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"Anordnung zur Fesselung eines Unterwasserschwimm-
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körpers mit einen Oberflächenschwimmkörper" Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur automatischen Fesselung eines freibeweglichen UnterwasserschwirsDIlkörpers
mit einem Oberflächenschwimmkörper, die über ein Kabel miteinander verbunden sind,
das eine Nachrichtenverbindung zwischen beiden Schwimmkörpern gestattet.
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Bekanntlich ist es durch ein Zugkabei zwischen einem Unterwasserschwimmkörper
und einem Oberflächenschwimmkörper möglich, diese so miteinander zu verbinden, daß
der Oberflachenschwimmkörper dem Unterwasserschwimmkörper bei dessen Bewegungen
folgt. Dabei wird in vielen Fällen eine automatisch geregelte Kabelaufwickeivorrichtung
eingesetzt, die kurzzeitige Spitzenbelastungen von dem Kabel zwar fernhält, jedoch
sind die länger dauernden Kräfte, wie die Vorwärtsbewegung des Unterwasserschwimmkörpers,
Wind und Strömung vom Kabel aufzufangen. Wird der Unterwasserschwimmkörper zu Arbeiten
an bestimmten Positionen eingesetzt, so verhindert diese Kraftwirkung durch das
Zugseil auf den Unterwasserschwimmkörper dessen gezielt es Arbeiten. Insbesondere
sind sehr komplizierte Arbeiten, wie sie z. B. an Unterwasserbohrgeräten auszufahren
sind, damit nicht durchführbar Eine andere Möglichkeit zur Fesselung beider Schwimmkörper
besteht in der Verwendung einer Sonarverbindung die aber
durch die
dabei notwendige Ausirutzung des vom Unterwasserschwimmkörper reflektierten Signals
außerordentlich störanfällig wird, auch wenn ein Transpondels benutzt wird, da die
Stärke des Störechos von der Beschaffenheit des Grundes abhängt und eine Unterscheidung
zwischen den Echos des Unterwasserschwimmkörpers und des Grundes zu treffen ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, durch eine Kabelverbindung zwischen
einem freibeweglichen Unterwasserschwimmkörper mit einem Oberflächenschwimmkörper
eine einfache und sichere Ermittlung des Abstandes zwischen beiden Schwimmkörpern
zu erreichen, wobei der Oberflächenschwimmkörper den Bewegungen des Unterwasserschwimmkörpers
so folgt, daß eine zwischen beiden Schwimmkörpern bestehende Kabelverbindung keine
Krafteinwirkung erfährt.
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Zur Lösung dieses Problems wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen,
daß auf dem Unterwasserschwimmkörper ein Sonarrundum-Strahler vorgesehen ist dessen
Sonarimpulse vom Oberflächenschwimmkörper empfangen werden und gleichzeitig zu den
Sonal-impulsen synchrone Zeitmarken über das Nachrichtenkabel an den Oberflächenschwimmkörper
gelangen, um durch geeignete Signal verarbeitung auf dem Oberflächenschwimmkörper
einen Meßwert des Abstandes zwischen beiden Schwimmkörpern zu gewinnen, der zusammen
mit der Tauchtiefe des Unterwasserschwimmkörpers die Regelung eines konstanten Abstandes
beider Schwiminkörper über den Antrieb des über flächenschwimmkörpers gestattet.
Der Vorteil einer derartigen Abstandsregelur-g gegenüber einer Positionierung liegt
darin, daß die Regelung nur in einem Freiheitsgrad erfolgen muß und der Aufwand
und der Energiededarf der Antriebsregelung minimiert werden kann.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nich der Erfindung dargestelLt.
