DE1963871A1 - Verfahren und Anlage zur Positionsbestimmung eines Wasserfahrzeugs gegenueber einem Unterwasser-Schallsender - Google Patents

Description

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Frankfurt am Main, den 18.Dezember 1969

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HONEYWELL INC.
27OI, Fourth Avenue South

Minneapolis, I»Iinn/USA

"Verfahren und Anlage zur Positionsbestimmung eines Wasser fahrzeugs gegenüber einem Unterwasser-Schallsender *

Die Erfindung befaßt sich mit der Positionsbestimmung eines Wasserfahrzeugs oder sonstigen auf oder unter der Wasseroberfläche schwimmenden Körpers gegenüber einem akustische Signale abstrahlenden Unterwasser-Schallsender, im folgenden Sonarbake genannt. Die azimutale Richtung eines beispielsweise auf dem Meeresgrund verankerten Sonarsenders läßt sich von einem Schiff, welches einen Sonarempfänger mit einem richtungsempfindlichen elektroakustischen Empfangswandler aufweist, leicht bestimmen. Zur Messung der Entfernung zwischen dem Schiff und dem Sonarsender, welche zur Positionsbestimmung zusammen mit der Richtung benötigt wird, kann der Empfänger einen Zeitgeber enthalten und mit dem Sender synchronisiert sein, so daß der Zeitgeber eine Anzeige der Laufzeit der Sonarsignale zwischen Sender und Empfänger liefert, welche wie bei Punkentfernungsmessern dem Abstand zwischen Sender und Empfänger proportional ist. Solche Empfänger sind jedoch relativ kompliziert aufgebaut und damit teuer. ■ · .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfacheres Verfahren zur Positionsbestimmung, insbesondere Entfernungsmessung und hierzu

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geeignete Anlagen vorzuschlagen.

Das Verfahren 'gemäß der Erfindung sieht hierzu vor* daß ein am Wasserfahrzeug angebrachter in das Wasser eintauchender Sonar-Richtempfängei* auf die in vorgegebener Wassertiefe verankerte, Sonarsignale ausstrahlende Bake gerichtet' und aus dem Neigungswinkel öc^ des Richtempfangers gegenüber der Horizontalen und der Standorttiefe T der Bake - gegebenenfalls abzüglich der Eintauchtiefe t des Empfängers - der Abstand A des Wasserfahrzeuges von der Lotrechten durch die Bake nach der Gleichung

a A= (T-t) · cotg*O6

beziehungsweise die Entfernung E des Richtempfängers von der Bake selbst nach der Gleichung

E = (T-t) · cosecoi

berechnet und die Richtung aus dem azimutalen Schwenkwinkel des Richtempfängers gegenüber einer geographischen oder auf das Wasserfahrzeug bezogenen Bezugsrichtung bestimmt wird. Es wird also kein aufwendiges Laufzeitmeßverfahren angewandt, sondern aus dem Neigungswinkel au des auf die Bake gerichteten Richtempfängers und der als bekannt vorausgesetzten Standorttiefe T der Bake wird anhand einfacher trigonometrischer Funktionen P entweder die tatsächliche Entfernung E zwischen Richtempfanger und Bake oder der an der Wasseroberfläche gemessene Abstand des Wasserfahrzeuges von der Lotrechten durch die Bake, d.h. von einer genau über der Bake liegenden Stelle der Wasseroberfläche, ermittelt. Die Messung des 'Neigungswinkels ist relativ einfach, so daß eine entsprechende Anlage zur Positionsbestimmung platz- und kostensparend ausgebildet und damit auch auf kleineren Wasserfahrzeugen eingesetzt werden kann.

