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Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung des Lagebilds eines Wasserfahrzeugs.
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Wasserfahrzeuge, insbesondere Schiffe und U-Boote, können häufig mit Sensoren ausgestattete Objekte, nachfolgend als Sensorikeinheit bezeichnet, aussetzen. Als Sensoren weisen diese typischerweise zumindest Wasserschallwandler auf. Mittels der Wasserschallwandler kann die Sensorikeinheit unter Wasser andere Objekte orten oder sich unter Wasser orientieren. Als Sensorikeinheit kann ein Unterwasserlaufkörper (Torpedo oder Anti-Torpedo-Torpedo), eine Boje, ein autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV), ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV), etc. eingesetzt werden. Die Sensoren werden jedoch nicht verwendet, d.h. sie sind ungenutzt, solange die Sensorikeinheiten nicht ausgesetzt sind, d.h. solange diese sich in dem Wasserfahrzeug befinden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Wasserfahrzeuge oder Systeme mit einem Wasserfahrzeug und einer Sensorikeinheit zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele offenbaren ein Wasserfahrzeug mit einer Ausbringvorrichtung und einer Kommunikationseinheit. Die Ausbringvorrichtung kann eine Sensorikeinheit von dem Wasserfahrzeug in Wasser ausbringen, das das Wasserfahrzeug umgibt. Die Ausbringvorrichtung weist eine Aufnahme für die Sensorikeinheit auf, die die Sensorikeinheit während einer Fahrt des Wasserfahrzeugs sicher fixiert und die Sensorikeinheit zum Ausbringen der Sensorikeinheit freigibt. Ausbringen meint, dass die Sensorikeinheit die Abwesenheit einer mechanisch stabilen Verbindung zu dem Wasserfahrzeug aufweist. Es kann zwar nach dem Ausbringen eine Datenverbindung z.B. mittels einer Leitung aufrechterhalten werden. Diese ist jedoch nicht dazu ausgelegt, die Sensorikeinheit festzuhalten. Vielmehr kann die Leitung reißen, wenn diese unter Spannung gerät.
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Die Ausbringvorrichtung ist mit einem Medium geflutet. Insbesondere weist das Medium, mit dem die Ausbringvorrichtung geflutet ist, eine Flüssigkeit oder zumindest die Eigenschaften, insbesondere Schalltransmissionseigenschaften, einer Flüssigkeit, auf. Das Medium kann demnach beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gel (das aus mehreren Komponenten besteht, wobei zumindest eine Komponente eine Flüssigkeit ist) sein. So ist die Sensorikeinheit, wenn diese in der Aufnahme fixiert ist, überwiegend von dem Medium umgeben. Ferner ist die Ausbringvorrichtung derart ausgestaltet, dass Wasserschall aus dem das Wasserfahrzeug umgebenden Wassers in das Medium in der Ausbringvorrichtung eindringen kann und in Kontakt mit der Sensorikeinheit kommt. Somit können Sensoren der Sensorikeinheit, insbesondere Wasserschallwandler, eintreffenden Wasserschall empfangen und optional Schallwellen aussenden, die beispielsweise für ein Aktivsonar verwendet werden können. Weitere Sensoren wie z.B. Tiefenmesser (z.B. zur Messung des hydrostatischen Drucks), Beschleunigungsmesser, Drehratenmesser, etc. können ebenfalls verwendet werden. Eine Öffnung der Ausbringvorrichtung zum Ausbringen der Sensorikeinheit ist vorteilhafterweise derart an dem Wasserfahrzeug angeordnet, dass diese im Einsatzbetrieb des Wasserfahrzeugs, d.h. wenn dieses eine Mission erfüllt, zumindest überwiegend, bevorzugt dauerhaft, unterhalb der Wasserlinie angeordnet ist.
