DE2430746A1

DE2430746A1 - Doppler-navigationsverfahren zur bestimmung des von einem fahrzeug durchfahrenen weges

Info

Publication number: DE2430746A1
Application number: DE2430746A
Authority: DE
Inventors: Robert Delignieres
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1973-06-28
Filing date: 1974-06-26
Publication date: 1975-01-23
Also published as: NO742204L; DE2430746C2; FR2235374A1; GB1450459A; NO139938C; FR2235374B1; NL7408806A; NO139938B; US4065744A

Description

Doppler-Navigationsverfahren zur Bestimmung des von einem Fahrzeug durchfahrenen Weges

Die Erfindung betrifft ein den Doppler-Effekt ausnutzendes Havigationsverfahren zur Bestimmung der von einem Fahrzeug bezüglich einer Bezugsfläche durchfahrenen Bahn.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Bestimmung des von einem im tiefen Wasser navigierenden Schiffs durchfahrenen Weges.

Das Verfahren umfaßt die Auswertung der Information bezüglich der Schiffsgeschwindigkeit, die in der Doppier-Frequenzabweichung enthalten ist, mit der die empfangenen Frequenzechos behaftet sind entsprechend akustischen Wellen, die vom Schiff ausgesandt und am Boden der Wasserschicht reflektiert wurden.

Unter den auf dem Gebiet der Doppler-Navigatoren bekannten Verfahren können solche mit kontinuierlicher Abstrahlung akustischer Wellen und Empfang der Echos dieser Wellen an Wandler-Empfängern, bei denen es sich nicht üb die Wandler-

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Sender handelt, genannt werden. Der Hauptnachteil der kontinuierlichen Emission liegt in der akustischen Kopplung zwischen den Sendern und den Empfängern. Unter dem Einfluß einer mechanischen Kopplung, Abstrahlverlusten und evtl. parasitären Bewegungen ( Schlingern, Stampfen ) empfangen die Empfänger dauernd einen variablen Anteil der Signale bei Emissionsfrequenz. Hieraus resultiert eine Verbreiterung bzw. Ausbreitung des Doppler-Frequenzspektrums und ein variabler Fehler in der Ermittlung von dessen vorherrschender Frequenz, was der Genauigkeit der Messungen schadet.

Ein anderes Verfahren besteht darin, Signale von einer Dauer höchstens gleich dem Zeitintervall auszusenden das den Beginn der Abstrahlung vom Empfang des Echos trennt und dann Messungen der Frequenzvers chi ebungen während der Unterbrechung der Abstrahlung vorzunehmen. Die Abstrahlungsdauer, beispielsweise festgelegt durch eine Echosonde, kann kontinuierlich oder auch stufenweise variieren, wenn die Fahrzeug und Bezugsfläche trennende Entfernung zu- oder abnimmt. Die Empfangsdauer und somit die Folgeperiode der ausgesandten Signale hängen von der Fahrzeug und Reflektions-Mche trennenden Entfernung ab. Die Anwendung dieses Verfahrens bietet den doppelten der Impulsemission eigenen Vorteil, daß ein eigener Wandler oder Transduktor in jeder Emissionsrichtung verwendet werden kann und die bei der kontinuierlichen Abstrahlung beobachteten akustischen KogLungseffekte eliminiert werden können.

Mit zunehmender Mächtigkeit der Wasserschicht jedoch kann die Fortpflanzung/der akustischen Wellen zwischen ihrem Abstrahlungsaugenblick und dem ihres Empfangs beachtlich

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werden ( 2 Sekunden und mehr ). ^l

Die Verminderung der Eichfrequenz, d. h., der Folgefrequenz der Meßoperationen bringt korrelativ eine Verminderung in der Meßgenauigkeit des Geschwind!gkeitsvektors mit sich.

Demgegenüber soll nun erfindungsgemäß ein Doppler-Navigationsverfahren zur Bestimmung des von einem !Fahrzeug gegenüber einer gegebenenfalls sehr weit von ihm entfernten Bezugsfläche durchfahrenen Raum vorgeschlagen werden, bei dem die oben genannten Nachteile nicht auftreten.