Soll mit dem Verfahren anstelle der relativen Position des Fahr» zeuges gegenüber der Bake die absolute Position des Fahrzeugs bestimmt werden, so muß zusätzlich die nautische Position .der Bake bekannt sein. In beiden Fällen können zusätzliche auf

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vorgegebener Tiefe verankerte Baken eingesetzt werden, um das Gebiet, in welchem eine Standortbestimmung mit dem beschriebenen Verfahren möglich ist, zu erweitern. Jede Bake wird dabei ..ein eigentümliches, beispielsweise besonders, kodiertes oder in seiner Frequenz von den Signalen der anderen Baken unterschiedenes, Signal abstrahlen, während der Empfänger auf die verschiedenen Signale abstimmbar ist und damit nur Signale einer bestimmten · Bake aufnimmt und verarbeitet.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch zum Bestimmen der relativen Lage mehrerer untergetauchter Objekte, beispielsweise von Tauchern, verwendet werden. In diesem Falle strahlt jede Bake λ bzw. jeder Sonarsender ein der jeweiligen Tauchtiefe entsprechendes Signal ab. Der Empfänger befindet sich in einem Begleitboot oder einem sonstigen zumindest teilweise eingetauchten Schwimmkörper, beispielsweise einer schwimmenden Plattform. Wenn einmal der gewünschte Sender lokalisiert ist, beispielsweise indem man den Empfänger zunächst breitbandig das umliegende Wassergebiet abtasten läßt, wird die Frequenz oder sonstige von der Tauchtiefe abhängige Kodierung des Empfangssignales festgestellt, wonach sich der Abstand zwischen Sender und Empfänger in der beschriebenen Weise ermitteln läßt.

Die Empfangsanlage enthält vorzugsweise einen Positionsanzeiger in Form einer Kathodenstrahlröhre (Plan.-Position-Indicator), \ eine Horizontal-Schwenkvorrichtung für den Richtempfänger, eine Vertikal-Neigungsvorrichtung zur Änderung des Neigungswinkels, sowie eine elektrische Umwandlungsschaltung, welche aus den der Jeweiligen Winkellage des Richtempfängers in der betreffenden Schwenkrichtung (Azimut- bzw. Tiefenneigung) entsprechenden Signalen Steuersignale für die Auslenkung des Kathodenstrahls der Anzeigeröhre und aus den empfangenen Sonarsignalen der Bake Helligkeits-Tastsignale für den Kathodenstrahl ableitet. Der Neigungswinkel kann entweder auf der Kathodenstrahlröhre oder einem der Schwenkvorrichtung zugeordneten Anzeigegerät abgelesen werden«

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran- . Sprüchen gekennzeichnet. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Positionsbestimmung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Hierin zeigt

Figur 1 schematisch das Blockschaltbild der Sonarempfangsanlage und einer von zwei Unterwasser-Sonarbaken und

Figur 2 die Anzeige auf dem Positionsanzeiger in der Empfangsanlage.

Wenno in dieser Beschreibung von Unterwasser-Sonarbaken die Rede ist, so sollen hierunter auch tragbare Unterwasserschallsender verstanden werden, wie sie von Tauchern mitgeführt werden können. Die Erfindung ist, wie erwähnt, nicht nur zur Positionsbestimmung von .Schiffen gegenüber ortsfesten Baken verwendbar, sondern kann beispielsweise auch zur Positionsbestimmung eines Begleitbootes gegenüber Tauchern benutzt werden, die an einem vorgegebenen Ort in bestimmter Tiefe arbeiten. Von den beiden in Figur 1 dargestellten Sonarsendern oder -baken 1 und 2 ist nur die eine im einzelnen in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Beide sind in ihrem Aufbau gleich, erzeugen jedoch Unterwasserschallsignale unterschiedlicher Frequenz. Die Sonarbake 1 enthält eine Stromquelle 3, einen die Sendeperioden und die Frequenz bestimmenden Generator 4, einen steuerbaren Oszillator 5 und einen Leistungsverstärker 6. Der Oszillator 5 kann von Hand hinsichtlich seiner Frequenz einstellbar sein oder die Frequenz ändert sich automatisch mit der Tauchtiefe. Letzteres ist von Vorteil, wenn der Sender von einem Taucher getragen wird. Die für die einzelne Bake kennzeichnende Kodierung kann auch durch andere Kenngrößen als die V/iederholungsfrequenz erfolgen. Der Leistungsverstärker speist ein^nterwasser-Schallsender 7» der die Unterwasserschallsignale fortlaufend abstrahlt.

