DE2555862A1 - Verfahren und anordnung zum kinematischen steuern eines schiffes - Google Patents

Description

PMENTAh¹VsZALTE A. GFiUNECKtR

H. KINKELDEY

Crt -ING

W. STOCKMAIR

DH-IlVG Ae=ICAtTEUD

2555862 κ. Schumann

DR RSFl NAT. - DtPL-FtIYS

P. H. JAKOB

G. BEZOLD

DK RS=LNAT-

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DB BER dec INC.

MÜNCHEN 22

MAXIMiUtANSTRASSE 43

11. Dez. 1975 P 9924

LINDAU

KOCKUMS AUTOMATION AB
Stora Varvsgatan Fack
S-201 10 Malnrö 1, Schweden

Verfahren und Anordnung zum kinematischen Steuern eines Schiffes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum im wesentlichen kinematischen Steuern eines Schiffes längs eines Kursänderimgsweges mit einem vorgegebenen Krümmungsradius, der einer bestimmter; Gesetzmäßigkeit unterliegt< sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

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TELEFON (0S9) 22 2O B2 TELEX OS-29 3SO TELESFiAM'/e MOHAPAT

Navigations- und Steuerungsprobleme treten bei Schiffen auf, die eine solche dynamische Steuerungsträgheit haben, daß von derartigen Schiffen befahrene Wasserwege als eng betrachtet werden müssen. Beispiele sind große Tanker oder große Frachter, die in Küstengewässern verkehren. Nachfolgend werden derartige Wasserwege für die Schiffe als Passagen oder Durchfahrten bezeichnet, durch die die Schiffe hindurchzunavigieren sind. Ein Grundprinzip der Navigation in solchen Passagen ist die kontinuierliche Überprüfung der Position des Schiffes. Der Navigator weiß, wo sich das Schiff in Bezug auf geeignete Bezugsmarken, wie Seezeichen, Leuchtzeichen, Kaps oder dergl. befindet. Die in absoluten Koordinaten ausgedrückte Position, z.B. nach Länge und Breite, ist nicht wichtig. Die Position wird durch Beobachtungen, z.B. durch Sichtbeobachtung oder Radarbeobachtung der Umgebung überprüft. Beim Navigieren in Passagen werden Kurse von Seekarten oder mit Hilfe von Kurslinien von einer Navigationsradaranzeige entnommen. Ein bestimmter Kurs wird durch Beobachtung des Kompasses und durch Beobachtung der Kursänderungswinkelgeschwindigkeit auf einem Instrument beibehalten.

Kleine Kursänderungen bringen ke±ne größeren Probleme mit sich. Die Notwendigkeit für'solche Änderungen kann durch einfache Sichtbeobachtung, z.B. bei der Navigation längs einer Führungslinie, oder durch eine Kurslinie auf einer Radaranzeige festgestellt werden. Auch das Steuern auf solchen korrigierten Kursen bedeutet kein größeres Problem. Ein Instrument für die Kursänderungswinkelgeschwindigkeit bedeutet eine erhebliche Erleichterung für ein solches Steuern. In Verbindung mit größeren Kursänderungen, wobei die Enge der Kursänderungen von den Passagebedingungen abhängt, vergrößern sich jedoch die Schwierigkeiten bei der Steuerung erheblich. Es ist schwierig, die Position nach Beendigung der Kursänderung mit der gewünschten Genauigkeit vorherzusagen. Ein her™

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kömmliches Verfahren zur Steuerung einer Kursänderung, wird nachfolgend "beschrieben.

Das Schiff "bewegt sich längs eines geraden Kurses in der Passage, was hier als anliegender Kurs bezeichnet wird. Dann muß eine Wendung durch eine Durchfahrt hindurch vorgenommen und nach dieser Durchfahrt ein neuer gerader Kurs, der hier als Ausgangskurs bezeichnet wird, wiederaufgenommen wird. Der Ausgangskurs kann einer Seekarte oder mit Hilfe einer Kurslinie einer Radaranzeige entnommen werden. Die Kursänderung wird durch Befehlen einer bestimmten Ruderverstellung, also eines Ruderwinkels, vorgenommen, die auf Erfahrungswerten beruht.

Auf diese Weise wird die vorstehend beschriebene Kursänderung in einem bestimmten "Einstellpunkt" eingeleitet, der durch Beobachtungen unter Sichtverhältnissen oder durch Radar bestimmt wird. Infolge der Trägheit der Ruderanlage, der Bewegung des Schiffes und dergl. wird der Einstellpunkt so gewählt, daß er eine bestimmte Entfernung, die durch Erfahrungswerte bestimmt wird, vor dem Punkt des Weges liegt, an dem die Kursänderung einen mehr oder weniger festen Kursänderungsmittelpunkt hat. Wird die gewünschte Enge der Kursänderung in Betracht gezogen, so befiehlt der Kommandant eine bestimmte Ruderverstellung, z.B. 20 Steuerbord. Unter Berücksichtigung der Verminderung der Geschwindigkeit infolge der Kursänderung,der Drift und dergl., kann der Kommandant nach Beendigung der Kursänderung die Position des Schiffes nicht mit Sicherheit angeben. Relativ große Posi4;ionsfehler können gegenüber der Passage auftreten, durch die hindurch zu navigieren ist. Es siiid daher sehr erfahrene Navigatoren und Beobachter zur Durchführung einer guten Kursänderung· erforderlich.

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Kurz bevor der neue gerade Kurs, der Ausgangskurs, erreicht wird, · befiehlt der Kommandant den neuen Kurs und der Rudergänger beseitigt den festen Ruderwinkel und mit Hilfe des Kompasses, des Anzeigeinstrumentes für die Kursänderungswinkelgeschwindigkeit und der allgemeinen Erfahrung steuert er in den neuen Kurs. Während dieses Überganges müssen Korrekturen auch der Fehler in der Querposition vorgenommen werden, die während der Kursänderung auftreten. Für diese Korrektur ist ein .Manövrierabstand erforderlich. Dieser Abstand wird dadurch erhalten, daß die Kursänderung enger als erforderlich im Hinblick auf die Bodentopografie oder andere Hindernisse gemacht wird. Enge Kursänderungen in zu befahrenden Passagen sind jedoch sowohl für die betroffenen Personen als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt nachteilig. Das Bedienungspersonal muß daher eine große Erfahrung und Aufmerksamkeit haben. Dieses ist für die Sicherheit der Schiffsführung von größter Wichtigkeit. Vom Wirtschaftlichen bedingen enge Kursänderungen Energieverluste infolge einer Geschwindigkeitsverminderung. Die Geschwindigkeit kann sich während einer engen Kursänderung erheblich verringern. Auch der Komfort der Passagiere kanndurch solche engen Kursänderungen nachteilig beeinflußt werden.

Eine nachgewiesene Alternative für die Steuerung ist die Voraussage

der Bewegung und des Weges des Schiffes für eine Anzahl von .Schiff slangen im voraus mit Hilfe von instrumentalen Berechnungseinrichtungen, z.B. mit Hilfe eines Computers, wobei die äußeren Bedingungen, wie die Bodeneigenschaften, die Drift und dergl., und die Ruderverstellung des Schiffes, der* Bewegungszustand und die dynamischen Eigenschaften in Betracht gezogen werden. Der vorausgesagte Weg wird z.B. auf einer Radaranzeige dargestellt und kann daher die Grundlage für die Steuerung bilden. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß richtige Informationen .über die

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dynamischen Eigenschaften des Schiffes erforderlich sind, die oftmals sehr kompliziert sind und "bis zu mehreren Zehnern dynamischer Parameter aufweisen. Da die Parameter sich infolge z.B. der Bodeneigenschaften in flachen Gewässern ändern können, ist die Genauigkeit schlecht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neues Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit denen ein Schiff zuverlässiger und genauer zu navigieren und zu steuern ist.

Bei einem Verfahren der genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an einem Modell des Kursänderungsweges der Einstellwert einer der Größen Krümmungsradius E- und Winkelgeschwindigkeit des Kursänderungsweges des Schiffes ^-V/E-, "bestimmt wird, daß der tatsächliche Wert der Winkelgeschwindigkeit ^. und des Krümmungsradius Rg₁=VA^₀ des Schiffes "bestimmt wird, wobei V ein mindestens annäherndes Maß für die Übergrundgeschwindigkeit des Schiffes ist, daß ein Steuersignal für die so bestimmten Werte erzeugt wird, das eine Funktion einer der Größen E_b-E_a, E^-E₃"¹, ^-«υ. , γ¹-^^¹ und V-E^ ^ ist, und daß in Abhängigkeit von diesen Größen eine solche Änderung der Euderstellung bewirkt wird, die zur* Minimalisierurig des Steuersignals erforderlich ist.

Der grundlegende Gedanke der Erfindung ist, daß während der stetigen Phase, d.h. während 'der Phase der Kursänderung, bei der Bedingungen zum Arbeiten mit einem leicht kontrollierbaren Radius der Krümmung vorhanden sind, versucht wird, das Schiff durch Eudereinstellungsänderungen und durch Benutzung von Servosteuermethoden derart zu steuern, daß der Radius der Krümmung des KursändorunssvejTCi? de.-:

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Schiffes, der durch, an Bord befindliche Instrumente "bestimmt wurde, einem bestimmten geeigneten Programm für die Kursänderungskrümmung während der Kursänderung folgt. Fachfolgend wird der Radius des Krümmungsweges dieses Kursänderungsprogramms oder eines geplanten Modells einer gewünschten Kursänderung als der voreingestellte Radius bezeichnet.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen, die sich auszeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen des tatsächlichen Wertes der Wegwinkelgeschwindigkeit u; und des Radius der Wegkrümmung RVA

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des Schiffes, wobei V ein mindestens annäherndes Maß für die Übergrundgeschwindigkeit des Schiffes ist, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Steuersignals, das eine Funktion einer der

Größen R_b-R_a, %~¹-^β _&~¹1™ ϊγ%> ^b"¹"^"^{1 ist}> ^{sus den durcl1 die} ersten Einrichtungen bestimmten Werten und aus dem voreingestellten Wert einer der Größen des Krümmungsradius R-, des Weges und der Wegwir&elgeschwindigkeit u^^V/R,, die durch ein Wegmodell bestimmt sind, und durch eine Einrichtung zur Benutzung des Steuersignals bei der Einstellung der Ruderstellung des Schiffes.

Der voreingestellte Radius wird entweder auf einer Seekarte mit Hilfe eines Greifzirkels oder Festlegungen einer Kursänderung oder aber mit Hilfe einer Anzeigeeinheit bestimmt. Im letzteren Fall wird ein Bild der Umgebung des Schiffes z.B. in Form eines Radar-PPI-Bildes, und auch ein durch Kurven und Linien mathematisch bestimmter Weg dargestellt, der auf dem Bi^d der Umgebung mit Hilfe von Steuereinrichtungen in einer solchen Weise angeordnet v/erden kann, daß er für die bevorstehende Passage geeignet ist. Durch kontinuierliche Abbildung des verbleibenden Teils der geplanten Kursänderung auf einer Bilddarstellung der zuletzt genannten Art

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wahrend der geeigneten Kursänderung können sich ergebende Kursabweichungen sehr früh festgestellt und korrigiert werden.

Es ist naheliegend und wahrscheinlich auch am einfachsten mit einem konstanten Radius der Wegkrümmung zu arbeiten. In jedem Fall wird ein konstanter Wert des Eadius der Wegkrümmung, die einem kreisförmigen Kursänderungskreis entspricht, bevorzugt, wenn eine Seekarte als Grundlage für die Planung der Kursänderung benutzt wird. Wird dieser Radius in Verbindung mit der Erzeugung und Darstellung eines gewünschten Kursänderungsweges z.B. auf einer Radaranzeige bestimmt, kann eine weitere Art des V/eges, z.B. ein elliptischer Weg, eine Alternative sein.

Arbeiten die an Bord befindlichen Instrumente, wie Logsysteme, Kompasse, Winkelgeschwindigkeitsmesser, Hilfsrecheneinrxchtungen und ähnliche Einheiten, mit ausreichender Genauigkeit, so kann der von dem Schiff während der stetigen Phase der Kursänderung beschriebene Weg als geometrisch gegeben angesehen werden. Durch Drift, sich ändernde Bodenverhältnisse in flachen Gewässern, sich ändernde dynamische Eigenschaften des Schiffes und dergl. bedingte Störungen führen in diesem Fall nur zu kleineren Rückkopplungsfehlern. Der Hauptteil des Kursänderungsweges des Schiffes wird daher von irgendwelchen dynamischen Bedingungen grundsätzlich nicht beeinträchtigt. Der einzige Umstand, der beachtet werden muß, ist der, daß die dynamischen Bedingungen bei dem tatsächlichen Vorgang eine stetige Kursänderung mit dem gewünschten Radius der Wegkrümmung zulassen. Die vorstehend dargelegten Merkmale bilden die Grundlage und den kennzeichnenden Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und bekannten Verfahren, die bisher benutzt und geplant wurden.

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Obwohl das kinematische Verfahren zur Steuerung, wie es zuvor umrissen wurde, eine verbesserte Navigationsgenauigkeit während der stetigen Phase des Weges bedingt, haben Störungen der vorstehend genannten Art verschiedene Möglichkeiten, den Ablauf des Weges während der Anfangsphase in unkontrollierbarer Weise zu beeinflussen, wenn der Radius der Wegkrümmung von einer unendlichen Größe auf den geplanten Wert abnimmt. Es ist daher von wesentlicher Wichtigkeit, daß diese Störungen, in erster Linie die durch Änderungen der dynamischen Eigenschaften des Schiffes bedingten Störungen, die Anfangsphase der Kursänderung so wenig wie möglich beeinflussen. Um dieses zu erreichen, muß grundsätzlich die Anfangsphase des Weges so reproduzierbar wie iröglich gemacht werden. Ein möglicher Weg dazu ist es, die Anfangsphase kurzzumachen, indem die Kursänderung bei einer relativ großen Ruderverstellung eingeleitet wird. Unmittelbar vor der stetigen Phase, d.h., wenn der Radius der eingeleiteten Kursänderung, dessen Wert durch Instrumente bestimmt wurde, den Einstellwert des Radiiis der Wegkrümmung erreicht, wird die Ruderverstellung auf den Wert verhindert, der durch den Nachfolgevorgang bestimmt ist, der durch die Rückkopplungsanordnung bewirkt wird.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 den tatsächlichen Ablauf einer Kursänderung eines Schiffes,

Fig. 2 ein zugeordnetes, annähernd richtiges Modell einer Kurs-'' and erung,

Fig. 3 eine Parameterabhängi gkeit der sogenannten Einführun^r— entfernung F,

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Pig. 4 schematisch ein Blockschaltbild der neuen Anordnung, Fig. 5 eine Einrichtung für die Kursänderungs-Auslegung, Fig. 6 geometrische Beziehungen bei einer Kursänderung,

Fig. 7 Anzeigeeinrichtungen mit einer kreisförmigen Skala bis 9 zur Darstellung von Kursanderungsradien,

Fig. 10 eine Anzeigeeinrichtung mit einer linearen Skala zur Darstellung von Kursanderungsradien,

Fig. 11 eine Anzeigeeinrichtung zur hybriden digital-analogen Darstellung von Kursanderungsradien,

Fig. 12 schematisch eine Zusammenfassung einer ein Wegmodell bestimmenden Anseigeeinhe.it,

Fig. 13 schematisch ein Wegmodell, das auf einer Anzeigeeinheit dargestellt ist,

Fig. 14 schematisch eine Anzeigeeinheit mit einem parametergesteuerten Wegmodell, wobei die Anzeigeeinheit im wesentlichen durch einen Anzeigeschirm und Steuereinrichtungen gebildet ist,

Fig. 15a den Ablauf vor und bis zum Einst ei.Ipunkt einer Kursbis 15f änderung, wie dieser Ablauf auf dem Anzeigeschirm einer Anzeigeeinheit mit einem parametergesteuerten Wegmodell entsprechend Fig. 14 dargestellt ist,

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Fig. 16a den Ablauf während einer Kursänderung, wobei dieser bis 16c Ablauf auf einem Anzeigeschirm einer Anzeigeeinheit mit einem parametergesteuerten Wegmodell entsprechend der Fig. 14 beobachtet werden kann,

Fig. 17 schematisch eine Darstellung eines tatsächlichen Winkelablaufes während einer Kursänderung,

Fig. 18 schematisch ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Bestimmung des tatsächlichen Kurses, wie er dui*ch das Modell während einer Kursänderung festgelegt ist,

Fig. 19 ein Blockschaltbild einer Anzeigeeinheit, die einen Generator für ein Wegmodell aufweist, mit Polarkoordinaten arbeitet und ein parametergesteuertes Wegmodellbild mit Hilfe eines radialen Linien-Punkt-Schirmrasters erzeugt,

Fig. 20 die Polarkoordinaten des Wegmodells,

Fig. 21 schematisch ein Blockschaltbild einer Anzeigeeinheit, die ein parametergesteuertes Wegmodellbild hat, das in kartesichen Koordinaten während der Zwischenabtastzeit des Bildes der Umgebung erzeugt wird,

Fig. 22 schematisch eine Anzeigeeinheit mit einem symbolgesteuerten Wegmodell, _φ

Fig. 23a den Ablauf vor und bis zu dem Einstellpunkt einer Kursbis 23e änderung, wobei dieser Ablauf auf dem Anzeigeschirm einer Anzeigeeinheit mit einer symbolgesteuerten Anzeigeeinheit beobachtet werden kann,

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Fig. 24 schematisch erforderliche Korrekturen des Wegmodells in einer Anzeigeeinheit, die ein syrnbolgesteuertes Wegmodell aufweist, wenn eine bestimmte Kursänderungsgeometrie vorliegt,

Fig. 25 ein symbolgesteuertes Wegmodell, das verlängert ist, um mehr als eine Kursänderung aufzuweisen,

Fig. 26 schematisch ein Blockschaltbild, bei der das Steuersignal die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und dem tatsächlichen Wert des Radius der Wegkrümmung angibt,

Fig. 27 schematisch ein Blockschaltbild, bei dem das Steuersignal die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und dem tatsächlichen Wert der Winkelgeschwindigkeit des Schiffsrumpfes angibt,

Fig. 28 schematisch ein Blockschaltbild, bei dem das Steuersignal die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und dem tatsächlichen Wert der Wegwinkelgeschwindigkeit des Schiffes angibt,

Fig. 29. schematisch ein Blockschaltbild, bei dem das Steuersignal die Differenz V-wJR, angibt, und

Fig. 50 schematisch ein einleitendes Rudetprogramm / .

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!"ig. 1 zeigt den tatsächlichen Ablauf vom Beginn einer Kursänderung bis zu deren Ende, durch den der Kurs eines Schiffes von einem, anliegenden Kurs 10 bis zu einem nach der Kursänderung eingenommenen Kurs 11 geändert wird. Diese Kursänderung, deren Krümmungsradius E, als konstant angenommen wird, hat eine Anfangsphase 12, eine stetige Phase 13 und eine Abschlußphase 14. Infolge der begrenzten Geschwindigkeit der Rudersteuerungseinrichtung des Schiffes, der dynamischen Trägheit des Schiffes u.dgl. ist es jedoch nicht möglich, wie dieses zuvor erwähnt wurde, vom anliegenden Kurs 10 augenblicklich eine Krümmung des Kursänderungsweges des Schiffes zu erreichen, der dem gewünschten Wert Rj₃ entspricht.

Der Ablauf der Kursänderung kann wie folgt beschrieben werden, wobei eine bestimmte Budereinstellung am Punkt 15, dem Punkt der Rudereinstellung, bewirkt wird. Danach beginnt ziemlich bald das Drehen des Schiffes um seine Gierachse. Auf diese Weise erhält das Schiff einen Anstellwinkel oder Driftwinkel, der eine Querkraft bewirkt und nachfolgend auch eine nach innen gerichtete Bewegung der eingeleiteten Drehung. Der Krümmungsmittelpunkt des auf diese Weise eingeleiteten Kursänderungsweges beschreibt eine Kurve 16, eine Evolute und durch geeignete Steuerung des Ruders wird diese Kurve am Punkt 17 plötzlich beendet, wo der Krümmungsradius den · Wert Rj₃ erreicht hat. Vom Augenblick der Rudereinstellung hat der Krümmungsmittelpunkt des Kursänderungsweges die Entfernung IT in der ursprünglichen Bewegungsrichtung des Schiffes zurückgelegt. Die Tangente des Endpunkte^ 17 der Evolute ist gegen den Punkt 18 des Kursänderungsweges gerichtet, v/o der Radius des Kursänderungsweges den konstanten Endwert Rj₃ erreicht hat. Dieser Punkt ist annähernd eine Entfernung von 2¥ vom .Punkt der Rudereinstellung entfernt.