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Die Kommunikationseinheit ist ausgebildet, eine Datenverbindung zu der Sensorikeinheit zu unterhalten und mittels der Datenverbindung Sensordaten von der Sensorikeinheit zu empfangen, die die Sensorikeinheit basierend auf dem empfangenen Wasserschall ausgibt, wenn die Sensorikeinheit in der Ausbringvorrichtung fixiert ist. Das heißt, es ist z.B. möglich, dass die Informationen, die die Sensorikeinheit über ihre Sensoren sammelt, in das Lagebild des Wasserfahrzeugs mit einfließen. Die Datenverbindung kann auch zur Übertragung von Daten (wie z.B. Kommandos oder Sensordaten des Wasserfahrzeugs) zur Sensorikeinheit genutzt werden. Ferner kann die Kommunikationseinheit mittels der Datenverbindung auch eine Energieversorgung der Sensorikeinheit ermöglichen. D.h., das Wasserfahrzeug kann die Sensorikeinheit mit Energie versorgen. Die Energieversorgung kann erfolgen, solange die Datenverbindung zwischen Wasserfahrzeug und Sensorikeinheit besteht. Alternativ kann die Energieversorgung zwischen Wasserfahrzeug und Sensorikeinheit mittels alternativer Energieversorgungsmittel erfolgen. Die Energieversorgung der Sensorikeinheit durch das Wasserfahrzeug ist vorteilhaft, um die Energieversorgungeinheit, insbesondere Batterie, der Sensorikeinheit zu schonen. Typischerweise reicht die Energieversorgung durch das Wasserfahrzeug aus, um die Sensoren der Sensoreinheit zu betreiben. Sobald Aktoren, beispielsweise ein Triebwerk der Sensorikeinheit, eingeschaltet werden, kann die Energieversorgungseinheit der Sensorikeinheit zumindest die Aktoren, optional auch die gesamte Sensorikeinheit, mit Energie versorgen. Ferner ist es möglich, dass die Energieversorgungseinheit die vollständige Energieversorgung der Sensorikeinheit zu einem beliebigen anderen Zeitpunkt übernimmt.
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Idee ist es, dass die Sensoren der Sensorikeinheit bereits in dem Wasserfahrzeug genutzt werden, bevor die Sensorikeinheit ausgebracht ist. Somit stehen dem Wasserfahrzeug Sensoren zur Verfügung, auf die es sonst keinen Zugriff hätte. Dies ist vorteilhaft, da die Sensorikeinheit typischerweise mit andersartigen Sensoren im Vergleich zu dem Wasserfahrzeug ausgestattet ist. So ist z.B. ein Anti-Torpedo-Torpedo mit Wasserschallwandlern ausgestattet, die sehr hochfrequente Schallwellen empfangen und senden können. (Sono-) Bojen weisen generell eine Vielzahl von verschiedenen Sensoren auf, um möglichst viele Informationen sammeln zu können.
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In Ausführungsbeispielen ist die Ausbringvorrichtung mittels einer hinreichend schalltransparenten Abdeckung, beispielsweise einer Membran, gegenüber dem das Wasserfahrzeug umgebenden Wassers abgegrenzt. Die Abdeckung ist dann hinreichend schalltransparent, wenn Wasserschall aus dem Wasser, das das Wasserfahrzeug umgibt, in die Ausbringvorrichtung eindringen und von den Wasserschallwandlern detektiert werden kann. Beispielsweise ist die Abdeckung dann hinreichend schalltransparent, wenn der Wasserschall bei dem Eintritt in das Medium oder bei dem Austritt aus dem Medium in das das Wasserfahrzeug umgebende Wasser maximal um 10 dB, bevorzugt maximal um 3 dB, besonders bevorzugt maximal 1 dB dämpft.
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Die hinreichend schalltransparente Abdeckung ermöglicht es, dass das Wasserfahrzeug verschlossen ist, die Wasserschallwellen jedoch an das Medium im Inneren der Ausbringvorrichtung übertragen werden können. Fremdkörper, beispielsweise Gegenstände oder Fische, die beispielsweise die Sensorikeinheit beschädigen könnten, werden so daran gehindert, in die Ausbringvorrichtung einzudringen. Da es keine ideale schalltransparente Abdeckung gibt, sondern immer Verluste auftreten, wird die Abdeckung als „hinreichend“ schalltransparent bezeichnet. Ziel der Wahl der Abdeckung soll es demnach sein, die auftreffenden Wasserschallwellen möglichst wenig gedämpft in das Innere der Ausbringvorrichtung eintreten zu lassen (und optional Schallwellen aus der Ausbringvorrichtung in das umgebende Wasser austreten zu lassen).