Das Verfahren umfaßt die Abstrahlung von durch eine Folge von Ultraschallimpulsen gebildeten Signalen von einem Fahrzeug entsprechend wenigstens einer bezüglich der Fläche geneigten Abstrahlrichtung; weiterhin den Empfang der Echosignale entsprechend den ausgesandten und durch diese fläche reflektierten Signalen sowie die Messung des vom Schiff durchfahrenen Raums oder Wegs, ausgehend von der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz der abgestrahlten Impulse und der entsprechend der Abstrahlrichtung empfangenen Impulse.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch^ daß die Frequenz der die Impulse bildenden Ultraschallsignale über die Dauer jedes von ihnen variabel ist.

Da die Frequenz der während jedes Impulses ausgesandten Signale variabel ist, ist die Folge der Frequenzen, die man in jedem empfangenen Impuls ermitteln kann, eine Oharakteri stik hierfür. Sie ermöglicht es, sie zu identifizieren, gegebenenfalls die Zuverlässigkeit der Messung zu kontrollieren und eine Korrelation zwischen diesem Impuls und dem ent-

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- 4 sprechenden ausgesandten Impuls herzustellen.

Die Emission kann eine ununterbrochene Impulsfolge konstanter Dauer umfassen, deren Impulsfolgefrequenz variabel und kleiner als das Fortpflanzungszeitintervall ist, welches die Abstrahlung der Signale vom Empfang ihrer Echos trennt.

Da die Folgeperiode der Impulse variabel ist, wird jede zufällige Koinzidenz zwischen der Ausstrahlung eines Impulses und dem Empfang eines anderen vorher ausgesandten Impulses, wenn die Entfernung zwischen Fahrzeug und Oberfläche gewisse bestimmte Werte erreicht hat, sich nur für eine sehr begrenzte Anzahl der anderen empfangenen Impulse als eine sorfältige Auswahl der die aufeinanderfolgenden Impulse trennenden Zeitintervalle darstellen.

Die Messung des die empfangenen Signale betreffenden Doppler-Effekts kann unabhängig von der Fahrzeug und Oberfläche trennenden Entfernung vorgenommen werden. Darüber hinaus ist die Folgeperiode der aufeinanderfolgenden Impulse kleiner als die Fortpflanzungsdauer der Impulse und kann dieser gegenüber klein derart gewählt werden, daß die Eichfrequenz und aus diesem Grund die Qualität und die Genauigkeit der Messungen zunehmen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 die Lage eines Emissions-Empfangs-Bündels

von akustischen Wellen bezüglich des Meeresbodens zeigt; die

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Pig. 2A, 2B und 2C sind Ohronogramme für vom Schiff

längs der Emissionsrichtung ausgesandte Impulse; die

Pig. 3A und 3B zeigen Signale, die während der

Sauer jedes Impulses ausgesandt wurden; und die

Pig. 4A und 4B zeigen verschiedene Modulationscodes

der Impulse.

Das in Pig. I schematisierte Schiff umfaßt wenigstens einen Sender-Empfänger-Wandler oder Transduktor für akustische Welle} der vorzugsweise am Rumpf des Schiffes befestigt ist; vorzugsweise sind zwei solcher Iransduktoren vorgesehen.

ist
Sie Achse des Iransduktors/beispielsweise in einer vertikalen die Längsachse des Fahrzeugs enthaltenden Ebene und in einer bezüglich der Meeresbodenoberfläche geneigten Richtung angeordnet. Mit (3 wird der durch die Richtungen der Abstrahlbündel mit der Vertikalen gebildete Winkel mit P die Projektion des Geschwindigkeitsvektor T des Pahrzeugs auf die Achse der Abstrahlbündel und mit Δ P die Abweichung zwischen der Frequenz f der akustischen abgestrahlten Wellen und derjenigen f der akustischen empfangenen Wellen, die aus einer Rückstreuung an der Meeresbodenoberfläche stammen, bezeichnet.

Die Projektion/³steht mit der Frequenzabweichung Δ Ρ in der Beziehung:

P = ^A ΔΡ

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wobei Λ die Wellenlänge der im fortpflanzungsmedium abgestrahlten Signale bezeichnet.

Da die Projektion P gleich V sin(3 ist, ist die Fahrzeuggeschwindigkeit mit t±F durch die Beziehung verknüpft:

^Λ Af (2)

2 sin P

unter Berücksichtigung der Beziehung (1).

