DE2430746C2

DE2430746C2 - Verfahren zum Bestimmen des von einem Wasserfahrzeug gegenüber einer Bezugsfläche durchfahrenen Wegs

Info

Publication number: DE2430746C2
Application number: DE2430746A
Authority: DE
Inventors: Robert 92700 Colombes 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: 1983-08-11
Also published as: FR2235374A1; FR2235374B1; NO139938C; US4065744A; GB1450459A; DE2430746A1; NO139938B; NO742204L; NL7408806A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen ( des von einem Wasserfahrzeug gegenüber einer Bezugsfläche durchfahrenen Wegs, wobei Signale vom Wasserfahrzeug in wenigstens einer bezüglich dieser Flache geneigten Emissionsrichtung abgestrahlt werden, Echosignale entsprechend den durch diese Fläche ausgesandten und reflektierten Signalen empfangen werden und der vom Wasserfahrzeug durchfahrene Weg aus der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz der abgestrahlten Signale und der in Abstrahlrichtung empfangenen Signale gemessen wird. Bei diesem Navigationsverfahren wird der Dopplereffekt ausgenutzt Ein besonderes Anwendungsgebiet

ίο der Erfindung ist die Bestimmung des vop einem im tiefen Wasser navigierenden Schiff durchfahrenen Wegs.

Ausgewertet werden sollen Informationen bezuglich der Schiffsgeschwindigkeit, die in der Dopplerfrequenzabweichung enthalten ist, mit der die empfangenen Frequenzechos behaftet sind, und zwar entsprechend akustischer Wellen, die vom Schiff ausgesandt und am Boden unter dem Wasser reflektiert werden.

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 um die Wandier-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 zum einen eine Verbreiterung des Doppler-Frequcnzspektrums und zum anderen 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 Frequenzver-Schiebungen während der Unterbrechung der Abstrahlung vorzunehmen. Die Abstrahiuugsdauer, 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 Reflexionsfläche trennenden Entfernung ab. Die Anwendung dieses Verfahrens bietet den doppelten der Impulsemission eigenen Vorteil, daß ein eigener

ίο Wandler oder Transduktor in jeder Emissionsrichtung verwendet werden kann und die bei der kontinuierlichen Abstrahlung beobachteten akustischen Kopplungseffekte eliminiert werden können (US-PS 34 91 333 sowie US-PS 34 96 524).

" Mit zunehmender Mächtigkeit der Wasserschicht jedoch kann die Fortpflanzungsdauer der akustischen Wellen zwischen ihrem Abstrahlungsaugenblick und dem ihres Empfangs beachtliche Werte (2 Sekunden und mehr) annehmen.

^h" Die Verminderung der Eichfrequenz, d. h., der Folgefrequenz der Meßoperationen bringt korrelativ eine Verminderung in der Meßgenauigkeit des Geschwindigkeitsvektors mit sich.

Demgegenüber soll nun erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen des von einem Wasserfahrzeug gegenüber einer (gegebenenfalls sehr weit entfernten) Bezugsfläche durchfahrenen Wegs angegeben werden, durch das die obengenannten bisher unvermeidlichen

Nachteile als behoben werden.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß eine ununterbrochene Folge von Impulsen abgestrahlt wird, die Folgeperiode der Impulse variabel und kleiner als das Fortpflanzungszeitintervall gewählt wird, welches die Abstrahlung vom Empfang dieser Signale trennt und daß die Frequenz der diese Impulse bildenden Signale variabel während der Dauer eines jeden hiervon 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 Charakteristik hierfür. Sie ermöglicht es, sie zu identifizieren, gegebenenfalls die Zuverlässigkeit der Messung zu kontrollieren und eine Korrelation zwischen diesem Impuls und dem entsprechenden ausgesandten Impuls herzustellen.

Vorzugsweise kann die Dauer jedes Impulses konstant gewählt werden.

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 sorgfältige 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 Zeichnungen näher erläutert werden, in denen:

Fig. 1 die Lage eines Emissions-Empfangs-Bündels von akustischen Wellen bezüglich des Meeresbodens zeigt; die

Fig.2A, 2B und 2C sind Chronogramme für vom Schiff längs der Emissionsrichtung ausgesandte Impulse; die

Fig.3A und 3B zeigen Signale, die während der Dauer jedes Impulses ausgesandt Wb.-den; und die

F i g. 4A und 4B zeigen verschiedene Modulationscodes der Impulse.