Figur 1 zeigt eine Prinzip-Darstellung, Figur 2 eine Anordnung zur Entfernungs-
und Richtungsbestimmung, Figur 3 eine Darstellung der Position der Schwimmkörper
zueinander, Figur II ein Strukturbild der elektrise:hen Einrichtungen, und Figuren
7 und 6 Regelkreise für die Abstands- und Richtungsregelung. In Figur 1 ist ein
Oberflächenschwimmkörper 1 mit einem Unterwasserschwimmkörper 2 über ein Energie-
und Nachrichtenkabel 3, gegebenenfalls durch Einsatz eine Zwischenboje 4, miteinander
verbunden. Außerdem besteht zwischen beiden Schwimmkörpern eine Sonarverbindung,
die durch die strichpunktierte Linie 5 angedeutet ist. Beiden Schwimmkörpern gemeinsam
sind Meßfühler zur Datenerfassung, Datenverarbeitungsanlagen und Registrierein richtungen
für Störungsmeldungen. In dem Oberflächenschwimmkörper 1 sind außerdem eine Auftauch-Warneinrichtung,
eine Navigations- und Funkanlage sowie ein Sonarempfänger zur Nachfahrregelung eingesetzt.
In dem Unter"aserschwimmkörper 2 sind außer einer Warn- und Alarmanlage eine Ortungs-
und Lokationsanlage sowie ein Sonarsender zur Nachfahrregelung des Oberflächenschwimmkörpers
vorgesehen.
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Aus der vereinfachten Darstellung nach Figur 2 sind die zur Abstands-
und Richtungsregelung zwischen den Schwimmkörpern erforderlichen Größen ersichtlich.
Der an der Wasseroberfläche 6 schwimmende Oberflächenschwimmkörper 1 weist an seiner
Bodenfläche 7 vier Sonarempfänger 8 - 1i auf. Die oberhalb des Schwimmkörpers 1
gezeichnete Draufsicht zeigt die Lage der Sonarempfänger. Die beiden in der Längsachse
angeordneten Empfänger 8 und 9 dienen zur Ermittlung der Entfernung und die Sonarempfänger
10 und 11 der Ermittlung der Richtung der Schwimmkörper zueinander. Mit 12 ist eine
Winde für das Kabel 3 bezeichnet. In einer Tiefe h und mit einem Abstand r vom Oberflächenkörper
1
befindet sich der Unterwasserschwiminkörper 2.
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Dieser eist einen Sonarsender 13 und einen Kabelanschluß 14 auf.
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Die Altstands- und Richtungsregelung und auch die Kabellängenregelung
basieren auf einer sicheren Bestimmung der Entfernung r und des Lagewinkels t des
Oberflächensch«imrliörpers 1 zum Unterwasserschwimmkörper 2. Die Positionierung
erfolgt mit hilfe von akustischen Signalen des Senders 13, die von den vier Empfängern
8 bis 11 in dem Schwimmkörper 1 empfangen werden. Aus der Laufzeit und den Laufzeitunterschieden
der einzelnen Signale kann die Entfernung und der Lagewinkel bestimmt werden.
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Aus Figur 3 ist neben der Darstellung nach Figur 2 eine Draufsicht
auf die Wasseroberfläche 6 gezeigt. Die Anordnung nach der Erfindung soll gewährleisten,
daß der Oberflächenschwimmkörper 1 sich, abhängig von der Tauchtiefe und der Geschwindigkeit
des Unterwasserschwimmkörpers 2, in einem bestimmten Abstand von dem Schwimmkörper
2 befindet. Der Schwimmkörper 1 kann sich dabei auf einem Kreisring 15 konzentrisch
um den Schwimmkörper 2 bewegen.
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Er wird dabei ständig mit seinem Bug in Richtung auf den Schwimmkörper
2 zeigen. Durch Wind- und Strömungseinflüsse stellt sich der Schwimmkörper 1 in
eine stabile Lage auf den Kreisring 13 so ein, daß sein Bug in Richtung des Schwimmkörpers
2 und entgegen der resultierenden Richtung der Wind- und Strömungseinflüsse zeigt.
Dadurch wird in der stabilen Lage ein Minimum an Antriebsenergie benötigt.
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Der Schwimmkörper 1 wird durch Stellbefehle an seinen Antrieb, beispielsweise
einen Schottelantrieb, in seiner Position gehalten. Kurzzeitige, schnelle Störungen
wirken sich nicht in Form von Stellbefehlen an den Antrieb aus, sondern werden durch
die Drehmomenten-Winde 12 ausgeglichen.