Die Empfangsanlage umfaßt einen richtungsempfindlichen elektroakustischen Wandler oder Signalempfänger 8, der den aufgenommenen Unterwasser-Schallsignalen entsprechende Ausgangssignale liefert. Diese werden einer Eingangsspule 9 zugeführt, welche Ausgangssignale über einen ersten HF-Verstärker 10 an einen zweiten

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HF-Verstärker 11 liefert, welcher mittels einer Frequenzeinstellvorrichtung 12 selektiv auf eine bestimmte Frequenz einstellbar ist* Der HF-Verstärker 11 hat somit die Wirkung eines Bandpassfilters und liefert seine Ausgangssignale an einen Detektor 13, dessen Empfindlichkeit mit Hilfe eines Empfindlichkeitsreglers 14 eingestellt werden kann und welcher einen Signalverstärker 15 speist. Die Ausgangssignale des Verstärkers 15 gelangen gleich-' zeitig an eine Emitter-Folgestufe 16, eine Kathoden-Folgestufe 17 und einen Verstärker 18. Der letztere steuert unmittelbar den Kathodenstrahl der als Positionsanzeiger dienenden Kathoden-Strahlröhre 19. Die Emitter-Folgestufe 16 liefert ihr Ausgangssignal an einen gesteuerten Spitzensignaldetektor 20, dessen Ausgangssignal einerseits zu einer passiven Integrierschaltung 22 und andererseits zu einem spannungsgesteuerten NF-Oszillator 23 gelängt. Das Meßinstrument 21 zeigt "die Amplitude des der Kathoden-Strahlröhre 19 zugeführten Signales an. Dies gestattet der Bedienungsperson festzustellen, wenn sich der Riehtempfänger 8 genau über der Bake befindet. Die Integrierschaltung 22 speichert das vom Detektor 20 gelieferte Signal und liefert ein Rück- ■ führungssignal an den HF-Verstärker 11, wodurch eine automatische Verstärkungsregelung gegeben ist. Der spannungsgesteuerte Oszillator 23 gibt sein Äusgangssignal an einen NF-Verstärker 24 ab, der an den Lautsprecher 25 angeschlossen ist. Somit wird die Amplitude der Sonarsignale sowohl akustisch als auch visuell angezeigt. Die Kathoden-Folgestufe 17 liefert ebenfalls Signale an den NF-Verstärker 24. Als Folge hiervon erzeugt der Lautsprecher beim Empfang eines einzelnen Sonarsignales eine sich langsam ändernde Frequenz zusammen mit einem Tonimpuls.

Der Empfänger 8 ist derart an dem Wasserfahrzeug befestigt, daß seine Empfindlichkeitsachse auf jede Sonarbake gerichtet werden kann, die sich in derselben oder einer tieferen Horizontalebene befindet. Zu diesem Zweck ist er mit einem Schwenkantriebsmotor 28 gekuppelt, mit dessen Hilfe der Empfänger 8 um eine horizontale Achse geschwenkt und damit der Tiefenneigungswinkel geändert werden kann. Der Motor erhält seine Steuersignale von einem Servoverstärker 30, der seinerseits mit dem Ausgangssignal

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eines Neigungspotentiometers JS. beaufschlagt wird. Dieses weist eine" nicht dargestellte Anzeigevorrichtung für den Jeweils eingestellten Neigungswinkelou des Empfängers auf. Ein Folgepotentiometers 3'4" ist mit der Ausgangswelle des Neigungsmotors 28 verbunden und liefert ein RUckführungssignal an das Neigungspotentiometer 52, um auf diese V/eise eine winkelgetreue Ausrichtung des Empfängers 8 und damit der Einstellung des Winkels ot zwischen der Empfindlichkeitsachse des Empfängers und einer Horizontalebene durch den Empfänger gewährleistet. Das Neigungspotentiometer j52 wird über einen Schalter 36 eingeschaltet und mechanisch von einem Neigungswinkeleinsteller 38 angetrieben, der mit einer positiven Eingangsklemme 42 und einer negativen Eingangsklemme 44 versehen ist.

