DE1766788A1

DE1766788A1 - Anlage zur Richtungs- und/oder Lagebestimmung unter Wasser

Info

Publication number: DE1766788A1
Application number: DE19681766788
Authority: DE
Inventors: Ilmar G Raudsep
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1967-07-24
Filing date: 1968-07-19
Publication date: 1971-08-19
Also published as: FR1579728A; GB1201220A; NL6810424A

Description

Dipl. Ing. R. MertenS Frankfurt am Main,

Patentanwalt _den i?.j_uii 1063

/M, Neue Mainz»*. 4(WJ

- π y.-i F 10: -

: · HONEYWELL INC.
2701'Fourth avenue South Minneapolis, Minn., USA

Anlage zur Riehtungs- und/oder Lagebestimmung unter Wasser "

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Richtungs- und/oder Lagebest Lmrnung unter V/asser mit wenigstens einem Sender für akustische Signalimpulse. Sie soll die Bewegungsrichtung der Empfangsstation bestimmen. Wenn weitere Daten zur Verfügung stehen, beispielsweise der Abstand einer Unterwasser-Sendestation von der Empfangsstation an der Wasseroberfläche, kann die Richtungsinformation auch zu einer vollständigen Lage-Information umgerechnet werden. Während die Anlage in erster Linie zur Richtungsbestimmung dier.t, kann sie auch als Lageigüsystem ausgebaut und eingesetzt werden.

Nach einem ersten Merkmal der Erfindung weist die Empfangsstation ;·innigsten.'; drei akustische Glgnalempfanger auf, von denen ein erstes Paar im Abstand voneinander längs oder

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parallel zu einer ersten Achse angeordnet ist, v.'ährend ein zweites Paar längs oder parallel zu einer zweiten Acn.v; angeordnet ist, Vielehe mit der ersten Achse einen vorzugsweise rechten Winkel einschließt. Gernäi einem zweiten Merkmal der Erfindung ist an jeden der Signalempfanger eine Schaltung zur Abtrennung der Impulskomponente aus dem vom Sender abgestrahlten und von den Signalempf'ängern aufgenommenen Signalen angeschlossen. Weiterhin sind Schaltungen zur getrennten Bestimmung der Zeitdifferenz beim Empfang entsprechender Impulssignale durch das erste und das zweite Paar von Signalempfängern vorgesehen. Schliefilich erhält nach einem vierten Merkmal der Erfindung eine Rechenvorrichtun? den Zeitdifferenzen entsprechende Signale und bestimmt die Ausbreitungsrichtung der aufgenommenen akustischen Signale in Bezug auf die beiden Achsen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das vom Sender ausgestrahlte, akustische Signal eine Impulskomponente sowie eine kontinuierliche Schwingungskomponente, und an die Signalempfänger sind Schaltungen zur Trennung der beiden Komponenten angeschlossen, während weitere¹ Schaltungen zur getrennten Bestimmung der Phasendifferenz der von den einzelnen Signalempningern der beiden Paare aufgenommenen Schwingungen vorgesehen sind.

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Bei einer Anlage, bei der der Abstand des Senders von der die Signal empfänger enthaltenden Ebene, bekannt oder getrennt ermittelbar ist, bestimmt in Weiterbildung der Erfindung die Rechenvorr.U.htung die anderen beiden Koordinaten dec Senders in Bezug auf ein Achsensystem, dessen Ursprung in der Empfang station liegt und von dem zwei Achsen mit den Verbindungslinien der beiden Signalempfäneerpaare zusammenfallen oder

zu diesen oarallel liegen, während die dritte Achse auf der Ebene der beiden anderen senkrecht steht. Die die beiden Achsen enthaltende Ebene liegt vorzugsweise horizontal.

Eine weitere Ausgestaltung kann die Erfindung dadurch erfahren, daß zwei Sendestationen vorgesehen sind, welche unterschiedliche Signale, vorzugsweise Signale unterschiedlicher¹ Frequenz,aussenden.

Die Rechenvorrichtung liefert normalerweise Ausgangssignale zur Betätigung einer optischen Anzeigevorrichtung. Hiermit kann die relative Lage der Empfangsstation in Bezug auf die Sendestation bzw. Sendestationen angezeigt werden. Statt dessen kann auch die Lage eines Punktes wiedergegeben werden, der gegenüber der Empfangsstation versetzt ist,oder die Lage der Empfangsstation gegenüber einem Punkt, der gegenüber der Sendestation versetzt ist. V/erden zwei Sende-Btationen verwendet, von denen eine beweglich ist, so kann die Anzeige die Lage der beweglichen Station in Bezug auf

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die Feststation wiedergeben.

Jede Sendestation überträgt in Weiterbildung der Erfindung ein Signal, welches In wiederkehrende, gleiche Perioden unterteilt ist, von denen jede wiederum wenigstens in einen ersten Periodenteil unterteilt ist, währenddessen die kontinuierliche Schwingung ausgesandt wird,und einen zweiten' Periodenteil, währenddessen die Impulskomponente ausgestrahlt wird. Die kontinuierliche Schwingung kann als Amplitudenmodulation einer Trägerschwingung ausgesandt werden, insbesondere derart, daß das Signal praktisch nur zwei einzelne Seitenbänder und keine Trägerkomponente enthält. Die Impulskomponente kann einfach ein Einzelimpuls vorgegebener Dauer sein, welcher als Amplitudenmodulation der Trägerschwingung ausgestrahlt wird.

Bei dem im folgenden anhand der Zeichnungen beschriebenen Anwendungsfall ist die Sendestation bzw. sind die Sendestationen unter Wasser angeordnet, während die Empfangsstation auf einem Schiff oder dgl. in oder nahe der Wasseroberfläche angeordnet ist. Die Signalempfänger liegen in einer normalerweise horizontalen Ebene unter Wasser. In den Zeichnungen zeigt

Figur 1 die Lage der Signalempi'änger in Form von Wasserqchallempfangern (Hydrophon) am Schiff, Figur 2 ein Ubersichtsblockschaltbild der gesamten

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Anlage sowie die Lage des Schiffes mit seinen Schallempfängern und der als Sendestation dienenden Bake.

Figur j5 zeigt verschiedene Wellenformen,

die Figuren 4a und 4ß zusammen ein Blockschaltbild mit weiteren Einzelheiten der Empfangsstation,

Figur 5 das Blockschaltbild einer Bake, d.h. einer Sendestation.

Die Figuren 6A und βΒ dienen der Erläuterung des Betriebes der Bake anhand von Frequenzkurven und

Figur 7 zeigt das Blockschaltbild einer Abwandlung der Schaltung gemäi3 den Figuren 4a und 4B.

Die zu beschreibende Anlage dient der Bestimmung der Lage des Schiffes in Bezug auf eine Unterwasser-Bake, die akustische Signale vorgegebener Eigenschaften ausstrahlt. Ein solches System kann beispielsweise bei der Erforschung und Ausnutzung des Ozeans eingesetzt werden. Es gibt viele Fälle, in denen es erforderlich 1st, die genaue Lage von Schiffen, Tauchgeräten oder Bodengestellen zu kennen. Bei. küntenfernen ölbohranlagen mit einer schwimmenden Plattform ist es beispielsweise nötig, die Lage des Bohrgestells in Bezug auf die Bohrstolle genau festzulegen, damit das Bohrgcütell in die richtige Lage gebracht und stets in der richtigen Lage gehalten werden kann. Ferner kann es erforderlich sein, einen Taucher zur Bohrstelle oder einem anderen Bodengeste Ii zu leiten odor· ein Tauchgerät bei.Forschungs- und Inspcktlomjfahrteri zu führen. Die Anlage gemä/i der Erfindung

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löst in ihren verschiedenen Ausführungsformen alle diese Aufgaben mit groi3er Genauigkeit.

Wie Figur 1 zeigt, trägt das Schiff drei Slgnalempi'änger in Form von elektroakustischen Wandlern oder Hydrophonen 10, 12 und 14. Die Wandler 12 und 14 sind im Abstand d_v längs der X-Achse in Richtung der Längsachse des Schiffes angeordnet, während die Wandler 10 und 12 im Abstand d

längs der Querachse oder Y-Achse angebracht sind. Man könnte die Wandler auch anders anordnen, wodurch gegebenenfalls zusätzliche Umrechnungen erforderlich werden. Es kann auch mit mehr als drei Hydrophonen gearbeitet werden, jedoch sind drei für eine genaue Lagebestimmung ausreichend. Die Wandler brauchen nicht an einem Schiff, sondern können auch an einem anderen Gestellt, beispielsweise an einem Unterwasserbohrgestellt oder einer Plattform befestigt sein, welche entweder an der Oberfläche schwimmt oder anderweitig an oder nahe der Oberfläche gehalten ist.