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In Ausführungsbeispielen weist die Ausbringvorrichtung eine oder mehrere Öffnungen auf, die einen Austausch des sich in der Ausbringvorrichtung befindlichen Wassers mit dem Wasser, das das Wasserfahrzeug umgibt, ermöglichen. Das Medium, mit dem die Ausbringvorrichtung geflutet ist, ist in diesem Fall Wasser. So weist das Wasser außerhalb des Wasserfahrzeugs und innerhalb der Ausbringvorrichtung die gleichen Eigenschaften, insbesondere Wasserschalleigenschaften wie beispielsweise Wasserschallgeschwindigkeit, auf. In Kombination mit der schalltransparenten Abdeckung ist die Ausbringvorrichtung immer noch gegen eindringende Fremdkörper geschützt, es besteht jedoch dennoch die Möglichkeit zum Wasseraustausch. Dies wird beispielsweise mittels einer durch ein Ventil geschützten Öffnung erreiche. Vorteilhafterweise werden zwei Öffnungen mit je einem (Einwege-) Ventil so angeordnet, dass durch das erste Ventil Wasser in die Ausbringvorrichtung eindringen kann und durch das zweite Ventil Wasser aus der Ausbringvorrichtung austreten kann.
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In Ausführungsbeispielen umfasst die Ausbringvorrichtung ein Rohr zum Aussetzen eines Unterwasserlaufkörpers. Hiermit kann beispielsweise ein für das Rohr geeigneter Unterwasserlaufkörper, beispielsweise ein Torpedo oder ein Anti-Torpedo-Torpedo, als Sensorikeinheit ausgebracht werden. Alternativ kann die Aufnahme für die Sensorikeinheit auf die entsprechende Sensorikeinheit angepasst und z.B. in einem Torpedorohr verwendet werden. So ist es möglich, ein bestehendes Wasserfahrzeug auch zum Aussetzen anderen Sensorikeinheiten zu verwenden, als es ursprünglich vorgesehen war, ohne das Wasserfahrzeug konstruktiv zu verändern.
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In weiteren Ausführungsbeispielen stellt die Kommunikationseinheit die Datenverbindung zu der Sensorikeinheit mittels einer Leitung, insbesondere eines Lichtwellenleiters, her. Unterwasserlaufkörper wie auch ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV) sind bevorzugt mittels einer Leitung, typischerweise mittels eines Lichtwellenleiters, mit dem aussetzenden Wasserfahrzeug verbunden, um den Unterwasserlaufkörper bzw. das ROV nach dem Ausbringen steuern zu können und/oder Informationen von demselben zu erhalten. Die Sensorikeinheit kann demnach die Datenverbindung mittels der Leitung zu dem Wasserfahrzeug auch nach dem Aussetzen der Sensorikeinheit aufrechterhalten.
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Ferner ist ein System mit einem Wasserfahrzeug und einer Sensorikeinheit offenbart. Das Wasserfahrzeug weist eine Ausbringvorrichtung auf, die ausgebildet ist, eine Sensorikeinheit von dem Wasserfahrzeug in Wasser auszubringen, dass das Wasserfahrzeug umgibt. Die Ausbringvorrichtung weist eine Aufnahme für die Sensorikeinheit auf, die ausgebildet ist, die Sensorikeinheit während einer Fahrt des Wasserfahrzeugs sicher zu fixieren und zum Ausbringen der Sensorikeinheit, die Sensorikeinheit freizugeben. Ferner ist die Ausbringvorrichtung mit einem Medium geflutet, so dass, wenn die Sensorikeinheit in der Aufnahme fixiert ist, die Sensorikeinheit überwiegend von dem Medium umgeben ist. Darüber hinaus ist die Ausbringvorrichtung derart ausgestaltet, dass Wasserschall aus dem das Wasserfahrzeug umgebenden Wassers in das Medium in der Ausbringvorrichtung eindringen kann und in Kontakt mit der Sensorikeinheit kommt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Medium ebenfalls um eine Flüssigkeit, insbesondere um Wasser.