Zusätzlich zur Bewegung des Empfängers 8 in Nelgungsriehtung ist es selbstverständlich erforderlich, den Empfänger auch um eine vertikale Achse zu schwenken, um damit den gesamten Umgebungsbereich des Empfängers abtasten zu können. Zu diesem Zweck ist der Empfänger ferner mechanisch mit einem Horizontal-Schwenkmotor 48 verbunden, .der die jeweilige azimutale. Winkellage des Empfängers 8 einstellt. Er erhält seine Antriebssignale von einem Servoverstärker 24. Auch hier ist zur Gewährleistung einer winkeigetreuen Abtastung eine Rückführung in Form eines Folgepotentiometers 50 zu einem Summierpunkt 58 vorgesehen. Ein Horizontal-Abtastgenerator 60 liefert über einen Schalter 56 Signale an den Servoverstärker 54. Mit Hilfe des Schalters 56 können anstelle der Signale des Generators 60 von Hand mittels des Potentiometers 57 einstellbare Signale an den Servoverstärker 54 weitergeleitet werden. Der Generator 62 gibt ferner ein Ausgangssignal über' eine Austastschaltung 62 an die Kathoden-Strahlrohre 19 ab. Die Signale des Neigungswinkel-Steuergenerators j58 werden einem Sinus-Cosinus-Potentiometer 56 zugeführt, welches mechanisch vom Horizontal-Abtastmotor 48 angetrieben wird. Somit erhält dieser Eingangssignale, die dem Neigungswinkel des Empfängers 8 und der Neigungsrichtung direkt proportional sind. Aufgrund dessen erzeugt das Potentiometers 46 ein Ausgangssignal, welches den

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Leuchtpunkt_Tauf der Kathodenstrahlröhre 19 entsprechend der . Größe und Richtung der Empfängerneigung auslenkt. Die Ausgangssignale des Potentiometers 46 werden in einem Ablenkverstärker 64-verstärkt und den Ablenkspulen 65 der kathodenstrahlröhre 19 zugeleitet.

Es sei angenommen, daß beide Sonarbaken in bekannter Tiefe auf dem Meeresgrund verankert sind. Die Empfangsanlage ist auf einem Schiff angebracht, wobei sich der Empfänger 8 entweder an der Oberfläche oder in bekanntem Abstand t von der Wasseroberfläche befindet. Im Betrieb werden die empfangenen Sonarsignale beider Baken im Verstärker 10 verstärkt. Jedoch gelangen nur die Signale einer Bake durch den selektiven Verstärker 11 hindurch zum Be- λ tektor 13. Dessen Empfindlichkeit wijrd so eingestellt, daß er die gewünschte Maximalamplitude seines "Ausgangssignals erreicht, welches dann über die Verstärker 15 und 18 der Kathodenstrahlröhre 19 zugeleitet wird und dort einen sichtbaren Lichtpunkt erzeugt. Der Empfindlichkeitsregler 14 wird dazu ausgenutzt, um den Empfang von Signalen von weiter entfernten Baken zu unterdrücken und auch unerwünschte Störgeräusche, die sonst auf der Kathodenstrahlröhre sichtbar würden, abzuschneiden, falls das Schiff nicht dicht genug an der Bake ist.

Die Abtastung wird zunächst automatisch durchgeführt, indem der Abtastgenerator 60 Signale über den Schalter 56 an den Horizontal-Abtastmotor 48 liefert, welcher den Empfänger 8 um seine verti- { kale Achse dreht und damit die Abtastung in azimutaler Richtung durchführt. Der NeigungswinkeloC- des Empfängers 8 gegenüber der Horizontalebene wird mit Hilfe des Potentiometers 32 eingestellt. Wird ein Sonarsignal empfangen, so wird die automatische Abtastung zweckmäßig durch Betätigen des Schalters 56 durch Abtastung von Hand ersetzt. Mit dem Potentiometers 27 läßt sich der Empfänger 8 genauer ausrichten, indem durch Ablesen des Instruments 21 oder durch Abhören des Lautsprechers 25 der Empfänger 8 in die Richtung geschwenkt wird, aus welcher die von der Bake ausgesandte Strahlung mit maximaler Amplitude einfällt. Es werden also der Neigungswinkel-Steuergenerator 38 und ent-

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weder der Azimubabtastgenerator 6o oder das Handeinstellpotentiometer 57 zur Ausrichtung des Empfängers 8 benutzt, wobei das Meßinstrument 21 und der Lautsprecher 25 als Kontrollinstrumente dienen. Die jeweilige Ausrichtung des Empfängers 8 wird vom Sinus-Cosinus-Potentiometer 46 festgestellt und von dessen Ausgangssignal der Leuchtpunkt auf der Kathodenstrahlröhre 19 entsprechend der azimutalen Richtung und dem Neigungswinkel oi der Empfangerachse gegenüber der Horizontalen abgelenkt. Außerdem zeigt der am Neigungspotentiometer 32 vorgesehene Zeiger den jeweiligen Neigungswinkel an und zwar meistens genauer als die Kathodenstrahlröhre-19·