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Im allgemeinen hat nach, einer Bewegung im die Entfernung F vom Punkt 15 der Rudereinstellung das Schiff sich vom ursprünglich anliegenden Kurs 10 nur eine ganz unbedeutende Entfernung quer versetzt. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann daher ein vereinfachtes und für die meisten praktischen Fälle annähernd richtiges Modell der Kursänderung erstellt werden, indem vorgeschrieben wird, daß die stetige Phase 13 der Kursänderung, die den gegebenen V/ert des Radius R^ hat, bereits nach dem Zurücklegen der Entfernung F durch das Schiff vom Punkt 15 der Rudereinstellung beginnt. Dadurch kann die Planung und Ausführung von Kursänderungen stark vereinfacht werden. Durch diese Annäherung wird angenommen, daß das Schiff seinen Weg längs einer geraden Strecke F in der ursprünglichen Richtung trotz der Ruderverstellung fortsetzt. Dann beginnt eine Kursänderung mit dem Radius R^ ohne irgendeinen allmählichen Übergang.

Um daher die gewünschte Kursänderung auszuführen, deren Krümmung an einem bestimmten Punkt längs der ursprünglich anliegenden Kurslinie 10 beginnt, muß die Ruderverstellung an eineia Einstellpunkt 15 um eine bestimmte Entfernung F im voraus eingeleitet werden. Diese Entfernung F, die nachfolgend als "Einführungsentfernung" bezeichnet wird, hängt in erster Linie von den dynamischen Eigenschaften des Schiffes, der Größe des gewünschten Kursänderungsradius und der Eigenschaft des gewählten Programms ab, das für die Ruderversteilung während der Anfangsphase der Kursänderung gewählt v/ird. Außerdem kann die Geschwindigkeit beim Eintritt in die Kursänderung die Größe von F beeinflussen. Werden der Anfangsphase Rudorverstellungen unterschiedlicher fester Größen erteilt, kann die Parameterabhängigkeit der Einführungsentfernung F z.B. den in Fig. 3 dargestellten Verlauf annehmen, wobei der Radius dor Kursänderung Rj₅ durch die horizontale Achse und die Ein-

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führungsentfernung F durch die vertikale Achse dargestellt sind und die Kurve 19a einem großen Ruderausschlag, die Kurve 19b einem mittleren Rüderausschlag und die Kurve 19c einem kleinen Ruderausschlag zugeordnet ist. Durch Wahl ziemlich großer, fester Ruderausschlage während der Anfangsphase 12 können kleine und relativ reproduzierbare F-VJerte erhalten werden. Es wurde festgestellt, daß für Schiffe des Verdrängungstyps die Einführungsentfernung F etwa in . der gleichen Größenordnung wie die Länge des Schiffes liegt.

Es gibt verschiedene Methoden zur Bestimmung und Einführung der Einführungsentfernung F. In einfachen Fällen kann die Entfernung F eine Entfernung sein, die die Offiziere des Schiffes geschätzt und als Erfahrungswert eingeführt haben. Zur Bestimmung von F kann auch ein Diagramm mit wichtigen Parametern als Einführungswerte, das für jeden Schiffstyp erstellt wird, benutzt werden. Bei modernderen Fällen kann F durch Computeranlagen automatisch bestimmt werden.

Als Alternative zur Verwendung von festen Ruderausschlägen während der Anfangsphase zum Erhalten eines reproduzierbaren Viertes von F kann ein bestimmtes Programm zum Verringern des Kursänderungsradius von einem unendlichen Wert auf den Wert eingeführt werden, der den Beginn der stetigen Phase 13 charakterisiert, indem eine Steuertechnik benutzt wird. Bei einer weiteren Alternative wird die Winkelgeschwindigkeit des Schiffes oder sein Weg so gesteuert, daß das Schiff während der Anfangsphase 12 einem gegebenen Programm folgt. Ein allen Verfahren zum Vermindern des Kursänderungsradius von einem unendlichen Viert auf den gewünschten Wert R^ in der stetigen Phase gemeinsames Merkmal ist, daß die sich ändernden dynamischen Eigenschaften des Schiffes lediglich als unbedeutende Änderungen der Einführungsentfernung F

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betrachtet werden.

Aus dem gleichen Grund, aus dem eine Anfangs-Kursänderungsphase der stetigen Phase des Kursänderungsweges vorausgehen muß, muß auch eine Abschlußphase 14- des Kursänderungsweges in Betracht gezogen werden. Während dieser Phase muß der Eursänderungsradius so schnell wie möglich vom Wert R^ der stetigen Phase auf eine unendliche Größe vergrößert werden.

Am Ende der Abschlußphase 14- der Kursänderung soll der Weg des Schiffes auf den neuen Ausgangskurs 11 stabilisiert worden. Wie in der Anfangsphase 12 müssen durch Störungen hervorgerufene Wegzähler der gleichen Art wie zuvor erwähnt, in diesem Fall ebenfalls berücksichtigt werden. Da jedoch die Abschlußphase 14- sehr kurz ist, sind durch Störungen verursachte Wegfehler praktisch immer vernachlässigbar.

Aus dem Vorstehenden wird klar, daß bei dem angegebenen kinematischen Steuerverfahren eine Bewegungsbahn des Schiffes bei einer Kursänderung gut eingehalten werden kann. Es kann daher erwartet werden, daß am Ende der Kursänderung erheblich geringere seitliche Wegabweichungen auftreten als bei den bisherigen Steuerverfahren. Auf diese Weise kann der Manöverierabstand oder die Entfernung für die Berichtigung des Weges, die bisher zum Passieren einer Durchfahrt erforderlich waren, bei dem neuen Steuerverfahren, sehr viel kürzer gemacht werden . Dieses erlaubt wiederum, daß der Kursänderungsradius fast genausogroß gewählt werden kann, wie er von der jeweiligen Hindernissituation zugelassen wird, wie z.B. durch die Heeresgrundtopographie. Dadurch wird die zuvor erwähnte Aufgabe sehr gut gelost, d.h. die ITavigationssicherheit verbessert, der Geschwindigkeitsverlust vermindert und auch der Passagierkomfort verbessert.

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Eine Grundidee des neuen Verfahrens ist die Benutzung eines vorgefertigten kinematischen Modells des Kursänderungsverhaltens eines Schiffes. Die in dem Modell vorgesehenen Parameter werden in einer Einrichtung zur Erstellung eines Wegmodells bestimmt, die von im wesentlichen zv7ei unterschiedlichen Arten sein kann. Wie zuvor erwähnt, weist in einfachen Fällen eine solche Einrichtung eine Seekarte und ein Kursbesteck einschließlich der erforderlichen Hilfsmittel, wie ein Greifzirkel, Kursdreiecke u.dgl. auf. In moderneren Fällen wird eine Anzeigeeinheit benutzt, die z.B. die Sichtanzeige eines PPI-Eadars sein kann.

Die Grundform eines Wegmodelles wurde bereits kurz in Verbindung mit Fig. 2 angegeben. Gewöhnlich ist das Vegmodell immer mehr oder weniger greifbar als Bild der Umgebung des Schiffes dargestellt, z.B. auf einer Karte oder einem Radarbild. Gewöhnlich vreist das Wegmodell fünf Wegteile auf, nämlich den anliegenden Kurs 10' vor der Einstellung der Kursänderung am Punkt 15'» äer hier als vom Beginn an vorgegeben betrachtet werden kann, die Anfangsphase 12', die eine Verlängerung der Entfernung F längs der anliegenden Kurslinie 10' gemessen vom Einstellpunkt 15' ist, die gekrümmte stetige· Phase 13'» die Abschlußphase 14- ',die gewöhnlich kurz ist, und die Ausgangskurslinie 11' nach der Kursänderung, die manchmal vom Anfang an vorgegeben ist.

Es wird angenommen, daß die augenblickliche Position des Schiffes in jedem Wegteil des Modells entweder vorgegeben oder angegeben werden kann. Darüberhinaus muß das Modell den gesamten Kursänderungsablauf aufweisen. Manchmal werden nur Teile davon benutzt.

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Geometrisch gibt dan Modell im wesentlichen an, daß eine bevorzugte Passage gefunden werden soll, die mit der anliegenden Kurslinie 10' bei einer geeigneten Position beginnt, und die nach der Kursänderung in den Ausgangskurs · 11' übergeht. Zusammenfassend sollen die geometrischen Parameter des V/egmodells in einer gewünschten V/eise so angepaßt werden, daß das Modell geometrisch eine Passage angibt, die nicht mit topografischen Meeresgrundhindernissen oder anderen Hindernissen kollidiert und die die anliegende Kurslinie 10' mit der Ausgangskurslinie 11' verbindet.

Das in der vorstehend beschriebenen Weise geometrisch und geographisch angepaßte Modell gibt eine Information über die Geometrie einer beginnenden oder andauernden Ku3?sänd&- rung. Nachfolgend werden die Bedingungen während der gekrümmten stetigen Phase 13 der Kursänderung als erstes im einzelnen betrachtet.

Eine der wesentlicheren Aufgaben des Kursänderungswegmodells ist,die Bedingungen zur Bestimmung eines oder andererseits mehrerer Steuerparameter und Einstellwerte anzugeben, mit denen das Schiff längs eines von dem Modell vorgeschriebenen Iürcsänderungsweges gesteuert werden kann.

Am naheligendsten ist es, entweder den Krümmungsradius R_h,

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der auch durch das Krümmungsmaß Ii^ dargestellt werden kann,

das Äquivalent zu diesem ist, des gekrümmten Teils 13' des Kursänderungswegmodells entsprechend der Fig. 2 als ein Steuerparameter oder andererseits die Wegwinkelgescliwindigkeit, die von dem Weginodell im Hinblick auf die Geschwindigkeit des Schiffes längs dieses Weges vorgeschrieben wird, zu benutzen. Mit der Wegwinkelgeschwindigkeit wird die Winkel·

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geschwindigkeit der Tangente an den V/eg des Schiffes gemeint, dem das Schiff während der Kursänderung folgt, und die infolge möglicher Änderungen des Anstell- oder Driftwinkels des Schiffes nicht notwendigerweise mit der Winkelgeschwindigkeit des Schiffskörpers übereinstimmen muß.

Der Einstellwert R_b wird unmittelbar und geometrisch aus dem Modell bestimmt. Unter Benutzung der allgemeinen kinematischen Beziehung

V = R . U>

wobei Y die Geschwindigkeit längs des Weges ist und die Weggeschwindigkeit des Schiffes über Grund angibt, R der augenblickliche Radius des Krüinmungsweges und c_? die augenblickliche Wegwinkelgeschwindigkeit ist, kann der Einstellwert u.,ν der Wegwinkelgesehwindigkeit durch die Beziehung to^=V/ßu bestimmt v/erden.

Um Steuersignale zu erhalten, die als Grundlage zur Ausführung einer gewünschten Kursänderung des Schiffes benutzt werden können, müssen die entsprechenden tatsächlichen Werte, die für die Bewegung des Schiffes während der Kursänderung gelten, ebenfalls bestimmt werden. Der tatsächliche Wert des augenblicklichen Radius des Krümmungsweges des Schiffes

R wird durch Benutzung der allgemeinen kinematischen Be-a

Ziehung, die bereits oben angegeben ist, entsprechend der folgenden Beziehung bestimmt:

^Ra ⁼

wobei eo die augenblickliche Wegwinkelgeschwindigkeit angibt, die durch an Bord befindliche Meßinstrumente ermittelt wird. Wird die Enge der laufenden Kursänderung als Wegkrümmung R

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angegeben, so wird die folgende Beziehung erhalten

V" - ¹V* ·

TJm das Schiff derart zu steuern, daß es die durch das Wegmodell bestimmte Kursänderung ausführt, werden bekannte Steuertechniken angewendet. Es können verschiedene Steuermöglichkeiten benutzt werden.

I. Die Differenz E, - R wird ermittelt und als eine ein Steuersignal darstellende Eingangsgröße an einen Steuergeber oder an die Ruderanlage des Schiffes gegeben, vrobei die dadurch erhaltenen Ruderverstellungen von Hand oder automatisch das Steuersignal so klein wie möglich machen. Das Ergebnis ist, daß R = R^ ist.

Wird das »Signal zum Steuern des Schiffes als die Differenz zwischen den einstellten und den tatsächlichen Vierten der

—1 —1

Wegkrümmung R^ und R_& jeweils erzeugt, so wird ein

Steuersignal entsprechend der folgenden Beziehung erhalten:

Wird das umgekehrte Vorzeichen vernachlässigt, so ist dieses Steuersignal wirkungsmäßig dem zuvor angegebenen direkteren Steuersignal ^E^-^R _a während der stetigen Phase 13 der Kursänderung wirkungsmäßig äquivalent. Da R_& während der stetigen Phase sehr stark R, angenähert ist, gibt der Nenner R_K.R nur eine konstante Einteilung des Steuersignals an.

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II. Die Differenz ^j,- oü wird ermittelt und als eine ein Steuersignal darstellende Eingangsgröße an eine Steueranzeige oder die Ruderanlage des Schiffes gegeben, so daß die Ruderverstellung von Hand oder automatisch das Steuersignal so klein wie möglich macht. Als Ergebnis wird gleich a^ und damit R gleich R^.

III. Eine geeignete Aufbaufunktion f (R, -R .cd, -cj ) wird

D a υ a

aus den Differenzgrößen ^Εκ~Ε_& und cj,- tj ermittelt und dann das den Funktionswert angebende Signal als eine ein Steuersignal darstellende Eingangsgröße an eine Steueranzeige oder die Ruderanlage des Schiffes gegeben, wodurch die von Hand oder automatisch bewirkte Ruderverstellung das Steuersignal so klein wie möglich macht. Als Ergebnis

davon wird R„ gleich R_v und ^) gleich co _κ· a ο a u

Soweit es die Steuertechnik betrifft, gibt die zuletzt angegebene Steuertechnik III in bestimmten Fällen einen besseren Übergang in die stetige Phase als die übrigen Steuertechniken.

Zwei Möglichkeiten für die Realisierung der Steuerfunktionen sind am naheliegendsten mit denen das Schiff der durch das Modell bestimmten Kursänderung folgen kann. So kann entweder ein Rudergänger in geeigneter Weise Information über die Steuergrößen erhalten und entsprechend dieser Steuergrößen, wie auch vorgegebener Regeln und/oder aufgrund seiner eigenen Erfahrung steuert er das Schiff von Hand derart, daß der auftretende tatsächliche Wert und der voreingestellte Wert übereinstimmen, oder aber das Steuersignal (^Rb~^Ra' ^Rb~ ~^Ea~ "' ^wb~^ua ^{oder f} ^^Eb""^Ea' ^vb"°a^ ^kann ^^{0 eine} automatische Ruderanlage gegeben werden, die eine solche Änderung der Ruderstellung bewirkt, daß das Steuersignal so gering wie möglich wird. Beide Verfahren werden nachfolgend im einzelnen näher erläutert, zuerst in Verbindung mit Fig.4.

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_ 21 —

Bei dem neuen Verfahren wird das Kursänderungsmodell so gewählt, daß der Kursänderungsvorgang ohne Kenntnis oder Berücksichtigung einer großen Zahl von Schiffsparametern gesteuert werden kann. Ein großer Unterschied wird hier festgestellt zwischen einer kinematischen Steuerung einer Kursänderung, ausgehend von einem geometrischen Kursänderungsmodell, und einer Steuerung der Kursänderung, ausgehend von einer steuerdynamischen Vorschrift einer zukünftigen Schiffsposition auf der Grundlage der augenblicklichen Position des Schiffes und dem Bewegungszustand, unterschiedlicher Parameter und unterschiedlicher Umweltparameter, wie Drift, Windbedingungen u.dgl., die bekannt sind.

Grundlegend weist das Kursänderungsmodell des neuen Verfahrend im wesentlichen nur eine Größe auf, die Schiffsparameter angibt, nämlich eine Einführungcentfernung i¹, die \m der Art des Schiffes, der Größe des Schiffes und der Programmoder Rudereinstellung bei der Einleitung der Kursänderung abhängt.Bei Schiffen des Verdrängungstypy ist 1? in wesentlichen unabhängig von der Geschwindigkeit. Wie zuvor erwähnt ist, kann die Einführungsentfernung 1 entweder durch einen Erfahrungswert, mit Hilfe eines Diagramms oder mit Hilfe von Rechnern, wie z.B. Gomputeranlagen bestimmt v/erden.

In Fig. 4· ist ein prinzipielles Blockschaltbild der Einrichtungen gezeigt, die bei dem zuvor erwähnten Steuervorgeng benutzt v/erden« Das Bezugs zeichen 20 gibt das Schiff an, das gesteuert wird, um dem Kursänderungsweg zu folgen, wad eine Ruderanlage 21 aufweist. Eine Einrichtung 22 zur Bestimmung des Wegmodells kann, wie zuvor erwähnt, Seekarten und Kursbesteck oder eine Anzeigeeinheit aufweisen.

VJeist die Einrichtung 22 eine Seekarte oder eine andere geeignete Kartendarstellung auf, so wird zuerst der Radius R^

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der beabsichtigten Kursänderungskurve als Steuergröße gewählt. Einige Routinen bei der Benutzung von Greifzirkeln und besonders ausgebildeten Kursdreiecken od.dgl. weisen ITavigatoren zur Durchführung von aufgrund ihrer Kenntnis und Erfahrung geschätzten Kursänderungen bereits seit langem, auf. Wird ein Greifzirkel benutzt, so kann eine geeignete Position zuerst auf der Karte für den Beginn der Wegkrümmung 18' in Fig.2 gewählt werden. Außerdem muß in Verbindung damit ein Kursänderungs-Mittelpunkt auf der Karte als Drehpunkt für den Greifzirkel gewählt werden, der in Fig. 2 mit 17' bezeichnet ist. Bei der Navigation nach dem neuen Verfahren ist es außerdem erforderlich, eine Einführungsentfernung F einzuführen, die rückwärts längs der anliegenden Kurslinie 10' in Fig. von der Position für den Beginn der Wegkrümmung berechnet wird. Dadurch wird der Einstellpunkt 15' in Fig. 2 auf der Karte erhalten, bei dem die Ruderverstellung begonnen werden soll.

Außerdem kann eira einem Kursdreieck ähnliche Einrichtung zur Bestimmung der Kursänderung benutzt werden. Mit einer solchen Einrichtung wird hier eine in Fig* 5 gezeigte transparente Platte 25 verstanden, auf der eine Gruppe von Kursänderungs-Kreisbögen 24 vorgesehen ist, die einen geeigneten Radiusunterschied haben. Jeder Kreisbogen gibt einen vorgegebenen R^- Wert an. Durch Verschieben und Drehen der Einrichtung über der Karte kann leicht ein Kursänderungs-Kreisbogen oder ein zwischen zwei Kreisbögen liegender Ort gewählt werden, der die beste geometrische Annäherung an den Weg darstellt, dem am besten zu folgen ist. In diesem Fall muß nicht in einem getrennten Schritt ein Kursänderungsmittelpunkt gewählt werden. Dieses Verfahren kann daher Zeit sparen upa den Vorgang einfacher machen. Der Kursänderungsmittelpunkt ist dabei beim Befolgen der Kursänderung von geringerem Interesse. An den Punkten 25, an denen die Kursänderungs-Kreisbögen beginnen,

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können gerade Linien 26 vorgesehen sein, die der tatsächlichen Einführungsentfernung F entsprechen. Dieses erleichtert die Auffindung des Einstellpunktes auf der Karte.

Wenn der Kursänderungsradius bestimmt "wurde, kann aich der Einstellwert für die Kursänderungsgeschwindigkeit ω^ = V/R^ auf der Karte als ein Steuerparameter zur Durchführung der Kursänderung bestimmt werden, .ändert sich die Geschwindigkeit V des Schiffes während der Kursänderung merklich, so sollten besondere technische Einrichtungen zur Bestimmung von (J^ benutzt werden, wie dieses später beschrieben wird.

Die Durchführung einer Kursänderung mit Hilfe eines voreingestellten Wertes einer Steuergröße in der zuvor angenommenen Weise bewirkt eine offene Kursänderungssteuerung, d.h. eine Kursänderungssteuerung ohne Rückkopplung, im Gegensatz zu den Bedingungen, wo eine Kursänderung unter Benutzung einer Anzeigeeinheit gesteuert wird. Die Navigationsgenauigkeit bei der offenen Kursänderungssteuerung hängt von der Genauigkeit bei der durch Beobachtungen vorgenommenen Bestimmung der Position des Einstellpunktes und auch der Arbeitsgenauigkeit der ebenfalls benutzten Instrumente ab.

Eine Alternative zu der beschriebenen Steuerung mit Hilfe e-iner Karte ist die Steuerung mit Hilfe einer Anzeigeeinheit, bei der alle Wegteile des Modells durch besondere Einrichtungen erzeugt werden, wie dieses im einzelnen später erläutert wird. In diesem Fall wird die Einführungsentfernung F als ein Wegteil eingeführt, der die zuvor definierte Anfangsphase 12' in Fig. 2 darstellt. Auf diese, Weise wird dem Einstellpunkt 15' in Fig. 2 eine gut definierte Position gegenüber dem gekrümmten Wegteil 13' in Fig. 2 und damit gegenüber der zu passierenden Endstelle gegeben. Ist die Position des

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Schiffes in dem Wegmodell bekannt, so kann die einleitende Ruderverstellung ohne direkte Beobachtung einer gewählten Sichtmarkierung in der Umgebung des Schiffes ausgeführt werden.