Das in F i g. 1 schematisierte Schiff umfaßt wenigstens einen Sender-Empfänger-Wandler oder Transduktor für akustische Wellen, der vorzugsweise am Rumpf des Schiffes befestigt ist; vorzugsweise sind zwei solcher Transduktoren vorgesehen.

Die Achse des Transduktors ist beispielsweise in einer vertikalen die Längsachse des Fahrzeugs enthaltenden Ebene und in einer bezüglich der Meeresbodenoberfläche geneigten Richtung angeordnet. Mit β wird der durch die Richtungen der Abstrahlbündel mit der Vertikalen gebildete Winkel mit P die Projektion des Geschwindigkeitsvektors V des Fahrzeugs auf die Achse der Abstrahlbündel und mit AFdie Abweichung zwischen der Frequenz k der akustischen abgestrahlten Wellen und derjenigen /"der akustischen empfangenen Wellen, die aus einer Rückstreuung an der Meeresbodenoberfläche stammen, bezeichnet.

Die Projektion P sieht mit der Frequenzabweichung AFin der Beziehung:

(1)

wobei λ die Wellenlänge der im Fortpflanzungsmedium abgestrahlten Signale bezeichnet.

Da die Projektion ρ gleich Ksin^S ist, ist die Fahrzeuggeschwindigkeit mit ^.Fdurch die Beziehung verknüpft:

K =

2 sin/?

AF

unter Berücksichtigung der Beziehung (1).

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

V=XAF

Das in F i g. 2B dargestellte Chronogramm zeigt, daß die Abstrahlung in Form einer ununterbrochenen Folge von Impulsen der Breite Θ vorgenommen wird, deren Abstand voneinander um einen mittleren Wert T (F i g. 2A) variabel ist.

Im dargestellten Beispiel ist die Verschiebung AT jedes Impulses bezüglich T ausgedrückt als ein Vielfaches einer Elementarverschiebung OT, die gleich 7710 gewählt ist. Diese in Einheiten von oTaufeinanderfolgenuen Impulse ausgedrückten Verschiebungen betragen jeweils 1, 3, 6, 10, 7, 6 und 2 Einheiten (siehe Fig.2C). Diese Verschiebungen bewirken, daß, wenn eine völlige und zufällige Koinzidenz zwischen einem ausgesandten Impuls und einem empfangenen Impuls sich an einem Transduktor einstellen sollte, würde, wenn die Fortpflanzungsdauer 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 8 T liegt, kann die Anzahl der beobachteten Koinzidenzen auf zwei beschränkt werden. In sämtlichen Fällen können die Messungen des Dor'pler-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 87!

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

Ein anderes Charakteristikum des Verfahrens betrifft die Natur der während der Dauer jedes Impulses abgestrahlten Signale. Sie besteht darin, r.ls 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 (Frequenzumtastungsmodulation). Der Wert der in der Signalfolge enthaltenen Frequenzen und ihre Aufeinanderfolge variieren von einem Impuls zum anderen, derart, daß die während eines ZeL-ntervalls ausgesandten Impulse eines Zeitintervalls, das gleich demjenigen ist, welches den AbstrahlauHenblick für die akustischen Wellen und

den Augenblick des Empfangs ihrer Echos trennt und der maximalen Reichweite der Navigationseinrichtung entspricht, sich leicht beim Empfang bezüglich einander unterscheiden lassen.

Für den Fall, wo jeder Impuls die Einhüllende eines Signals von der konstanten Periode ro (F i g. 3A) bilden würde, wäre die gesamte Emissionsdauer θ gleich einer ganzen Zahl n₀ von Perioden dieses Signals. Beispielsweise und aus Gründen einer zweckmäßigen Berechnung wählt man eine Signalfolge, die man »mit konstanter Integration« nennt, d. h., die aus einer kontinuierlichen Folge von Signalen der Periode r gebildet ist. die variabel als Funktion der Zeit in einem Intervall '37" bestimmter Dauer ist, in jedem Abstrahlintervall θ enthalten ist und der Gleichung

; (D

(4)

Tut jcucii

ιΓΓιμϋί^ genügt. DaS !mCrVuü

kann gegebenenfalls gleich Θ gewählt werden. Unabhängig vom gewählten Code (Wert der BildungsfreqiK'nzen und Ordnung der Aufeinanderfolge) ist die Anzahl der in jedem Impuls enthaltenen Perioden eine ganze Zahl.