Wie Figur 2 zeigt, ist das Sichtgerät des Positionsanzeigers mit eine*r Kreisskala versehen, welche in Form von konzentrischen Ringen in Neigungswinkelgraden zwischen Null und-60° geeicht ist. Ein Neigungswinkel von 90° wäre gegeben, wenn der Empfänger 8 genau vertikal über der Bake steht. In diesem Fall erscheint der Lichtpunkt im Zentrum des Kreises. Befindet sich hingegen der Lichtpunkt auf dem 0°- Kreis, so liegt die Bake entweder in derselben Horizontalebene wie der Empfänger oder ist sehr weit vom Schiff entfernt, im Vergleich zur Standorttiefe der Bake. Die Lage des Leuchtpunkts in Umfangsrichtung gibt die azimutale Richtung der Bake gegenüber dem Schiff an.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Positionsbestimmung eines Wasserfahrzeugs gegenüber einer Unterwasser-Sonarbäke, dadurch gekennzeichnet, daß ein am Wasserfahrzeug angebrachter, in das Wasser eintauchender Sonar-Richtempfänger (8) auf die in vorgegebener Wassertiefe befindliche, Sonarsignale ausstrahlende Bake (1) gerichtet und aus dem Neigungswinkel oC- des Richtempfängers gegenüber der Horizontalen und der Standorttiefe T der Bake gegebenenfalls abzüglich der Eintauchtiefe t des Empfängers der Abstand A des Wasserfahrzeugs von der Lotrechten durch die Bake nach der Gleichung

A « (T-t) '.cotgo<-

bzw, die Entfernung E des Richtempfängers von der Bake selbst nach der Gleichung

E - (T-t) · cosec oC

berechnet und die Richtung aus dem azimutalen· Schwenkwinkel des Riehtempfangers gegenüber einer geographischen oder auf das Wasserfahrzeug bezogenen Bezugsrichtung bestimmt wird.

2. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1

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unter Verwendung wenigstens einer in vorgegebener Wassertiefe befindlichen Sonarbake, d.a durch gekennzeichnet, daß an dem Wasserfahrzeug ein Sonar-Rich temp fänger (8) um eine horizontale und um eine vertikale Achse schwenkbar befestigt und eine Vorrichtung zur Anzeige und/oder Umwandlung der jeweiligen Schwenklage in elektrische Signale vorgesehen ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine die elektrischen Signale anzeigende Positions-Anzeigevorrichtung, vorzugsweise Kathodenstrahlröhre (19)> eine Horizontalschwenkvorrichtung (6o,5ö, 54,48), eine Vertikalneigungsvorrichtung (38,32,30,28) zur Änderung des Neigungswinkels oo sowie eine elektrische Umwandlungsschaltung aufweist, weiche aus den der jeweiligen Winkellage des Richtempfängers (8) in der betreffenden Schwenkrichtung (Azimut, bzw« Tiefenneigung) entsprechenden Signalen Steuersignale für die Auslenkung des Kathodenstrahls der Anzeigeröhre ableitet.

4. Anlage nach Anspruch 3* dadurch geknnzeichnet, daß die Horizontalschwenkvorrichtung wahlweise automatisch oder von Hand steuerbar ist.

5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen selektiven Empfangssignalverstärker (11) mit einer automatischen Verstärkungsregelschaltung (16,20,22) und einen elektroakustischen Wandler (25) zur Wiedergabe der Amplituden des Ausgangssignales aufweist,

6. Anlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonarbake (1) ein entsprechend ihrer Standorttiefe kodiertes Signal abstrahlt.

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Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei "Verwendung mehrerer

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Sonarbaken die von den verschiedenen Baken abgestrahlten Signale voneinander z.B. durch Frequenz oder Tastung verschieden sind und der Empfangssignalverstärker selektiv auf die verschiedenen Signale abstimmbar ist.

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