Sobald das Schiff während einer Kursänderung den Einstellpunkt passiert hat, wird ein "count down" der Einführungsentfernung 3? begonnen. Daher wird während der Zeitdauer, während der das Schiff die Anfangsphase durchläuft, an das Wegmodell über Recheneinrichtungen eine abnehmende Einführungsentfernung I" gegeben, die z.B. der Beziehung

I" = F-V't
gehorcht, wobei t die verstreichende Zeit ist.

Durchläuft das Schiff den gekrümmten stetigen Kursänderungswegteil 13* in Fig. 2, so wird ein ähnlicher count down ausgeführt, der in richtiger Weise den verbleibenden Wegmodellteil der Bilddarstellung beibehält, der bisher nicht passiert wurde.

Haben irgendwelche Störungen das Schiff aus dem durch das Modell vorgeschriebenen Weg herausbewegt, so wird dieses durch den verbleibenden Teil des Wegmodells bemerkt, der nicht langer durch die Engstelle hindurchführt, durch die er ursprünglich gelegt war. Dann wird in die Wegkrlhamung des Wegmodells eine solche Korrektur eingeführt, daß das Wegmodell erneut durch die tatsächliche Engstelle hindurchführt. Ist die Korrek tür groß, so hat diese Maßnahme die gleiche Eigenschaft wie die Einleitung einer neuen Kursänderung'mit einem unterschiedlichen Einstellwort. Dieses kann die Einführung einer neuen kürzeren Einführungsentfernung F" erfordern, die die folgende Form hat:

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^a J

wobei fGjgj'-O ©ine Punktion ist, die gleich dem Wert Hull für ω /α), =* 1 ist und den Wert F, hat, wenn der Quotient

ÖL D ■&·

u>_a/₆j_b gleich Hull ist.

dazwischenliegende Werte der Quotientenfunktion ^Qo^t₀) ergeben sich Vierte, die grob den dynamicchen Kursänderungseigenschaften des Schiffes entsprechen. Entsprechende Bedingungen gelten auch für g(R_a,R_b).

Das angegebene Verfahren zur Ausführung von Korrekturen bei auftretenden Wegfehlern über die Anzeigeeinheit kann als eine Rückkopplung betrachtet werden, die den Steuervorgang unterstützt und stabilisiert. Aus diesem Grund gibt es viele Möglichkeiten, in einfacher Weise Wegfehler zu korrigieren, die z.B. infolge eines etwas falschen Wertes der Einführungsentfernung F auftreten. Als extreme Folge davon wäre ein vollständiges Fortla.ssen der Eiiofuhrun^aeiitfernung F vorstellbar. Die Anzahl der Parameter des Modells, die von dem Schiff abhängen, wird damit auf EuIl vermindert..

Die in Fig. 4- dargestellte Anordnung weist außerdem von dem Schiff getragene Instrumente, wie Umformer, Recheneinrichtungen u.dgl. auf, die benötigt werden, zusätzlich zu R, der durch die Einrichtung 22 für die Erstellung des Wegmodelles bestimmt wird, die nötigen Steuergrößen ^»ω,, und ^E _a sum Steuern des Schiffes einzugeben. Der Aufbau der jeweils benutzten Instrumente und ihre Arbeitsweise ist für die Durchführung des neuen Verfahrens für sich nicht wesentlich. Jedoch kann eine Zusammenfassung der allgemeinen Eigenschaften zur Abschätzung der verschiedenen Steuermöglichkeiten in verschiedenen praktischen Anwendungen hilfreich sein..

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In erster Linie sind zwei Wegparameter von Interesse, nämlich die Weggeschwindigkeit V über Grund und die Vegwinke!geschwindigkeit ^₀.

3.

Zur Bestimmung von V ist eine Einrichtung 27 vorgesehen, die gewöhnlich ein Log oder eine Loganordnung aufweist. Hinsichtlich Qualität und Arbeitsweise können Logs unterschiedlicher Arten sein. Bei Logs jeder Art ist ein grundsätzliches Problem, daß das Schiff sehr häufig, und besonders bei Kursänderung, sich unter einem erheblichen Driftwinkel oder Anstellwinkel ß bewegt, wie dieses in Fig.6 gezeigt ist. In dieser Figur, die eine Koordinatensystem zeigt, bei dem die horizontale Achse die mit E bezeichnete Ostrichtung und die vertikale Achse die mit F bezeichnete Nordrichtung angibt, ist der Kurs an de rungs weg des Schiffes mit 13 und der Kursänderungsmittelpunkt mit Ύ] wie in Fig. 1 bezeichnet. Die folgenden Symbole geben die folgenden Größen an:

ψ den Kurswinkel für den Weg des Schiffes in der in der Figur gezeigten Position,

Y £ den Kurswinkel der Längsrichtung des Schiffes, d.h. der Bugkurs,

co =f die Wegwinkelgeschwindigkeit in der Position des Schiffes,'

oJr. = ^C. die Drehgeschwindigkeit des Schiffskörpers, d.h. die Kursänderungswinkelgeschwindigkeit,

R =V/c; der Wegkrümmungsradius des Weges des Schiffes,

0. d.

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u die Längsgeschwindigkeit des Schiffes über Grund, ν die Quergeschwindigkeit des Schiffes über Grund,

V die Weggeschwindigkeit des Schiffes über Grund, d.h. die Gesamtheit des Geschwindigkeitsvektors,

ß der Driftwinkel oder Anstellwinkel des Schiffes.

Die Weggeschwindigkeit V über Grund wird am genauesten mit Hilfe eines Zweikomponentenlogs bestimmt, das z.B. vom Dopplertyp ist. Eine solche Loganordnung mißt gegen den Seegrund oder alternativ gegen eine tiefe und möglichst stationäre Wasserschicht. Dann wird ein annähernd richtiger Wert für V nach der folgenden Beziehung erhalten:

V = V u² + ν²

Gewöhnlich erfordert diese Berechnung eine Recheneinrichtung irgendeiner Art, z.B. einen Computer, als Hilfsmittel.

Aus wirtschaftlichen Gründen überwiegen gegenwärtig noch Einkomponentenlogs, die die Geschwindigkeit nur in Längsrichtung des Schiffes messen, d.h. die u-Komponente. Ist das Log vom Dopplertyp und mißt es gegen Grund, so kann, wenn dieses aus Genauigkeitsgründen gewünscht ist, eine Eorrekturberechnung entsprechend der nachfolgenden Gleichung ausgeführt werden

Y =' u/cosß. '

Liegt keine Information über ν vor, so kann der Winkel ß geschätzt werden. Während einer Kursänderung fällt ein herkömm-

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licher Wert für 13 in den Winkelbereich von 5 bis 10 °. Wird keine Korrektur vorgenommen, so können die Fehler von V etwas mehr als 1% betragen. Bei vielen praktischen Anwendungen kann jedoch ein Fehler dieser Größenordnung in Kauf genommen \tferden. Ein Näherungswert für ß kann meistens aus Computerschaltungen für die Anzeigeeinheit in einer später noch beschriebenen Weise erhalten werden.

Die Bedingungen sind ungünstiger, wenn ein Einkomponentenlog benutzt wird, das nur die Längsgeschwindigkeit des Schiffes gegenüber dem es umgebenden V/asser gemessen wird. Das Staudrucklog ist das am häufigsten benutzte Log dieser Art. Das Meßprinzip dieses Logs ermöglicht jedoch keine besonders große Genauigkeit. Die Fehler werden außerdem dadurch vergrößert, daß eine sich bewegende Wasserschicht dem Schiff eine merkbare zusätzliche Geschwindigkeitsvergrößerung über Grund erteilen kann. Natürlich kann, wenn es erforderlich ist, eine kontinuierliche Berechnung der Korrektur durchgeführt werden, nachdem der Geschwindigkeitsvektor der Oberflächenwasserschicht geschätzt wurde. Jedoch sind für diese Berechnung Hilfsmittel erforderlich und häufig können diese Mittel komplexer und teurer als gewünscht sein. Im ungünstigsten Fall kann eine fehlende Korrektur einen Fehler von V in der Größenordnung von etwa 3% bewirken. Bei vielen Navigations zwecken können die aus diesem Grund erhaltenen Wegfehler jedoch immer noch in Verbindung mit dem neuen Verfahren zu einer erheblichen Verbesserung der Navigation führen. Wird eine Anzeigeeinheit zur Steuerung und Überwachung des Kursänderungsvorganges benutzt, so wird, wie zuvor beschrieben, eine Rückkopplung erhalten, wodurch ohne größere Nachteile mit Fehlern von V gearbeitet werden kann, die sonst nicht zu vernachlässigen sind.

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~ 29 -

Zur Bestimmung von i>) ist eine Einrichtung 28 vorgesehen, wobei es in diesem Fall am naheliegendsten ist, einen Hilfekompass zu benutzen. Jedoch muß dabei auf folgendes geachtet werden. Der richtige Wert von Oj wird entsprechend der Fig. 6 aus der Beziehung

CJ = GJ„ -ß

bestimmt. Die Winkelgeschwindigkeit ω^ des Schiffskörpers wird entweder durch Differenzieren des Kompaßsignals oder durch eine direktere Messung mit Hilfe eines mit dem Schiffskörper verbundenen Kursänderungswinkelsgeschwindigkeitskompaß bestimmt.

Erfordert das Favigationsverfahren einen richtigeren Wert von cj , so muß eine kontinuierliche Berechnung von ß vorgenommen werden. ?ig. 6 zeigt, daß

^{ß =} dt (^arct6 v/u)
ist.

Diese Berechnung von ß erfordert nicht nur eine Recheneinrichtung sondern auch ein Zweikomponentenlog. Ist kein Log dieses Typs vorhanden, so sind die Möglichkeiten zur Bestimmung zuverlässiger Werte von ß gewöhnlich weniger vorteilhaft.

Als günstige Bedingung ist zu ervähnen, daß ß währead des Hauptteils der stetigen Phase relativ klein ist. Dann befindet sich das Schiff in einer stetigen Drehung mit einem annähernd konstanten Anstellwinkel. Die Änderung des Anstellwinkels ergibt wesentliche Zuschüsse nur während, der Anfangsphase, wo, wie zuvor erwähnt, andere Verfahren für

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eine gute Genauigkeit der Navigation angewendet werden sollten. Infolge der Geschwindigkeitsänderung bei engen Kursänderungen kann jedoch auch eine geringe Änderung der Anstellwinkelgeschwindigkeit ß während der stetigen Phase auftreten. In vielen Fällen können durch Vernachlässigung von ß bedingte Fehler als Fehler geringerer Wichtigkeit betrachtet werden, die damit für die Gesamtgenauigkeit der Navigation nicht sehr* wesentlich sind. Daher wird in diesem Fall die Geschwindigkeitskompaßanzeige "f ~ als Ersatz für f benutzt.

Andererseits können die Navigationsparameter V und _ ebenfalls mit anderen Instrumenten als mit Logs oder Kompassen bestimmt werden. Sowohl V als auch gj können durch Einrichtungen

mit einem oder mehreren Meßfühlern an Boi-d erhalten werden, die mehr oder weniger kontinuierlich die Entfernung und Richtung von voneinander unterscheidbaren festen Punkten in der Umgebung des Schiffes bestimmen. «Jedoch ist zu diesem Zweck eine nicht au vernachlässigende Computerkapazität erforderlich. Dieses Verfahren erfordert auch eine ziemlich gute Signalquaiität. Es scheint, daß dieses Verfahren bisher nicht öffentlich benutzt wurde«. Zur Bestimmung der Größen

R„ = V/u) sowie alternativ R„ hoj/V und ^v = V/R, sind a a a a D υ

Quotienten-Erzeugungseinrichtungen oder Recheneinrichtungen für sich bekannter Art erforderlich, die in Fig. 4· jeweils mit 29 und JO bezeichnet sind. Die Berechnung kann entweder in getrennten Einheiten, die analog oder digital arbeiten, oder als Unterprogramme in einem Computer durchgeführt werden.

Einge Ausführungsformen der Anzeige- und'Darstellungseinrichtungen, die dem Rudergänger die eingestellten Werte und die erhaltenen tatsächlichen Werte angeben, werden jetzt beschrieben. Diese Hilfsmittel sollten unmittelbar vor den Rudergänger' in der Nähe des Steuerrades angeordnet sein.

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Steuert der Rudergänger das Schiff entsprechend den Steuergrößen, die von diesen erhalten werden, so wird das Schiff dem Weg folgen, der durch das Modell in der Einrichtung 22 bestimmt ist.

Zuerst wird angenommen, daß der Rudergänger in herkömmlicher Weise ein Steuerrad bedient, deren Drehung entweder direkt oder über eine Ruderanlage einen Ruderausschlag bewirkt. In Fig. 4- ist der Rudergänger und das Steuerrad schematisch durch einen Block 31 dargestellt, von dem sich eine strichpunktierte Linie zur Ruderanlage erstreckt, um anzugeben, daß diese durch Betätigung des Steuerrades durch den Rudergänger betätigt wird. In dieser Verbindung brauchen jedoch keine Bedingungen vorgeschrieben werden, die einen Ruderausschlag in Ausdrücken einer Radumdrehung festlegen. Wie zuvor angegeben, wurden drei mit I, II und HI bezeichnete Steueralternativen definiert.

Bei der Steueralternative I v/erden die Steuergrößen des Kursänderungsvorganges durch den gewünschten bzw. gewählten Radius der Wegkrümmung R^ und des tatsächlichen Radius der Wegkrümmung R„ dargestellt. Die Anzeige- oder Angabeeinrichtung, die R, und Έ angibt, ist in Fig. 4- mit 32 bezeichnet und eine strichpunktierte Linie zum Block 31 gibt an, daß diese Einrichtung von dem Rudergänger abgelesen wird. Die Anzeige- oder Angabeeinrichtung 32 kann verschiedene unterschiedliche Ausführungsformen haben. So ist es möglich, zwischen einer rein digitalen und einer rein analogen Anzeige zu unterscheiden. Die rein digitale Anzeige scheint in diesem Zusammenhang weniger gut geeignet zu sein. Zwei digitale^Werte müssen abgelesen werden und die Differenz zwischen Ihnen, positiv oder negativ, muß gebildet werden. Dieses bedingt eine relativ geringe Klarheit, wodurch eine relativ langsame Auffassung und Ausführung

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der Differenzbildung bedingt ist. Mit anderen V/orten ist die Anpassung relativ schlecht. Jedoch sind,.wie dieses später gezeigt wird, Komb.inationen von digitaler und analoger Darstellung mögliche Alternativen.

Pig. 7 zeigt eine einfache analoge Anordnung, bei der Rv und R auf einem Rundinstrument 33 angezeigt werden, das den Kursänderungsradius z.B. in Einheiten von Kabellängen (185 m) angibt. Zur Erleichterung des Ablesens, in diesem lall zur Kopplung zwischen Steuerbord und rechts sowie Backbord und links, sind die Steuerbord-Kursänderungen auf der rechten Seite und die Backbord-Kursänderungen auf der linken Seite der Skala angeordnet. Die Größe der Steuergröße R₀ wird durch einen Zeiger 34- od. dgl. ange-

cL

geben. Im einfachsten Fall wird der R,-Wert wörtlich an den Rudergänger gegeben, z.B. Steuerbord vier Kabellängen. Zum Ausführen des Steuerbefehls sieht der Rudei'gänger genau auf die Skalenteilung für vier Kabellängen und dreht das Steuerrad, bis der Zeiger für den R -Wert an dieser Skalenteilung anhält. In diesem Zusammenhang schreibt die Anpassungsbedingung darüberhinaus vor, daß ein Drehen des Steuerrades nach rechts, d.h. ein Wechsel nach Steuerbord , einen tatsächlichen Anzeigewert ergeben soll, der eine Bewegung nach rechts aufweist. In gleicher Weise soll eine Bewegung des Steuerrades nach links, eine Kursänderung nach Backbord eine Anzeigebewegung nach links bewirken. Das heißt, daß die Skala wachsende Radius-werte nach innen zur Mittenstellung, d.h. gerade nach oben, angibt, was einem geraden Kurs entspricht. An den Außenstellen der Skala werden aufeinanderfolgend kleiner^, d.h. engere Kursänderungsradien angezeigt.

Anstelle einer Einteilung in Kursänderungsradius oder Wegkrümmungsradius kann die Skala auch in dem inversen Maß der V/egkrüiamung geteilt sein. Dieses Mai?· kann entweder dez* inver

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JJ

se Wert des Radius der Wegkrümmung oder auch ein normalisiertes, dimensionsloses Maß sein, das von dem Quotienten s.B. der Schiffslänge und dem Radius der Wegkrümnung gegeben ist. In diesem Fall hat die Einteilung der Skala hohe Ziffern an den Außenteilen der Skale und kleine Ziffern in den Irmenbereichen der Skala. Der übrige Teil der Anzeige und die Art der Steuerung sind unverändert.

Mir eine bestimmte Art eines Schiffes oder eine bestimmte Größe eines Schiffes ist es häufig von Interesse, nur gesteuerte Kursänderungen mit Radien innerhalb eines gegebenen Bereiches zu benutzen. Für Radien eines Kriirsmungsveges, die größer als ein benutzter maximaler Radius sind, ist es sinnvoll, entsprechend dem in Fig. 8 gezeigten Prinzip automatisch das Instrument in der Weise unzuschalten, daß es die Winkelgeschwindigkeit des Schiffes oder seinen Weg angibt. Dieses kann os dem Rudergänger erleichtern, das Schiff auf einem geraden Kurs zu steuern.

Um es dem Rudergänger zu erleichtern, den ihm mündlich übermittelten Rv-Wert zu beh-alten, kann entsprechend dem in Fig.9 dargestellten Prinzip auch der R, -Wex't auf der Skala z.B. mit Hilfe eines beweglichen Läufers oder eines zweiten Zeigers angegeben werden. Diese Anordnung kann in den Fällen besonders nützlich sein, wo die das Wegmodell angebende Einheit eine Anzeigeeinheit ist, die eine Steuereinrichtung zum Einstellen des tatsächlichen Wert des Radius der Wegkrümmung hat. In Fig. 9 sind die Bedingungen für eine Steuerbord-Kursänderung dargestellt. Zu dem gezeigten Augenblick ist R-^-R,, was bedeutet, wenn die Änderungsgeschwindigkeit klein ist, daß der Ruderausschlag etwas zu groß ist. Daher muß das Steuerrad nach links, d.h. nach Backbord, gedreht werden, wodurch die R -Anzeige sich ebenfalls nach links,

el

d.h. nach Backbord bewegt. Eine weitere, anpassungsmäßig

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günstige Ausführungsform der Anzeigeeinrichtung ist zu erhalten, wenn die Kreisskala durch eine lineare Skala ersetzt wird, die vorzugsweise horizontal angeordnet ist. Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform dieser Art, die der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform entspricht. Die dort gezeigten Bauelemente haben die gleiche Besiehung wie in Fig. 9» wobei eine erste Markierung hinzugefügt ist.

Bei den zuvor entsprechend den Fig. 7 bis 9 gezeigten Anordnungen wird vorzugsweise mit herkömmlichen Instrumenten des Zeigertyps gearbeitet. Bei einer Anordnung gemäß Fig.10 können ebenfalls Instrumente des Zeigertyps od.dgl. wie auch rein optische Anzeigeeinrichtungen benutzt werden. Der

R -Wert kann zB. mit Hilfe einer Lichtspalte nach Art einer a

Thermometerdarstellung oder mit Hilfe einer Lichtzeile angegeben werden- Lichtdioden, Flüssigkristalle und Glimmanzoigen sind beispielhafte Bauelemente, die für eine tatsächliche Anzeige geeignet sind. Sowohl ".schrittweise als auch kontinuierlich arbeitende Einrichtungen können benutzt werden.

Bei verschiedenen Anwendungen kann es von Interesse sein, die Radien der Wegkrümmung mit einer relativ hohen Genauigkeit innerhalb eines Meßbereiches anzugeben, der größer als eine Dekade ist. Einrichtungen und Arbeitsweisen, die für sich bekannt sind, werden in diesem Fall benötigt, um den Skalenfaktor und die Teilung der Anzeigeeinrichtungen zu verändern, die mit einer Umschaltung zwischen unterschiedlichen Meßbereichen kombiniert sind.

Bei dem in Fig.8 gezeigten Ausführungsbeispiel wird als eine Alternative angenommen, daß eine Kursänderungswinkelgeschwindigkeit-Anzeige in dem Bereich geringeren Interesses vorgesehen wurde, wo der Radius der Wegkrümmung größer als der benutzte maximale Wert ist. Die Kursgeschwindigkeitsanzeige kann natürlich auch durch getrennte Instrumente durchgeführt

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werden, die die Weggeschwindigkeit oder Kursänderungswinkelgeschwindigkeit auch während der Kursänderungsphase angeben, die in diesem Falle von Interesse ist.

Bei vielen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine reine analoge, zuvor beschriebene Darstellung und ein digitales Instrument für die Anzeige des Radius zu benutzen. Obwohl die digitale Anzeige des Radius der Wegkrümmung anpassungsmäßig nicht vorteilhaft ist, sofern es die Darstellung von Steuerwerten während des Nachfοlgevorganges betrifft, kann eine solche Anzeige jedoch schneller und genauer als eine analoge Anzeige sein, um den Rudergänger oder eine andere Person an seiner Nähe über die Größe des tatsächlichen Radius der Wegkrümmuns zu informieren.