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Die Sensorikeinheit umfasst eine Vielzahl von Wasserschallwandlern, die ausgebildet sind, Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln, wobei die Sensorikeinheit ausgebildet ist, im fixierten Zustand ein eigenes Lagebild zu erstellen und die elektrischen Signale bei der Erstellung des Lagebilds zu berücksichtigen.
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Idee des Systems ist es, dass die Sensorikeinheit bereits während der Fahrt im Wasserfahrzeug ein eigenes Lagebild erstellen kann. Somit kann die Sensorikeinheit ihre Arbeit nach dem Ausbringen schneller aufnehmen, als wenn die Sensorikeinheit die Sensoren erst während bzw. nach dem Ausbringen verwendet. Zum Betrieb der Sensoren und einer Recheneinheit zur Erstellung des Lagebilds kann die Sensorikeinheit eine eigene Energieversorgung nutzen oder bevorzugt von dem Wasserfahrzeug mit Energie versorgt werden.
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Ergänzend oder alternativ zu der Erstellung des Lagebilds für die Sensorikeinheit kann auch hier das Wasserfahrzeug eine Kommunikationseinheit aufweisen, die ausgebildet ist, eine Datenverbindung zu der Sensorikeinheit zu unterhalten und mittels der Datenverbindung die elektrischen Signale von der Sensorikeinheit zu empfangen, die die Sensorikeinheit basierend auf dem empfangenen Wasserschall ausgibt, wenn die Sensorikeinheit in der Ausbringvorrichtung fixiert ist.
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In Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Sensorikeinheit um einen Anti-Torpedo-Torpedo. Hier ist es vorteilhaft, wenn dieser bereits während des Transports im Wasserfahrzeug einen angreifenden Torpedo orten kann und somit unmittelbar nach dem Ausbringen den Torpedo abfangen oder zumindest angreifen kann, ohne diesen erstmals detektieren zu müssen. In anderen Worten kann der Anti-Torpedo-Torpedo, unmittelbar nach dem dieser seine Autonomie erlangt hat, die Neutralisierung des Torpedos in Angriff nehmen. Dies ist nur dadurch möglich, dass der Anti-Torpedo-Torpedo im Vorhinein, bevor dieser seine Autonomie erlangt hat, bereits ein umfassendes Lagebild erstellt hat.
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In weiteren Ausführungsbeispielen weist das Wasserfahrzeug zwei, beispielsweise identische, Ausbringvorrichtungen auf, die mit jeweils einem Anti-Torpedo-Torpedo bestückt sind. Hier kann der erste Anti-Torpedo-Torpedo versuchen, einen angreifenden Torpedo zu neutralisieren. Der zweite Anti-Torpedo-Torpedo kann den Versuch, den Torpedo zu neutralisieren, überwachen und detektieren, wenn der erste Anti-Torpedo-Torpedo nicht erfolgreich ist oder nicht erfolgreich sein wird. In diesem Moment kann der zweite Anti-Torpedo-Torpedo ausgelöst werden oder sich selbstständig auslösen, um möglichst schnell einen weiteren Versuch zu starten, den angreifenden Torpedo zu neutralisieren.
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Als Anti-Torpedo-Torpedo wird ein Unterwasserlaufkörper verstanden, der ähnlich einer Abwehrrakete für Luftraketen, durch Kollision mit einem Torpedo oder Zündung in unmittelbarer Nähe des Torpedos, den Torpedo neutralisiert. Unter neutralisieren wird Verstanden, dass der Torpedo zumindest derart beschädigt ist, dass dieser sein Ziel nicht mehr erreichen kann.
