DE2847761C2 - Ortungssystem zur Bestimmung des Ortes eines Schwimmkörpers auf See, insbesondere im Bereich der Tiefsee - Google Patents

Description

Wassertiefe. Bei größeren Abständen ist der Ausbreitungswinkel und Einfallswinkel auf die am Schiff angeordnete akustische Meßeinrichtung so flach, daß sich Brechungen oder Beugungen an Wasserschichten unterschiedlicher Ausbreitungseigenschaften bemerkbar machen, die zu einer Unbrauchbarkeit des Systems führen. Ortsbestimmungen bei Entfernungen, die ein Vielfaches der Wassertiefe betragen, sind überhaupt nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunae, die Nachteils, der bekannten Verfahren und Anordnungen zu vermeiden und ein Ortungssystem zu schaffen, das in Gebieten, deren Ausdehnung ein Vielfaches der Wassertiefe betragen kann, eine sehr genaue Ortsbestimmung ohne störende Einflüsse durch Schiffsgeräusehe, Spülwasser oder dergleichen, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Diese Lehre bedeutet eine Kombination des bekannten Funk-Ortungssystems mit akustischen Ortungssystemen, wobei die Vorteile beider Systeme ausgenutzt werden, ohne daß ihre Nachteile in Erscheinung treten. Durch das Ortungssystem ergibt sich der Vorteil einer Ortsbestimmung in einem Gebiet, dessen Ausdehnung ein Vielfaches der Wassertiefe beträgt Dieses Gebiet kann funktechnisch noch als Nahbereich angesehen werden, so daß die Ortsbestimmung mit großer Genauigkeit erfolgt. Der Nahbereich ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Bezugsorte nicht an Land liegen, sondern in dem interessierenden Bereich, einem Vielfachen der Wassertiefe. Die Bezugspunkte liegen auf Bojen, die am Meeresboden verankert sind. Dadurch würde normalerweise der Nachteil eintreten, daß sich Ungenauigkeiten aufgrund des Schwoijens der Bojen ergeben würden. Dieser Nachteil wird jedoch dadurch vermeiden, daß auf akustische Weise die Position der Boje in bezug zu den bekannten Orten der Antwortgeber bestimmt und der funktechnisch ermittelte Ort entsprechend korrigiert wird. Da die akustische Ortsbestimmung nicht mehr im Nahbereich z. B. eines Bohrschiffes liegt, können sich keine Störungen c'-.irch Schiffsgeräusche oder durch Beugungen, Brechungen oder gar Reflexionen an Spülwasserwolken ergeben. Die Gefahr von Ausfällen der akustischen Ortsbestimmung der Bojen besteht daher nicht, so daß jederzeit die gewünschten Korrekturwerte zur Korrektur des funkmeßtechnisch ermittelten Ortes zur Verfügung stehen.

Da zur Ortsbestimmung immer wenigstens zwei Standlinien erforderlich sind, müssen für die funkmeßtechnische Ortsbestimmung immer zwei Bojen und für so die akustische Ortsbestimmung immer zwei Antwortgeber vorgesehen sein. Da Schiffe nicht immer Standlinien mit Hilfe von Bojen ermitteln, sondern auch auf andere Weise, gilt das erfindungsgemäße Prinzip auch für den Fall, daß nur eine Boje in die Messung einbezogen wird. Das Grundprinzip der Erfindung ermöglicht es ganz allgemein, am Meeresboden verankerte Seezeichen so auszurüsten, daß sie entweder selbsttätig oder auf Anfrage als Antwortgeber ihre genaue Position in bezug zu den bekannten Orten der Antwortgeber oder ^b0 ihrer Verankerung übernr:' 'i. Sowohl die Empfangs-Sende-Einrichtung in dei boje als auch die elektroakustischen Antwortgeber am Meeresboden arbeiten gegebenenfalls nur auf Anfrage, so daß ihr Stromverbrauch verhältnismäßig gering sein kann.

Bei Verwendung von nur zwei Bojen nimmt die Genauigkeit der Ortsbestimmung zu einer durch die Bojen gelegten gedachten Linie hin ab. Aus diesem

65 Grunde kann es zweckmäßig sein, zusätzliche Bojen vorzusehen, die vorzugsweise an den Ecken eines Quadrats verankert sind. Die Kantenlänge dieses Quadrats kann z. B. 10 km betragen, so daß Ortsbestimmungen mit der durch die Erfindung bedingten hohen Genauigkeit in einem kreisförmigen Gebiet mit einem Durchmesser von 50 km möglich sind. Die Wassertiefe kann dabei mehrere tausend Meter betragen.