Wenn man darüber hinaus ß gleich 30° wählt, so läßt sich die Geschwindigkeit einfach ausdrücken durch:

Bas in fig. 23dargestellte Ohronogramm zeigt, daß die Abstrahlung in form einer ununterbrochenen folge von Impulsen der Breite θ vorgenommen wird, deren Abstand voneinander um einen mittleren Wert T (fig. 2A) variabel ist.

Im dargestellten Beispiel ist die "Verschiebung ΔΙ jedes Impulses bezüglich T.ausgedrückt als ein Vielfaches einer Elementarverschiebung £ T, die gleich 3J/10 gewählt ist. Diese in Einheiten von δ Τ aufeinanderfolgenden Impulse ausgedrückten Verschiebungen betragen jeweils 1, 3, 6, 10, 7, 6 und 2 Einheiten (siehe fig. 20). Diese Verschiebungen bewirken, daß, wenn eine völlige und zufällige Koinzidenz zwischen einem ausgesandten Impuls und einem empfangenen Impuls sich an einem Transduktor einstel-

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len sollte, würde, wenn die Portpflanzungsdauer der Impulse zwischen Fahrzeug und Bezugsfläche gleich dem zwei beliebige abgestrahlte Impulse trennenden Zeitintervall ist, diese Koinzidenz sich höchstens vollständig in stark begrenzter Zahl reproduzieren.

Wenn beispielsweise der Folgezyklus des Codes der Verschiebungen bei 81 liegt, kann die Anzahl der beobachteten Koinzidenzen auf zwei beschränkt werden. In sämtlichen Fällen können die Messungen des Doppier-Effektes in dieser Weise an der größten Majorität der Impulsechos vorgenommen werden.

Nach dem dargestellten Beispiel wiederholt sich die Folge der die Impulse beeinflußenden Verschiebungen mit einer Periode von 8T.

Das Modulationsbeispiel in der dargestellten Lage ist selbstverständlich nicht als begrenzend anzusehen. Man kann vielmehr allgemeiner irgendeine beliebige Verschiebung der Impulse wählen, welche es zulassen, soweit wie möglich, die Anzahl von zufälligen Koinzidenzen zu begrenzen, die zwischen abgestrahlten Impulsen und empfangenen Impulsen auftreten können.

Ein anderes Gharakteristikum des Verfahrens betrifft die Natur der während der Dauer jedes Impulses abgestrahlten Signale. Sie besteht darin, als Funktion der Zeit.die Frequenz der während jedes Emissionszeitintervalls θ ausgesandten Signale variieren zu lassen. Die ausgesandten Signale können beispielsweise aus einer kontinuierlichen Folge von Signalen unterschiedlicher Frequenz gebildet sein, was von Fachleuten FSK-Modulation bezeichnet wird. ( Frequenzum-

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tastungsmodulation). Der Wert der in der Signalfolge enthaltenen Frequenzen und ihre Aufeinanderfolge variieren von einem Impuls zum anderen, derart, daß die während eines Zeitintervalls ausgesandten Impulse, eines Zeitintervalls, das gleich demjenigen ist, welches den Abstrahlaugenblick für die akustischen Wellen und den Augenblick des Empfangs ihrer Echos trennt und der maximalen Reichweite der liavigationseinrichtung entspricht, sich leicht beim Empfang bezüglich einander unterscheiden lassen.

Für den Fall, wo jeder Impuls die Einhüllende eines Signals von der konstanten Periode ~t (Fig. 3A) bilden würde, wäre die gesamte Emissionsdauer θ gleich einer ganzen Zahl η von Perioden dieses Signals. Beispielsweise und aus Gründen einer zweckmäßigen Berechnung wählt man eine Signalfolge, die man ^1lmit konstanter Integration" nennt, d. h., die aus einer kontinuierlichen Folge von Signalen der Periode S. gebildet ist, die variabel als Funktion der Zeit in einem Intervall & T bestimmter Dauer ist, in jedem Abstrahlintervall θ enthalten ist und der Gleichung

= 9» (4)

für jedem der ausgesandten Impulse genügt. Das Intervall Θ¹ kann gegebenenfalls gleich θ gewählt werden. Unabhängig vom gewählten Code ( Wert der Bildungsfrequenzen und Ordnung der Aufeinanderfolge ) ist die Anzahl der in jedem Impuls enthaltenen Perioden eine ganze Zahl.