In Fig. 11 ist eine weitere und trotz der Einfachheit sehr wirksame Kombination einer analogen und digitalen Darstellung des Radius der Wegkrümmung 36 und 37 dargestellt» Hier wurde. die Anpassungsfunktion des analogen Teils zur Umschaltung zwischen drei bestimmten Darstellungen herabgesetzt, der z.B. durch Lichtsignale realisiert ist. In Fig. 11 werden die Lichtsignale durch mit χ bezeichnete eingeschaltete Lampen dargestellt. Der dargestellte Fall gibt dem Rudergänger an,

daß R,,'^- R_K ist, d.h. der eingestellte Wert der Krümmung a υ

geringer als der tatsächliche Wert der Krümmung ist. Daher muß er stärker nach Steuerbord, d.h.. nach rechts, in der " Weise steuern, daß auch die dazwischenliegende R -Lampe eingeschaltet wird.

Bei der alternativen Anzeige gemäß der Fig. 9 und 10 stützt der Rudergänger sein Steuermanöver hauptsächlich auf seine Beobachtung der Lagedifferenz zwischen den zwei Zeigeranzeigen. Im übrigen ist die Lage der Zeigeranzeigen längs der Skala

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für den Rudergänger von untergeordnetem Interesse. Da die Zeigeranζ eigeη gewöhnlich sehr dicht nebeneinander während eines mehr oder weniger dynamischen Nachfolgevorgangs liegen, ist eine genaue Ablesung der Differenz schwieriger. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, ein " Δ-Instrument" einzuführen, das das Steuersignal R,-R in einer vergrößerten Skala angibt. Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt ist, kann das Δ-Instrument 38 und 38' jeweils neben den R^- und R -Anzeigeeinrichtungen angeordnet v/erden.

Auch in dem lall, v/o eine kombinierte digital-analoge Darstellung der Steuergrößen entsprechend der Fig., 11 angewendet wird, kann vorzugsweise eine Δ-Anzeige eingeführt werden. Dieses kann grundsätzlich auf unterschiedliche V/eise erfolgen, wobei Fig. 11 einen Weg angibt, bei dem die ^-Anzeige mit 38" bezeichnet ist.

Bei der Steueralternative II werden die Steuergrößen^^ und to„ benutzt. Einrichtungen sur Darstellung und Angabe dieser

Größen sind in Fig. 4- mit 39 bezeichnet, wobei eine strichpunktierte Linie zum Block 31 angibt, daß auch· in diesem Fall diese Einrichtungen von dem Rudergänger abgelesen werden.

Allgemein können die gleichen Techniken, wie sie in Verbindung mit den Fig. 7 bis 11 angegeben sind, auch in diesem Fall benutzt werden.· Eine Ausnahme kann für die in den Fig. 7 und 8 gezeigte Alternative gemacht werden. Hier wird angenommen, daß der Rudergänger genau auf eine ihm mündlich mitgeteilten eingestellten Wert dor Steuergröße achtet, was ziemlich schwer auszuführen ist, da 6_>_b häufig infolge einer Verminderung der Geschwindigkeit bei einer Kursänderung in seiner Größe schwankt.

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In diesem Fall ist die Skala so beseich.net, daß wachsende

Werte von u>, und λ} Anzeigeausschläge bewirken, die nach υ a

rechts anwachsen, wenn Kursänderungen nach. Steuerbord ausgeführt werden, und nach links anwachsen, wenn Kursänderungen nach Backbord ausgeführt werden, wobei dieses in der gleichen Weise geschieht, wie wenn eine Krümmmigsgröße als Steuergröße benutzt wird.

Wird die Steuerung ausgeführt, indem die Winkelgeschwindigkeit als Steuergröße benutzt wird, so können bessere Gründe als vorher dafür sprechen, R^ und/oder R als digitale Werte anzuzeigen.

Um die Arbeit des Rudergängers weiter zu vereinfachen kann es für eine direktere Verstellung des Ruders sinnvoll sein, das herkömmliche Steuerrad durch eine Manövriereinrichtung zu ersetzen, die in ihrem Erscheinungsbild durchaus als Steuerrad ausgebildet sein kann, und die mit Hilfe einer durch Servosysteme bewirkten Rückkopplung das Schiff oder dessen Weg 33.it einer Winkelgeschwindigkeit steuert, die durch die Verstellung der Manövriereinrichtung bestimmt ist, wobei von Hand eine Winkelgeschwindigkeitssteuerung anstelle einer Ruderverstellungssteuerung stattfindet.

Diese Steueralternative III, die mit einem Steuersignal arbeitet, dem gewöhnlich keine unmittelbare physikalische Näherung gegeben werden kann, kann etwas ungewohnt für eine Handsteuerung erscheinen. Jedoch kann ein Steuerungsanzeigeinstrument 40 im wesentlichen in der gleichen Weise aufgebaut sein, wie dieses in Verbindung mit der Steueralternative II beschrieben wurde. Wie zuvor erwähnt, kann diese Steueralternative einen ITachfolgevorgang beinhalten, der günstiger ist als die beiden anderen Steueralternativen,

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soweit es die angewandte Steuertechnik betrifft.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist mit der Rudersteuereinrichtung 21 ein Regler 41 verbunden, der das Steuersignal von Einrichtungen 32,39 und 40 erhält und verarbeitet, d.h. in geeigneter V/eise umformt, bevor dieses Signal an die Rudersteuereinrichtung 21 gegeben \d.rd.

Im einfachsten Fall kann der Regler 41 nach Art eines herkömmlichen PID-Reglers ausgebildet sein. Der ID-Teil des Reglers spricht auf Signalanteile mit integrierenden und differenzierenden Eigenschaften an. Mit Hilfe dieser Signalanteile kann ein Steuorvorgang in geeigneter Weise stabilisiert werden, was grundsätzlich auf den gleichen Prinzipien beruht, nach denen ein Rudergänger aufgrund seiner Erfahrung das Ruder durch. Handsteuerung verstellt, um den Fachfolgefehler so schnell wie möglich zu minimalisieren.

Obwohl ein Schiff mit Hilfsmitteln zum im wesentlichen automatischen Steuern entsprechend der vorstehenden Beschreibung ausgerüstet ist, ist eine solche Anordnung aus guten Gründen auch immer noch mit einer Einrichtung für die Handsteuerung versehen. Diese zusätzliche Einrichtung für die Handsteuerung ist nicht nur als alternative Steuermöglichkeit, sondern auch als Ersatzsteuerung in bestiinxaten Fällen vorgesehen. Anzeigeeinrichtungen für die Darstellung in erster Linie von R_K und R , zusätzlich zur Darstellung der geweiligen besonderen Situation, die z.B. von einer Radaranzeige angegeben werden kann, kann für die allgemeine Überwachung und die Überprüfung von großer Hilfe sein, die ven der Schiffsführung auf der Brücke des Schiffes vorgenommen wird. Alle Arten der zuvor beschriebenen Darstellung, die analog, digital und hybrid, können in diesem Zusammenhang benutzt werden.

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In vielen Fällen, besonders beim Manövrieren großer Schirre können die dynamischen Eigenschaften des Schiffes individuell sehr einzigartig sein. So können zB. die Beziehungen, die die Eigenschaften beschreiben, deutliche Hichtlinearitäten angeben, und die Parameter der Beziehungen können sehr stark mit den Umgebungsbedingungen, dem Bewegungszustand, dem Ladefaktor u.dgl. sich ändern. Aus diesem Grund müssen diese Parameter des Reglerbetriebs in Abhängigkeit von diesen Änderungen sehr häufig geändert werden.

Aus der modernen Steuertechnik sind Lösungen für die Ausbildung von Reglern bekannt, die sich an sich ändernde Bedingungen des Systems selbst anpassen können. Diese anpassenden Regler können auch selbsteinstellend ausgebildet sein.

Ein von verschiedenen Arten der Steuerung und Steuereinrichtungen allgemein bekannter Umstand konn die Uavigationsergebnisse ungünstig beeinflussen. Während der stetigen Phase der Kursänderung, wähi-end der R₀ annähernd den gleichen Wert hat

el

wie R, , muß beachtet werden, daß eine Anzahl von Störungen gewöhnlich statistisch bestimmt sind, wie Rauschen in άοη benutzten Meßsignalen, z.B. infolge rauher See, mangelnde Aufmerksamkeit oder eine zu geringe Erfahrung des Rudergängers od.dgl. Dadurch wird R_ bei einer Kursänderung in dyna. ~ mischer Abhängigkeit sich zufällig ändernde Schwingungen um R, ausführen. Es hat sich herausgestellt, daß beim Ausführen von Kursänderungen relativ kleiner Radien sich eine gute Grundlage zur Begrenzung der ITachfolgefehler, die durch die Differenz zwischen den V/erten R^ und R gegeben sind, die einem Rudergänger angegeben wird, auf einen relativ niedrigen Pegel ergibt. Das heißt, daß der Fehler, sofern überhaupt einer vorhanden ist, im Hittelwert des angezeigten Radius R der Kursänderung und damit des Radius der Krümmung der von dem Schiff durchgeführten Kursänderung, gewöhnlich eine vernachlässigbare Größe hat. Bei Kursänderungen mit einem relativ gx^ofien

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Radius wird jedoch die Ansprechgeschwindigkeit des Systems beeinträchtigt. In diesem Falle werden die Hachfolgefebler vergrößert und die Abweichzeiten von dem richtigen Wert verlängert. Dadurch wird die Häufigkeit von korrigierten Ruderbewegungen vermindert, wodurch die Steuerschwierigkeiten anwachsen und die Stabilität des Systems beeinträchtigt wird. Schwierigkeiten dieser Art können sowohl bei einer Steuerung von Hand als auch eineri.automatischen Steuerung auftreten. Besonders bei der Handsteuerung wird das Gefühl des Rudergängers für den Durchschnittswert, um den der angezeigte Radius ~R der Kursänderung während eines bestimmten

α.

Zeitintervalls der Kursänderung schwankt, beeinträchtigt.

Während der Handsteuerung bei Kursänderungen konstanter oder nahezu konstanter Geschwindigkeit können die Fehler· in einfachster V/eise dadurch ausgeglichen werden, indem zu Anfang durch instrumenteile Hilfsmittel ein tatsächliches Fehlersignal erzeugt wird, das die folgende Größe

(R_b - R_a) dt

während eines ausgewählten tatsächlichen Teils des Weges hat, wobei T die verstreichende Zeit ist.

Ändert sich die Geschwindigkeit des Schiffes während der Kursänderung, so wird ein richtigerer Wert für das Fehlerintegral erhalten, wenn die Integration in Abhängigkeit von der zurückgelegten Entfernung durchgeführt wird. In desem Fall hat das Fehlerintegral die Form

J(R_b-R_a) ds oder J(R_b~R_a) Vdt

wobei V die Geschwindigkeit des Schiffes und s die zurückgelegte Entfernung sind.

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In Abhängigkeit von der Eigenschaft des Steuervorgangs kann dem tatsächlichen Fehlerintegral die allgemeinere Form gegeben werden

f(R_b,R_a, V, t)
d.h. entsprechend jeder der Fehlerbedingungen

f(R,-R ) Vⁿdt oder f... Γ(^Ε^-^Ε ) V¹¹CLt¹¹¹

JDa j JDa

wobei η eine wählbare Einflußkonstante und m eine wählbare ganze Zahl ist.

Die Erzeugung der tatsächlichen Fehlerfunktion wird bei Beginn der stetigen Phase der Kursänderung begonnen und das Signal, möglicherweise, nachdem es einen bestimmten Schwellwert überschritten hat, wird in geeigneter Weise dem Rudergänger mitgetei It. Dieser beobachtet das Vorzeichen des Signals und alternativ auch die Größe des Signals und veranlaßt entsprechend diesen solche Ruderbewegungen, die größere und/oder stärker verlängerte Steuerabweichungen ^""^a in der Richtung bewirken, in der die Fehlerfunktion minimalisiert wird.

Die Darstellung der tatsächlichen Fehlerfunktion für den Rudergänger kann in verschiedenen alternativen Arten geschehen, wobei einige Beispiele dafür angegeben werden» Eine einfache VJeise besteht darin, jeden oder beide der Werte R, und R. die dem Rudergänger angezeigt werden, einer"faischen" Addition als ein Haß der Fehlerfunktion zu unterwerfen- Dadurch wird der Rudergänger veranlaßt, RuderverStellungen, die die Fehlerfunktion verringern, eine größere Bedeutung beizumessen, ohne daß.er dabei die tatsächlichen Zusammenhänge in dem Manöver zu bedenken braucht. Die Größenordnung, die für die Fehleraktion gewählt ist, muß nicht zu groß sein, da sonst die

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— 4? ~

Steuerstabilität des Systems beeinträchtigt werden könnte. Kir einen Rudergänger bewirkt diese Ausführungsform des Steuersystems keine zusätzliche Belastung in Form von z.B. vermehrten und/oder komplizierteren Regeln und Vorschriften für die Steuerung.

Eine weitere Alternative für die Anzeige sieht die getrennte Angabe der Fehlerfunktion für den Rudergänger vor. Verschiedene Verfahren können angewendet werden. Optische und/oder akustische Hilfsmittel sind am vorteilhaftesten. Das Vorzeichen der Fehlerfunktion kann durch die Signaleigenschaften oder den Ort in der Anzeigetafel, an dem das Signal erscheint, dargestellt werden. Auch eine Fehleranzeige od.dgl., die in geeigneter Weise in der Anzeigetafel vorgesehen ist, kann die gewünschte Information angeben. Soll die Größe der FehlerfunktiDn angezeigt werden, so können sowohl analoge als auch pulsierende, digitale, Verfahren benutzt werden.

Bei der automatischen Steuerung sind die Bedingungen für gute Havigationsergebnisse, wenn der Radius der Kursänderung als Steuergröße benutzt wird, erheblich besser, obwohl die Bedingungen, soweit sie die Steuertechnik betreffen, im wesentlichen die gleichen sind, wie bei der Handsteuerung. Arbeiten die in dem System vorgesehenen Servobauelemente linear oder nahezu linear,so kann berücksichtigt werden, daß ein Durchschnittswert von R . wie er über ein tatsächliches Zeitinter-

ei

vall der Kursänderung gemessen wird, dem Wert R^ sehr dicht folgt, auch wenn Kursänderungen mit einem ziemlich großen Radius durchgeführt werden. Arbeiten ,jedoch die Servobauelemente nicht linear, so kann der Durchschnittswert von Ra Änderungen oder einer langsamen Abweichung ausgesetzt sein, die nicht erwünscht ist, besonders, wenn Kursänderungen mit einem relativ großen Radius durchgeführt werden.'-In diesem

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Fall ist es auch möglich, dem geeigneten und R^ "^a angebenden Steuersignal eine Signalkomponente hinzuzuaddieren, die in einer geeigneten Größenordnung ein Haß der Fehlerfunkticn ist. Bei vielen Steuersystemen wird oftmals mit Hilfe eines vorhandenen PID-Reglers ein gleiches Fehlersignal solcher Eigenschaft erzeugt, daß eine unbewertete Fehlerintegralkomponente (n· = 0, m=i) zu dem Steuersignal hinzuaddiert wird.

Bei der automatischen Steuerung können vorzugswej.se auch einige Vorgänge eingeschlossen werden, die die Umschaltung zwischen den drei unterschiedlichen Wegphasen betreffen, die zuvor erwähnt wurden, nämlich die Anfangsphase, die stetige Phase und die Abschlußphase. Dazu muß eine Anzahl von logischen Operationen, d.h. Zustandsänderungen, ausgeführt worden. Diese Operationen hängen von einer Anzahl von Faktoren des Systems ab, deren Art nicht spezifiziert v/erden kann, bevor nicht die Anwendung definiert und spezifiziert wurde. In Verbindung mit den Fig. 26 bis 30 werden Beispiele für die prinzipiellen Merkmale einiger Möglichkeiten der Instrumentierung gegeben. Jedoch wird zuerst die Einrichtung zi?.r Bestimmung des V/egmodells, die als Anzeigeeinheit ausgebildet ist, zur Bestimmung der Einstellwerte der Kursänderungen und zur Überwachung der Durchführung der Kursänderungen in Verbindung mit Fig. 12 erläutert.

Die Anzeigeeinheit, die z.B. eine Radaranzeige des PPI-Typs mit bestimmten zusätzlichen Funktionen, die später noch erläutert werden, sein kann, ist mit einem oder mehreren Meßfühlern 42 nach Art eines Untersystems verbunden. Ein Beispiel für einen Meßfühler ist eine Navigationsradaranordnung. Die Anzeigeeinheit kann auch mit einer Einheit 43 für bestimmte zusätzliche Information verbunden sein. V/ie in Fig. gezeigt ist, weist die Anzeigeeinheit die folgenden Untereinrichtungen auf: einen ß&htschirm 44, SeekartenschalionQCin -

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_ 44 _

Meßmarkenschaltungen 46, verschiedene, insbesamt mit 47 be ~ zeichnete Steuereinrichtungen, einen Generator 48 für das Wegmodell, insgesamt mit 49 bezeichnete Steuereinrichtungen für diesen Generator und Empfangseinrichtungen 50 nach Art einer Interface-Einrichtung für zusätzliche Information von der Einheit 43. Mit dem Generator 48 für das Wegmodell sind Einrichtungen zur Zuführung der Größen von V und ß verbunden, nämlich ein Geschwindigkeitslog 27 und ein Geschwindigkeitsvektor-Computer 51» ein Kompaß 52 zur Zuführung der Größe γ* und ein Winkelgeschwindigkeitskreisel 28 zur Zuführung der Größe aj .

cL

Die Seekartenschaltungen 45 können Schaltungen oder andere Einrichtungen unterschiedlicher Art aufweisen, die mit Hilfe des Sichtschirrces 44 und ausgehend von der Information, die sie von dem mit ihnen verbundenen Meßfühler 42 erhalten, ein Seekartenbild der Umgebung des Schiffes erzeugen und auf dem Sichtschirm anzeigen«. Dieses Seekartenbild soll wichtige und geeignete Teile unterschiedlicher Pormcn von Durchfahrtverengungen und Hindernissen mit der erforderlichen Genauigkeit und Auflösung wiedergeben. Die Seekartenschaltungen sollen die Erzeugung des Seekartenbildes mit wählbarem Maßstab und mit einer wählbaren Richtungsorientierung, z.B. mit der Kordrichtung nach oben oder mit der Schiffslängsrichtung nach oben ermöglichen,wobei die Position des Schiffes in der Weise angezeigt wird, daß die Position des Schiffes in dem Seekartenbild entweder einem festen und wählbaren Punkt auf der Oberfläche des Sichtschirmes oder einem Punkt entspricht, der sich im richtigen Maßstabverhältnis mit der Geschwindigkeit des Schiffes auf der Oberfläche des? Sichtschirmes bewegt, was als sogenannte wahre Bewegung bezeichnet wird.

Die Meßmarkenschaltungen 46 erzeugen z.B. Punkt«, Kreise oder gerade Linien und zeigen diese auf dem Sichtschirm rn,

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um die Entfernung, Richtung, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung zu bestimmen, die mit der Anzeigeeinheit ebenfalls angezeigt v/erden können.

Die Steuereinrichtungen 47 v/eisen Einrichtungen zum Einstellen der Seekarten- und Meßmarkenschaltungen und zum Ein- und Abschalten der Darstellung des Seekartenbildes und der Meßmarken auf. Diese Steuereinrichtungen können Einrichtungen zum Scharfeinstellen des Seekartenbildes, Einrichtungen für die Lichtintensität des Bildes, Einrichtungen für den Bildkontrast, Einrichtungen für die Wahl des Bildmaßstabes, Einrichtungen für die Wahl der Orientierungsrichtimg des Bildes, Einrichtungen für die Wahl einer festen oder beweglichen Schiffsposition auf dem Bild, Einrichtungen zum Ein- und Abschalten der Darstellung der Meßiaarken auf dem Sichtschirm und Einrichtungen zur Einstellung der von den Heßmarkenschaltungen 46 erzeugten Heßmarken aufweisen. Diese Einrichtungen haben ablesbare Einstollmarkierungen und können auch die Zuführung von Information für die Einstellung in irgendeiner analogen oder digitalen Signalform, z.B. einer elektrischen Spannung zulassen.

Der Generator 48 für das Wegaiodell soll dieses Wegmodell in einer Darstellung mit veränderlichen Parametern erzeugen und es auf dem Sichtschirm in der Weise anzeigen, daß das dargestellte Wegmodell im wahren Maßstab wiedergegeben wird, d.h. in dem gleichen Maßstab wie das Bild der Umgebung und auch derart, daß das Wegmodell hinsichtlich Position und Eichtung sowohl gegenüber der Umgebung als auch dem Schiff richtig wiedergegeben wird. Der Generator für das Wegmodell kann so ausgebildet sein, daß das Wegmodell in der nachfolgend beschriebenen Weise parameter- oder symbolgesteuert ist. Bei der parameter- oder symbolgesteuerten Weise kann das Wegmodell auf dem Sichtschirm entweder allein oder zusammen mit den Bild der Umgebung bzw. dem Seekartenbild von

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der Einheit 45 zusammen mit den Meßmarkierungen von der Einheit 46 und/oder zusammen mit zusätzlicher Information von den Einheiten 43 und 50 dargestellt wird.

