DE4444942C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Unterwassertelefonie zwischen Wasserfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterwassertelefonie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US 42 03 160 bekannt, bei dem Unterwassertelefonie zwischen einem U-Boot und einem Oberflächenschiff betrieben wird. Dabei ist zwischen dem U-Boot und dem Oberflächenschiff eine akustische Übertragungsstrecke durch das Wasser vorgesehen, die die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen ermöglicht. Zur Übertragung werden Ultraschallsignale als Trägersignale verwendet, die mit dem Nutzsignal, d. h. dem Sprach- oder Datensignal, moduliert sind. Sie werden beispielsweise von der Sendeeinrichtung des U-Boots zum Oberflächenschiff hin abgestrahlt und von der Empfangseinrichtung des Oberflächenschiffes aufgenommen, wobei sich das U-Boot in der Nähe des Oberflächenschiffes befinden sollte, um einerseits mit möglichst geringer Leistung senden zu können und um andererseits zu verhindern, daß durch Ausbreitung der Ultraschallsignale in unerwünschte Richtungen die eigene Unterwasserposition verraten wird.

Die Richtwirkung des Unterwassertelefoniesenders wird bei Anlagen nach dem Stand der Technik durch die natürliche Richtcharakteristik der Sendewandler und entsprechenden Einbau in das U-Boot erreicht, so daß zur Gewährleistung einer optimalen Übertragungsstrecke sich das U-Boot selbst in die verratsärmste Position bezüglich des Oberflächenschiffs bringen muß. Aus diesem Grund werden nur geringe Leistung und begrenzte Verratssicherheit mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht.

Die US 43 73 143 beschreibt einen parametrischen Sonarwandler zur Erzeugung großer Leistungen bei niedriger Frequenz und mit schmaler Richtcharakteristik. Dabei werden Details der Wandlerkonstruktion angegeben, ohne jedoch Bedingungen für eine Verwendung innerhalb einer Unterwassertelefonieanlage aufzuzeigen.

Weiterhin ist aus der WO 91 11061 A1 ein Kommunikationssystem zwischen einem Oberflächen- und einem Unterwasserfahrzeug bekannt, das eine fokussierte, optische Übertragungsstrecke aufweist. Um diese optische Strecke genau auszurichten, wird ein akustischer Informationskanal verwendet, über den Richtungsinformationen zwischen beiden Fahrzeugen ausgetauscht werden. Ein derartiges System kann mit seiner optischen Übertragungsstrecke nur geringe Entfernungen überbrücken. Es ist auf die Kooperation beider Fahrzeuge angewiesen und somit für autark operierende Unterwasserfahrzeuge aus Sicherheitsgründen ungeeignet.

Es ist daher Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung, die Verratssicherheit zu verbessern sowie die Reichweite der Unterwassertelefonieanlage bei möglichst geringer Sendeleistung zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6 durch die im jeweiligen Kennzeichenteil angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Sendeeinrichtung als parametrisches Sonar ausgebildet. Derartige Sonaranlagen weisen grundsätzlich zwei Sendewandler auf, die Ultraschallsignale mit benachbarten Sendefrequenzen abstrahlen, welche sich aufgrund des parametrischen Effekts des Wassers zu der sich im Wasser ausbreitenden Differenzfrequenz, dem Sendesignal, mischen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu übertragende Nutzsignal mit einer der Sendefrequenzen moduliert und gesendet. Der sich ausbildenden Differenzfrequenz bleibt das Nutzsignal aufgeprägt und wird mit dieser zur Empfangseinrichtung übertragen. Die hohen Sendefrequenzen werden bei diesem Übertragungsverfahren mit wesentlich schmalerer Richtcharakteristik generiert und die Charakteristik bleibt bei der parametrischen Mischung der Ultraschallsignale im Wasser erhalten, so daß die tiefe Differenzfrequenz sich mit eben dieser schmalen Richtcharakteristik ausbreiten kann. Da für das übertragene tieffrequente Differenzfrequenzsignal im Wasser bessere Übertragungseigenschaften vorliegen, ergeben sich unmittelbar größere Übertragungsreichweiten.