Figur 2 zeigt das Schiff 15 im Schnitt längs einer Vertikalebene, welche die X-Achse enthält. In Marschrichtung ist das Zentrum des Schiffes gegenüber der Bake 16 um den Betrag x_fe Längs der X-Achse verschoben. Die Bake 16 ist in der Tiefe Zy unterhalb des Schiffes 15 angeordnet. Figur 2 zeigt ferner das verallgemeinerte Blockdiagramm einer Anordnung zur Lagebestiniiiiung län>-s der X-Achce Ln Bezug auf die Bake

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Eine entsprechende Anordnung kann zur LagebeStimmung längs der Y-Achse verwendet werden. Eine weitere Bake 17 ist dargestellt und soll später in Verbindung mit einer abgewandelten Auofuhrungsform beschrieben werden. Die Empfänger und 20, welche die Impulskomponenten^und die kontinuierlichen Schwingungskomponenten der empfangenen Signale trennen, sind an die Hydrophone 12 und 14 angeschlossen. Das Ausgangssignal der Empfänger 18 und 20 wird einem kombinierten Phasen- und Zeitdifferenzrechner 22 zugeleitet, dessen Ausgang an einen Koordinaten-Transformationsrechner 24 angeschlossen ist. Eine die Lage der Ebene mit den Hydrophonen 10, 12 und 14 messende und ein entsprechendes Lagesignal abgebende Vertikalbezugseinheit 26 speist ebenfalls den Rechner 24, dessen Ausgangssignal einer Lageanzeigevorrichtung 28 zugeleitet wird. Zunächst sei angenommen, daß die■Hydrophone 10, 12 und 14 ihre Lage in einer horizontalen Ebene zueinander beibehalten. Sie können beispielsweise an einem sehr großen Schiff 15 befestigt sein, welches weder rollt noch stampft, oder sie sind an einer Plattform befestigt, die gegen Bewegungen des Schiffes stabilisiert ist, so daß ihre gemeinsame Ebene die horizontale Lage beibehält.

Die in Figur J> wiedergegebenen Wellenformen sind, wie später im einzelnen noch anhand der Figuren 5 und 6 erläutert wird, d-ie Impulskomponente und die kontinuierliche Schwingungskomponente der von der Bake 16 ausgestrahlten Signale. Die Zeitdifferenz 4t 1st die Zeit zwischen dem Eintreffen der Impulssignale der Bakfi _Qlj£? /^am A^O¹JPP*^{10n J2 1Jnci am} Hydrophon .1.4.

Die Impulskomponenten werden zur Ableitung einer näherungsweisen oder Grobanzeige der Zeltdifferenz zwischen dem Empfang der Signale an den beiden elektroakustischen Wandlern 12 und 14 benutzt, während die Phasendifferenz Afc in einem Phasendetektor gemessen wird und die Peinanzeige liefert. Beide Anzeigesignale zusammen ergeben eine genaue Information über die Zeitdifferenz des Eintreffens der Signale an den beiden Hydrophonen 12 und 14. Diese Zeitdifferenz wird dazu ausgenutzt, die Bewegungsrichtung der Signale in Bezug auf die X-Achse und damit bei bekannter Tiefe z, den Abstand x_fe zu berechnen.

Die Figuren 4A und 4b zeigen das Blockschaltbild der an Bord des Schiffes 15 befindlichen Teile der Anlage einschließlich ähnlicher und teilweise gemeinsamer Apparate wie in Figur 2 zum Einsatz in Verbindung mit den Hydrophonen 10 und 12 zur Lagebestimmung längs der Y-Achse. Die Hydrophone 12 und 14 sind wie zuvor an praktisch gleich aufgebaute Empfänger 18 und 20 angeschlossen, während das Hydrophon 10 mit einem ähnlichen Empfänger 30 verbunden 1st. Eine Eingangsleitung vom Hydrophon 14 an den Empfänger 20 ist an einen Eingangswahlschalter 52 angeschlossen, welcher über einen weiteren Eingang 33 aus dem Wahlschalter-Kommandogenerator ein Steuersignal erhält. Der Wahlschalter 32 kann einfach als Schalter mit drei Schaltstellungen angesehen werden, der in Abhängigkeit von.einem Steuersignal am Eingang 33

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umgeschaltet wird.

Der Kommutator oder Wahlsehalter 32 hat drei Ausgänge, die zusammen mit entsprechenden Ausgängen der ähnlichen Kommutatoren 32' und 32" in den Empfängern 18 und 30 zusammengeschaltet sind. Der obere Ausgang des Kommutators 32 ist an einen Filter-Vorverstärker 34 mit konstanter Verzögerung angeschlossen, zusammen mit der oberen Ausgangsklemme der Kommutatoren 32' und 32". In ähnlicher V/eise sind die mittleren Ausgänge der Kommutatoren ;>2, 32' und 32" gemeinsam an den Eingang eines als Vorfilter wirksamen Verstärkers 34' ini Empfänger l8 angeschlossen und die unteren Ausgänge der drei Kommutatoren an den Eingang eines entsprechenden Verstärkers 3^" im Empfänger 30.

Ein Ausgang des Verstärkers 34 ist über einen Frequenzwandler 3β an ein ZF-Filter 33 mit konstanter Verzögerung angeschlossen, dessen Ausgangssignal an einen Verstärker und Gleichrichter 40 und außerdem an Jede der oberen Klemmen mehrerer Impulsdekommutatoren 42, 42' und 42" geleitet wird. In ähnlicher Weise sind die Ausgänge der Filter 33' und 33" an die mittleren und unteren Ausgänge der drei Impulsdekommutatoren 42, 42' und 42" angeschlossen. Wie die Eingangskommutatoren 32, 32' und 3²" werden auch die Impulsdekommutatoreri 42, 42' und 42" durch Signale des Umschaltkomrrjandofraerators 36 ilbf.-r die fiini'iive >3 gesteuert. Die Schaltungen lh' &&r\-ll;n\)l";h\_ty-vn Ib' und 30, die mit denen im

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- ίο -

Empfänger 20 übereinstimmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, lediglich mit dem Zusatz eines Apostrophs bzw. eines Doppelapostrophs. Identische Schaltungen werden jeweils nur einmal in Verbindung mit einem der Empfänger beschrieben.

Das Ausgangssignal des Verstärkergleichrichters 40 wird über ein Bandpaßfilter 44 konstanter Phase einem Grobbegrenzer 46 und dann dem einen Eingang jedes der drei Schwingungsdekommutatoren 48, 48' und 48" zugeleitet. In ähnlicher Weise sind die Ausgänge der Abschneide oder Begrenzerstufen 46' und 46" an einen Eingang jedes der drei Dekommutatoren 48, 48' und ^8" angeschlossen, welche über Ihre Eingänge 35 Steuersignale vom Kommandogenerator 56 erhalten. Der Schwingun£sdekarnmutator 48 bildet den einen Ausgang 50 des Empfängers 20, während der Impulsdekommutator 42 ein Signal über einen Impuls-prUf- und Detektorkreis 52 an den zweiten Ausgang 5²^ des Empfängers 20 abgibt. Der Empfänger 18 weist ähnliche Ausgänge 56 und 58 und der Empfänger 50 Ausgänge 60 und 62 auf.

Zwd Bhasen/Zeitdifferenz-Rechner 64 und 66 ersetzen in Figur 4b den Rechner 22 gemäß Figur 2. Im Rechner 64 sorgt ein Schwingungsphfisen-nechner 68 für die Bestimmung der Phasendifferenz und erhält Eingangssignale von den Ausgängen 50 und 56 der Empfänger 20 und 18, während ein Impuls-Zeitdifferenz -Rechner 70 die Zeitdifferenz aus den Eingangnr.ifT.alen

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von den Ausgängen 5^ und 58 der Empfänger l8 und 20 ableitet. Jeder der Rechner' 68 und 70 liefert ein Eingangssignal an eine Kombinations-Logik- und Ausgangsschaltung 72, welche den Ausgang 74 des Phasen/Zeitdifferenz-Rechners 64 darstellt. Der Rechner 66 ist ähnlich wie der Rechner 64 aufgebaut, so daß die entsprechenden Schaltungsteile jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen, nur mit einem Apostroph versehen bezeichnet sind. Die Eingangsanschlüsse unterscheiden sich in der Weise, daß der Schwingungsphasen-Rechner 68' Eingangssignale von den Ausgängen 56 und 60 der Empfänger l8 und 30 und der Rechner 70' Eingangssignale von den Ausgängen 62 und 58 der Empfänger l8 und 30 erhält. Alle Ausgänge 54, 58 und 62 der Empfänger 20, l8 und 30 sind an die Eingänge einer Steuerschaltung 76 für die Impuls-Zeitdifferenzmessung angeschlossen. Ein erster Ausgang der Schaltung 76 ist an die Impuls-Zeitdifferenzrechner 70 und 70' angeschlossen und setzt diese nur dann in Betrieb, wenn der Empfang eines Impulses zu erwarten ist. Ein zweiter Ausgang der Schaltung liefert Signale an die Kombinations-Logik- und Ausgangsschaltungen 72 und 72'. Ein dritter Ausgang der Schaltung 76 1st mit dem Eingang einer Komrnutationssteuerschaltung 78 verbunden, deren Ausgangssigr.al als Eingangssignal für den Umschaltkommandogenerator 36 dient, der seinerseits wiederum mit seinem Ausgang 33 an die entsprechend bezeichneten Eingänge der Schaltungen 34, 42 und 48 angeschlossen ist. Die Ausgangsschaltung 42* bildet den Ausgang 80 des Rechners 66.