Durch die Steuereinrichtung 49 für den Generator 48 für das . Wegmodell können die Parameter des Wegmodells voreingestellt und die Darstellung des Wegmodells ein- und ausgeschaltet werden. Die Steuereinrichtung ist so ausgebildet, daß sie das Ablesen der eingestellten Parameterwerte oder des Parame-üörwert--Programms, wenn ein solches vorliegt, zulassen und z.B. durch den Generator 48 für das Wegmodell, Information über die eingestellten Werte oder das Programm für die Parameterwerte in analoger oder digitaler Signaldarstellung zur Verfügung stellen. Beispiele für diese Steuereinrichtungen sind Einrichtungen zum Ein- oder Abschalten der Darstellung des Wegmodells als ganzes oder teilweise, Steuereinrichtungen zur Einstellung des Einstellpunktes für eine Kursänderung, die bei einer Entfernung L, der sogenannten "Planungsentfernung" vor dem Schiff und längs einer Kurslinie vorzunehmen ist, die von dem Punkt auf dem Sichtschirm ausgeht, der der Position des Schiffes entspricht, wobei diese Kurslinie mit der erforderlichen Genauigkeit den tatsächlichen Kompaßkurs des Schiffsweges wiedergibt, Steuereinrichtungen zur Einstellung der· Länge der Einführungsentfernung P oder zur Einstellung eines Programms, das sich z.B. auf die gewählte Art der Eudereinstellung bei Beginn einer Kursänderung bezieht, für die Auswahl der Länge der Einführungsentfernung P, Steuereinrichtungen zur Einstellung des Krümmungsradius R^ des gekxnimmten Teiles des Wegmodells oder des erstellten Programms für die Krümmung des gekrümmten Wegteiles, des Radius der Wegkrümmung un/ä der Wegkrümmung, die gleich dem invertierten Wert des Krümmungsradius ist, die unzweideutig in gleichem Maße meßbare Ausdrücke sind, und Steuereinrichtungen zur Einstellung der Richtung des Teils

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des Wegmodells aufweisen, das den Abschlußkurs nach beendeter Kursänderung darstellt.

Zusätzlich zu den zuvor erwähnten Steuereinrichtungen können beispielsweise auch andere Einrichtungen vorgesehen werden. Solche weiteren Einrichtungen brauchen jedoch für das neue Verfahren keine Bedeutung haben, wie z.B. die allgemeinen Steuereinrichtungen 47, und können auch derart sein, daß sie sich auf eine bestimmte Ausführungsform der neuen Anordnung beziehen. Der zuletzt erwähnte Typ weiterer Steuereinrichtungen wird später noch erläutert.

Empfangseinrichtungen 50 einschließlich der erforderlichen Steuereinrichtungen ermöglichen die gleichzeitige Darstellung zusätzlicher Information in analoger oder digitaler Form in einem richtigen Bild auf dem Sichtschinn. 44, z.B. von alphanumerischer Information, die für die Steuerung und Navigation des Schiffes von Bedeutung ist, die gleichzeitig, anschließend oder in einer anderen wählbaren Weise zusammen mit dem Bild der Umgebung und/oder dem Wegmodell, anzuzeigen ist. Die zusätzliche Information kann in einem Computer oder in anderer V/eise gespeicherte Information aufweisen und wird von dem Meßfühler 42 gesteuert. Die zusätzliche Information kann auch in einem Computer errechnete Information enthalten, die z.B. von der von dem Meßfühler erhaltenen Information und von der Information über den Bewegungszustand des Schiffes ausgeht. Die zugehörige zusätzliche Information kann z.B. ein superponiertes Kartenbild enthalten, dessen Position geographisch richtig zu dem von dem Meßfühler abgegebenen Bild von Hand oder automatisch in Beziehung gesetzt wird, vor Kollisionen warnende Information, Transponderinformation , künstliche Durchfahrtsmarkierungen und Begrenzungen der Manövrierbarke it des Schiffes im Hinblick auf die steuerdynamischen Eigenschaften des Schiffes aufweisen.

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Die Baugruppen 44, 45, 4-6 und 47 der Anzeigeeinheit können die gleichen Baugruppen sein, wie bei einer normalen Anzeigeeinheit, z.B. eine Radaranzeige des PPI-Typs, eines Meßfühlers 42 des gewählten Typs, z.B. eines Navigationsradars, das mit dem neuen Verfahren und der neuen Anordnung zusammenarbeitet. Diese Teile der Anzeigeeinheit können daher vollständig zum Stand der Technik gehörenden Anordnungen eines normalen ITavigationsradars entsprechen, das in Fig. 12 durch strichpunktierte Linien eingeschlossen ist, und die im folgenden nicht im einzelnen beschrieben werden.

Die auf dem Sichtschirm dargestellte Bildinfornation gibt daher entsprechend der vorstehenden Beschreibung ein Bild der Umgebung des Schiffes, ein Bild des Wegiaodells und/oder ein Bild bzw. Bilder an, die durch zusätzliche Information erhalten werden oder dieser entsprechen. Die Bilder können durch ein Schirmmuster und/oder als direkt erzeugte Linienbilder aufgebaut werden. In beiden Fällen kann der Bildkontrast und die Bilddynamik unter Berücksichtigung der durch das Bild darzustellenden Information gewählt werden«

Im Falle eines Schirinmusters kann der Schirm ein Punkt- oder ein Zeilenschirm sein. Im Falle eines Zeilenschirmes kann der Schirm parallele Schirmzeilen entsprechend eines Fernsehschirmes, radiale Schirmlinien, die von einem Abtastmittelpunkt entsprechend eines Radar-PPI-Schirmes ausgehen, oder in einer anderen bekannten oder naheliegenden V/eise ausgebildet sein, z.B. als ein mit schraubenförmiger Abtastung arbeitender Schirm. Die Wahl~und Art des Schirmes ist in Verbindung mit dem neuen Verfahren unwesentlich?.

Wie zuvor erwähnt, ist es naheliegend, als Meßfühler ein Havigationsradar zu benutzen und damit als Anzeigeeinheit eine Radaranzeige des PPI·-Typs zu wählen. Die folgeado Bescbrcibv-nr;

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der Anzeige einheit basiert dalier auf der beispielsweisen Annahme, daß die Anzeigeeinheit eine Radaranzeige des PPI- Tjps aufweist.

Das geometrische Wegmodell, das auf dem Anzeigeschirm der Anzeigeeinheit 44 dargestellt werden kann, hat vor Einleitung einer Kursänderung die in Fig. 13 gezeigte Ausdehnung. Während der Kursänderung wird nur der Teil des "vollständigen Wegmodells dargestellt, der dem verbleibenden Teil der Kursänderung entspricht. In Fig. 13 gibt der Punkt A die Position des Schiffes an. Gewöhnlich ist dieser Punkt der Abtastmittelpunkt des Sichtschirmes, was als der Normalfall angesehen werden kann. Bei diesem Normalfall ist keine besondere Punktmarkierung der Position des Schiffes erforderlich. Eine gestrichelte gerade Linie, die mit IT bezeichnet ist, ist in die Darstellung des Wegmodells aufgenommen. Diese N-Linie gibt die Hbrdrichtung auf der Bildfläche an und ihre Winkelposition wird durch den Kompaß des Schiffes erhalten. Grundsätzlich ist die N-Linie nicht erforderlich, wenn das Wegmodell dargestellt wird, jedoch wird angenommen, daß diese von dem Benutzer gewünscht wird. Eine gerade Linie, die von der Schiffsposition A in Fig. 3 ausgeht, und mit Ψ ^De~* zeichnet ist, erstreckt sich bis zum Umfang des Anzeigeschirms. Diese Ψ -Linie gibt den anliegenden Kurs f' des

a ο.

Schiffes an, d.h. die Eichtung des Geschwindigkeitsvektors. Der Winkelig, wird durch die Differenz zwischen dem Winkel 4·^» der die Längsrichtung des Schiffes angibt, und dem Driftwinkel ß gebildet. Der Winkel ψj> wird von einem Signalumformer auf einem Kompaß erhalten, der fest mit dem Schiff verbunden ist. Der Driftwinkel ß wird als pin Signal von einer Driftwinkelmeßeinrichtung erhalten. Möglicherweise kann diese Einrichtung ein Zweikomponenten log, dem sich eine Driftwinkei« bestimmungseinrichtung anschließt, aufweisen. Auf diese V/eise kann der Winkel ψ durch einen Differenzbildner erzeugt werden,

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dem die Größen ^ und ß zugeführt sind. Dann kann die Linie y richtig zu dem Kurs auf dem Anzeigeschirm in Beziehung zur Kbrdrichtung z.B. mit Hilfe eines bekannten Verfahrens gelegt werden, das in der Radartechnik angewendet wird. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, gibt die ^_a-Linie den Kurs des Schiffes vor und bei Eintritt in eine Kursänderung an. Dieser Kurs und damit die Kurslinie kann mit V · bezeichnet werden.

ciX

In einfacheren Fällen, bei denen z.B. keine Hilfsmittel für die Messung des Driftwinkels auf dem Schiff vorgesehen sind, kann die ¹^ .-Linie durch eine Ϋ«.-Linie ersetzt werden, die die Längsrichtung des Schiffes vor einer Kursänderung angibt.

Längs der f .-Linie wird eine "Planungsentfernung" mit der ax

Länge L markiert. Einer der Endpunkte der Entfernung L liegt im Punkt A, d.h. in der Schiffsposition auf dem Bildschirm. Der andere Endpunkt gibt den Einstellungspunkt 15' der durchzuführenden Kursänderung an. Auf dem An zeige schirm kann dieser Punkt in bekannter V/eise dux^ch ein Punktsymbol gerä.hlter Eigenschaft und mit einem guten Kontrast gegenüber der *f' ·- Linie markiert sein. Die Länge der Entfernung L wird mit Hilfe einer besonderen Steuereinrichtung eingestellt. Wie aus Fig. 13 zu erkennen ist, liegt auch die Einführungsentfernung F auf der Ύ--Linie. Der Anfangspunkt dieser Ent-

el-*-

fernung liegt im Einstellungspunkt 15' des Wegmodells und der Endpunkt liegt in einem mit 18' in Fig. I3 wie auch in Fig. 2 bezeichneten Punkt. Dieser Punkt braucht auf dem Anzeigeschirm nicht in besonderer Weise angegeben werden. Die Länge der Einführungsentfernung F ist mit Hilfe einer getrennten Steuereinrichtung, einer Einstelleinrichtung, einstellbar. Andererseits kann die Steuereinrichtung als eine Wahleinrichtung zum Wählen eines Programmes ausgebildet sein, das die Länge F bestimmt.

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Im Punkt 18' beginnt der gekrümmte Teil 13' des Wegmodells, z.B. ein Kreisbogen. Der Radius der Krümmung R^ oder das Programm zur Änderung des Radius der Krümmung wird mit Hilfe einer getrennten Steuereinrichtung eingestellt. In Fig. 13 ist der Endpunkt des gekrümmten Wegteiles mit D bezeichnet. In diesem Punkt ist die Richtung des Weges des gekrümmten Teiles gleich dem voreingestellten Ausgangskurs nach der Kursänderung, d.h. der Kurs f am Ende einer Kursänderung.

Es ist nicht erforderlich, den Punkt D in einer bestimmten V/eise auf dem Anzeigeschirm anzugeben. Ist kein Ausgangskurs nach der Kursänderung voreingestellt, so gibt der gekrümmte Wegteil des Anzeigeschirmes einen großen Wert für die Differenz zwischen ψ., und f ., z.B. 180°, also einen

u ai

Halbkreis od.dgl. an.

Ein gerader Wegteil beginnt am Punkt D des Wegmodells und ist in Fig.13 mit Ψ bezeichnet. Dieser Wegteil, der sich bis zum Umfang des Anzeigeschirmes erstrecken kann, hat eine Richtung, die mit Hilfe einer Steuereinrichtung voreingestellt werden kann.

V/enn die Darstellung technisch realisiert wird, muß die Ψ -Linie nicht am Punkt D beginnen. Der Anfangspunkt kann auch an einer anderen Stelle, z.B. auf der Ψ_η.-Linie ange-

ai

ordnet sein. Jedoch soll diese den Punkt D zumindest nach Beginn der Kursänderung schneiden.

Die Darstellung des in Verbindung mit Fig.13 angegebenen Wegmodells kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. So können z.B. solche Modifizierungen durch den Umstand bestimmt werden, daß eine konstruktive Vereinfachung gewünscht wird. So kann z.B. die Planungsentfernung L aus der Darstellung

609826/029 Π

~ 52 —

herausgelassen v/erden. Außerdem kann die Kurslinie V_u fortgelassen und durch eine allgemeine elektronische Peilregel oder durch mechanisch drehbare Kurslinien ersetzt werden, die z.B. in ein drehbares Lichtfilter eingeätzt über dem Sichtschirm angeordnet sind. In einigen Fällen kann es konstruktiv und auch bei der Benutzung einfacher sein, zwei gekrümmte Wegteile zu erzeugen und darzustellen, von denen beide am Punkt 18' beginnen und zueinandergehörige Spiegelbilder in Bezug auf die Ψ .-Achse bilden. In diesem Fall gibt einer dieser Wegteile eine Steuerbord-Kursänderung und der andere eine Backbord-Kursänderung an.

Die Anzeigeeinheit, die ein parametergesteuertes Wegmodell hat, wird in Verbindung mit Fig.14 erläutert.

In dieser Figur ist die Anzeigeeinheit durch einen Anzeigesßhirm 44 und Steuergliedei* L, F, möglicherweise unter einer Abdeckung, R₁ und Ψ gebildet. Das letzte Steuerglied Ψ ist hier in zwei Stc-uerglioder unterteilt. Eines dieser Glieder ist zur Planung einer Kursänderung GP und das andere ist zur Ausführung einer Kursänderung GV vorgesehen. Es wird angenommen, daß die Steuerglieder derart ausgebildet sind, daß sie taktisch leicht voneinander zu unterscheiden sind. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beispielsbeschreibung· angenommen, daß der gekrümmte Teil des Wegmodells einen Kreisbogen aufweist. Beginnend von der Definition des Wegmodells kann dieser Teil leicht durch einen voreingestellten Radiuswert R^ beschrieben v/erden.

Der Meßfühler, der ein Bild der Umgebung abgibt, wird als ITa-vigationsradar angenommen. Grundsätzlich ist die Anzeigeeinheit eine Radaranzeige des PPI-Typs. In Fig. 14 befindet sich. das Schiff an einem Punkt A auf einem geraden Kurs längs der Kurslinie Ψ_o-. Hierbei wird keine Hordrichtung dargestellt.

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Das Bild der Umgebung, das von dem Navigationsradar erhalten wird, ist auf dem An zeige schirm in Fig. 14- durch schraffierte Teile dargestellt. Paare von mit P1 und F2 bezeichneten Faps bilden in dieser Figur Durchfahrten, durch die das Schiff nach einer Steuerbord-Kursänderung hindurchfahren muß. Digitale Anzeigen für R und R_K und für ψ_η , Pf,, und f„ sind in

ao a u u

Verbindung mit dem Anzeigeschirm vorgesehen.

Der Ablauf der einzelnen Ereignisse der Darstellung, der Steuerung und der Bewegung des Schiffes kann in der in den 15a bis 15f und 16a bis 16c gezeigten Weise stattfinden.

wenn das Schiff vom Kurs ψ · durch die Durchfahrten PI und

eil

P2 hindurchfahren soll. In der folgenden Beschreibung wird angenommen, daß ein fester Wert F voreingestellt wurde, der an das Schiff und dessen Ilanövervorgänge angepaßt ist.

In Fig. 15a ist die gleiche Situation wie in Fig. 14-, wenn auch in einer vereinfachten Form, gezeigt. Bei dieser Lage , wird ein Kursänderungs-Kreisbogen durch das Steuerglied ΪΙ dargestellt. In der zuvor beschriebenen Weise beginnt dieser Kreisbogen an einem Punkt auf der f --Linie. d_er in einer

ax

Entfernung F vor dem Schiff angeordnet ist. Bei der vorliegenden Position kann der Kreisbogen durch einen willkürlich gewählten Radius Rv dargestellt v/erden. Die Darstellung auf dem Anzeigeschirm nach dem Darstellen des Kursänderungs-Kreisbogens ist in Fig. 15b dargestellt. Hier ist zu beachten,, daß die Darstellung des Kursänderungs-Kreisbogens keinen Vendebefehl für einen Rudergänger oder eine automatische Steueranlage beinhaltet und daß der Kursänderungs-Kreisbogen in diesem Fall infolge der Tatsache, daß kein Wert von f vorgegeben ist, als Beispiel sich über einen Bereich von 180°, d.h. einen Halbkreisbogen hinweg erstreckt.

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Nach der Darstellung des Kursänderungs-Kreisbogens wird eine Ψ -Linie mit Hilfe des Steuergliedes GP dargestellt. Da diese Linie eine geplante ψ -Linie ist, kann sie als die Vf.' -Linie bezeichnet werden. Vorzugsweise kann diese Linie durch eine gestrichelte Linie dargestellt v/erden. Die Darstellung auf dem Anzeigeschirm nach der Darstellung der Pf_u-Linie ist in Fig.15c gezeigt. Die Pf_u~Linie wird so dargestellt, daß sie annähernd parallel zu einer scheinbaren Linie durch die beiden Durchfahrten P1 und P2 hindurch erstreckt wird. Die Richtung der von der Pf -Linie dargestellten Bewegung, z.B. in digitaler Form, kann auf einer digitalen Anzeige neben dem Anzeigeschirm dargestellt werden; vgl. Fig. 14.

Als nächster Steuerschritt wird mit Hilfe des Steuergliedes L auf dem Anzeigeschirm das dargestellte V/egmodell, das aus dem Wegteil F, dem Kursänderungs-Kreisbogen und der Pf -Linie besteht, um 'eine Entfernung L derart verschoben, daß die Wegmodell-Linie P^_u durch die Durchfahrten P1 und P2 hindurchläuft. Ist dieser Schritt ausgeführt, so kann auch R< und Pf so fein eingestellt werden, daß die gewünschte Anpassung des Wegmodells an die zx-^rei Durchfahrten und anderen Hindernisse längs der Grenzen der Passage erreicht wird. Die nach dieser Einstellung auf dem Anzeigeschirm erscheinende Darstellung ist in Fig.15d dargestellt. Der Anfangspunkt der F-Eritfernung, d.h. der Einstellpunkt 15' der Kursänderung in dem Wegmodell ■ ist in dieser Figur durch einen kleinen Querstrich dargestellt.

Das Steuerglied L und die zugeordneten Schaltungen können so ausgebildet sein, daß entweder eine Positionssteuerung der Position des Einstellpunktes oder eine Geschwindigkeitssteuerung dieserPosition vorgenommen wird. Bewegt sich das Schiff längs der "f .-Linie, so muß die Entfernung L vermindert, d.h. heruntergezählt, werden, da sonst die Wegmodsllanpassung durch

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die Durchfahrten P1 und P2 verlorengehen würde. Dieses Herunterzählen kann entweder von Hand mit Hilfe des Steuergliedes L oder durch ein automatisches Herunterzählen ausgeführt werden, so daß der verbleibende Teil von L, der mit L' bezeichnet ist, durch eine Einrichtung bestimmt wird, die L¹ entsprechend der nachfolgenden Bedingung berechnet

L¹ = L-V.t,

wobei Y die Geschwindigkeit des Schiffes und t die verstreichende Zeit ist.

Wenn I»¹ gleich !Null ist, so wird ein Signal, 2Ü3«, in Form einer aufleuchtenden Signallampe, am Steuerglied L erhalten. Die Darstellung auf dem Anzeigeschirm, wenn L' gleich Null ist, ist in Fig. 15e gezeigt.

In dieser Position ist'der Zeitpunkt gekommen, um mit Hilfe des Steuergliedes GV, das das ausführende I'eil des Steuergliedes Ϋ ist, eine f^-Linie, die durchgezogen dargestellt ist, abzubilden. Dieses ist so vorzunehmen., daß diese Linie mit der Py'_u~Linie zusammenfällt oder möglicherweise eine gewünschte Korrektur von dieser bildet. Wenn die Ψ-Linie aufgezeichnet ist und die Kurslinie fL von der Linie 7' .

U. eil

über einen bestimmten Wert hinaus abweicht, wird ein Steuerbefehl zugeführt. Dieser Steuerbefehl wird durch Zuführung eines Einstellwertes Rv gegeben, der in diesem Fall ein Vorzeichen für eine Steuerbord-Kursänderung hat und im Falle einer Handsteuerung an den Rudergänger und im Falle einer automatischen Steuerung an die automatische Steueranlage gegeben wird. φ

Um die Einstellung der Ϋ^-Linie zu vereinfachen, kann die · Anzeigeeinheit und die Steuerglieder mit verschiedenen zusätzlichen Anordnungen versehen sein. Beispiele solcher An-

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Ordnungen sind, daß die Voreinstellung der Richtung der ψ -Linien, d.h. die Voreinstellung des γ'-Wertes, z.B. in digitaler Form, auf einer Anzeige dargestel3.t wird, die neben dem Anzeigeschirm, abe:
ordnet ist.

schirm, aber auch nahe der zuvor erwähnten Anzeige für Pf* ange-

Ein Motor kann vorgesehen sein, der beim Drücken eines Druckknopf es 55 oder eines ähnlichen Steuergliedes, das nahe dem Steuerglied ^Lf angeordnet ist, betätigt wird, um automatisch die Richtung ψ zum Zusammenfallen mit der Richtung Pf_n zu
drehen, wenn L'=0 ist. Die Handbetätigung des Steuergliedes GV kann jeweils den automatischen Betrieb überflügeln.