Bei diesem Verfahren werden die beiden Ultraschallsignale mit schmaler Richtcharakteristik abgestrahlt und müssen daher auf den Empfänger exakt ausgerichtet werden. Dazu ist es vorzusehen, die Peilrichtung des den Empfänger aufweisenden Wasserfahrzeugs, z. B. eines Oberflächenschiffes, zu ermitteln. Dazu kann eine beliebige Schätz- oder Meßmethode eingesetzt werden, mit der ein entsprechender Winkelwert bestimmt und zur Ausrichtung der Senderichtcharakteristik verwendet werden kann.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der exakten Ausrichtung des Sendesignals in Richtung auf das für den Empfang vorgesehene Wasserfahrzeug. Die eng tolerierte Richtcharakteristik des Sendesignals und die niedrige übertragene Differenzfrequenz ermöglichen einerseits eine Erhöhung der Reichweite bei vergleichsweise geringer Sendeleistung und andererseits eine wesentliche Verminderung der Verratswahrscheinlichkeit des Unterwasserfahrzeugs.

Die Erfindung wird auch durch die Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet.

Insbesondere ist es gemäß Anspruch 2 und 3 vorteilhaft, eine an Bord des Unterwasserfahrzeugs befindliche Navigations- und/oder Detektionssonaranlage zu verwenden, um die für die Unterwassertelefoniesendeeinrichtung benötigte Peilrichtung zu ermitteln. Derartige Sonaranlagen zeichnen sich durch besonders hohe Leistungsfähigkeit bezüglich der Signalerkennung und der Richtungsbestimmung aus und sind allein deshalb schon prädestiniert, Fahrgeräusche befreundeter Wasserfahrzeuge zu erfassen, zu detektieren und die Peilrichtung dieser Geräusche mit geringstmöglicher Toleranz zu bestimmen. Üblicherweise liegen diese Daten bei der Ermittlung der für diese Fahrzeuge ohnehin benötigten Unterwasserlage ständig vor, so daß die Peilrichtung ohne weiteres zur Richtungseinstellung der Unterwassertelefonieanlage übertragen werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren konzipierten Unterwassertelefonieanlage.

In Fig. 1 ist in einer prinzipiellen Darstellung ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Unterwassertelefonieanlage 150 eines U-Boots 10 skizziert. Diese Unterwassertelefonieanlage 150 ist für die Kommunikation mit dem Oberflächenschiff 20 vorgesehen, das sich in größerer Entfernung von dem U-Boot durch das Wasser 21 bewegt. Das Oberflächenschiff 20 ist ebenfalls mit einer Unterwassertelefonieeinrichtung ausgestattet, die einen für die Kommunikation erforderlichen Sender 22 und einen Empfänger 23 aufweist. Das vom Antrieb, hier im wesentlichen dem Propeller, erzeugte Fahrgeräusch wird in Richtung auf das U-Boot 10 übertragen, was durch den Pfeil 25 symbolisiert ist.

Die Kommunikationsrichtung vom U-Boot 10 zum Oberflächenschiff 20 wird durch Pfeil 26 und umgekehrt vom Oberflächenschiff 20 zum U-Boot 10 durch Pfeil 27 dargestellt.

Für die Übertragung vom U-Boot 10 zum Oberflächenschiff 20 mit den Mitteln der Unterwassertelefonie können grundsätzlich Daten- oder Sprachsignale als Nutzsignale verwendet werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Verfahren unter Zugrundelegung eines Sprachsignals erläutert, das der Unterwassertelefonieanlage 150 über ein Mikrofon 155 zugeführt und verstärkt wird. Am Modulator 160 erfolgt die Frequenzumsetzung des Nutzsignals in den zu sendenden Ultraschallfrequenzbereich f₁, wobei die für die Modulation erforderliche Trägerfrequenz f₁ im Frequenzgenerator 162 generiert worden ist. Der Frequenzgenerator 162 erzeugt ein weiteres Trägerfrequenzsignal mit einer Frequenz f₂, die sich lediglich um eine vergleichsweise geringe Differenzfrequenz Δf von der Frequenz f₁ unterscheidet. Das Trägerfrequenzsignal f₂ und das modulierte Trägerfrequenzsignal f₁ werden dann der Sendeeinrichtung 151 und dort über gleichartige Richtungsbildner 163, 164 den Sendearrays 165, 166 zugeführt. Die Sendearrays 165, 166 sind identisch aufgebaut und bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl einzelner Wandlerelemente. Ihre Ansteuerung durch die Richtungsbildner 163, 164 mit phasenverschobenen Signalen zum Zwecke der gerichteten Abstrahlung von Ultraschallsignalen und zur Erzeugung der geforderten Richtcharakteristik ist jedoch bereits aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und bedarf hier keiner weiteren Erläuterung.