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Der Koordinaten-Transformationsrechner 24 erhält als Eingangssignal über die Leitungen 74 und 80 die Ausgangssignale der Rechner 64 und 66. Diese Signale werden je einem Summierverstärker 82 bzw. 84 zugeleitet. Jeder dieser beiden Verstärker erhält drei weitere Eingangssignale, und zwar erstens von einem Zweiachsen-Vertikalrichtung-Bezugsgenerator 86, zweitens von einem den Versatz des Bezugspunktes berücksichtigenden Generator 88 und drittens von einem Koordinatenwandler Der Koordinatenwandler 90 erhält seine Eingangssignale von einem ein dem Versatz der Bake entsprechendes Signal liefernden Generator 92 und von einem Fahrtrichtungs-Bezugsgenerator 94. Die Summierverstärker 82 und 84 sind über auswählbare Glättungsfilter 90 und 100 an den ersten und zweiten Eingang einer Schiffslage-Anzeigevorrichtung 98 angeschlossen. Der erste Eingang liefert ein die Y-Rlchtung der Anzeige kennzeichnendes Signal, während der zweite Eingang die X-Richtung der Anzeige bestimmt.

Schließlich liefern zwei örtliche Oszillatoren 102 und 104 (siehe Figur 4A) mit wählbarer Frequenz Eingangssignale über von Hand steuerbare Schalter 106 und 108 an einen Ortsoszillator-Kommutator 110. Die Schalter 106 und 108 wählen aus, welche der verschiedenen Frequenzen von den Oszillatoren 102 und 104 an den Kommutator 110 geliefert wird. Der Kommutator 110 erhält ein Steuersignal vom Kommandos!gnalgenerator 36 für die Kommutatoren, welches die Stellung des Schalters bestimmt. Der Schalter hat, wie Figur 4a zeigt, zwei Schaltstellungen. Das

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wird Ausgangssignal des Schalters 110/jedem der Frequenzwandler 36,

36^f und J>6" zugeleitet.

Figur 5 zeigt das Blockschaltbild der Bake 16 gemäß Figur 2. Ein Oszillator 111 mit einer Eigenfrequenz f liefert ein erstes Eingangssignal an einen abgestimmten Modulator 112, Ein zweiter Oszillator 114 mit der Eigenfrequenz f L das zweite Eingangssignal für den Modulator 112. Ein Impulsintervall-Zeitgeber 116 gibt iler einen Austastzeitgeber II8 ein Signal, welches einerseits als drittes Eingangssignal für den Modulator 112 und andererseits als Eingangssignal für einen Impulslängen-Zeitgeber 120 dient. Dessen Ausgangssignal bildet das vierte Eingangssignal für den Modulator 112. Das Ausgangssignal des Modulators wird über eine Treiberstufe 122 einem Ausgangs-Leistungsverstärker 124 zugeführt, welcher über einen Transformator 126 das Strahlungshydrophon 128 oder einen anderen elektroakustischen Wandler speist.

Die Stromversorgung für die einzelnen Schaltungen ist in den Zeichnungen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Im Falle der Bake l6 ist hierfür eine Batterie oder andere tragbare Stromquelle vorzusehen.

Figur 6a zeigt die Kurvenform des Ausgangssignals der Bake l6, welches sich mit der Periodendauer T₂^ wiederholt. Die. Periode T^ ist unterteilt in drei Perioden T₁, T₂ und T-,. Während der

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Perlode T₁ ist die Trägerschwingung f mit der kontinuier-

J- G

liehen Schwingung am Ausgang des Oszillators 114 moduliert. Während der Periode T₂ ist kein Ausgangssignal vorhanden, während in der Periode T-, ein kurzer Impuls der Trägerschwingung f ■ erscheint, der außer der PulsumhUllenden keine Modulation aufweist.

Figur 6b zeigt die Frequenzspektren der Ausgangssignale während der Perlode T-, und T^. Wie man sieht, ist während

der Periode T, hauptsächlich nur die Trägerfrequenz f P c

vorhanden. Während der Periode T, sind zwei Hauptfrequenzkomponenten vorhanden, nämlich f - ^f _m/² und i'_Q + ^f _m/²· Das Ausgangssignal des Oszillators 111 ist mit dem des Oszillators 114 derart moduliert, daß die Trägerfrequenz f. unterdrückt wird. Das Ausgangssignal der Bake 16 weist somit eine Impulskomponente in Form der Pulsmodulation des Trägers während der Periode T-, und eine kontinuierliche Schwingungskomponente in Form der Modulation des Trägers während der Periode T, auf.

In Figur 7 ist das Blockschaltbild eines etwas abgewandelten Koordinaten-Transformationsrechners dargestellt, der an Stelle des Rechners 24 in Figur 4 eingesetzt, wird, sofern 2,wei Baken 16 und 17 verwendet werden, von denen eine beweglich ist. In solch einem Fall ist die Bake Io ortsfest installiert und dient als Bezugspunkt im Zentrum der Anzeigevorrichtung 98. Die bewegliche Bake 17 stellt sich auf der Anzeigevorrichtung als Punkt in entsprechender Richtung und

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Entfernung vom Mittelpunkt dar. Auf diese Weise kann die relative Lage der beiden Baken l6 und 17 angezeigt werden. Der Rechner gemäß Figur 7 kann ohne zusätzliche Verbindungen an Stelle des Rechners 24 eingeschaltet werden. Er umfaßt hierzu Eingangsleitungen 7^', 8θ', 86"', 9^^! entsprechend den Eingangsleitungen des Rechners 24 sowie zwei Ausgangsleitungen l40 und 142, die den beiden Ausgangsleitungen des Rechners 24 entsprechen. Ein zusätzlicher Eingang 144 ermöglicht die Zufuhr eines Signals vom Umschaltkommando-Generator J6 an den Rechner. Es ist dasselbe Signal, welches dem örtlichen Schwingungskommutator 110 zugeführt wird.

Im Rechner ist die Eingangsleitung 7^' über einen gesteuerten Inverter 146 an einen Rechner 148 zur Kompensation von Auf- und Abbewegungen und Neigungen der die Hydrophone enthaltenden Ebene angeschlossen. Der Eingang 80' ist über einen gesteuerten Inverter 150 an einen weiteren, derartigen Rechner 152 für die andere Achse angeschlossen. Jeder der beiden Inverter 146 und 150 erhält ferner ein Signal vom Eingang 144 und wird hierdurch derart gesteuert, daß er seine Funktion zwischen Invertieren und Nichtinvertieren ändert. Die beiden Rechner und 152 erhalten ferner Signale vom Eingang 86^f, d.h. vom Vertikalbezugsgenerator 86. Jeder dieser Rechner liefert ein Ausgangssignal an einen Koordinaten-Wandler 154, der ein zusätzliches Signal vom Eingang 94, d.h. vom Kursbezugsgenerator 94 erhält. Die Ausgangssignale des Wandlers 154

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gelangen über je ein auswählbares Glättungsfilter 156 bzw. 158 zu den Ausgangsleitungen 142 und l4o, die zur Anzeigevorrichtung 98 führen, wo die Lage der Bake 17 in Bezug auf die Bake l6 angezeigt wird..