Vorteilhaft kann man einen Code wählen, der durch einer

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η (t) 6 (t) dt

Gesamtheit von Frequenzen f-,, fp,... .f.,... .f^ , die für jeden Impuls identisch ist,besteht. Um jeden Impuls gut erkennbar zu machen, läßt man die Ordnung der Aufeinanderfolge der Frequenzen innerhalb jedes Impulses sowie die Periodenzahl n-^, n₂... .n.... .n^. der Signale

mit den Perioden &-,, (^₂ & i & ν jeweils

ejnteprechend den Frequenzen f-^, f₂ t^ £^. derart

variieren, daß:

L, η. ζ. =η_ο Z₀

dauernd erfüllt wird. Θ¹ bezeichnet die Abstrahldauer, die gleich Q sein kann, die aber vorzugsweise kleiner als dieser Wert gewählt werden kann, damit die Signalsequenz mit den Frequenzen f^, welche den Impuls bildet, nicht teilweise durch Übergangserscheinungen oder Einschwingvorgänge überdeckt wird, die man praktisch zu Beginn des Empfangs jedes Impulses beobachtet.

In diesem Fall geht der Abstrahlsequenz mit der Dauer Θ¹ unmittelbar vorher und folgt ihri ein Signal konstanter Frequenz, das gegebenenfalls unterschiedlich zu den Frequenzen f. gewählt wird, derart, daß die Gesamtheit der abgestrahlten Signale eine Dauer θ aufweist.

Um die vom Fahrzeug durchfahrene Entfernung zu bestimmen » mißt man die Dauer einer bestimmten Anzahl von Perioden der jeden abgestrahlten Impuls bildenden Signalfolge und mißt die Dauer der gleichen vorbestimmten Anzahl von Signalperioden, die den entsprechenden empfangenen Impuls bilden, wenn eine Korrelation der in diesen Impulsen enthaltenen Frequenzcodes hergestellt ist.

- 10 4 098 84/1071

Mit S θ. bezeichnet man das Emissionszeitintervall der n.-Signalperioden von der Periode O. innerhalb der Sequenz, mit fc θ ¹^ das Empfangszeitintervall der ^-Perioden, von denen eine jede einen Wert ζ ¹^ unterschiedlich zu ^ wegen des Doppler-Effektes aufweist; mit ö¹¹ bezeichnet man die Summe der Elementarintervalle δ Θ¹., mit f^ die Empfangsfrequenz entsprechend der Emissionsfrequenz f. (f. = —=r= ) und mitAf. die Ab-

weichung zwischen den Frequenzen f. und f. .

Die vorhergehende Beziehung (3) läßt sich noch schreiben als:
4 X · Χ-« Χ ·

(6) ^v = ^G -Jl. = ο CL₇ i = ο (1--Λ

Die vom Fahrzeug während des Zeitintervalle θ¹ durch fahrene Entfernung läßt sich ausdrücken in der Form von:

Y f

(7) Ε = νθ« = G^J¹ ^

Aufgrund der die verschiedenen Symbole verknüpfenden Be zieheungen läßt sich die Gleichung (5) umformen und schreiben als

ⁿi Vi

- 11 409884/1071

- li -

Die Messung der Dauer von n.-Perioden erfolgt, indem man die Anzahl der Perioden eines Taktgebersignals von der Periode t sehr klein gegenüber der die Emissionsfolge bildenden Signale mißt. Die .jeweils gemessenen Zahlen N. und N¹. sind derart, daß :

Aufgrund der vorstehenden Beziehungen läßt sich die Gleichung (6) in die Form bringen:

*of

Wenn man nun die in der Praxis gerechtfertigte Annäherung Tornimmt, daß nämlich N¹. - N. einen gegenüber N. vernachlässigbaren Wert hat, dann läßt sich die vorstehende Gleichung noch schreiben als:

man setzt:

wodurch die Beziehung (12) in die Eorm gebracht werden kann:

- 12 40988 4/10 71

= ^C *o ^(B's - V

Der während des mittleren Impulsfolgezeitintervalls der aufeinanderfolgenden Impulse durchfahrene Raum (Ent fernung) läßt sich in folgender Weise ausdrücken:

E_T = K (Η·_Β - Ή_Β)

wobei K proportional C t und dem Verhältnis zwischen T und Θ¹ ist. Wenn die Sequenz der ausgesandten Signale innerhalb jedes Impulses von konstanter Integration ist, sind das Verhältnis zwischen !D und θ',somit der Koeffizient K unabhängig vom gewählten Code, und die Zahl K , die die Periodenzahl des Taktgebersignals in einem konstanten Zeitintervall θ¹ angibt, ist selbst eine Eonstante. Sie Bestimmung des durchfahrenen Raums ( der Entfernung) läßt sich auf einfache Vorgänge reduzieren, sobald einmal die Zahl »'_s aufgezeichnet ist.