Wenn die Drehung der ^/-Linie mit Hilfe des Steuergliedes C-V begonnen wurde und so weit ausgeführt ist, daß die Differenz zwischen ψ und y einige Grade übersteigt, wird der richtige anfängliche Steuerbefehl erhalten. Die Drehung der V' -Linien auf einen geplanten Wert muß daher nicht augenblicklich auegeführt werden. Die Darstellung auf d.em Anzeige schirm, bei
der sich das Schiff an dem Einstellpunkt der.^: Kursänderung befindet und T₁₁=I³V_n ist, ist in Fig. 15f gezeigt.

Ausgehend von dieser Position wird die Herabzählung der Einführungsentfernung begonnen, wie auch ein Festlegen des tatsächlichen Viertes des Kurses ψ ·.

Das Herabzahlen von F wird in einer Einrichtung durchgeführt, die«den verbleibenden Teil F¹ entsprechend einer der folgende» Beziehungen berechnet:

F¹ = F-V.t

F' = P.f(w_f)

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oder E¹ - P(P/ )

Y die Geschwindigkeit des Schiffes,

t die verstreichende Zeit, wobei t=0 am Einstellpunkt liegt, (-Λ. die Winkelgeschwindigkeit des Schiffes w, die durch die Wegkrümmung bedingte V/inkolgeschwindigkeit, R, der voreingestellte Wert des Kursänderungsradius und R₄. = V/ω r. sind.

X -L

Befindet sich das Schiff in einer geplanten Kursänderung und wurde die Kursänderung ohne Störungen ausgeführt, so wird auf dem Anzeigeschirm eine Darstellung entsprechend der Pig.16a erhalten. Bei dieser Figur ist es von besonderem Interesse, den V/ert von Y_n während der Kursänderung für die Darstellung

el

auf dem Anzeigeschirm zu bestimmen.

Während der Kursänderung kann das Schiff einen großen Driftoder Anstellwinkel haben, dessen stetiger oder quasi stetiger Wert nicht erscheint, bevor eine relativ lange Zeit entsprechend einer Versetzung von etwa 21? vergangen ist. Um während dieser Zeit eine Darstellung des verbleibenden Teils des Wegmodells zu erhalten, das hinsichtlich Richtung und daher auch hinsichtlich der Position richtig ist, muß Ψ während der Kursänderung auf eine andere Weise bestimmt werden als vor der Kursänderung. Eine Einrichtung zur Bestimmung von f während der Kursänderung wird nachfolgend beschrieben.

Wenn das Schiff die geplante Kursänderung ausführt und dieser Vorgang nicht ohne Störungen abgelaufen/ist, so kann eine Situation auftreten, die auf dem Anzeigeschirm durch die in Pig'. 16b durchgezogene Linie angegeben ist. Der verbleibende Teil des Wegmodells erstreckt sich nicht langer durch die Durchfahrten PI und P2 in der vorgesehenen Weise hindurch.

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Daher hat das Schiff einen falschen Kurs angenommen. Die Gründe für diese Störung können z.B. in der Handsteuerung liegen, wenn der Eudergänger nicht vollkommen richtig gesteuert hat, es ist eine Drift aufgetreten, die durch vorhandene Einrichtungen nicht gemessen werden konnte, um eine Korrektur des Kurses durchzuführen, oder die Einführungsentfernung F wurde nicht geeignet eingestellt.

Wenn der wachhabende Offizier als Bedienungsperson den Fehler feststellt, korrigiert er mit Hilfe des. Steuerglied.es R^ das Wegmodell durch Änderung, im vorliegenden Fall durch Verminderung des voreingestellten Radius und durch geeignete Einstellung von ψ , so daß der Kurs erneut richtig durch die Durchfahrten PI und P2 hindurchführt.

Die Darstellung nach einer solchen Korrektur ist in Fig.16c zu erkennen. Dabei ist zu beachten, daß bei einer Einstellung des Radius R^ von einem W_ert, z.B. R^, zu einem anderen Wert, z.B. R,o eine Entfernung F, automatisch in das Wegmodell mit Hilfe ei.nes Gliedes dafür in die Verbindung zwischen dem gekrümmten Wegteil mit dem Krümmungsradius R^/i und dem gekrümmten Teil mit dem Krümmungsradius R, ρ eingeführt wird. Die vorgesehene Einrichtung berechnet F, (F, =F νΰο,ά. gewöhnlich F, -== F) entsprechend einer Funktionsbeziehung der Form

^Pk = ^f^a'^b1' b2>5 oder

Wenn die Kursänderung fast beendet ist, d.h. wenn die Differenz zwischen, ψί. und Ψ_ο geringer als ein kleiner vorbestimmter Wert, z.B. 5 » ist, wird der Wert des Karsänderungsradius als Steuerbefehl fortgenommen. Anstelle davon wird -f oder die Differenz Ϋ_η~ψ_Ά zugeführt. Bei der Handsteuerung wird diese Steuergröße dem Rudergänger angezeigt oder in einfacher Weise als Kursbefehl gegeben. Bei der automatischen Steuerung wird

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die Differenz Ψ- Ϋ an die automatische Steueranlage gegeben.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß kleine Kursänderungen, z.B. Kurskorrekturen, ψ oder die Diffex^xenz Ψ - f dauernd als Steuergröße oder Steuersignal benutzt werden.

Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung können bestimmte Vereinfachungen und Änderungen der Anzeigeeinheit selbstverständlich vorgenommen werden. Ein Beispiel für eine naheliegende Änderung ist das Fortlassen des Steuergliedes L und die elektronische Darstellung der Planungsentfernung L oder des verbleibenden Teils L¹, des Steuergliedes GP und der elektronischen Darstellung der Kurslinie Ί?Ψ sowie ihr Ersatz durch eine mechanisch drehbare Kursscheibe, die eine Schar von parallelen Kurslinien hat, und die auf den Sichtschirm in üblicher Weise aufgelegt wird. Die Richtung TPf der Kurslinien kann mit Hilfe einer Kantenskala oder in einer anderen vergleichbaren Vie is e abgelesen v/erden..

Eine weitere natürliche und naheliegende Abänderung kann in der Benutzung der Bugrichtung V^, der Bugrichtung vor der Kursänderung, liegen, wenn die Richtung ψ · nicht geraessen

¹ ai

werden kann, z.B. wenn das Schiff nicht mit einem Zweikomponentenlog ausgerüstet ist. Falls erforderlich, kann die Bugrichtung mit Hilfe einer besonderen Steuereinrichtung korrigiert werden, indem ein geschätzter Drift- oder Anstellwinkel oder eine äquivalente Größe eingeführt wird.

Der grundsätzliche Winkelverlauf während einer Kursänderung mit einem konstanten Radius ist aus Figf 17 ersichtlich, wo die horizontale Achse die Entfernung und die vertikale Achse den Winkelwert oder Kurs angeben. Der Einstellpunkt ist bei 15 angegeben.

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In dieser Figur hat der tatsächliche Wert Y₀ des Kurswinkeis

während der Anfangsphase der Kursänderung zwei unterschiedliche Werte. Ein Wert gibt den wirklichen Wert entsprechend dem Modell, ψ und der andere den tatsächlichen wahren Wert

cull ^

ψ_ο__ an. Mach einer Entfernung etwa der Länge von 2P, die

von dem Kurseinstellpunkt 15 der Kursänderung gemessen wird, wird eine stetige Kursänderungswinkelgeschwindigkeit erhal ten, wobei ψ etwa gleich Ψ ist. Während der nicht stetigen Phase ist es wichtig, daß ψ_ηΎη und nicht ψ_n._r als Bezugs-

aSi av

wert für die Darstellung auf der Anzeigeeinheit benutzt wird.

Dieser ψ_η „-Wert kann mit Hilfe einer Einrichtung erzeugt am

werden, die im Prinzip den in Fig. 18 gezeigten Aufbau hat, Die Einrichtung weist einen Quotientenbildner 56 auf, der den Quotienten f^^V/R, bildet, sowie einen Schalter 57» der die erhaltene Größe "/' an eine nachfolgende Zeitintegratorschaltung 58 gibt, die iV · als den tatsächlichen wahren

' el X

Kurswert beim Eintritt in die Kursänderung angibt, als einen Anfangswert erhält, sowie einen Schalter 59? der zum Zeitpunkt t=0 umgeschaltet wiz'd, d.h. in dem Augenblick, wenn die Kursänderung eingestellt wird, wodurch der Wert V^ als Anfangswert für den Integrator festgelegt wird. Sind die Bedingungen der stetigen Phase erreicht und ist' das Schiff mit einer Meßeinrichtung für den Anstellwinkel ausgerüstet₅ so kann nach dem Einstellpunkt von Y„_ auf Ψ_η~ als Bezugswert

Hm clv

ψ für die Anzeigeeinheit nach einer Entfernung von mehr als 2F,z.B. nach 3F, umgeschaltet werden.

Es kann ein Näherungswert von ß als Differenz zwischen V^ und Y_n erhalten v/erden.

Bei der folgenden beispielshaften Beschreibung der Erzeugung eines parametorgesteuerten Wegmodells wird angenommen, daß die Anzeigeeinheit eine Radaranzeige des PPI-Typs ist. Die Bilderzeugung kann im wesentlichen auf zwei

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unterschiedliche Arten durchgeführt werden. I. durch Erzeugung des Bildes durch Lichtimpulse auf radialen Abtastlinien, wodurch dem Bild eine radiale Linien-Punkt-Sti-uktur gegeben wird, und II. durch Erzeugung des Bildes als ein Zeilenbild nach einem Abtastverfahren. Daneben sind auch Kombinationen der beiden alternativen Verfahren I. und IX. möglich.

Das Verfahren I. hat den Vorteil, daß eine relativ große konstruktive Einfachheit, gepaart mit hoher' Genauigkeit zuläßt. Sein Nachteil ist, daß das Modellbild relativ langsam auf den jeweils neuesten Stand gebracht wird, d.h. mit einer Geschwindigkeit, die von der Drehgeschwindigkeit der Radarantenne bestimmt ist. Durch bestimmte Maßnahmen, z.B. durch ein Doppeldrehsystem, kann dieser Nachteil zumindest teilweise beseitigt v/erden. Eine solche Änderung kann jedoch bewirken, daß die Einfachheit zumindest teilweise verloren geht. Eine solche Änderung kann ebenfalls bewirken, daß die Erzeugung nicht mehr als eine nach dem Verfahren I angesehen werden kann.

Das Bilderzeugungsverfahren II ermöglicht eine hohe Erneuerungsgeschwindigkeit bei der Aufzeichnung des Wegmodells. Das Verfahren II entspricht im wesentlichen einem Verfahren, das gewöhnlich zur Erzeugung von Symbolen unterschiedlicher Arten auf Radaranzeigen für unterschiedliche Anwendungen benutzt wird.

In Fig. 19 ist eine beispielshafte Zusammenfassung von Einrichtungen zur Bilderzeugung des WegniodeK.s entsprechend dem Verfahren I gezeigt. Die Wegmodell-Beziehung wird in Polarkoordinaten r und Ψ entsprechend Pig. 20 ausgedrückt. Die Entfernung r, der Radiuswechsel, ist die Entfernung von der Schiffsposition A bis zu einem. Punkt auf dem Wegmodell, der

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den Winkel -? von der Bezugsrichtung Y' hat. Bei der Radaranwendung entspricht der Winkel Ϋ daher der Drehung der Antenne aus der Richtung ψ .

Eine Einrichtung 60 gibt einen Bezugswinkel zu dem Drehwinkel ψ der Radarantenne ab, so daß Y=O ist, wenn die Richtung der Radarantenne Ψ, ist, um ein definiertes Signal Φ⁷ ,

dl

nämlich die Richtung der Radarantenne, an einer Anzeigeeinheit 61 und an eine das Wegmodell erzeugende Baueinheit 62 zu geben. Die Anzeigeeinheit 61 weist einen Anzeigeschirm 44, eine Einrichtung 64 für die Zeitablenkung, eine die Winkellage der Zeitablenkung steuernde Einrichtung 65 und eine Einrichtung 66 zum Intensivieren der Modulation des Bildpunktes auf. Das Signal γ wird an eine Einrichtung 65 gegeben. Eine Einrichtung 64 erhält eine Zeitbasis β von einem Zeitbasis» generator 67. Die Baueinheit 62 ist mit einem Glied 68 zur Steuerung von Rv , ein Glied 69 zur Steuerung von "Ϋ ," ein Glied 70 zur Steuerung von I", das mit der Baueinheit 62 über ein Netzwerk 71 zum Herunterzählen verbunden ist, und mit einem Glied 72 zur Steuerung von L versehen, das mit der Baueinheit 62 über ein Netzwerk 73 zum Herunterzählen verbunden ist. Das letztere hat einen Ausgang zur Zuführung des Signals L'. Die Baueinheit 62 erhält nicht nur das Signal ¹P, sondern auch das Signal Ψ und erzeugt die Signale f und R^. In der Baueinheit 62₅ die z.B. ein elektrisches Netzwerk ist, das von einem Computer oder einer analogen Maschine gebildet sein kann, die für diesen Zweck programmiert sind, wird der Radiusvektor r als eine Punktion des Winkels f gebildet, wobei die Größen L¹, I" , R, und V⁷ . in Wirklichkeit f-Vi₅

D Ti U α

die Parameter bilden. Die Größe r, z.B. i# Form einer Gleichspannung, wird an einen Vergleicher 74 gegeben, wo sie mit der Zeitbasis verglichen wird, die die Größe P vom Generator 67 angibt, der einen Zeitbasisgenerator für die radiale Abtastung aufweisen kann, die gewöhnlich in einer Radaranzeige

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vorgesehen ist. Ist r -P , so erzeugt der Vergleicher einen Startimpuls an einen Lichtimpulsgenerator 75* um diesen .anzusteuern. Dann erzeugt dieser Generator augenblicklich. einen Lichtimpuls, der an die Einrichtung 66 der Anzeigeröhre für die Intensitätsmodulation gegeben wird. Auf diese Veise wird ein Bildpunkt erzeugt, der die Polarkoordinaten r und Φ auf dem Anzeige schirm 44 der Anzeigeröhre hat und der einem Punkt auf dem Bild des voreingestellten Wegmodells entspricht.

Wird die Radarantenne gedreht, so nimmt der Winkel ψ nacheinander verschiedene Vierte an und ein richtig ausgerichtetes Bild des Wegmodells wird in einem Maßstab erzeugt, der durch den Maßstabsfaktor der Zeitbasisgröße bestimmbist.

Das Grundprinzip des Verfahrens mit dem Doppeldrehsystem entspricht im wesentlichen dem Prinzip des Verfahrens I. Der hauptsächliche Unterschied liegt darin, daß bei dem Verfahren I die Zeitbasisabtastung-mit einer Geschwindigkeit gedreht wird, die gleich der Drehgeschwindigkeit der Antenne ist, während bei dem Doppeldrehsystem jede von zwei unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten gex-iählt werden kann- Sine dieser Geschwindigkeiten ist gleich der Drehgeschwindigkeit der Antenne, z.B. ΪΤ_& Umdrehungen pro Sekunde CF) und die andere, z.B. mit IT Umdrehungen pro Sekunde ist erhebliche größer.

IT kann z.B. 10 mal so groß wie Ή sein. Die Drehgeschwindigkeit K wird zur Aufzeichnung des Bildes der Umgebung auf dem Radar benutzt. N_m wird zur Aufzeichnung des Kursänderungsmodells benutzt. Das letztere wird in deih Abständen zwischen den Zeitbasisabtastungen des Radars erzeugt.

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Wird das Radarbild mit einer Geschwindigkeit von einmal pro 2 Sekunden erneuert, und ist N_m= 10 N" , so wird das Kursänderungsmodell mit einer Geschwindigkeit von 5 x pro Sekunde erneuert.

Ein schematisches beispielhaftes Blockdiagramia einer nach dem Verfahren II arbeitenden Anordnung ist in Fig.21 dargestellt. In dieser Figur ist die Bildanzeigeröhre nur durch die Ablenkspulen, einer X-Spule für die x-Ablenkung und einer Y-Spule für die y-Ablenkung, dargestellt. Eine das Wegmodell erzeugende Baugruppe ist mit 76 bezeichnet, ist z.B. ein Datengeber und wird von einer Registereinheit 77 beaufschlagt, die eine Zwischenabtastumschaltung bewirkt.

Ausgehend von den Größen V^, ^, R^, F (F') und L (L') werden die von dem Kursänderungsmodell bestimmten x- und ^--Koordinaten einer vorgegebenen Feigung in der-Baugruppe 72 berechnet. Das Bauteil 76 gibt diese Werte seriell ab. So werden z.B. alle 50 ms 512 Paare von x/y-Werten, die den Weg in einem kartesischen Koordinatensystem mit der vorgev7ab.lten Neigung angeben, zugeführt.

Die Reihe von Ziffern .wird an die Registereinheit 77 gegeben, während die x-Werte an ein x-Register und die y~Werte an. ein y-Register gegeben werden. Jedes dieser Register v/eist zwei Unterregister 78a, 7Gb und 79&>79b auf, die z.B. Schieberegister sind. Das Umschalten zwischen den zwei Unterregistern der x- und y-Register wird mit Hilfe eines durch Taktinpulse gesteuerten Schalters 80 bewirkt, dessen Stellung a dem Einschreiben und dessen Stellung b dem Auslesen entsprechen.

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Kaeli dem Einschreiben z.B. in das x-Unterregister 78a und das y-Unterregister 79a schaltet der Schalter 80 um, um diese beiden Unterregister für das Auslesen vorzubereiten » Dabei laufen die Inhalte der beiden Unterregister um,so daß das Auslesen beliebig oft durchgeführt worden kann. Das Auslesen wird durchgeführt, wenn die Eingänge des Anzeigeschirms frei sind und die Schalter 85 zulassen, daß Information von den Schieberegistern aufgenommen werden kann und gleichzeitig die Taktimpulse zum Auslesen zugeführt werden.

Während dieser Zeitdauer gibt die Baugruppe 76 neue Vegkoordinaten an die Unterregister 78b und 79b,so daß dann die Register Information zum Auslesen zuführen können.

In dem in Fig. 21 gezeigten Blockdiagramm sind die Einschreibund Auslesefunktionen zeitmäßig voneinander getrennt. Dieses ist für sich nicht erforderlich, kann jedoch bei bestimmten Anwendungen vorteilhaft sein. Beim Einschreiben v/erden die Register durch den Schalter 80 taktgesteuert, wobei die zeitliche Steuerung durch den Datenfluß der Baugruppe 76 gesteuert ist. Beim Auslesen werden die Schieberegister durch den Schalter 85 unter Beachtung einer geeigneten Druckgeschwindigkeit und/oder geeigneten Zwischenabtastzeit für den Abtastschirm gesteuert.

Eine Ausführungsform der Anzeigeeinheit, die eine symbolgesteuerte Festlegung und Darstellung des Wegemodells vorsieht, wird nachfolgend in Verbindung mit Fig. 22 erläutert.

In Fig. 22 ist die Anzeigeeinheit als Anzeigeschirm 44 und digitale Kurs-Anzeigeeinrichtungen und Steuereinrichtungen dargestellt. Die Steuereinrichtungen weisen eine Kugel 86

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zum Anheben der Positionssymbole, die im folgenden mit S kombiniert mit einem Bezeichnungsindex, z.B. S^, S^, Sg usvj. bezeichnet sind, ein Steuerglied GP zum Einstellen der Richtungssymbole--Kurslinien, einen Symbolwähler 87 des Druckknopftyps zum Wählen von Positionssymbolen und Richtungssymbolen, ein Steuerglied GV für Kursbefehle und ein Steuerglied S¹ zur Einstellung der Einführungsentfernung Ϊ auf. Die Steuerglieder sind so ausgebildet, daß sie taktisch und leicht zu identifizieren sind. Darüberhinaus ist eine Anzeige 88 für den Wert L¹ = O vorgesehen.

Auch bei dieser beispielhaften Beschreibung ist der Meßfühler ein Navigationsradar und die Anzeigeeinheit ist prinzipiell eine Radaranzeige des PPI-Typs.

Der Einfachheit halber wird angenommen, daß der gekrümmte Teil des Wegmodells einen Kreisbogen aufweist. Beginnend von der Definition des Wegmodells kann dieser Kreis in einfacher Weise durch einen voreingestellten Radiuswert Rv beschrieben werden.

In Pig. 22 befindet sich das Schiff am Punkt A auf einer mit Ψ · bezeichneten Kurslinie, die den anliegenden Kurs beim Eintritt in eine Kursänderung angibt. In Fig. 22 ist keine Darstellung der Nordrichtung vorgesehen.