Für die Beschreibung der Betriebsweise sei zunächst angenommen, daß die durch die Hydrophone 10, 12 und 14 definierte Ebene horizontal liegt. Die Bake 17 wird zunächst nicht berücksichtigt. Auch wird wiederum nur die X-Achse betrachtet, wobei die Geometrie und die Berechnung für die Y-Achse ähnlich ist. Die von den Hydrophonen 12 und 14 aufgefangenen Signale werden in den Empfängern l8 und 20 zunächst verstärkt und dann demoduliert. Der Zeitunterschied zwischen der Ankunft der Bakensignale an den beiden Hydrophonen 12 und 14 wird im Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 22 gemessen. Unter der Annahme, dai3 die Hydrophone horizontal liegen, ergeben sich die folgenden Gleichungen zur Berechnung des Abstandes in der X-Richtung aus den empfangenen Signalen (vgl. Figur 2):

Die Zeitdifferenz ^t zwischen dem Empfang der beiden von der Bake 16 ausgestrahlten Signale an den beiden Hydrophonen 12 und 14 ergibt in Verbindung mit dem Abstand d der beiden

Jx

Hydrophone in X-Richtung die Gleichung

(c/d_x)'.At_x = sin θ_χ (1),

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worin c die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist.

Die Phasendifferenz /\Φ ist gegeben durch die Gleichung

c - 1_ = sin θ (2),

^dx ^wm · Λ$

x ^wm ·

mit w_m = 2 TT f_m.

Wie man aus Figur 2 ersieht, ist der Winkel θ der Winkel zwischen der Vertikalen und einer Linie vom Mittelpunkt zwischen den beiden Hydrophonen 12 und 14 zur Bake 16. Der Ausdruck c'^t ist die Strecke, welche der Schall nach dem Erreichen des Hydrophons 12 noch durchlaufen muß, bis er das Hydrophon 14 erreicht. Es ergibt sich die geometrische Beziehung

-Ü = tan θ
^zb

worin z, der vertikale Abstand der Hydrophone von der Bake ist. Definiert man eine Systemkonstante k als

so ergibt ßich aus den Gleichungen (2) und (4) die

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Beziehung

Für kleine Winkel θ sind sin θ und tan θ angenähert gleich, wodurch sich aus den Gleichungen (J>) und (5) die Beziehung

ergibt.

Wie man sieht, kann der Auftreffwinkel der Signale von der Bake 1β auf die Ebene mit den Hydrophonen 10, 12 und 14 durch Messung der Zelt- oder Phasendifferenz zwischen den auf die verschiedenen Hydrophone auftreffenden Signalen bestimmt werden. Unter Verwendung von die Schallgeschwindigkeit und die Systemkonstanten kennzeichnenden Signalen kann die Anlage ferner den in einer horizonalen Ebene gemessenen Abstand der Bake 16 zum Mittelpunkt des Schiffes 15 in Abhängigkeit von der V/assertiefe in Form des Bruches χ,/2, bestimmen. Ist die Wassertiefe bekannt, so kann der

Abstand x. direkt berechnet werden,
b

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Die obengenannten Gleichungen ermöglichen einfache Berechnungen zur Bestimmung von θ und X^, und ähnliche Gleichungen können zur Berechnung der Großen θ und y. herangezogen werden. Die erwähnten Näherungen sind zulässig für Werte von x_fe und y^ bis, zu 20# der Wassertiefe z, , und die derart berechneten Größen haben eine

Genauigkeit von 0.5$. Bei gröberen Entfernungen wird ein Digitalrechner eingesetzt, um an Stelle der Näherungsgleichungen die exakten Gleichungen zur Lagebestimmung in kartesischen Koordinaten anwenden zu können.

Nach dem Blockschaltbild gemäß Figur 2 werden die erforderlichen Berechnungen im Rechner 24 durchgeführt und das Ergebnis auf dem Lageanzeiger 28 angezeigt. Unter der Annahme, daß die Ebene mit den Hydrophonen, die normalerweise horizontal liegt, im Betrieb ihre Lage ändert, wird diese Lageänderung durch eine vertikale Bezugseinheit gemessen, deren Ausgangssignale dem Rechner 24 zur Korrektur der Meßgrößen zugeleitet werden.

Ist eine zweite Bake 17 vorhanden, so kann diese Signale mit unterschiedlicher Frequenz oder mit irgendeiner anderen unterschiedlichen Eigenschaft im Vergleich zur Bake 16 übeftragen. Die Empfänger werden dann abwechselnd auf den Empfang der einen Frequenz oder des einen Kode und dann der anderen Frequenz bzw. des anderen Kode umgeschaltet.

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Die Lageanzeigevorrichtung 28 gibt die Lage des Schiffes in Bezug auf die beiden Baken 16 und 17 wieder. Ist der Abstand xl gleich dem Abstand χ, , so zeigt der Anzeiger 28 an, daß die Hydrophone 12 und 14 genau über einem Punkt in der Mitte zwischen den beiden Baken 16 und 17 stehen. Eine solche Information ist besonders dann nützlich, wenn die Bake nicht unmittelbar über einem gewünschten Bezugspunkt angebracht werden kann, über dem das Schiff oder ein Gestell oder dgl. gehalten werden soll. Solch ein Bezugspunkt kann beispielsweise eine Bohrstelle oder der Kopf einer Ölquelle

die
sein, wo es erwünscht ist,/Bohrerspitze anzusetzen und wo offensichtlich eine Bake nicht genau an der gewünschten Auftreffstelle der Bohrerspitze angebracht werden kann. Auch bei Verwendung einer einzelnen Bake kann man in den Rechner 2k ein Zusatzsignal eingeben, welches einen Versatz gegenüber der Bake bewirkt und so eine Anzeige hervorruft, welche die Lage des Schiffes gegenüber einem bestimmten, gegenüber der Bake selbst versetzten Bezugspunkt kennzeichnet. Zusätzliche Information.wird in Form der exakten Lage des Schiffes in Bezug auf die Nordrichtung oder eine andere Bezugsgröße benötigt, um die Lage des Schiffes 15 genau festzulegen. Sind zwei Baken vorhanden, so kann der Mittelpunkt in X-Richtung und die Lage in Y-Richtung leicht aus Messungen der Signale von der einen oder beiden Baken 16 und bestimmt werden, wenn die Hydrophone 10 und 12 genau über der Verbindungslinie der Baken 16 und 17 liegen.

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Zur Beschreibung der Arbeitsweise der Bake 16 wird im folgenden auf Figur 5 Bezug genommen. Der Oszillator 111 liefert ein Hochfrequenzsignal f an den Eingang des Modulators 112. Ein Oszillator 114 liefert ein Signal relativ niedriger Frequenz f /2 an einen anderen Eingang dieses Modulators. Während der Periode T, (vgl. Figur βλ) arbeitet der Modulator 1.12 als doppelt abgeglichener Modulator. Das von der Bake ausgestrahlte Signal besteht praktisch nur aus den beiden Seitenbändern f + f /2 und f - f /2, wie dies in

cm cm

Figur 6b gezeigt ist. V/ährend der Periode T, unterdrückt der Modulator die Trägerschwingung f fast vollständig. Die Trägerschwingung kann beispielsweise eine Frequenz f

von 4o KHz haben und die Modulationsfrequenz ataKK f /2 kann 720Hz betragen.

Das Ausgangssignal des Modulators 112 wird in der Treiberstufe 122 verstärkt und einem Leistungsverstärker 124 zugeleitet, welcher über den Anpassungstransformator 126 einen akustischen Strahler oder Wandler 128 speist. Der elektroakustisch^ Wandler 128 wandelt die elektrische Signalenergie in akustische Energie um, welche von der Bake durch das Wasser zu den Hydrophonen 10, 12 und 14 hin abgestrahlt wird. Der elektroakustlsche Wandler 123 arbeitet im Grunde genommen als Halb-Hichtquelle und strahlt ein Signal relativ gleichen Pogels in allen Richtungen nach oben hin ab. Der Signalpep-el in Richtung nach unten ist unerheblich, aber

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wird schon aus Leistungsgründen wesentlich geringer sein. Die Schaltung gemäi3 Figur 5 arbeitet streng linear und liefert somit ein ungestörtes Ausgangssignal.

Am Ende der Periode T₁ erzeugt der Austastzeitgeber 118 gesteuert durch den Pulsintervallzeitgeber 116 einen Austastimpuls von der Dauer T₂, welche durch die Schaltkreiskonstante im Zeitgeber 118 bestimmt ist. Während der Periode T₂ liefert der Austastzeitgeber ein Signal an den Modulator 112, welches jegliches Ausgangssignal des Modulators unterdrückt und somit dafür sorgt, da3 auch von der Bake während der Periode T₂ kein Signal abgestrahlt wird.