Bei einer Anordnung der Verankerungen der Bojen an den Ecken eines Quadrats ist es zweckmäßig, die elektroakustischen Antwortgeber jeweils auf der Mitte der Kanten des Quadrats anzuordnen, gegebenenfalls einen zusätzlichen elektroakustischen Antwortgeber auf dem Schnittpunkt der Diagonalen des Quadrats. Dadurch können die Antwortgeber jeweils von zwei hzw. drei benachbarten Bojen zur Bestimmung ihrer die Positionen zu den Antwortgebern wiedergegebenen Korrekturwerte ausgenutzt werden.

Damit eine klare Unterscheidung der Bojen und der von ihnen übermittelten Korrekturwerte möglich ist, ist es zweckmäßig, als Abfragesignal für die Bojen für jede Eoje unterschiedlich kodierte Signale zu verwenden. Außerdem ist es zweckmäßig, zusätzlich die Wassertiefe über den Antwortgebern zu messen, um so einen zusätzlichen Korrekturwert für die genaue Ortsbestimmung der Bojen in bezug zu den Antwortgebern zu gewinner

Bei dem erfindungsgemäßen Ortungssyslem ist ein Rechner vorgesehen, der aus den abgefragten Korrektursignalen die Augenblicksorte der Bojen in bezug zu den bekannten Orten der Antwortgeber bestimmt und außerdem den funkmeßtechnisch in bezug zu den Augenblicksorten der Bojen bestimmten Ort des Schwimmkörpers aufgrund der Korrektursignale korrigiert. Dadurch stehen ohne Bedienungsperson jederzeit die genauen Positionsdaten des Schwimmkörpers in bezug zu den bekannten Verankerungsorten der Bojen zur Verfugung, und zwar bei beispielsweise einer Wassertiefe von 4000 m in einem Gebiet von 50 km Durchmesser mit -iner Genauigkeit von wenigen Metern.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 verdeutlicht schematisch und perspektivisch ein Ausführungsbeispiel des Ortungssystems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt die Übertragungswege in Verbindung mit einer Boje.

In Fig. 1 sind vier Moorings 1, 2, 3, 4 an den gedachten Ecken eines Quadrats am Meeresboden 5 verlegt. Von den Moorings führen jeweils Ankerleinen 6,7,8,9 zu Bojen 10,11,12 und 1?, an denen sich jeweils unten elektroakustische Sende-Empfangs-Einrichtungen 14,15,16 und 17 befinden. Diese elektroakustischen Sende-Empfangs-Einrichtungen arbeiten mit elektroakustischen Antwortgebern 18, 19, 20, 21 und 22 zusammen, von denen die Antwortgeber 18—21 jeweils auf der Mitte der gedachten Kanten des Quadrats, also mitten zwischen den Moorings 1—4 angeordnet sind, während der Antwortgeber 2? auf dem K reuzungspunkt der Diagonalen des Quadrats angeordnet ist.

An Spieren der Bojen 10—13 sind jeweils Empfangs-Sende-Einrichtungen 23, 24, 25 und 26 zum Empfang und zur Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen vorgesehen. Außerdem befinden sich in einem entfernt von dem Bojensystem stehenden Schiff 27 ein Sender und ein Empfänger, die in Fi g. 2 durch einen Block 28 angedeutet sind.

Die Größen- und Abstandsverhältnisse sind in F i g. 1 verzerrt wiedergegeben, um die Zeichnung zu verdeutlichen. Die tatsächlichen Werte bei einem Ausführungsbeispiel sind in der Zeichnung eingetragen. Der Abstand benachbarter Moorings 1—4 an den Ecken des Quadrats beträgt danach 10 km, die Wassertiefe beträgt 4000 m, und der Abstand zu dem Schiff 27 beträgt ungefähr 25 km.

Fig. 2 verdeutlicht den Weg der verschiedenen Signale zwischen Sender und Empfänger 28 auf dem Schiff 27, einer Boje 10 und elektroakustischen Antwortgebern 18 und 21. Entsprechende Verhältnisse gelten für die anderen Bojen 11 — 13 und die benachbarten elektroakustischen Antwortgeber, wobei jede Boje nicht nur mit zwei elektroakustischen Antwöfigebern zu korrespondieren braucht, sondern auch gegebenenfalls mit mehren korrespondieren kann. Z. B. kann die in F i g. 2 gezeigte elektroakustische Sende-Empfangs-Einrichtung 14 der Boje 10 zusätzlich auch mit dem elektroakustischen Antwortgeber 22 korrespondieren.