Das Bild der Umgebung, das von dem Navigationsradar erhalten wird, ist in i\ig. 22 lediglich in Form von zwei Durchfahrten P1 und P2, die durch Paare von Kreuzen angegeben sind, dargestellt. Das Schiff soll nach einer S^eiferbord·-Kursänderung durch diese Durchfahrten hindurchlaufen.

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Die entsprechend der Bewegung des Schiffes nacheinander ablaufenden Vorgänge sind in den Fig. 23a bis 23e dargestellt.

Bei der Verfolgung dieser Abläufe wird angenommen, daß ein fester F-Wert oder ein Programm zur Bestimmung von i¹ voreingestellt wurden, die an das Schiff und dessen Manövriereigenschaften angepaßt sind.

In Fig. 23a ist in vereinfachter Form die gleiche Ausgangslage wie in Fig. 22f gezeigt. Bei dieser Lage wird ein Positionssymbol, z.B. S_x,, mit Hilfe einer Taste des Symbolwählers 87 gewählt und dieses in einer der gewünschten Passage durch die nächste Durchfahrt, d.h. die Durchfahrt P1, mit Hilfe der Kugel 86 angeordnet, wie dieses in Pig. 23b gezeigt ist. Die Position dieses Symbols auf dem Anzeigeschirm kann durch die eine Form eines Steuergliedes angebende Kugel entweder positionsgesteuert oder geschwindigkeitsgesteuert werden.

Nachdem das Positiönssymbol S^ angezeigt wurde, behält es die geographische Position während des gesamten Kursänderungövorganges bei. Mit Hilfe bekannter Techniken kann dieses auf verschiedene Weise ausgeführt werden, z.B. durch eine andauernde Korrektur von Hand mit Hilfe eines Steuergliedes, der Kugel 86, durch ein Glied, das im wesentlichen ein Herunterzählen der Position des Symbols gegenüber dem Schiff bewirkt und damit die erforderlichen Korrekturen erzeugt, oder mit Hilfe einer Einrichtung der Art, die gewöhnlich als automatische Uachfolgeschaltung bezeichnet wird, die zusammen mit dem als Radar ausgebildeten Meßfühler bewirkt, daß ein bestimmtes Positionssymbol Sp, das von dem Symbolwähler 87 erhalten wird, mit Hilfe der Kugel über ein Ziel, z.B. einen Radarreflektor od.dgl. gelegt wird, der durch den Meß-

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~ 68 -

fühler leicht zu unterscheiden ist, und dadurch automatisch auf dieses Ziel gezogen wird, sowie infolge der gewählten Beziehung eindeutig die relative und damit geographische Position des Symbols S^ festlegt.

Unterschiedliche Positionssymbole sind so bezeichnet, daß sie leicht hinsichtlich ihrer Form, ihrer besonderen Position oder einer alphanumerischen Markierung ^2U identifizieren sind.

Wenn die Position entsprechend der Fig., 23b erhalten wurde, z.B. die Markierung P^, so wird eine Richtungslinie oder ein Richtungssymbol Pf₁₁* das durch das Positionssymbol S^ hindurch oder von diesem ausgeht, durch Drücken eines Waiilknopfes auf dem Anzeigeschirm dargestellt. Mit Hilfe des Steuergliedes G-P wird die Richtungslinie PVi so gedreht, daß sie als Passagenkurs für das Schiff durch die beiden Durchfahrten Pl und P2 in der gewünschten Weise hindurchläuft, Die auf diese Weise auf dem Bildschirm erhaltene Darstellung ist in Pig. 23c gezeigt. Die Richtung von P¹P kann auf der Anzeige neben dem Anzeigeschirm erhalten werden.

■o

Es ist zu beachten, daß die zu der Darstellung in Pig. 23c geführten Operationen nicht bewirken, daß die Anzeigeeinheit Steuerbefehle abgibt. Diese Befehle werden erst erhalten, wenn das Steuerglied GV zur Ausführung der Kursänderung betätigt wurde. Diese Voreinstellungen bewirken, daß der gekrümmte Teil des Wegmodells, in diesem Pail ein Kreisbogen, der am Ort des Positionssymbols S^ eine Tangente der Richtungslinie Τ?ψ und auch in einem eindeutig bestimmten Punkt, nämlich dem Punkt C, vgl. Fig. 13» eine Tangente an die f-Linie bildet, wird hinsichtlich seiner Größe durch den Radius R^ Und seiner Lage eindeutig bestimmt. Da die Einführungsentfernung P vorgegeben ist, ist das Wegmodell einschließlich nor

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Position des Einstellpunktes definiert und an die vorzunehmende Kursänderung angepaßt.

Eine Einrichtung, die einen Teil der Anzeigeeinheit bildet und auf bekannten Techniken beruht, führt eine Berechnung des Kreises hinsichtlich Größe und Lage und eine Berechnung der Position des Tangentenpunktes C auf der ^lf'_&-Linie aus und bewirkt außerdem, daß der Radius E^ des berechneten Kreises als eine Steuergröße erhältlich ist, daß die verbleibende Entfernung L (L¹) bis zu dem Einstellpunkt erhältlich und daß der gekrümmte Wegteil auf dem Anzeigeschirm in der geeigneten Position darzustellen ist.

Durch Benutzung einer bekannten Schaltung ist es möglich, die An ze ige einheit so auszubilden, daß sie das zuvod? def i?"iie:^%-te Wegmodell in einer von mehreren möglichen Arten darstellt. Beispiele der Wahl der Darstellungsart sind, daß das gesamte Wegmodell dargestellt wird, sein gekrümmter Teil jedoch durch eine Verlängerung der ψ_-Linie und der Pf_n-Linie, d.h. durch

* St u.

ein zweiseitiges Polygon entsprechend der l^?ig. 23c ersetzt ist, daß das gesamte Wegmodell dargestellt wird, jedoch der gekrümmte Teil durch eine Polygonlinie ersetzt ist, die drei oder mehr gerade Teile, wie in Fig. 23d gezeigt ist, aufweist, oder daß das gesamte Wegmodell so dargestellt wird, daß auch der gekrümmte Teil eine richtige Form hat, wie dieses in Fig. 23e gezeigt ist. Unabhängig von der gewählten Art der Darstellung wird die Position des Einstellpunktes durch ein Positionssymböl markiert, das automatisch für die Darstellung abgeleitet wird, nämlich durch einen in den Fig. 23c bis 23e mit 15' bezeichneten Querstrich.

Unabhängig von der Art der Darstellung der Länge der Planungsentfernung L kann die Entfernung zwischen dem Schiff und dem

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Eircfcellpunkt zugänglich gemacht werden. Die Abnahme dieser Entfernung auf O kann zur automatischen Ausführung der bevorstehenden Kursänderung benutzt werden.

Der verbleibende Vorgang zur Ausführung der Kursänderung stimmt im wesentlichen mit der Beschreibung in Verbindung mit Fig. 15 überein. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß erforderliche Korrekturen, wenn solche notwendig sind, durch Einstellung mit Hilfe der Kugel 86 der Position des Positionssymbols S^ und, falls erforderlich, durch Einstellung der Ί?ψ -Linie mit Hilfe des Steuergliedes GV ausgeführt werden.

Es kann vorkommen, daß eine bevorstehende Kursänderung, z.B. infolge der Tatsache, daß das Wegmodell auf der Anzeigeeinheit zu spät aage geben wird, eine solche Geometrie hat, daß die Plammgs entfernung bereits vom Beginn an negativ ist. Es sind daher Einrichtungen vorgesehen, mit denen die Länge der Entfernung L erfaßt werden kann, wenn diese Länge kleiner als 0 ist, wobei diese Einrichtungen eine neue und geometrisch möglich Bedingung sur Definition der Größe des Radius des gekrümmten Wegteiles erzeugen. Das bedeutet, daß der tatsächliche Kreisbogen eine Tangente an die P^ -Linie in einem Punkt S'^, bildet, der von dem Positionssymbol S_x, aus vie it er innen oder von diesem näher zu dem Schiff hin liegt, vgl. Fig. 24. ■

Die Äusführungsform der beschriebenen Anzeigeeinheit ist zum Anzeigen zusammengesetzter Kursänderungswege mit Hilfe einer Anzahl von Positionssymbolen S^, Sg usw^ und von Richtungssymbolen Pf₁₁^j ^f_U2 "¹¹Sw. geeignet, die mit Hilfe der Wähleinrichtung 87 gewählt sind.

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Selbstverständlich können bestimmte Vereinfachungen und Änderungen der Anzeigeeinheit innerhalb der vorstehenden Boschreibung vorgenommen werden. Ein Beispiel einer naheliegenden Änderung ist, daß das Steuerglied GP, also ein Rad, wie es in Fig. 22 dargestellt ist, und damit auch die Kurslinie Ρ^_υί vgl. !"ig. 22, fortgelassen und durch eine mechanisch drehbare Kursscheibe ersetzt sind, die eine Schar paralleler Kurslinien aufweist und auf den Anzeigeschirm in herkömmlicher Weise aufgelegt werden kann. Die Richtung P¹/^ der Kurslinien wird z.B. elektromechanisch erhalten, so daß die Richtung zur Berechnung des Wegmodells benutzt werden kann*

Fachfolgend werden einige Beispiele praktischer Ausführungsformen des Uavigationssystems nach den neuen Verfahren beschrieben, wobei die gleichen Be sags seichen wie in Fig. 4- benutzt werden, wo dieses möglich ist. Zur Vereinfachung wird angenommen, daß das Schiff mit einem Zweikomponentenlog ausgerüstet ist, das eine annähernd richtige Information über die Geschwindigkeit des Schiffes über Grund angeben kann. Ein Kompaß gibt die Information der geographischen Lage des Schiffes an und nach der Korrektur für den Winkel ß auch die geographische Lage des Geschwindigkeitsvektors. Sofern das Schiff nur mit einem in Längsrichtung orientierten Log ausgerüstet ist, kann eine Information über den Drift- oder Anstellwinkel zur Ausführung von Korrekturen in das Navigationssystem eingegeben v/erden, wobei, wenn erforderlich, diese Korrekturen dann geschätzt oder in anderer Weise bestimmt werden können. Verschiedene Hilfsmittel und Verfahren, die für sich bekannt sind, können bei einer solchen Rekonstruktion der Harschgeschwindigkeijb V des Schiffes über Grund benutzt werden.

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Der Vollständigkeit halber werden beide Alternativen der Handsteuerung und der automatischen Steuerung in den beispielsweisen Fällen gezeigt. Außerdem werden die Einheit für die Bestimmung des Wegmodells betreffend sowohl der Seekarten/Kursänderungs-Darstellungsfall wie auch der Anzeigeeinheit-Fall mit einem Meßfühler und Hilfseinrichtungen für zusätzliche Informationen beispielsweise erläiitert. Zwei Hauptfälle werden betrachtet, nämlich daß das Steuersignal aus der Differenz zwischen dem voreingestellten Radius und dem tatsächlichen Radius besteht, und daß das Steuersignal aus einem voreingestellten Wert und einem tatsächlichen Viert für die Winke !geschwindigkeit des Weges des Schiffes oder die Winkelgeschwindigkeit des Schiffsrumpfes besteht. Das erste Prinzip wird anhand von Fig.26 erläutert, die ein Blockschaltbild des gesamten Systems darstellt, bei dem das Schiff mit 20, eine Einheit zur Bestimmung des Wegmodells für eine Seekarten/Kursänderungs-Darstellung mit 22, ein Meßfühler mit 42, z.B. ein Navigationsradar, das die Eingabeeinrichtung für die Anzeigeeinrichtung bildet, vgl. Figo 12, und ein Winkelgeschwindigkeitsumformer, ein Geschwindigkeitskreisel mit 28 bezeichnet sind, der die augenblickliche Kursänderungs-Winkelgeschwindigkeit 6ü_f des Schiffsrumpfes angibt. Außerdem ist eine Einrichtung 29 zur Bildung einer Differenz und zur Bestimmung des tatsächlichen Radius des Weges des Schiffes, ein Schiffslog 27, das die Längsgeschwindigkeit u und die Quergeschwindigkeit ν über Grund angibt, eine Rudermaschine 21 und ein Regler 41 für diese dargestellt. Die Rudermaschine und der Regler bilden zusammen mit einer eine Differenz bildenden Einrichtung 90 zur Bestimmung des Steuersignals R_K-R ein

ua

automatisches Steuersystem, das in Fig. 26 durch gestrichelte Linien dargestellt ist.

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Bei dem in Fig. 26 dargestellten Favigationssystem ist eine Anzeigeeinheit 91 zur Darstellung eines Bildes der Umgebung und zur Erzeugung und Darstellung eines Kursänderungs-Wegmodells vorgesehen. Diese Einheit erhält Signale von dem Meßfühler 42 in der zuvor beschriebenen V/eise, von der Hilfseinrichtung 92 zur Bestimmung und Einführung einer Einführungsentfernung ü¹ und von einem Kreiselkompaß 53 oder einer äquivalenten Einrichtung zur Bestimmung des Winkels des Bugkurses ^.Außerdem wird von einer Verarbeituur^seinrichtung 52 für den Geschwindigkeitsvektor ein Signal ß an die Einheit 91 gegeben, das den Drift- oder Anstellwinkel des Schiffes angibt. Die Anzeigeeinheit erhält außerdem ein Signal von einer Steuer- und Recheneinheit 93 für zusätzliche Information. Die Anzeigeeinheit 91 gibt ein Signal R^ an einen Schalter 94 zur Auswahl des voreingestellten Radius R^ entweder von einer Einheit 22 für die Seekarton-Kursänderungsdarstellung oder von einer Anzeigeeinheit 91·

Die die Differenz bildende Einheit 95 erhält ein Signal ''.\. von dem Umformer 28 und ein Signal ß von der VerarbeitungD-einrichtung 52 für den Geschwindigkeitsvektor, um die tatsächliche Wegwinkelgeschwindigkeit <o zu bestimmen. Das ·:.«.·

a a

darstellende Signal wird an die den Quotienten bildende Einrichtung 29 gegeben, die außerdem ein Signal V zur Bestimmung des tatsächlichen Radius R des Schiffes erhält. Von der

cL

Anzeigeeinheit wird ein Signal an die Einrichtung 96 zur Einleitung des Ruderprogramms d gegeben.

Das Signal R_& von der den Quotienten bildenden Einrichtung 29 und das Signal R, von dem Schalter 94 v/erden an eine Anzeige 97 für Handsteuerung, die den Kursänderungsradius anzeigt, zur Darstellung der Steuergrößen R_K und R₀ und/oder R^-R

υ a ua

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_ 74 -

wie auch an die die Differenz bildende Einrichtung 90 zur Bestimmung des Signals Rk-R gegeben.

Der Regler 41 steuert die Rudermaschine 21 in Abhängigkeit von der Größe R_K--R , wobei die Rudermaschine auch eine Größe

ba

J" zum Einleiten des Ruderprogranms erhält»

Der Winkelgeschwindigkeitsumformer 28 kann fortgelassen und durch eine Einrichtung ersetzt werden, die das Differential ^Lkj, des Kreiselkonpaßsignals γ^ erzeugt» Bei modernen Einrichtungen, die als Trägheitsplattformen bezeichnet werden, werden solche Winkelgeschwindigkeitssignale gutex* Qualität, also mit niedrigem Rauschen unmittelbar erhalten. Es können auch andere Einrichtungen an Ort vorgesehen sein, die die Entfernung und Richtung zu Pestpunkten in der Umgebung ermöglichen, wie dieses zuvor erwähnt wurde, die Kursänderungswinkelgeschwindigkeit (_fj * des Schiffskörpers wie auch die Wegwinkelgeschwindigkeit O und die Marschgeschwindigkeit V über Grund bestimmen.

Zur genauen Bestimmung der Einführungsentfernung 1? muß die Information der folgenden Art, die der Klarheit halber in Pig. 6 nicht gezeigt ist, an die Einheit 92 gegeben oder zurückgeführt v/erden, die die dynamischen Eigenschaften . des Schiffes angebende Parameter, den stetigen Kursänderungsradius bei Beginn des für die Kursänderung gewählten Ruderprogramms S zum Erhalten eines gegebenen stetigen Kursänderungsradius, alternativ ein gewähltes Programm für den Kursänderungsradius R oder die Winkelgeschwindigkeit cj? "= V/R , die Schiffsgeschwindigkeit und die die Strömung, den Wind, Bodenbedingungen und dgl. angebende Parameter umfaßt.

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In Jig. 26 ist das Krümmungsmaß des Weges durch die Kursänderungsradien R_K und R jeweils angegeben. Wird statt dessen die Krümmung des Weges durch die invertierten Vierte R_K~

—Λ
und E jeweils dargestellt, so wird der Quotientenbildner 29 invertiert und ein Inverter in die Signalleitung von R^ 'geschaltet.

Die in den verschiedenen Blöcken durchgeführten Berechnungen können durch getrennte Hilfsrechner digitaler oder analoger Art durchgeführt werden. Insgesamt oder teilweise können die Berechnungen auch als Teilfolge in einem großem. Computer durchgeführt werden, der im Zeitmultiplex arbeitet.

In den Fällen, bei denen eine automatische Steueranlage be ~ tätigt wird, werden bestimmte Einrichtungen zur aufeinanderfolgenden Steuerung des Kursänderungsvorganges hinzugefügt. Wie zuvor erwähnt, kann (leser Vorgang in drei unterschiedliche Phasen unterteilt werden:

I. in eine Anfangsphase, während der der Kursänderungsradius von einer unendlichen Größe sich auf einen bestimmten stetigen Wert R^ verringert,

II. eine stetige Phase, während der die automatische Steuerung bewirkt, daß R, etwa gleich R^ ißt, und

III. eine Abschlußphase, während der der Kursänderungsradius von Rj₃ gleichzeitig auf eine unendliche Größe anwächst, wenn das Schiff den neuen Kurs annimmt.

Jede von zwei Alternativen kann gewählt werden, wenn die logischen Bedingungen bestimmt werden sollen, die die Grundlage für die Umschaltung zwischen den Phasen I bis III wäh-

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rend der Kursänderung bilden, Beispiele für Einrichtungen, die die Umschaltung der Verbindungen für das tatsächliche· Steuersignal ausführen, wurden der Klarheit halber in Fig.26 nicht gezeigt.

Entsprechend der ersten Alternative wird ein geeignetes Ruderwinkelprogramm α , z.B. der in Fig. 30 gezeigten .Art, wo die horizontale Ach.se die Zeit und die vertikale Achoc ci-n angeben, sowie die Anfangsphase durch einen Pfeil I gekennzeichnet ist, während der Anfangsphase Γ über eine Einrichtung 96 eingegeben. Der Ruderwinkel wächst anfangs mit einer maximalen Geschwindigkeit und wird dann auf einem relativ großen Wert, z.B. 25°, gehalten. Diese Bedingung wird solange beibehalten, wie JR -R,! >-£·.,, gilt, wobei t λ gleich oder eine Größe ist, die verglicheu mit R, relativ klein ist.

Wenn |R -R-r-'--,! ist, wird die Eingangsgröße für das Ruderprogramm unterbrochen und statt dessen das Steuersignal A=R, - R oder alternativ das Steuersignal A - R_K~ ~*R„"

Da D ei

an den Reglereingang der automatischen Steueranlage gegeben wird, so werden Schritte eingeleitet, um das Steuersignal entsprechend bekannter Servocteuertechniken zu minimalisieren. Dann geht die Kursänderung in die stetige Phase II über. Die Wahl der maximalen Ruderwinkelverstellung in dem Ruderprogramm wird im wesentlichen durch die Größe des Kursänderungsradius R, während der stetigen Phase bestimmt, der durch das Kursänderungswegmodell vorgeschrieben ist. Wie zuvor erwähnt, hängt die Länge der Einführungsentfernung F davon ab.

Die stetige Phase II, wird, wenn das Steuersignal A=R -R_u ■ λ λ a D

oder alternativ das Steuersignal &=R_a -R an den Regler

o a

eingang zugeführt wird, solange aufrechterhalten wie die

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folgenden Beziehungen erfüllt sind:

l^Ra * ^Eb^ ^έ"1
|fa ~tul> £-2

wobei f„ der tatsächliche Wegkurswinkel, Ψ der Ausgangskurs a u.

winkel der geraden Entfernung nach der Kursänderung und cp ein Winkel etwa in der Größenordnung von 2 bis 15 sind.

Wenn ψ _a~%_[C £p ist, wird das Steuersignal A= R^-R, oder alternativ _ —_K

Da Do.

für d5n Reglereingang unterbrochen. Statt dessen wird ein Steuersignal/^=^·' -^₀ an den Reglereingang gegeben und dieses Signal minimalisiert das Steuersignal entsprechend bokanntsr Servosteuerbodingungen. Die Absclilußphase III dor Kursänderung hat damit begonnen. Da die Abschlußphase dor Kursänderung andere dynamische Bedingungen erfordert als die stetige Phase, kann es erforderlich sein, einige Parameterwerte in dem Signalverarbeitungsteil des Reglers zu verändern. Die Kursänderung ist beendet, wenn ¹^ - IV, ist.

a u.