Bei der als parametrisches Sonar ausgebildeten Sendeeinrichtung 151 bewirken die in das Wasser 21 jeweils gerichtet abgestrahlten Ultraschallsignale der Sendearrays 165 und 166 aufgrund ihrer Richtcharakteristiken 167 und 168, daß sich die Signale im Wasser 21 überlagern, wegen der parametrischen Übertragungseigenschaften des Wassers 21 mischen und die Differenzfrequenz Δf der Trägerfrequenzsignale f₁ und f₂ entsteht. Diese Differenzfrequenz Δf wird auf dem Übertragungsweg in Kommunikationsrichtung 26 zum Oberflächenschiff 20 hin als Sendesignal mit schmaler Sendecharakteristik 153 übertragen und dort von dem Empfänger 23 aufgenommen und verarbeitet. Die gestrichelte Darstellung der Sendecharakteristik 153 vor den Richtcharakteristiken 167, 168 symbolisiert lediglich zeichnerisch das gerichtete Sendesignal, das real durch Überlagerung der Ultraschallsignale im Bereich hinreichender Leistungen der Richtcharakteristiken 167, 168 erzeugt wird.

In umgekehrter Richtung erfolgt die Kommunikation vom Sender 22 des Oberflächenschiffs 20 auf dem Übertragungsweg 27. Eine Empfangsrichtcharakteristik 169 eines Empfangswandlers 170 in der Empfangseinrichtung 152 des U-Boots 10, die üblicherweise keinen so engen Winkelsektor umfaßt wie die Richtcharakteristiken 167, 168 der Sendearrays 165, 166, ist ebenfalls auf das Oberflächenschiff 20 ausgerichtet. Das Empfangssignal wird vom Empfangswandler 170 über den Empfangsrichtungsbildner 171 einem Demodulator 172 zugeführt. Der Demodulator 172 ist ebenfalls vom Frequenzgenerator 162 ansteuerbar und setzt das Empfangssignal in den Nutzfrequenzbereich um. Ist das Oberflächenschiff 20 mit einer gleichartigen erfindungsgemäßen parametrischen Unterwassertelefonieanlage wie das U-Boot 10 ausgestattet, so wird empfangsseitig vom Frequenzgenerator 162 die sich durch die parametrische Mischung der gesendeten Signale f₁ und f₂ erzeugte Differenzfrequenz Δf generiert und als Trägerfrequenz dem Demodulator 172 zugeführt. Das Demodulationsprodukt ist dann das Nutzsignal, das über den Verstärker 175 und Lautsprecher 176 weiterverarbeitet und ausgegeben wird.

Bei dem hier dargestellten Übertragungsverfahren der Unterwassertelefonie ist es jedoch zur genauen Ausrichtung der Richtcharakteristiken 167 und 168 sowie der Einstellung der Empfangsrichtcharakteristik 169 erforderlich, daß die Richtungsbildner 163, 164 und der Empfangsrichtungsbildner 171 mit der Peilrichtung α angesteuert werden, unter der das Oberflächenschiff 20 gepeilt wird. Dieser Winkel α wird dabei in die erforderlichen Phasenverschiebungen der Sende-/Empfangssignale umgesetzt, um die Richtcharakteristiken 167, 168, 169 auf die Peilrichtung α einzustellen. Dazu wird die Peilrichtung α des Oberflächenschiffs 20 über die Verbindung 180 vom Navigationssonar 100 an die Unterwassertelefonieanlage 150 übertragen.

Die Bestimmung der Peilrichtung α aufgrund des Fahrgeräusches des Oberflächenschiffs 20 wird auf dem U-Boot 10 fortlaufend durchgeführt, um jederzeit über die eigene und die Position aller anderen benachbarten Fahrzeuge orientiert zu sein. Dazu wird das Geräusch der Wasserfahrzeuge, das Maschinen im Fahrzeug und der Propeller im Wasser erzeugen, nach Richtung und Art vermessen und analysiert. Das Propellergeräusch des Oberflächenschiffs 20 wird somit in Richtung des Pfeils 25 zur Rundumsonarbasis 110 übertragen, deren Wandlersignale im Sonarrichtungsbildner 120 phasenverschoben und durch Gruppenbildung zusammengefaßt werden, um die Fahrgeräusche in begrenztem Sektor entsprechend der jeweiligen Richtung zuzuordnen. Das Fahrgeräusch wird dann im Detektionsprozessor 130 analysiert und bezüglich verschiedener Merkmale, z. B. Propellerzahl, Blattzahl etc., überprüft, um eine Freund-/Feinderkennung vorzunehmen. Kann die Unterwassertelefonieübertragung freigegeben werden, erfolgt die Weitergabe des Peilwinkels α auf der Verbindung 180 an die Richtungsbildner 163, 164, 171. Da die Bestimmung des Peilwinkels α auch bei Relativbewegung vom U-Boot 10 und Oberflächenschiff 20 fortlaufend erfolgt und jeder neu ermittelte Peilwinkel α an die Richtungsbildner 163, 164 sowie den Empfangsrichtungsbildner 171 weitergegeben wird, bleiben die Richtcharakteristiken 167, 168 und die Empfangsrichtcharakteristik 169 zu jedem Zeitpunkt ebenfalls exakt auf das Oberflächenschiff 20 ausgerichtet. Dadurch ist dann eine hohe Übertragungssicherheit gewährleistet.