Soll der genaue Ort des Schiffes 27 bestimmt werden, so strahlt zunächst der auf dem Schiff installierte Sender 28 ein speziell für die Empfangs-Sende-Einrichtung 23 der Boje 10 bestimmtes kodiertes Abfragcsignal ab, was durch einen Pfeil 29 verdeutlicht ist. Die Empfangs-Sende-Einrichtung 23 stößt daraufhin die elektroakustische Sende-Empfangs-Einrichtung 14 an, die zunächst ein kodiertes elektroakustisches Signal an den Anlwortgeber 21 sendet, was durch einen Pfeil 30 verdeutlicht ist. Dieser schickt nach einer genau bestimmten Zeit ein Antwortsignal zu der eleklroakustischen Sende-Empfangs-Einrichtung 14 zurück, was durch einen Pfeil 31 gekennzeichnet ist. Außerdem wird gleichzeitig oder zeitlich nachfolgend von der elektroakustischen Sende-Empfangs-Einrichtung 14 ein Abfragesignal, gekennzeichnet durch einen Pfeil 32, zu dem elektroakustischen Antwortgeber 18 geschickt, der ein Antwortsignal, gekennzeichnet durch einen Pfeil 33, zurückgibt. Zur Sicherheit kann zusätzlich auch ein Abfragesignal zu dem Antwortgeber 22 geschickt werden. Die der Entfernung Boje/Antwortgeber entsprechenden Laufzeiten werden zur Bildung von Korrcktursignalcn verwendet, die von der Empfangs-Sende-Einrichtung 23 zu dem Empfänger 28 übertragen werden, was durch einen Pfeil 34 gekennzeichnet ist.

Außerdem wird der Abstand zwischen dem Schiff 27 und der Boje 10 funkmeßtechnisch bestimmt, was durch einen Doppelpfeil 35 verdeutlicht ist. Der funkmeßtechnisch ermittelte Entfernungswert gelangt zusammen mit dem Korrekturwert in einen Rechner 36, in dem die genaue wahre Position des Schiffes 27 in bezug zu den Antwortgebern (18—21) bestimmt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Ortungssystem zur Bestimmung des Ortes eines Schwimmkörpers auf See, insbesondere im Bereich der Tiefsee, mit einer auf dem Schwimmkörper angeordneten Sende-Empfangs-Einrichtung zum Aussenden eines Abfragesignals in Form elektromagnetischer Wellen zu wenigstens zwei an bekannten Orten verankerten Bojen, die Sende-Empfangs- Einrichtungen aufweisen, die ein Antwortsignal an die Sende-Empfangs-Einrichtung auf dem Schwimmkörper zurücksenden, die Mittel zur Ermittlung der Entfernung des Schwimmkörpers zu den Bojen aus der Laufzeit des Abfrage/Antwortsignals aufweist, gekennzeichnet durch

bei jeder Boje (10—13) auf dem Meeresboden (5) im Abstand zueinander an vorbestimmten Orten verlegte elekt.oakustische Antwortgeber (18,19,20,21,22),

in jeder Boje (10—13) vorgesehene Sende-Empfangs-Einrichtungen zum selektiven Abfragen verschiedener elektroakustischer Antwortgeber(18,19,20,21,22),
Mittel zur Bildung von Korrekturdaten in Abhängigkeil von den Laufzeiten der akustischen Signale und damit in Abhängigkeit von der Lage der Bojen (10—13) in bezug zu dem Ort der elektroakustischen Antwortgeber (18, 19.20,21,22),

Mittel zur Modulation der von den Empfangs-Sende-Einrichtungen (23—26) der Bojen (10—13) zu dem Schwimmkörper (27) zurückgesandten Antwortsignale mit den Korrekturdaten, und

Mittel (36) zur Korrektur der mittels elektromagnetischer Wellen gemessenen Entfernungen zwischen dem Schwimmkörper (27) und den einzelnen Bojen (10—13) in Abhängigkeit von den Korrekturdaten.

2. Ortungssysterr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Bojen (10—13) an den Ecken eines Quadrats verankert sind.

3. Ortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bojen (10—13) in einem gegenseitigen Abstand von ungefähr 10 km verankert sind.

4. Ortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Antwortgeber (18, 19, 20, 21) jeweils auf der Mitte der Kanten des Quadrats angeordnet sind.

5. Ortungssyslem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher elektroakustischer Antwortgeber (22) auf dem Schnittpunkt der Diagonalen des Quadrats verlegt ist.

6. Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfragesignale für die Bojen (10—13) für jede Boje unterschiedlich kodiert sind.

7. Ortungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der elektroakustischen Antwortgeber (18, 19, 20, 21, 22) eine Tiefenmeßeinrichtung angeordnet ist, die ein Tiefensignal erzeugt, das mittels der elektroakustischen/elektromagnetischen Antwortsignale zu der Sende-Empfangs-Einrichtung (28) auf dem Schwimmkörper (27) übertragen wird.

Die Erfindung betrifft ein Ortungssystem zur Bestimmung des Ortes eines Schwimmkörpers auf See, insbesondere im Bereich der Tiefsee, mit einer auf dem Schwimmkörper angeordneten Sende-Empfangs-Einrichtung zum Aussenden eines Abfragesignals in Form elektromagnetischer Wellen zu wenigstens zwei an bekannten Orten verankerten Bojen, die Sende-Empfangs-Einrichtungen aufweisen, die ein Antwortsignal an die Sende-Empfangs-Einrichtung auf dem Schwimmkörper zurücksenden, die Mittel zur Ermittlung der Entfernung des Schwimmkörpers zu den Bojen aus der Laufzeit des Abfrage/Antwortsignals aufweist.

Es sind Ortungssysteme zur Ortsbestimmung auf See bekannt, bei denen durch Messung der Laufzeit elektromagnetischer Wellen zwischen zwei bekannten Orten an Land und einem Schiff Standlinien gewonnen werden, aus denen der Ort des Schiffes bestimmt wird. Die Genauigkeit dieser Ortsbestimmung ist zwar meistens für die Navigation von Schiffen ausreichend, nicht jedoch z. B. beim Bergbau in tieferem Wasser, wo eine Verankerung des schwimmenden Bohrgeräteträgers (Schiff, Insel) nicht mehr möglich ist. Auch reicht die Genauigkeit nicht aus für das Wiederfinden oder Manövrieren von Geräten unter Wasser.

Zur genauen Ortsbestimmung auf See dienen häufig Bojen, die am Meeresboden verankert sind. Hierbei besteht jedoch insbesondere bei in der Tiefsee verankerten Bojen der Nachteil des Schwoijens und Driftens. Zu einer genauen Ortsbestimmung sind daher solche Bojen nicht geeignet.

Zur genauen Bestimmung des Ortes von Bohrschiffen ist es bekannt, diese durch mehrere Ankerseile an verschiedenen Punkten des Meeresbodens zu verankern. Die Seile sind dabei straff gespannt, so daß durch ihre Länge die genaue Position bei einer bestimmten Wassertiefe bestimmbar ist. Der Geräteaufwand ist beträchtlich, und darüber hinaus ist die Flexibilität gering, da es einen beträchtlichen Aufwand darstellt, neue Verankerungen an genau vorgegebenen Punkten herzustellen. Das System ist außerdem für die Tiefsee nicht geeignet. Das gilt auch für die Ausführungsform, bei der gespannte Drähte lediglich zu Meßzwecken verwendet werden, indem ihr Neigungswinkel und ihre Länge gemessen wird, während die Positionierung z. B.

eines Bohrschiffes dynamisch durch entsprechende Antriebe erfolgt.

Zur genauen Ortsbestimmung dynamisch auf ihrer Position gehaltener Bohrschiffe ist es bekannt (Document 9697-S99 vom 15. 11. 1976 der Firma Honeywell.

Marine Systems Division, Seattle, Washington, USA), am Meeresboden eine akustische Bezugsbake anzuordnen, die von Zeit zu Zeit akustische Signale aussendet, deren Richtung bestimmt und in Verbindung mit der gleichzeitig gemessenen Wassertiefe zur Ortsbestimmung verwendet wird. Dieses Verfahren weist jedoch mehrere Mängel auf.

Die Richtungsbestimmung, die durch Phasenmessung erfolgt, erfordert eine hohe Empfindlichkeit insbesondere bei Verwendung in der Tiefsee, so daß die vom Schiff abgestrahlten Störgeräusche, die meistens eine hohe Intensität haben, zu Fehlern oder gar zu einem gesamten Ausfall des Meßsystems führen können. Außerdem können Beugungen oder Brechungen an Wolken aus Spülwasser zu Fehlern oder gar zu einem Ausfall des Systems führen. Das System ist außerdem nur im engeren Bereich der ausgelegten akustischen Bezugsbake verwendbar, beispielsweise in einem Abstand zu der Bake, der nicht größer ist als etwa die