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Als Wasserfahrzeug in dem System kann ferner auch das zu Beginn dieser Offenbarung beschriebene Wasserfahrzeug verwendet werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele offenbaren das System mit einer weiteren Sensorikeinheit. Bevorzugt ist die Sensorikeinheit oder die weitere Sensorikeinheit in einer vorderen Hälfte, bevorzugt einem vorderen Drittel, besonders bevorzugt einem vorderen Viertel des Wasserfahrzeugs angeordnet und die andere der beiden Sensorikeinheiten in einer hinteren Hälfte, bevorzugt einem hinteren Drittel, besonders bevorzugt einem hinteren Viertel des Wasserfahrzeugs angeordnet. Die weitere Sensorikeinheit umfasst eine Vielzahl von Wasserschallwandlern, die ausgebildet sind, ein elektrisches Signal in ein Wasserschallsignal umzuwandeln. Die Sensorikeinheit ist ausgebildet, im fixierten Zustand Reflexionen des Wasserschallsignals der weiteren Sensorikeinheit zu empfangen und entsprechende elektrische Signale auszugeben. Somit ist es möglich, dass das System ein bistatisches Ortungssystem bildet. Dies ermöglicht es, Nachhall besser zu kompensieren und reflektierende Objekte weisen eine größere Apertur auf als bei normalem Aktivsonar oder einem Passivsonar. Die entsprechenden elektrischen Signale können dann a) bei der Erstellung des Lagebilds der Sensorikeinheit berücksichtigt werden oder b) von der Kommunikationseinheit erhalten werden.
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Analog ist die Verwendung von Sensoren einer Sensorikeinheit innerhalb eines Wasserfahrzeugs, wobei die Sensorikeinheit ausgebildet ist, von dem Wasserfahrzeug ausgebracht zu werden, offenbart. Ferner können die Sensoren der Sensorikeinheit zunächst in dem Wasserfahrzeug verwendet werden und nach dem Ausbringen der Sensorikeinheit außerhalb des Wasserfahrzeugs verwendet werden. Als Sensorikeinheit kann beispielsweise ein Anti-Torpedo-Torpedo verwendet werden.
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Durch die Verwendung ist es beispielsweise möglich, ein kostengünstiges, insbesondere unbemanntes, Wasserfahrzeug herzustellen, das mit einer oder bevorzugt einer Mehrzahl von Sensorikeinheiten bestückt ist. Das unbemannte Wasserfahrzeug kann dann zwar mit einem Navigationssystem, aber aus Kostengründen ohne Sensoren für die Navigation, ausgestattet sein. Als Sensoren werden dann die Sensoren der Sensorikeinheit verwendet. Das Wasserfahrzeug kann dann beispielsweise auf einen oder eine beliebige Kombination folgender Sensoren zurückgreifen: einen oder mehrere Beschleunigungssensoren, einen oder mehrere Drehratenaufnehmer, ein oder mehrere inertiale Messsysteme, einen oder mehrere Wasserschallwandler. Wenn alle Sensorikeinheiten ausgebracht sind, ist das Wasserfahrzeug nicht mehr navigationsfähig und kann sich bevorzugt selbst zerstören. Als Einsatzzweck ist beispielsweise ein mit einem oder mehreren Anti-Torpedo-Torpedos als Sensoreinheit bestücktes Wasserfahrzeug zu nennen. Dieses kann z.B. in einem Flottenverband mitfahren und etwaige angreifende Torpedos neutralisieren. Da in einer Gefechtssituation keine Zeit bleibt, unbemannte Wasserfahrzeuge wieder aufzunehmen, ist es hier vorteilhaft, nur einen möglichst geringen Wert zu vernichten. Die hier beschriebene Verwendung der Sensoren kann ebenso in den anderen beschriebenen Wasserfahrzeugen erfolgen. Beispielsweise kann so der Ausfall eines Sensors des Wasserfahrzeugs kompensiert werden.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.