Anstelle des Betriebs mit einem vorgegebenen Ruderv/inkelprograumi oder einem Ruderwinkelverlauf 6 wird ein geeignetes Eursänderungsradiusprogramm oder ein Kursänderungsradiusverlauf R zum Vermindern des Kursänderungsradius R von unendlicher Größe auf den Wert R, , der durch das Kursänderungswegmodell vorgeschrieben ist, eingeführt. In diesem Pail wird ein Steuersignal Δ~ R-R an den Reglereingang der automatischen Steuerung bereits bei Beginn der Kursänderung gegeben. Bei R^R = R, tritt eine Umschaltung auf, um eine Steuerung entsprechend des durch das Modell bestimmten Kursänderuiignx'adius R, vorzunehmen«. In öieoea Pail kann es güno\;i;_;>c

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~ 78 ~

sein, mit den invertierten Werten der Radien, nämlich den

—i ^ —i

Krümmungsmaßen R , zur Bildung des Steuersignals "=R_

Λ P P

R zu arbeiten. Wie zuvor erwähnt, ist dieses analog einer ει

Änderung des Skalenfaktors des Steuersignals.

Bei deser Alternative können die beiden Kursänderungsphasen > I und II als übereinstimmend angesehen werden. Um eine solche Abnahme des Kursänderungsradius vorzuschreiben, ohne daß mit zu großen ServoSteuerfehlern gearbeitet werden muß, kann Probleme mit sich bringen. Im Hinblick darauf können bestimmte Bedingungen zur Begrenzung des Ruderausschlages erforderlich sein. Einrichtungen, z,B. ein Computer, zur Erzeugung und Einführung des einleitenden Kursanderungsradiusprog-ramms R^ oder alternativ
halber in der Figur nicht gezeigt.

—Ί radiusprog-ramms R^ oder alternativ R sind der Klarheit

Da während der Anfangsphase der Kursänderung ein gegebenes Programm oder ein gegebener Verlauf von z.B. dem Kursänderungsradius R zugeführt wird, ist die Bewegung des Schiffes während dieser Phase auch kinematisch, d.h. sie wird von Änderungen der Dynamik des Schiffes und der Umgebung prinzipiell nicht beeinflußt.

Bei dieser Alternative hängt die Größe der Einführungsentfernung IT im wesentlichen von dem gewählten Radiusprogramm R zum Einleiten der Verringerung des Kursänderungsradius vom unendlichen Wert auf den durch das Kursänderungswegmodell vorgeschriebenen Wert ab. Die Ausführung des verbleibenden Teils der Kurs änderung wird in gleicher !.Weise vorgenommen, wie bei der ersten Alternative. *

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Tn Pig. 27 ist das Blockschaltbild des vollständigen Systems gemäß der ersten Alternative der vorstehend genannten Art Tür den Fall gezeigt, bei dem das Steuersignal die Differenz des voreingestellten Wertes und des tatsächlichen Wertes der Winkelgeschwindigkeit des Weges des Schiffes angibt. Ira. Hinblick auf die peripheren Einheiten entspricht das Blockschaltbild im wesentlichen dem in Fig. 26 gezeigten.

Die die Differenz bildende Einheit 95 und die den Quotienten formende Einheit 29 wurden fortgelassen und durch eine Rechnereinheit 98 ersetzt, die die voreingestelite Winkelgeschwindigkeit c^f ⁼ ^/^ßb ⁺ ^ erzeugt, mit der die Winkelgeschwindigkeit des Schiffsrumpfes gesteuert werden soll. In diesem Fall ist eine Anzeigeeinrichtung 97 für die Handsteuerung so ausgebildet, daß sie die Steuergröße αν ~ , Cj ~ und/oder £· = ^Kf^0-V angibt, und die die Differenz bilende Einrichtung 90 das Steuersignal Δ ⁼ ^Vf" % bestimmt.

In diesem Fall kann der aufeinanderfolgende Übergang zwischen den unterschiedlichen Phasen des Kursänderungsvorganges dem gleichen, in Verbindung mit Fig. 26 erläuterten Schema folgen. Unveränderte Bedingungen gelten auch für die Wahl des Prograi-un für die Ruderverstellung und den Kursänderungsradius während der Anfangsphase I und für die Größe des Wertes der Einführungsentfernung F, die diesem zugeordnet ist. Ist ein Kursänderungsradiusprogramm R vorgewählt, so soll während der Anfangsphase I als Steuergröße ein Winkelgeschwindigkeits-

programm cJ ~ für den Schiffskörper entsprechend der Beziehung P-J-

o £ = V ZR- + ß gewählt werden, die dieseiiLProgramm zugeordnet ist. *

Die praktische Realisierung des in Fig. 27 gezeigten Blockschaltbildes ist auch für mindestens einige technisch äquivalente Blöcksclialtbildumvandlungen geeignet. Go kann z.B. die Drift- oder Anotollvinkelgeachwindigkcit ß von dor in

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Fig. 27 gezeigten Baueinheit 98 fortgenommen und an einen Differenzbildner 95 in der Signalleitung von uX gegeben werden, wo ß mit umgekehrten "Vorzeichen hinzuaddiert wird, wie dieses in Fig. 28 gezeigt ist. In diesem Fall gibt das Steuersignal die Differenz zwischen dem voreingestellten Wert und dem tatsächlichen Wert der Wegwinkelgeschwindigkeit des Schiffes an. In diesem Fall gibt die Anzeigeeinrichtung 97 für die Handsteuerung die Steuergrößen f-_b, G-' und/oder

Λ=ω - ο an und der Differenzbildner bestimmt das Steuerua

signal £ = *'_b -fr?_a·

In Fig. 29 ist eine weitere, technisch äquivalente Blockschaltbildumformung gezeigt, die von dem in Fig. 28 gezeigten Blockschaltbild ausgeht. Die Division des voreingestellten Radius E^ in der Baueinheit 98, die in Fig. 28 gezeigt ist, wurde bei dem in Fig. 29 gezeigten Blockschaltbild als eine Multiplikation an eine ein Produkt bildende Baueinheit 99 in der Signalleitung der Winkelgeschwindigkeit co =Qj> - ß des Weges des Schiffes übertragen. Das Blockschaltbild gibt jetzt an., daß dio Systemfunktionen die allgemeine kinematische Bedingung des Kursandorungsweges erfüllen, wenn der genannte Ausdruck die Form V-Q)E=O hat. Verglichen mit dem vorhergehenden Fall wurde das Steuersignal des Systems lediglich durch eine Skalenfaktoränderung beeinflußt. In Fig. 29 gibt die Anzeigeeinrichtung 97 für die Handsteuerung die Steuergrößen Va)_n, Rv₁ und/oder /I=V- η R, ³^ ^unci der Differenzbildner 90 bestimmt das Steuersignal Δ =V-o R^.

Andere technisch äquivalente Blockschaltbildumformungen können ebenfalls angewendet werden. Allgemein tfewirkt die Skalenfaktoränderung bei dem Steuersignal in den zuvor erwähnten äquivalenten Ausführungsformen die Möglichkeit, bei verschiedenen Anwendungen eine geeignete Anpassung des Steuersignals an 'den Reglertcil der auterintischen Steueranordnung zu _ wähl en. Das heißt, daß die Erfordern ic se dor Anpasßuii~s-

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fähigkeit des Reglers günstiger sind.

Der Einfachheit halber wurde in den Fig.. 26 bis 29 gezeigt, daß die Anzeigeeinrichtung 97 für die Handsteuerung die gleichen Steuergrößen angibt, die auch zum Erhalten des Steuersignals bei der automatischen Steueranordnung benutzt wurden. Dieses muß jedoch nicht der j?all sein. Unabhängig davon, welches Steuersignal an die automatische Steueranordnung gegeben wird, scheint es bei den ineisten Anwendungen am naheliegendsten zu sein, den voreingestellten Wert und den tatsächlichen Wert des Kursänderraigsradius in der Anzeigeeinrichtung für die Handsteuerung anzuzeigen, die dem Rudergänger oder anderen Personen auf der Brücke die allerneuesten Werte über die Enge des zu steuernden Kurses angibt.

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Claims (27)

Patentansprüche

1. /Verfahren zum im wesentlichen- kinematischen Steuern eines ßchiffes längs eines Eursänderungsweges mit einem vorgegebenen Krümmungsradius, der einer bestimmten Gesetzmäßigkeit unterliegt, dadurch gekennzeichnet , daß an einem Modell des Kursänderungsweges der Einstellwert einer der Größen Krümmungsradius R^ und Winkelgeschwindigkeit des Kursänderungsweges des Schiffes CJ = V/R^ bestimmt wird, daß der tatsächliche Wert der Winkelgeschwindigkeit c-_a und des Krümmungsradius R = VA; „ des Schiffes bestimmt wird, wobei

a a

V ein mindestens annäherndes Maß für die Übergrundgoschwindigkeit des Schiffes ist, daß ein Steuersignal für die so bestimmten Werte erzeugt wird, das eine !Funktion einer der

Größen R^, V^V¹'^V^cdb~¹-^wa~^{1 und V}"^Rb^L\ ^ist> und daß in Abhängigkeit von diesen Größen eine solche Änderung der Ruderstellung bewirkt wird, die zur Minimalisie rang des Steuersignals erforderlich ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet," daß das Steuersignal dargestellt wird, um das Schiff in Abhängigkeit von dieser Darstellung von Hand zu steuern.

3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal einer Steuereinrichtung für die Rudermaschine des Schiffes zugeführt wird, um den Steuervorgang zu stabilisieren und die Steuereinrichtung zu betätigen. *

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4-. Verfahren nach. Anspruch. 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß das Steuersignal ein Maß für die Differenz der Krümmung wie auch eine Komponente enthält, die eine Fehlerfunktion der allgemeinen Form f(R^, R , ¥, t) darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekenn ζ eich net, daß die Fehlerfunktion während des Weges der Kursänderung gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 und 4-, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Darstellung der tatsächlichen Werte von Rt. und R Additionen zumindest einem der Werte R_r und R, solcher Art hinzugefügt werden, die ein Maß für die Felllerfunktion sind und die Fehlerfunktion bei der Handsteuerung vermindern.

7. Verfahren nach Anspruch 3 und 4-, dadurch gekennzeichnet , daß das Steuersignal, das ein Naß für die Differenz der Krümmung bildet und der Steuereinrichtung der Rudermaschine des Schiffes zugeführt wird, auch eine Signalkomponente enthält, die ein Maß der Fehlerfunktion ist

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7* dadurch g e kennzeichnet, daß während einer Anfangsphase der Kursänderung, bei der die Krümmung des Weges sich von einem geraden Kurs auf eine stetige Phase der Kursänderung ändert, ein bestimmtes Programm für die Ruderbewegung eingeführt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ids 8, dadurch g e kennzeich.net , daß ein bestimmtes Programm für die Änderung der Krümmung des Weges von der Bewegung längs eines geraden Kurses bis zum Eintritt in die stetige Phase

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der Kursänderung eingeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9₅ dadurch gekennzeichnet , daß ein bestimmtes Programm für die Änderung der Wegwinkelgeschwindigkeit von der Bewegung längs eines geraden Kurses bis zum Eintritt in die stetige Phase der Kursänderung eingeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g.e kennzeichnet , daß ein bestimmtes Programm, für die Winkelgeschwindigkeit des Schiffsrumpfes von der Bewegung längs eines geraden Kurses bis zum Eintritt in die stetige Phase der Kursänderung eingeführt wird.

12. Anordnung zum im wesentlichen kinematischen Steuern eines Schiffes längs eines Kursänderungsweges mit einem vorgegebenen Krümmungsradius, der einer bestimmten Gesetzmäßigkeit unterliegt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (27,28,29) zur Bestimmung des tatsächlichen Wertes der Wegwinkelgeschwindigkeit cj_ und des Krümmungsradius

Pl = Y/co des Weges des Schiffes (20), wobei" V ein mindestens a a

annäherndes Maß für die Übergrundgeschwindigkeit des Schiffes ist, durch eine Einrichtung (32,39^0) zum Erzeugen eines

—1 Steuersignals, das eine Funktion einer der Größen R, -R„, R, ~ R " , υ, - (.ο , co~ -ί,> und V-R₁M₀ ist, aus den mit der

cL D el D el D 3.

ersten Einrichtung erzeugten Werten und dem voreingestellten Wert einer der Größen Krümmungsradius R, des Weges sowie Wegwinkelgeschv/indigkeit ω, :=V/R, , die durch ein Wegmodell (22) bestimmt sind, und durch eine Einrichtung (21,31,41) zum Benutzen des Steuersignals bei der Einstellung der Ruderstellung des Schiffes.

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13· Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einleiten des Kursänderungsvorganges, eine bestimmte Entfernung (L) vor dem Punkt den Schiffsweges, der eine Abnahme des Kursänderungsradius (R ) von unendlich bis zu einem Wert nahe R^ entspricht, wobei dieser Entfernung eine bestimmte Größe gegeben ist, die als eine ihmktion des gewünschten Kursänderungsradius (R^),der dynamischen Eigenschaften des Schiffes, der Eintrittsgeschwindigkeit in die Kursänderung sowie des gewählten Programmes während der Anfangsphase der Kursänderung für eine einleitende Ruderbewegung, der Abnahme des Kursänderungsradius von unendlich auf R^ und dos Anwachsens der Wegwinkelgeschwindigkeit von 0 auf od, bestimmt ist.

14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in der Rudersteuerungsanlage des Schiffes (20) eine Einrichtung (31) für die Handsteuerung des Schiffes, und eine Anzeigeeinrichtung (33) in Verbindung mit der Einrichtung zur Handsteuerung vorgesehen sind, um Rv und R in der Weise anzuzeigen, daß abnehmende Werte von Rj₃ und R Ableseuerten entsprechen, die während einer Backbord-Karsänderung nach links anwachsen, und Ablesevierten entsprechen, die während einer Steuerbord-Kursänderung nach rechts anwachsen.

15· Anordnung nach Anspruch 14-, dadurch gekennzeichnet , daß eine v/eitere Anzeigeeinrichtung (38) zur unmittelbaren Anzeige der Differenz R-u-R in der Weise angeordnet ist, daß die Anzeigeeinrichtung eine Ablesung nach links für R>E, während einer Steuerbord-Kursänderung und-für E < R, für eine Backbord-Kurs änderung und umgekehrt angibt.

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16. Anordnimg nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in der Rudersteueranlage des Schiffes (20) eine Einrichtung (51) für die Handsteuerung des Schiffes und eine Anzeigeeinrichtung (33) in Verbindung mit der Einrichtung für die Handsteuerung vorgesehen sind, ra ü_b und oj anzuzeigen, wobei die Anzeigeeinrichtung derart ausgebildet ist, daß anwachsende vierte von i.v und n> Anzeigewerten entsprechen, die während einer Backbord-Kursänderung nach links anwachsen, und Anzeigewerten entsprechen, die während einer Steuerbord-Kursänderung nach rechts anwachsen.

17· Anordnung nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η ze ic.h net, daß eine weitere Anzeigeeinrichtung zur unmittelbaren Anzeige der Differenz Gj^- c> derart ausgebildet ist, daß die Anzeige eine Ablesung nach links für Gj_a < co, ■ während einer Steuerbordr-Kursänderimg und für ω ^,OJν .-während einer Backbord-Kursänderung und umgekehrt angibt.

18. Anordnung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer Signalkomponente in dem Steuersignal, die eine Fehlerfunktion der allgemeinen Form f(R_b, R_a, V, t) angibt. .

19· Anordnung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Signalgenerator zum Angeben mindestens eines der !Teile von Vorzeichen und Größe der Fehlerfunktion.

20. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η -

if

zeichnet , daß eine das Wegmodell festlegende Einrichtung zui¹ Bestimmung des voreinges teilten Wertes R^ und U-, eines bevorstehenden Kursänderungsvorganges eine Anzeigeeinheit (61) aufweist, die mit einem Meßfühler (42) verbunden ist und einen Anzeigeschirin (44), der ein maßstabrichtigee

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und richtungsmäßig ausgerichtetes Bild der Umgebung des Schiffes, gesteuert durch die Information des Meßfühlers anzeigt, wobei das Bild einen für die Ausführung einer Kursänderung erforderlichen Informationsinhalt hat und eine Einrichtung (62) zur synthetischen Erzeugung, Darstellung und Voreinstellung eines Kursändorungswegscdells aufweist, das dem Bild auf dem Anzeige schirm supernponiert wird, wobei diese Einrichtung so ausgebildet ist, daß auf dem Anzeigeschirm eine Kurslinie Cf )erzeugbar ist, die von einem Punkt (A) auf dem Anzeigeschirm ausgeht, der der Position des Schiffes in dem Bild der Umgebung entspricht, und die die anliegende Kursrichtung mit der erforderlichen Genauigkeit und Kosjpeßrichtigkeit sowie einen geraden Wegteil bestimmter Länge wiedergibt, die längs dieser Kurslinie ausgerichtet ist und von einem wählbaren Punkt (15) in eine Richtung von der Position ausgeht, die der Position des Schiffes entspricht, und einen gekrümmten Wegteil (13) gebildet wird, die mit dem geraden Wegteil als Tangente an dem Endpunkt (18) dieses Wegteils beginnt, wobei die Krümmung des gekrümmten Wegteiles einer bestimmten Gesetzmäßigkeit unterliegt.

21. Anordnung nach Anspruch 20, 'gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (68) zum Einstellen der Gesetzmäßigkeit des gekrümmten Wegteils (13) .

22. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (72) zum Einstellen der Länge (L) des geraden Wegteils.

23. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Bestimmen des Punktes (D) des

gekrümmten Wegteiles (13)? injdem die tangentiale Richtung des vJegteiles nit der Kur sr ichtun g (""S₁) -^^r clen fortgesetzter.

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geraden Weg der Bewegung, die nach der Kursänderung geplant ist, zusammenfällt, und durch eine Einrichtung (69) zum synthetischen Erzeugen und Darstellen eines zweiten linearen Vegteiles auf dem Anzeigeschinn. (44), der dem weiteren Weg der Bewegung entsprich

t.

24. Anordnung nach Anspruch 23, gekennzeichne t durch eine Steuereinrichtung (69) zum Einstellen der Kursrichtung für diesen zweiten geraden Wegteil.

25. Anordnung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine bei der Einstellung der Kursänderung eingeschaltete Einrichtung (?1i73) zum Rekonstruieren des Bildes des verbleibenden Teils des Wegmodells in der Weise, daß während idealer Bedingungen dieser Teil in der gewünschten Position im späteren Teil des Wegmodells beibehalten wird, und bei gestörten Bedingungen, wenn das Weguiodell nicht in der gewünschten Position beibehalten wird., eine Korrektur des Kuraänderungsvorganges ausführbar ist.

26. Anordnung nach Anspruch 25, g e k e η η ζ e i c h .n e t durch eine derart ausgebildete Einrichtung,daß bei der Ausführung einer Korrektur des Wegmodells eine neue kleinere Korrekturentfernung erhalten wird, deren Größe von der Größe der erforderlichen Korrektur abhängt.

27. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß eine ein Wegmodell festlegende Einrichtung zur Bestimmung der voreingestellten Werte E, und o^ für einen bevorstehenden oder ausgeführten Kursänderungsvorgang eine mit einem Meßfühler (42) verbundene Anzeigeeinheit aufweist, die einen Anzeigeschirm (44), mit dem ein inaßstabrichtiges

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und richtungsmäßig ausgerichtetes Bild der Umgebimg des Schiffes gesteuert durch, die Information des Meßfühlers anzeigbar ist, wobei das Bild die erforderlichen Informationsinhalte zur Ausführung einer Kursänderung hat, eine Einrichtung (87) zum synthetischen Erzeugen und Darstellen auf dem Anzeigeschirm mindestens eines Symbols (S,,, Sp...Py/) für jeweils Positbn und Richtung, eine Einrichtung (86), mit der sicherzustellen ist, daß die auf dem Anzeigeschirm angezeigten Symbole während des Kursänderungsvorganges die geografische Darstellung beibehalten, und eine Einrichtung zum Berechnen eines Kursänderungswegmodeils aufweist, das mit einem geraden Wegteil änderbarer Länge beginnt, das mit einer den anliege:!?ca Kurs des Schiffes darstellenden Kurslinie zusammenfällt und eine Tangente an einen folgenden, gekrümmten Kursänderungswegteil (13) bildet, der am Endpunkt (18) des geraden Wegteils beginnt, wobei die Krümmung des gekrümmten Kursänderungswegteiles einer bestimmten Gesetzmäßigkeit unterliegt und eine •Tangente an eine Kurslinie bildet, die durch den durch das dargestellte Positbnssymbol (S.*) dargestellten Punkt hindurchgeht und eine durch ein Eichtungssymbol (P^') bestimmte Richtung hat, die den Wegkurs des Schiffes nach der Kursänderung darstellt, wobei der Tangentenpunkt an dem Positionssymbol engeordnet ist, wenn dieses geometrisch realisierbar ist, oder, wenn dieses geometrisch nicht realisierbar ist, an dem Punkt längs der Kurslinie liegt, der dem Positionssymbol am dichtesten benachbart ist, wobei dieser Punkt die geometrischen Bedingungen erfüllt und der Anfangspunkt des Kursänderungsvreges, der durch die zuvor erwähnten Bedingungen der Berechnung bestimmt ist, auf dem Anzeigeschirm durch ein zweites' Positionssymbol zusammen mit einem zweiten Richtungssymbol angegeben ist, das den anliegenden Kurs des Schiffes angibt.

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