Am Ende der Periode T₂ wird der Pulslängenzeitgeber 120 eingeschaltet. Er erzeugt ein Signal von der Dauer T-*, welches bei Zuführung an den Modulator 112 einen kurzen Ausgangsimpuls mit der Frequenz f entstehen läßt. Um

während dieses Impulses eine maximale Ausgangsleistung zu erzeugen, ist der Modulator 112 derart eingestellt, daß er einen Spltzensignalpegel von etwa dem zweieinhalbfachen Signalpe^el im Vergleich zu dem der während der Periode T, übertragenen einzelnen Seitenbänder liefert. Am Ende der Periode T₇ beginnt eine neue Periode T^ mit der übertragung ücü Zwe-lseitenbandsignals während dor Periode T₁ etc. Typische Werte für die Dauer der verschiedenen Perioden sind T₁ = 78.8 , T₂ = 5 ms und T, - 1.6 ms, was eine Gesamtperiode

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T^ =^: 85.2 mti ergibt.

In jeder der aufeinanderfolgenden Gesamtperloden T^ werden deshalb nacheinander zwei im genauen Abstand auftretende Komponenten einer bestimmten Frequenz, eine Ruhepause und ein kurzer Impuls auf einer Einzelfrequenz, die genau in der Mitte zwischen den beiden zuvor genannten Frequenzkomponenten liegt, erzeugt. Das Ausgangssignal enthält eine Impulskomponente in Form der Impulseinhüllenden während der Perioden T^ und eine kontinuierliche Schwingungskomponente in Form der Modulation während der Perioden T-,.

Die drei Hydrophone 10, 12 und 14 sind so angebracht, daß die Verbindungslinien der beiden Paare von Hydrophonen senkrecht aufeinanderstehen und die Grundlinien oder schiffsbezogenen Koordinatenachsen des Systems bilden. Die Hydrophone sind in einer horizontalen Ebene unterhalb des Schiffsbodens oder auf einer Plattform angeordnet. Diese Plattform kann In an sich bekannter Weise gegen Stampf- und ■Rollbewegungen des Schiffes stabilisiert sein. Die horizontalen X- und Y-Achsen des Koordinatensystems zur Bestimmung der Schiffsposition können als die rechtwinkligen Halbierungslinien der genannten Grundlinien in der Horizontalebene angenommen werden, wobei in der Zeichnung gemäß Figur 4A die positive Richtung durch Pfeile gekennzeichnet ist.

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Die Z-Achse liegt rechtwinklig zur genannten Horizontalebene und ist positiv nach unten gerichtet.

Die Hydrophone 10, 12 und 14 haben vorzugsweise gleiche Empfangsetnpf indlichkeit in allen Richtungen nach unten, d.h. sind keine Richtempfänger, aber haben eine sehr kleine Empfindlichkeit nach oben, um Störungen durch Reflektionen am Schiff und Geräusche des Schiffes und von der Oberfläche auszuschalten. Die von den Hydrophonen aufgenommenen akustischen Signale v;erden in elektrische Signale von praktisch gleicher Zeit- und Frequenzeigenschaft umgewandelt. Sie werden in den Empfängern 20, 18 und JO verarbeitet, wo aus den beiden Seitenbändern des modulierten Signals während der Periode T, ein der Differenz der beiden Seitenbänder entsprechendes Signal, d.h. ein Signal mit der Frequenz f_ffl abgeleitet wird. Dieses Signal, welches die kontinuierliche Schwingungskomponente bildet, wird der Einfachheit halber im folgenden als Schwingungssignal bezeichnet. Auch die während der Perioden T, übertragenen Impulssignale werden zurückgewonnen. Beide Signalkomponenten werden durch getrennte Schaltungen aus den empfangenen Signalen abgeleitet, so daß jeder Empfänger zwei Ausgangssignale liefert, nämlich ein praktisch kontinuierliches Schwingungssignal und ein periodisch wiederkehrendes Impulssignal. Die Empfänger enthalten ferner Schaltungen zur Auswahl des Signals von einer bestimmten Bake, In dem der Empfänger auf eines von mehreren vorgegebenen Frequenzbändern

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abgestimmt wird. Die Ausgänge der drei Empfänger 20, 18 und 30 sind an die Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 64 und 66 derart angeschlossen, daß die von den Hydrophonen 12.und empfangenen Signale eine Gruppe von Eingangssignalen für den der X-Achse zugeordneten Rechner 64 und die von den Hydrophonen 10 und 12 aufgenommenen Signale die Eingangssignale für den der Y-Achse zugeordneten Rechner 66 bilden. Jeder der beiden Rechner mißt durch getrennte Schaltungen zuerst die Phasendifferenz zwischen den beiden Schwingungssignalen und zweitens die Zeitdifferenz zwischen entsprechenden Impulsen der beiden Impulssignale. Im Rechner 64 wird die Phasendifferenz vom Schwingungsphasen-Rechner 68 berechnet, während die Zeitdifferenz durch den Zeitdifferenz-Rechner 70 ermittelt wird.

Für sehr kleine Zeitdifferenzen, also solche kleiner als eine Periode des Schwingungssignals, führen beide Messungen zur selben Information, jedoch mit unterschiedlicher Genauigkeit. Die Phasendlfferenzmessung des Schwingungssignals liefert eine Information sehr großer Genauigkeit, während die Zeitdifferenzmessung aufgrund des Impulssignals mehr näherungsweiüe ist und Fehler von einer viertel bis zu einer halben Schwingungsperiode des Schwingungssignals aufweisen kann. Da Jedoch mit zunehmender Zeitdifferenz Infolge der Periodizitat des Schwingungssignals die Phasendifferenzmessung keine ganzen Differenzzyklen messen kann, kann man

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hierdurch nur messen, in welchem Maße sich die Phasen der beiden Signale innerhalb eines Zyklus unterscheiden. Beträgt die Phasendifferenz zwischen den empfangenen Schwingungssignalen 2n TC + ΑΪ, wobei η eine ganze Zahl ist, so kann der Phasendifferenz-Rechner nur den Betrag &<Q bestimmen. Die Zeltdifferenzmessung aufgrund der Impulssignale ist jedoch genau genug, um die Zahl η der ganzen Zyklen zu bestimmen.

Die Phasendifferenzmessung aufgrund des Schwingungss.ignals und die Zeitdii'ferenzmessung aufgrund des Impulssignals werden durch eine geeignete Steuerlogikschaltung in den Ausgangskreisen 72 und 72' der Phasen/Zeitrechner 64 und kombiniert und ergeben ein einziges, sehr genaues Signal, welches den Gesamtunterschied der Zeit kennzeichnet, der sich aus der unterschiedlichen Laufzeit der Signale von der Bake zu den verschiedenen Hydrophonen ergibt. Weitere Einzelheiten der Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 64 und.66 sind in einer Parallelanmeldung P . ./».T.....7.v/r. t."P^Jbeschrleben, die auf die amerikanische Anmeldung 655 375 zurückgeht. Das Ausgangssignal des Rechners 64 kennzeichnet die Gesamtzeitdifferenz zwischen der Ankunft der Signale von der Bake l6 an den Hydrophonen 12 und 14. Diese ZvItdlfferenz ist dem Sinus des Winkels zwischen dem Radiusvektor vom Ursprung des schiffsbezogenen Koordinatensystems zur Bake und der *»*#«*#*«*Λ«Η YZ-Ebene, d.h. der durch den

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Ursprung des Koordinatensystems gehenden, auf der X-Achse senkrecht stehenden Ebene proportional. Durch gleiche Schritte im Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 66 für die Y-Achse wird aus den von den Hydrophonen 10 und 12 empfangenen Signalen ein Ausgangssignal erzeugt, welches dem Sinus des Winkels zwischen dem Radiusvektor vom Ursprung des Koordinatensystems zur Bake und der yz-Ebene proportional ist. Da die gewünschte Information die relative horizontale Verschiebung des Schiffes gegenüber einem unter Wasser befindlichen Bezugspunkt in zwei Dimensionen anzeigen soll, sind bestimmte Koordinatentransformationen erforderlich, um die Ausgangssignale der Rechner und 66 in die geeigneten Anzeigesignale umzuwandeln.

Für kleine Winkelverschiebungen werden diese Transformationen und Berechnungen unter Verwendung bekannter Näherungen, wie oben erwähnt, in dem Koordinaten-Trarisformationsrechner 24 durchgeführt. Für größere Verschiebungen kann die exakte Form der Positionsgleichungen von einem Vielzweck- oder einem Spezialrechner gelöst werden, der an Stelle des Rechners 24 , eingesetzt wird.