Verfügt das Fahrzeug über zwei symmetrisch bezüglich der Vertikalen orientierte Abstrahlbündel, die in einer die Symmetrieachse des Fahrzeugs enthaltenden Ebene angeordnet sind, so werden N¹'. und ü¹. Perioden des Taktgebersignals jeweils xatoead jedes Empfangszeitintervalls der Impulse an den beiden Bündeln gezählt, wobei diese beiden Zahlen Werte aufweisen, die symmetrisch bezüglich der von N. sind.

In diesem Fall läßt sich der während jedes Zeitintervalls T durchfahrene Weg schreiben als:

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wobei F¹ und N¹' die ganzen Zahlen von Perioden des ss

Taktgebersignals bezeichnen, die während der Empfangszeit an den jeweils entsprechend den beiden Bündeln empfangenen Impulsen gezählt wurden.

Die Genauigkeit jeder Messung wird um so besser, je größer die Zahlen E¹ und IT¹¹ sind, d. h., daß die Meßdauer θ¹¹ größer wird und die Frequenz des Taktgebersignals höher liegt.

Sämtliche vorgenommene Messungen sind Zeitmessungen, die sich am einfachsten verwirklichen lassen.

Da das Verfahren eine Identifikation der Impulse umfaßt, kann man also ihre Fortpflanzungszeit messen und die Ergebnisse verwenden, um bekannte Meeresbodenneigungs-Lagekorrekturen ( correction d'assiette de pendage du fond) und illtrierungen der Doppler-Informationen, insbesondere vom rekursifen Typ, verwirklichen.

Pat entangprüche - 14 -

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Claims

- 14 - PAIEETCANSPRtJCHE

1./ Verfahren zur Bestimmung des von einem Fahrzeug gegenüber einer Bezugsfläche durchfahrenen Weges, wobei Signale vom .Fahrzeug in wenigstens einer bezüglich dieser Fläche geneigten Emissionsrichtung abgestrahlt werden, Echosignale entsprechend den durch diese fläche ausgesandten und reflektierten Signalen empfangen werden und der vom Fahrzeug durchfahrene Weg aus der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz der abgestrahlten Signale und der in Abstrahlrichtung empfangenen Signale gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Abstrahlung aus einer ununterbrochenen Aufeinanderfolge von Impulsen gewählt wird, deren Folgeperiode variabel und kleiner als das Fortpflanzungszeitintervall ist, welches die Abstrahlung dieser Signale von ihrem Smpfang trennt; und daß die Frequenz der diese Impulse bildenden Signale während der Sauer jedes dieser Impulse variabel ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes der Impulse konstant gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der ganzen Koinzidenzen zwischen einer beliebigen Folge ausgesandter Impulse und der entsprechenden Folge empfangener Impulse höchstens gleich zwei ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Folgeperiode dieser Impulse, berechnet über die Dauer einer Sequenz, die aus einer bestimmten Anzahl von Impulsen der ununterbrochenen Impulsfolge gebildet ist, konstant ist.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenzahl der ausgesandten Signale in einem konstanten und vorbestimmten Zeitintervall innerhalb der Dauer jedes Impulses eine ganze Zahl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die während jedes Impulses ausgesandten Signale eine kontinuierliche Folge von Signalen umfassen, deren Frequenzen sich voneinander unterscheiden und in einem vorbestimmten Frequenzband gewählt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die während jedes Impulses ausgesandten Signale eine Folge von Signalen umfassen, deren Frequenzen sich voneinander unterscheiden und innerhalb einer Gruppe mehrerer vorbestimmter Frequenzen gewählt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchfahrene Strecke durch die Messung der Periodenzahlen eines Signals bestimmt wird, dasen Frequenz groß bezüglich der diese Impulse bildenden Signale ist, die jeweils in ein und der gleichen Periodenzahl der ausgesandten Signale und der empfangenen Signale enthalten sind.

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