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Aus dem Strukturbild nach Figur 4 sind die wesentlichen Bauelemente
ersichtlich, die zur selbständigen Abstandsregelung erforderlich sind. Oberhalb
der gestrichelten Linie sind die im Oberflächenschimmkörper, unterhalb die im Unterwasserschwimmkörper
vorgesehenen Bauelemente eingetragen. Jeder Schwimmkörper weist ein zentrales Steuerungssystem
16 und 17, denen die zur Funktionsnüberwachung und damit zur Sicherung der Gesamtanlage
erforderlichen Signale zugeheno Das Steuerungssystem hat Rechnerstruktur und ist
frei programmierbar Ein Datenaustausch kann über eine Datenübertragung 18 und 19
und das Energie- und Nachrichtenkabel 3 erfolgen. Hierfür ist eine Serienübertragung
von Telegrammen vorgesehen. Für eine sichere Übertragung ist eine Wandlung der Digitalzeichen
und eine Umsetzung in einen Frequenzbereich geringer Storanballigkeit erforderlich.
Über eine Leitungstreiberstufe werden die Signale verstärkt und dem Kabel 3 zugeführt.
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Die Eingangs stufe auf der Empfängerseite sieht eine galvanische Entkopplung
von der Sendeseite über Optokoppler mit anschließender Regenerierung der Digitalzeichen
durch getaktete Abfrage vor. Die Synchronisation erfolgt durch ein Startsignal.
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Im Energie- und Nachrichtenkabel 3 sind für die Datenübertragung drei
paars verseilte Adernpaare vorgesehen, von denen das erste Adernpaar der Datenleitung
von dem Unterwasser ~ schwimmlrper zum Oberflächenschwimmkörper, das zweite Adernpaar
der entgegengesetzten Datenleitung und das dritte Adernpaar der Fernsprechleitung
für Gegensprechen dienen.
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Die drei Adernpaare ermöglichen einen vollstandig gleich mäßigen Aufbau
des Kabels und weniger aufwendige Sende und Empfangsschaltungen. Als Nachrichtenkabel
kann auch ein optischer Wellenleiter vorgesehen sein. Es ist aber auch denkbar,
zur Nachrichtenübertragung allein das zur Energieversorgung zwischen den Schwimmkörpern
dienende Kabel zu verwenden.
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AII das Steuerwerk 17 im Unterwasserscl1lfimmkörper 2 ist ferner die
Sonarsendeanlage 13 und an das Steuerwerk 16 im Oberflächenschwiinmkörper 1 die
Sonarempfangsanlage, bestehend aus den Hydrophonen 8 bis 11, angeschlossen. Die
Querverbindung 20 zwischen Sonarscnder 13 und Datenübertragung 19 soll andeuten,
daß parallel zu den ausgesendeten Sonarimpulsen ein Kontrollimpuls iiber die Datenanlage
iibertragen wird, mit dem die Empfangsanlage synchronisiert wird. iiie Phantomschaltung
in der Empfangsanlage ermöglicht die Regenerierung der Kontrollimpulse auch bei
ausgefallener Datenübertragung, so daß die Regelung des Abstandes und der Richtung
bestehen bleibt. Die Synchronisation der Zeitmarken kann bei Störung oder Bruch
des Kabels 3 mit Hilfe eines Schwungrades aufrechterhalten werden. Zur Synchronisation
kann weiterhin auch ein Quarzresonator verwendet werden.
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Um zu gewährleisten, daß das Verbindungskabel 3 zwischen den Schwimmkörpern
frei von Zugbeanspruchungen ist, werden aus den aus der Sonarverbindung gewonnenen
Größen durch das Steuerwerk 16 Stellbefehle an den Antrieb 21 des Oberflächenschwimmkörpers
gegeben. Kurzzeitige schnelle Störungen wirken sich nicht auf den Antrieb aus, sondern
werden durch den Antrieb 22 für die Kabelwiden ausgeglichen.
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Anhand der Figur 3 soll die Wirkungsweise der Abstandsregelung näher
erläutert werden.
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Dem Block 23 wird die Tiefe h vorgegeben, der dem Sollwert des Abstandes
rs proportional ist. Hier darf ein Mindestwert rmin nicht unterschritten werden,
damit beim Auftauchen des Unterwasserschwimmkörpers eine Kollision vermieden wird.