Da die Zeitdifferenzen in Bezug auf die Ebene der Hydrophone 10, 12 und 14 gemessen,die im vorliegenden Fall an einem Schiff befestigt sind, welches Roll- oder Stampfbewegungen unterworfen ist, bleibt diese Ebene nur theoretisch horizontal- und es ist erforderlich, Korrektursignale in Abhängigkeit von

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der Bewegung dieser Ebene einzuführen, um die tatsächlich gemessenen.Werte auf diejenigen umzurechnen, welche man bei einer exakt horizontal bleibenden Befestigungsebene für die Hydrophone erhalten würde. Die Neigung des Schiffes, d.h. jegliche Abweichungen von der Horizontallage, wird deshalb durch ein Zweiachsen-Vertikalrichtungsmeßgerät 86, beispielsweise einen Vertikalkreisel, festgestellt und die so erhaltene Information als Korrektursignal verwendet.

In vielen Fällen, in denen eine Positionsmessung erforderlich ist, kann der Betrieb nur bei kleinen oder mittelmäiäigen Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes durchgeführt werden. Die in der Praxis auftretenden Roll- und Stampfwinkel übersteigen kaum 10 . Für solche kleine Winkel ist die erforderliche Kompensation der Neigung der Hydrophone durch Einführung von Größen möglich, die den gemessenen Roll- und Stampfwinkeln linear proportional sind. Dies läßt sich durch Summation des Ausgangssignals der Vertikalmeßeinrichtung 86 mit entsprechenden Ausgangssignalen der Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 64 und 66 in Summierverstärkern 82 und 84 des Rechners 24 erreichen.

Es kann geschehen, daß der Ursprung des Koordinaten-Systems der Lagemeßanordnung gegenüber einem anderen Bezugspunkt an Bord des Schiffes versetzt ist. Ist dies der Fall, so laßt sich eine Kompensation durch Zufuhr von Signalen aus dem Offset-Generator 88 an die Summierverstärker 82 und 84

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erzielen. Ferner ist es, wie bereits in Verbindung mit Figur 2 erwähnt, möglich, eine Position gegenüber einem Punkt anzuzeigen, der gegenüber der Bake um einen gewünschten Betrag versetzt ist. Entsprechende Verschiebespannungen, die einfach als Gleichstromvorspannungen im Generator 92 erzeugt werden, werden dem Koordinaten-Wandler 90 zugeleitet, der dieses Signal zusammen mit denen vom Kursbezugsgenerator 94 verarbeitet, um Baken-Versatz-Signale zu erzeugen, die den Summierverstärkern 82 und 84 zugeleitet werden. Die Koordinaten-Transformation kann in an sich bekannter Weise im Konverter 90 durchgeführt werden und wird deshalb nicht im einzelnen Beschrieben.

Die Ausgangssignale der Verstärker 82 und 84 werden durch Filter 96 und 100 geglättet, um von Störungen herrührende, kurzzeitige Änderungen zu beseitigen. Die Zeitkonstante dieser Filter ist wählbar zur Anzeige der dynamischen Bewegung des Schiffes oder seiner mittleren Position. Die Anzeigevorrichtung 98 wird von den Ausgangssignalen des Rechners 24 gesteuert und liefert eine Positionsanzeige mit einem Koordinatensystem, wie in Figur 4B dargestellt. Die Anzeigevorrichtung kann eine Kathodenstrahlröhre, ein XY-Schreiber oder eine andere Vorrichtung $ein. Die Ausgangssignale des Rechners 24 können darüber hinaus zur Aufzeichnung oder als Positionsbezugs- signal dienen, welches einer automatischen Regelanlage für die Position des Schiffes in Bezug auf den gewählten Bezugs-

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punkt zugeführt wird.

Da die Empfänger 20, 18 und 30 praktisch gleich aufgebaut sind, soll nur der Empfänger 20 im einzelnen boschrieben werden. Wie Figur 4A zeigt, gelangen die Signale vom Hydrophon 14 zum Eingangsumschalter 32, der in der gezeigten Schalterstellung die Signale dem Verstärker 34 und von dort dem Frequenzwandler 36 zuleitet. Im Frequenzwandler 36 wird das Signal mit dem eines Oszillators 102 oder 104 gemischt, wodurch sich als Ausgangssignal ein ZP¹ .-Signal ergibt. Dieses wird durch das Filter 38 einerseits dem Verstärker und Gleichrichter 40 und andererseits dem Impuls-Dekommutator 42 zugeleitet. Bis hierher durchlaufen im Empfänger beide Signale die genannten Stromkreise. Die dem Verstärker und Detektor 40 zugeleiteten Signale können jedoch das angeschlossene Bandpaßfilter 44 nicht durchlaufen. Andererseits läßt dieses Bandpaßfilter 44 das eine Seitenband des gleichgerichteten Schwingungssignals hindurch. Dieses Signal wird dann der Abschneidestufe 46 zugeleitet, welche hieraus eine Serie von Impulsen ableitet. Es gelangt dann über den Schwingungsdekommutator 48 zum Schwingungsphasen-Rechner 68.

Vom Ausgang des ZF^- Filters 38 gelangt das Signal ferner zum Puls-Dekommutator 42 und von dort zur Pulsprüf- und Detektorschaltung 52. Es beeinflußt jedoch nicht den I.mpuls-Zeitdifferenz-Rechner 70, well dieser durch die Steuerschaltung 76 nur während kurzer Perioden während des Empfangs der Impuls-Signale aktiviert wird. Deshalb können nur Impulse, die zu einer bestimmten Zeit erwartet werden, durch den

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Puls-Dekommutator 42 und die Prüf- und Detektorschaltung 52 hindurch zum Puls-Zeitdifferenz-Rechner 70 gelangen. Die Ausgangssignale der beiden Rechner 68 und 70 werden über die Logikschaltung 72 geführt.

Für die Zwecke dieser Beschreibung reicht die Peststellung aus, daii Signale in den Schaltungen J2, 42 und 48 kommutiert und dekommutiert werden, um in den einzelnen Kanälen entstehende Fehler, beispielsweise Fehler in den Filtern und Verstärkern, durch Mittelwertbildung auszugleichen; Man sendet zu diesem Zweck beispielsweise die vom Hydrophon 14 empfangenen Signale nacheinander für gleiche Zeiträume durch jeden der Empfänger 20, l8 und 50. Die einzelnen Empfänger sind also periodisch in verschiedenen Kanälen wirksam, so daß etwa auftretende Fehler über längere Zeit hin ausgemittelt werden. Weitere Einzelheiten über den Schaltungsaufbau und den Betrieb der Kommutatoren und Dekommutatoren sind in der Parallelanmeldung P . v\ J ... .T. )Τ.*Λ · · · beschrieben, welche auf die USA Anmeldung 655 66j5 zurückgeht. Die Kommutation ist zwar nicht unbedingt erforderlich führt aber zu einer erhöhten Genauigkeit der Anlage.

.Der .Filterverstärker' J4 hält alle Signale und Rauschsignale außerhalb des Frequenzbandes, in dem die Baken arbeiten, zurück. Die Phasenkennlinie des Filters 54 ist derart gewählt, daß es eine gleichmäßige Verzögerung für alle interessierenden Frequenzen bewirkt. Der Empfänger 20 kann deshalb ohne

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Umstellung auf den Frequenzen verschiedener Baken arbeiten. Der Verstärker in der Schaltung 3^ hebt den Signalpegel für die nachfolgenden Stufen an. Werden Signale nur von einer Bake empfangen, so erhält auch der Frequenz-Wandler 36 nur Signale von einem der Oszillatoren 102 oder 104. Wenn jedoch mehr als eine Bake Signale unterschiedlicher Frequenz liefert, legt der Kommutator abwechselnd die Signale der Oszillatoren 102 und 104 an den Frequenz-Wandler 36. Diese Kommutation wird mit der Umschaltung der übrigen Kommutatoren synchronisiert und durch den Kommando-Generator 36 gesteuert. Die Mittenfrequenz des ZF.r Filters 38 liegt auf der Zwischenfrequenz des Empfängers. Seine Bandbreite ist derart bemessen, daß die Modulation eines einzelnen Seitenbandes durchgelassen wird. Das Filter hält Störgeräusche und Baken-Signale anderer Frequenzen zurück. Auch hier ist die Phasenkennlinie des ZF.-.-Filters derart gewählt, dafS alle interessierenden Frequenzen gleichmäßig verzögert werden. Der Verstärker-Gleichrichter 40 verstärkt die Signale des ZF-. Filters 38 und normiert mit Hilfe einer üblichen Verstärkungsregelschaltung die Schwingungssignale auf einen konstanten Pegel. Wie in den meisten Gleichrichtcrkreisen hat der Gleichrichter eine quadratische Kennlinie, wodurch aus dem Schwingungssignal ein Signal mit der Differenzfrequonz f der von den Baken

enliitoh'fi übertragend, beiden Se '. tenbänder'. I)i\r, Bandpn3f .i lter 44 hat olno

fStii !!i'ivnu";): f uii»; 1;^:ΙΛ SigiKil«. .in dcv Nähr dir;-er Kn\iii ;v.·.