Vorteilhaft kann man einen Code wählen, der aus einer Zahl von Frequenzen f\, /i, .../"„... /i, 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 /Ji, /?:... n,... /7t der Signale mit den Perioden ri, r> ... τ, ... τά jeweils entsprechend den Frequenzen f\. fi... {,... /* derart variieren, daß:

J_-1 η, ι = n, ir = Θ'

(5)

dauernd erfüllt wird. Θ' bezeichnet die Abstrahldauer, die gleich θ sein kann, die aber vorzugsweise kleiner als dieser Wert gewählt werden kann, damit die Signalfolge mit den Frequenzen /j. 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 Abstrahlfolge mit der Dauer Θ' ein Signal unmittelbar vorher und folgt ihr; 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 aus den Abstrahlimpulsen bestehenden 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

Mit όθ, bezeichnet man das Emissionszeitintervall der /7,-Signalperioden von der Periode τ, innerhalb der Sequenz, mit δθ', das Empfangszeitintervall der Hz-Perioden, von denen eine jede einen Wert r', unterschiedlich zu r, wegen des Doppler-Effektes aufweist; mit Θ" bezeichnet man die Summe der Elementarintervalle <5Θ'_Λ mit /', die Empfangsfrequenz entsprechend der Ernissior.sfrequenz l·, {/'/= — ) und mit Af- die Die vorhergehende Beziehung (J) läßt sich noch schreiben als:

V = C-

■<■

£)■

Die vom Fahrzeug während des Zeitintervalls (-)' durchl'.ihrenc Entfernung läßt sieh ausdrücken in der Form von :

E,_u = V ■ Θ' = C

-A-) '5 0;.

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

,· ,-V"¹ (n,i'_t -n,i,\
\ α, ι, J

Die Messung der Dauer von π,-Perioden erfolgt, indem man die Anzahl der Perioden eines Taktgebersignals von der Periode ίο sehr klein gegenüber der die Emissionsfolge bildenden Signale mißt. Die jeweils gemessenen Zahlen Λ/jund N', sind derart, daß:

η,τ', = N', t, n,r. -■ N₁ to

(9)
(10)

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

(11)

Abweichung zwischen den Frequenzen //und /'-.

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

^r=Cz₀ViVT-Aj. (12)

man setzt:

ν λ; = λ/:,

V γ ₌ ,γ

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

E₀T=Ct₀(NS-Ns) (13)

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

Et= K(N',- Ν,)

wobei K proportional C to und dem Verhältnis zwischen T und Θ' ist Wenn die Sequenz der ausgesandten Signale innerhalb jedes Impulses von konstanter Integration ist, sind das Verhältnis zwischen Γ und Θ', somit der Koeffizient K unabhängig vom gewählten Code, und die Zahl N₅, die die Periodenzahl des Taktgebersignals in einem konstanten Zeitintervall θ' angibt, ist selbst eine Konstante. Die Bestimmung des durchfahrenen Raums (der Entfernung) läßt sich auf

einfache Vorgänge reduzieren, sobald einmal die Zahl N\aufgezeichnet ist.

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

In diesem Fall läßt sich der während jedes Zeitintervalls Tdurchfahrene Weg schreibeil als:

E_r = K (N', - N",)
wobei N'_s und /V", die ganzen Zahlen von Perioden des

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 N', und N", sind. d. h.. daß die Meßdauer Θ" 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 beinhaltet, kann man also deren Fortpflanzungszeit messen und die Ergebnisse verwenden, um bekannte Meeresbodenneigungslagekorrekturen und Filtrierungen der Doppler-Information zu verwirklichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des von einem Wasserfahrzeug gegenüber einer Bezugsfläche durchfahrenen Wegs, wobei Signale vom Wasserfahrzeug 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 Wasserfahrzeug durchfahrene Weg aus der Frequenzabweichung zwischen der Frequenz der abgestrahlten Signale und der in Abstrahlrichtung empfangenen Signale gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine ununterbrochene Folge von Impulsen abgestrahlt wird, die Folgeperiode der Impulse variabel und kleiner als das Fortpflanzungszeitintervall gewählt wird, welches die Abstrahlung vom Empfang dieser Signale trennt und daß die Frequenz der diese Impulse bildenden Signale variabel während der Dauer eines jeden hiervon ist

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes Impulses konstant gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Koinzidenzen zwischen einer beliebigen Folge ausge^andter Impulse und der entsprechenden Folge emfpangener 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 Arzahl von Impulsen der ununterbrochenen Impulsfolge gebildet ist, konstant ist.

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 ausgesanten 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, dessen 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.