Die Verwendung der Rundumsonarbasis 110 zur Bestimmung des Peilwinkels α ist nicht zwingend notwendig. Ebenso ist es möglich, diesen Peilwinkel α mit einer anderen Navigationseinrichtung, wie einem Flank-Array-Sonar (FAS), einem Passiv-Ranging-Sonar (PRS), einem Intercept-Sonar oder im aufgetauchten Zustand sogar durch Radarmessung, zu ermitteln und an die Unterwassertelefonieanlage 150 zu übertragen.

Die Kommunikation zwischen einer erfindungsgemäßen parametrischen Unterwassertelefonie-Sonaranlage und einer konventionellen Unterwassertelefonieanlage bleibt ebenfalls möglich, wenn der Demodulator 172 in Verbindung mit dem Frequenzgenerator 162 in größerem Frequenzbereich durchstimmbar und auch auf höhere, bei den konventionellen Unterwassertelefonieanlagen benutzte Trägerfrequenzen einstellbar ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Unterwassertelefonie zwischen Wasserfahrzeugen mit Unterwassertelefonieanlagen, die jeweils mindestens eine Sende- und Empfangseinrichtung für Unterwasserschallsignale aufweisen, wobei das gesendete Unterwasserschallsignal als Sendesignal mit einem Nutzsignal moduliert wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sendeeinrichtung (151) als parametrisches Sonar mit schmalen, richtungsmäßig steuerbaren Richtcharakteristiken (167, 168) und die Empfangseinrichtung (152) zum Empfang einer Differenzfrequenz des parametrischen Sonars ausgebildet ist,
daß vom sendenden Wasserfahrzeug (10) eine Peilrichtung α des empfangenden Wasserfahrzeugs (20) ermittelt wird und
daß die Richtcharakteristiken (167, 168) auf die Peilrichtung α ausgerichtet und bei relativ zueinander bewegten sendendem Wasserfahrzeug (10) und empfangendem Wasserfahrzeug (20) der jeweils aktuellen Peilrichtung α nachgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Peilrichtung α aufgrund von Fahrgeräuschen des empfangenden Wasserfahrzeugs (20) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrgeräusch mit einer von der Unterwassertelefonieanlage (150) unabhängigen Navigationseinrichtung (100) gepeilt und die Peilrichtung α an die parametrische Sendeeinrichtung (151) übertragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Nutzsignal einer der beiden Sendefrequenzen der parametrischen Sendeeinrichtung (151) aufmoduliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (152) eine auf einen Sektor begrenzte Empfangsrichtcharakteristik (169) aufweist, die auf die Peilrichtung α eingestellt wird.

6. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens zur Unterwassertelefonie zwischen Wasserfahrzeugen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterwassertelefonieanlage (150) eine Sendeeinrichtung (151) mit Sendearrays (165, 166) für zwei benachbarte Sendefrequenzen (f₁, f₂) aufweist, die mit steuerbaren Richtungsbildnern (163, 164) verbunden sind,
daß das Wasserfahrzeug (10) mindestens eine Navigationseinrichtung (100) zum Bestimmen von Peilrichtungen α aufweist,
daß die Navigationseinrichtung (100) über die Verbindung (180) an die Richtungsbildner (163, 164) der Unterwassertelefonieanlage (150) angeschlossen ist,
daß die Unterwassertelefonieanlage (150) einen Frequenzgenerator (162) aufweist, der mit dem einen Richtungsbildner (163) direkt und mit dem zweiten Richtungsbildner (164) über einen Trägerfrequenzeingang eines Modulators (160) verbunden ist, wobei ein Nutzsignaleingang des Modulators (160) mit einem einem Mikrophon (155) nachgeschalteten Verstärker (156) zusammengeschaltet ist, und
daß die Unterwassertelefonieanlage (150) eine Empfangseinrichtung (152) mit einem Empfangswandler (170) und einem von der Navigationseinrichtung (100) mit dem Peilwinkel α ansteuerbaren Empfangsrichtungsbildner (171) aufweist, dem ausgangsseitig über einen Demodulator (172) ein Verstärker (175) und ein Lautsprecher (176) nachgeschaltet sind.