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BAD ORIGINAL

sperrt. Dieses Filter ist derart aufgebaut, daß es eine konstante Phasenverschiebung für alle Frequenzen in der Nähe der Frequenz f ergibt. Geringfügige Frequenzabweichungen im Ausgangssignal der Bake rufen deshalb keine Fehler in der Phasendifferenzmessung hervor.

Die Abschneidestufe 46 normiert die Signalamplitude auf binäre Werte. Das Ausgangssignal dieser Stufe nimmt deshalb während der positiven Halbwelle des Eingangssignals den einen Zustand und während der negativen Halbwelle des Eingangssignals einen zweiten Zustand an. Während de"¹ Perioden T-, stellt die Prüfschaltung im Kreis 52 die Anwesenheit einer kontinuierlichen Schwingungsmodulation fest und setzt den Ausgang des Impulsdetektors innerhalb der Schaltung 52 außer Betrieb. Sobald die kontinuierliche Schwingung aufhört und für die Zeit T₂ kein Signal empfangen wird, stellt die Logikschaltung dies fest und setzt den Pulsdetektor für die Dauer der Zeit T-, in Betrieb, welche am Ende der Periode Tp anfängt. Wird während der Einschaltdauer des Impulsdetektors 52 ein Impuls empfangen, der eine gewählte Amplitudenschwelle Übersteigt, so erzeugt der Impulsdetektor genau zur Ankunftszeit einen bestimmten Teils des Impulses einen Ausgangsimpuls. Dieser bestimmte Teil des Impulses kann beispielsweise die Vordorflanke sein. Jedoch wird 'wegen größerer Zeitgenauigkeit ■und Unerripflndllchkeit gegen -ί ride runden der Signalamplitude die erste Spitze des empfangenen Impulses bevorzugt. Die

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Impulsdetektoren in den Schaltungen 52, 52' und 52" werden zur Gleichrichtung von Impulsen der- Bake nur während der Zeit eingeschaltet, in der ein Impuls tatsächlich erwartet wird. Die Anwesenheit oder das Fehlen einer modulierten, kontinuierlichen Schwingung wird als Kriterium dafür benutzt, ob ein Impuls zu erwarten ist oder nicht. Auf diese Weise wird die Anzahl der zufällig gleichgerichteten Impulse infolge von Störungen oder dgl. weitgehend verringert.

Die Steuersignale für die Kommutierung werden in der Steuerschaltung 76 für die Impulsmessung erzeugt. Diese Schaltung erhält Eingangssignal von allen drei Impuls- Prüf- und Detektorschaltungen 52, 52' und 52". Es stellt das Auftreten der den Impulsen vorangehenden Pausenzeit T~ in jedem der Empfänger 20, l8 oder JO fest und anschließend die Ankunft des Impulses. Die Zeitfolge der Kommutierung wird mit der Eintreffzeit der Impulse synchronisiert, so daß die Umschaltung nicht während derjenigen Zeit erfolgt, während der ein Impuls gleichgerichtet wird. Die Steuerschaltung 76 stellt außerdem die Ankunftszelt jeweils des ersten Impulses im Phasenrechner 68 fest und erzeugt i'lxr die Phasenrechnür und 69' RUckstellBignale auf die Zeltdifferenz Null. Die Schaltung 76 überprüft ferner die Anwesenheit von Impulsen in allen drei Empfängern 20, l8 und JJO und sendet dann ein

an die Phasenrechner, ohne dal die •Gültißkcitssignal acDQPtxlaerxAyKyyyiyxJster Phasfenrechner-68 und 68'

würden YtkXil nicht auf O.o.n neuer.ten Stand gebracht/, weil das Fehlen

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eines Impulses ein fehlerhaftes Signal zur Folge hätte. Der Kommutierungszyklus kann eine Dauer von 240 ms aufweisen, was jedoch nur als Beispiel aufzufassen ist. Werden zwei Baken mit unterschiedlichen Frequenzen benutzt und der gleiche Grund-Kommutationszyklus angewandt, so erzeugt die zusätzliche Umschaltung zwischen den beiden Oszillatoren 102 und 10¹I ein Meßintervall von 48o ms. Dies ist in Bezug auf die möglichen Positionsänderungen des Schiffes schnell genug, um tatsächlich vergleichbare Positionsmessungen relativ zu beiden Baken zu erhalten.

Ist eine der Baken beweglich, so muß der in Figur 7 gezeigte Rechner an Stelle des Rechners 24 in Figur 4 eingesetzt werden. Diese Anlage arbeitet im Grunde genommen ähnlich wie das komplette System der Figur 2, indem abwechselnd Messungen der Koordinaten der festen Bake und der beweglichen Bake in Bezug auf den Ursprung des schiffsbezogenen Koordinatensystems durchgeführt werden, wie er durch die Anordnung der Hydrophone 10, 12 und 14 definiert ist. Durch Rechnungen, welche der Koordinaten-Transformations rechner gemäß Figur 7 ausführt, werden diese Me3informationeri in Koordinaten der beweglichen Bake in Bezug auf die ortsfeste Bake umgerechnet, und zwar in einem nordorientierten kartiesisehen Koordinatensystem. Auf diese V/eise wird die 'Lage der beweglichen Bake zunächst auf ein Koordinatenr.yrr.t':'n W·:⁷· -¹^Ii, ■■('.■■ \ tJr^prur - !'.it d-.-r eri:r? "or*■■■>.- Γ'-i'e üb(-rc i.riot;i nrnt ?.ihw ■ s:.⁷·-· '·:.■ ' ■ ■ ■ "i : ^; . ·:.: ■ · · ■ ·■■

BAD

der beiden Baken relativ zum Schiff voneinander subtrahiert. Durch Einführung der Kursinformation aus dem Kursbezugsgenerator 94 werden diese Koordinaten dann auf ein nordor.ientiertes kartesisches Koordinatensystem transformiert, dessen Ursprung ebenfalls in der ortsfesten Bake liegt. Die Ausgangssignale jedes der beiden Phasen/Zeitdifferenz-Rechner 64 und 66 werden den gesteuerten Invertern 146 und 150 zugeleitet. Diese Signale kennzeichnen abwechselnd die Differenz der Ankunftszeit der Signale von der stationären und der beweglichen Bake bezogen auf das Schiffskoordinaten-System, welches durch die Anordnung der Hydrophone bestimmt ist.

Zur Subtraktion der Koordinaten der beweglichen von der ortsfesten Bake in X- und Y-Rlchtung werden die Ausgangssignale an den Klemmen 74' und 80' nach Verarbeitung in den Invertern 146 und 150 den Rechnern 148 bzw. 152 zugeleitet. Die beiden Inverter werden abwechselnd durch Kommutierungssignale eingeschaltet, welche am Eingang 144 eintreffen, und liefern positive oder negative. Ausgangssignale, je nachdem von welcher Bake Signale empfangen werden. Auf diese Weise erfolgt automatisch die Subtraktion. Die Rechner 148 und korrigieren dann die Zeitdifferenz in Abhängigkeit von Neigungen dec Schiffes und setzen Sie unter Verwendung geeigneter Unirechnungsfciktoren in Prozent der Wassertiere oder in Längotieinhoi ton um. Die Rc;clni"r 148 und 152 können, wie ■j! !'MfI!!¹ ¹I :·■■ :^T,e ί H , für- k'd:^ P> ■··. <>r;!jn;-,i<v .'or, r.cliil'f« ;·. >:invl·

BAD

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Verstärker ersetzt werden, wenn die Abstände x, oder y weniger als 2.0% des Abstandes ζ betragen. Die Ausgangssi finale der beiden Rechner werden über einen Koordinaten-Wandler den Glättungsflltern I56 und 158 zugeleitet, die ähnlich arbeiten wie die Filter des Rechners 24, Anschließend gelangen die Signale zur Positionsanzeigevorrichtung.

