approximately predicted and - the predicted N state variable values x ^ 1 (t4), ..., x ^ N (t4) can be used for further navigation of the underwater vehicle (1).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt, die Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0019
C an die zweite Stichprobe anzupassen, die Schritte umfasst, dass - in der zweiten Trainingsphase unter Verwendung der ersten Stichprobe und der zweiten Stichprobe eine Gesamt-Stichprobe erzeugt wird und - unter Verwendung der Gesamt-Stichprobe und des Zusammenhangs y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0020
die Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0021
erneut berechnet wird.
Procedure according to Claim 7 , characterized in that the step, the coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0019
C to adapt to the second sample, which comprises the steps that - in the second training phase using the first sample and the second sample, an overall sample is generated and - using the overall sample and the context y _ = X _ * C _ _ T
Figure DE102018218231B3_0020
the coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0021
is recalculated.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass M Werte u1(t0),..., uM(t0) der M Stellgrößen für den Zeitpunkt t0 probeweise vorgegeben werden, unter Verwendung der N für den Zeitpunkt t0 gemessenen Zustandsgrößen-Werte x1(t0),..., xN(t0), der M für den Zeitpunkt t0 probeweise vorgegebenen Stellgrößen-Werte u1(t0),..., uM(t0) und der linearen Abhängigkeiten Fj die P Werte X1(t0)..., XP(t0) berechnet werden, welche die P veränderlichen Größen X1, ..., XP gemäß der Vorgabe für den Zeitpunkt t0 annehmen, unter Verwendung der N gemessenen Zustandsgrößen-Werte x1(t0),..., xN(t0), der P berechneten Werte X1(t0) ..., XP(t0) und der Koeffizienten-Matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0022
die N Werte x^1(t5),..., x^N(t5) wenigstens näherungsweise vorhergesagt werden, welche die N Zustandsgrößen x1,..., xN zu einem vorgegebenen Zeitpunkt t5 haben, falls die probeweise vorgegebenen Stellgrößen-Werte u1(t0),..., uM(t0) tatsächlich verwendet werden, die für den Zeitpunkt t5 vorhergesagten N Zustandsgrößen-Werte x^1(t5),..., x^N(t5) mit einem vorgegebenen Kriterium verglichen werden und abhängig vom Ergebnis des Vergleichs entschieden wird, ob die probeweise vorgegebenen M Werte u1(t0),..., uM(t0) der M Stellgrößen tatsächlich für das Navigieren des Unterwasserfahrzeugs (1) verwendet werden.
Method according to one of the preceding claims, characterized in that M values u 1 (t0), ..., u M (t0) of the M actuating variables for the time t0 are given as a test, using the N state variables measured for the time t0 Values x 1 (t0), ..., x N (t0), the M manipulated variable values u 1 (t0), ..., u M (t0) and the linear dependencies F j for the time t0 P values X 1 (t0) ..., X P (t0) are calculated, which are the P variable quantities X 1 , ..., Accept X P according to the specification for the time t0, using the N measured state variable values x 1 (t0), ..., x N (t0), the P calculated values X 1 (t0) ..., X P (t0) and the coefficient matrix C _ _
Figure DE102018218231B3_0022
the N values x ^ 1 (t5), ..., x ^ N (t5) are at least approximately predicted, which have the N state variables x 1 , ..., x N at a predetermined point in time t5, if the trial-prescribed control variables -Values u 1 (t0), ..., u M (t0) are actually used, the N state variable values x ^ 1 (t5), ..., x ^ N (t5) predicted for the time t5 with a predefined criteria are compared and, depending on the result of the comparison, a decision is made as to whether the test values M 1 u 1 (t0), ..., u M (t0) of the M actuating variables are actually used for navigating the underwater vehicle (1).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geoposition des Unterwasserfahrzeugs (1) zum Zeitpunkt t0 gemessen oder vorgegeben wird und unter Verwendung mindestens eines vorhergesagten Wertes für eine Zustandsgröße eine Geoposition des Unterwasserfahrzeugs (1) zu einem zukünftigen Zeitpunkt vorhergesagt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the geoposition of the underwater vehicle (1) is measured or specified at time t0 and using at least one predicted value for a state variable a geoposition of the underwater vehicle (1) is predicted at a future time. Unterwasserfahrzeug (1) mit - einer Stellglieder-Anordnung (14, 15, 16, 17) mit mindestens einem Stellglied, - einer Stellgrößen-Sensor-Anordnung - einem Zustandsgrößen-Sensor-Anordnung und - einem Rechner, wobei die Stellglieder-Anordnung (14, 15, 16, 17) durch M einstellbare und messbare Stellgrößen u1,..., uM mit M >= 1 veränderbar ist, wobei die Stellgrößen-Sensor-Anordnung dazu ausgestaltet ist, die M Stellgrößen u1,..., uM zu messen, wobei die Zustandsgrößen-Sensor-Anordnung dazu ausgestaltet ist, N Zustandsgrößen x1,..., xN eines Systemzustands zu messen, wobei N >= 1, wobei der Systemzustand mit der Bewegung des Unterwasserfahrzeugs (1) durch das Wasser korreliert und wobei der Rechner dazu ausgestaltet ist, automatisch ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.Underwater vehicle (1) with - an actuator arrangement (14, 15, 16, 17) with at least one actuator, - a manipulated variable sensor arrangement - a state variable sensor arrangement and - a computer, the actuator arrangement (14 , 15, 16, 17) can be changed by M adjustable and measurable manipulated variables u 1 , ..., u M with M> = 1, the manipulated variable sensor arrangement being designed to measure the M manipulated variables u 1 , ... to measure u M , the state variable sensor arrangement being designed to measure N state quantities x 1 ,..., N of a system state, where N> = 1, the system state with the movement of the underwater vehicle (1) correlated by the water and the computer being designed to automatically carry out a method according to one of the preceding claims.
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