In einer Vergleichsstelle 24 wird der Sollwert r8 mit dem in dem zentralen Steuerwerk
16 ermittelten Abstand ri verglichen. Eine Regelabweichung wird dem Regler 25 vorgegeben.
Dieser bestimmt die Drehzahl n und damit den Schub des Antriebes 26. Der Schalter
S1 befindet sich
während der Abstandsregelung in der Stellung b.
Dem Schub entspricht eine Nenngeschwindigkeit, die im Block 27 ermittelt und durch
das Bewegungsverhalten des Oberflächenscitwimmkörpers verzögert erreicht wird. Eine
Abstandsänderung r, die im Block 28 festgestellt wird, ist abhängig von den Fahrzeuggeschwindigkeiten,
der Ablenk-bzw. Auftauchgeschwindigkeit des Unterwasserschwimmkörpers sowie von
der Kurswinkeldifferenz t und dem Feblwilikel £. Unter dem Differenzwinkel fwird
die Lage des Verbindungskabels zur Längsachse des Unterwasserschwimmkörpers und
unter dem Peilwinkel £ die Lage des Kabels zur Längsachse des Oberflächenschwimmkörpers
verstanden.
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Im ausgeregelten Zustand sind beide Winkel vernachlässigbar.
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Außerdem ist auch die Tauchgeschwindigkeit gering.
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Bei konstanter Geschwindigkeit des Unterwasserschwimmkörpers ist r
somit nur noch proportional der Geschwindig keit des Oberflächenschwimmkörpers.
Aus der Abstandsänderung wird in einem weiteren Differenzierblock 29 der Abstand
r ermittelt und dem zentralen Steuerwerk 16 zugeführt. Außerdem geht die Abstandsänderung
r an einen Schwellwertschalter 30, der bei Überschreiten der Schwelle rmin den Schalter
S1 in die Stellung a umschaltet. Der Antrieb bekommt damit dies feste Stellgröße
Una < 0.
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Gleichzeitig wird auf einem festen Fehlwinkel geregelt.
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Dadurch weicht der Oberflächenschwimmkörper durch Rückwärtsfahrt dem
Unterwasserschwimmkörper aus. Das Ausweichmanöver wird abgebrochen (Schalter S1
wieder in Stellung b), wenn keine Abstandsänderung mehr vorliegt. Die Abstandsregelung
setzt dann wieder ein. Da einer geringen Abstandsabweichung eine wesentlich größere
Strecke der Wasseroberfläche entspricht, müssen an den Abstandsregler erhöhte Anforderungen
gestellt werden, um an der Wasseroberfläche innerhalb eines geforderten Kreisringes
zu bleiben.
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Anhand des Regelkreises in Figur 6 soll die Wirkungsweise der Richtungsregelung
beschrieben werden.
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Der Sollwert für den vorerwähnten Fehlwinkel #s wird über einen Schalter
52 vorgegeben und beträgt bei eingeschalteter Abstandsregelung #S2 = 0°. Während
eines Ausweichmanövers wird ein fester Winkel #S3 ausgeregelt.
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Durch die Richtungsregelung soll ein Verdrillen des Versorgungskabelhs
verhindert werden. Um möglichst wenig Energie zu verbrauchen, ist ein Dreipunkt-Regler
31 vorgesehen, der den Querstrahlantrieb 32 nur kurzfristig einschaltet. Die Einschaltung
erfolgt beispielsweise bei einer Regelabweichung von + 180, die Ausschaltung bei
+ 9o Der Querstrahlantrieb dreht den Oberflächenschwimmkörper mit einer Kurswinkelgeschwindigkeit
i , die nach dem Einschalten des Antriebes verzögert erreicht wird. Nach dem Abschalten
des Antriebes bei beispielsweise + 90 dreht der Oberflächenschwimmkörper aufgrund
seiner Trägheit noch weiter auf 0° zu. Das Integral der Kurswinkelgeschwindigkeit
Ç ist der Fehlwinkel E, der mit Hilfe des zentralen Steuerwerkes 16 bestimmt wird.
Der Schalter S2 befindet sich bei eingeschalteter Abstandsregelung in der Schaltung
b, bei starker Annäherung wird in die Stellung a umgeschaltet und ein fester Winkel
b + 00 vorgegeben.