Selbst bei Benutzung des Rechners gemäß Figur 7 kann das Ausgangssignal die Lage des Schiffes in Bezug auf entweder die ortsfeste oder die bewegliche Bake angeben, indem man lediglich die Schalter I06 und I08 derart einstellt, daß beide Ortsoszillatoren die gleiche Frequenz liefern und die empfangenen Signale stets von der gleichen Bake stammen. Die Steuersignale werden dann von den Invertern 146 und 152 abgeschaltet. Die beschriebenen Anlagen zeigen einige Möglichkeiten, wie die Erfindung unter Verwendung von Unterwasserbaken, akustischen Wellen und Empfangsstationen auf Schiffen oder anderen Schwimmkörpern ausgeführt werden kann. Hierin sind selbstverständlich nicht alle Möglichkeiten der Anwendung der Erfindung erschöpft. Spezialrechner können eingesetzt werden, um die Grundinforrr.at 1 on, d.h. die Phasen- und ZeitdJ i'fGrenzen für die versah h.-cit-r.en Zwecke zu verarbeiten. Die akustischen Signale können im Hörbereich oder im Ultraschal !bereich liegen. In manchen Fällen wird es auch ausreichen, nur die Grobmes.'aii.;; unter Vorwendunp; der Imnul:;-konpom;ritR durch/.ui'ühroi; in V'-rblr.'lun·: mit acn Irnnuln-

BAD Gi-v.·-

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Zeitdifferenz-Rechnern und den zugehörigen Schaltungen. Die Erfindung erstreckt sich deshalb auch auf ein Unterwasser-Richtungs- und Lagebestimmungssystem, bei dem das von der Bake bzw. den Baken ausgestrahlte Signal nur eine Impulskomoonente enthält.

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Claims

17667FF

Patentansprüche

1.) Anlage zur Richtungs- und/oder Lagebestimmung unter Wasser mit wenigstens einem Sender für akustische Signa]impulse, dadurch gekennzeichnet, da<3 die Empfangsstation wenigstens drei akustische Signalempfänger (10, 12, lh) aufweist, von denen ein erstes Paar (12, lh) im Abstand voneinander längs oder parallel zu einer ersten Achse (x) angeordnet ist, während ein zweites Paar (12, 10) längs oder parallel zu einer zweiten Achse (y) angeordnet 3st, welche mit der ersten Achse einen vorzugsweise rechten Winkel einschließt,

daß an jeden der Signalempfänger eine Schaltung (30, 18, 20) zur Abtrennung der Impulskomponente aus dem vom Sender (16) abgestrahlten und von den Signalempfängern aufgenommenen Signalen angeschlossen ist,

daß Schaltungen zur getrennten Bestimmung der Zeitdifferenz beim Empfang entsprechender Impulssignale durch das erste und das zweite Paar von Signalempfängern vorgesehen sind, und daß eine Rechenvorrichtung den Zeitdifferenzen entsprechend« Signale erhält und die Ausbreitungsrichtung der aufgenommenen akustischen Signale iη Bezug auf die beiden Achsen besti:.:nt.

BAD ORlGSHAL

2. Anlage nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichne, t, daß das vorn Sender ausgestrahlte akustische Signal eine Impulskomponente und eine kontinuierliche Schwingungskomporiente enthält,

daß an die Signalempfänger Schaltungen zur Trennung der Impulskomponente und der kontinuierlichen Schwingungskomponente angeschlossen sind, und daß Schaltungen zur getrennten Bestimmung der Phasendifferenz der von den einzelnen Signalempfängern der beiden Paare aufgenommenen Schwingungen vorgesehen sind.

5. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Abstand des Senders (16) von der die Signalempfänger (10, 12, 14) enthaltenden Ebene bekannt oder getrennt bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung die anderen beiden Koordinaten des Senders in Bezug auf ein Achsensystem bestimmt, dessen Ursprung in der Empfangsstation liegt und von dem zwei Achsen (x, y) mit den Verbindungslinien der beiden Signalempfängerpaare (12, 14; 12, 10) zusammenfallen oder zu diesen parallel liegen, während die dritte Achse (z) auf der Ebene der beiden anderen senkrecht steht.

4. Anlage nach Anspruch .5, d a d u r c Ii gekennzeichnet, da»? die die beAden Achsen (x, y) enthaltende Ebene ΙίογκόίΙΜ ]1e--t..

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5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4,dadurch gekenn zeichnet, daß die Rechenvorrichtung die beiden anderen Koordinaten in Bezug auf einen Punkt berechnet, der gegenüber der Empfangsstation um einen vorgegebenen Betrag parallel zur gemeinsamen Ebene versetzt ist.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenvorrichtung eine Einstellvorrichtung für den Betrag des Versatzes enthält.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sendestationen (16, 17) vorgesehen sind, welche unterschiedliche Signale, vorzugsweise Signale unterschiedlicher Frequenz aussenden.

8. Anlage nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsstation auf den Empfang und die Verarbeitung von Signalen der einen oder der ander ei. Sendestation umschaltbar ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Empfangsstation die Lage der die beiden Achsen enthaltenden Ebene verändernden Bewegungen ausgesetzt 1st, dadurch gekennzeichnet, dab ein Stellungsgeber (26)

' vorgesehen 1st, welcher der Rechenvorrichtung Signale zur

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Berechnung von Korrekturgröiien zuleitet, welche von der Lage der Ebene abhängen.

10. Anlage nach Anspruch 4 und 9,dadurch gekennzeichnet, daß der Stellungsgeber auf Lageänderungen der Lotrechten auf der Ebene anspricht.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch

g e k e η η zeichnet, daß an die Rechenvorrlchtunp(en) (22, 24) ein Lageanzeiger (28) für die Position der Empfangsstation in Bezug auf einen durch die Sendestation(en) definierten Bezugspunkt oder für die Position einer zweiten Sendestation in Bezug auf eine erste Sendestation angeschlossen ist.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an jeden der Signalempfänger (12, 14, 10) gleich aufgebaute Empfangsschal tungeη (l8, 20, 30) angeschlossen sind, welche jeweils an einem ersten Ausgang die Impulskomponente und an einem zweiten Ausgang die Schwingungskomponente an die den einzelnen Signalempfängerpaaren zugeordneten Rechenvorrichtungen (64, 66) für die verschiedenen Koordinatenachsen liefern.

12. Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koordinnten-Trar.sformatlons-

109834/0552 »au ογ-κ3!Ν.δ;.

rechner (24) an die Ausgänge aller Phasen/Zeltdifferenz-Reehenvorrichtungen (64, 66) angeschlossen 1st.

14. Anlage nach Anspruch 12 oder IjJ, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge und die Ausgänge der Schaltungen (20, 18, J>0) zur Trennung der Impuls- und der Schwingungskomponente der empfangenen Signale an zyklische Eingangsumschalter (J2, 52', 32") bz*w. zyklische Ausgangsumschalter (42, 42', 42") für die Impulskomponente und entsprechende Ausgangsumschalter (48, 48', 48") für die Schwingungskomponente angeschlossen sind, welche synchron gesteuert werden und jede dieser Schaltungen zyklisch nacheinander mit den verschiedenen Signalempfängern (14, 12, 10) und den Phasen/Zeitdifferenz-Rechenvorrichtungen (64, 66) verbinden.

15· Anlage nach Anspruch 8 und l4,dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangs- und Ausgangsumschalter (52, 42, 48) und die Vorrichtung (110) zur Umschaltung der Empfangsstation auf Signale verschiedener Sendestationen durch einen gemeinsamen Kommandosignal-Generator (?6) synchron umgeschaltet werden, der seinerseits durch die Impulskomponente der empfangenen Signale gesteuert wird.

16. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch Γ> e k c η r /. ο 1 c h η e t, Ja..; die von der Sende."tation aur.wjcrjtfahJ-;en aku.stJ schon .'Ji-rnele Ui sich viicderh'u er.'V Pe r 1 f / β c η υ η t ο ι' t c i 11 s .1 η d \.: ηd jede¹ P e r i ο d ο β υ.': \; ο ι: ■;; t <-■. ι. ο

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zwei Teilen besteht, wobei während des ersten Teile die Schwingungskomponente und während des zweiten Teils die Impulskornoonente ausgestrahlt wird.

17· Anlage nach Anspruch 16, dadurch g e k e "η η z e i c h η e "t, daß die Schwingun.^skomponente als Amplitudenmodulation einer Trägerschwingung übertragen wird.

18.Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichne t, daß die Übertragung der Modulation durch Zwei-Seitenband-Ubertragung mit Trägerunterdrückung erfolgt,

19.Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis l8, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulskomponente aus einem Einzelimpuls vorgegebener Länge besteht.

20.Anlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls als Amplitudenmodulation der Trägerschwingung übertragen wird.

21.Anlage nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzei chnet, daß jede der Perloden aus drei Abschnitten besteht, wobei der dritte zwischen dem ersten und dem zweiten liegt und während des dritten Abschnitts kein Signal übertragen wird.

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