EP0247367A1 - Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbesondere Schiffes - Google Patents

Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbesondere Schiffes Download PDF

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EP0247367A1
EP0247367A1 EP87106093A EP87106093A EP0247367A1 EP 0247367 A1 EP0247367 A1 EP 0247367A1 EP 87106093 A EP87106093 A EP 87106093A EP 87106093 A EP87106093 A EP 87106093A EP 0247367 A1 EP0247367 A1 EP 0247367A1
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EP
European Patent Office
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coil
field
mes
data
magnetic
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EP0247367B1 (de
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Johann Dr. Flecken
Rudolf Dipl.-Ing. Kock
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
    • B63G9/00—Other offensive or defensive arrangements on vessels against submarines, torpedoes, or mines
    • B63G9/06—Other offensive or defensive arrangements on vessels against submarines, torpedoes, or mines for degaussing vessels

Definitions

  • Every ship equipped with an MES system initially experiences a basic (initial) setting of the MES system based on a so-called magnetic measurement, in which an optimal compensation value is achieved by setting suitable winding currents.
  • the MES system then switched on controls the currents in the individual coils while driving so that the set compensation for the interference field is retained.
  • each ship must be magnetically measured again at certain intervals and the MES system may have to be readjusted accordingly (setting control).
  • the settings are disproportionately complex due to the strong magnetic interactions between the individual coils (and partial coils) of the MES system. Because of the irregular geometric shapes of the coils, the problem also eludes simple mathematical calculation methods, especially as far as the influence of ferromagnetic internals on the gastric field of the coils (real effects) is concerned. In addition, erroneous geometric data for specifying the coil position in the ship limit the usefulness of field calculations.
  • the invention has for its object to carry out the setting of the MES system of a vehicle with automatically obtained values for the compensation currents so that it is as realistic as possible and therefore accurate, so that the lowest possible mine threat is achieved.
  • This object is achieved in a method for setting an MES system for compensating for the magnetic interference field of a vehicle, in particular the ship according to the invention, in that - Each individual coil is acted upon by a standard current in a predetermined direction and at least one component of the associated magnetic field is measured, and that -
  • a first algorithm when correcting position coordinate errors - the "winding effect" of each coil, ie the difference between the real coil, whose field is influenced by ferromagnetic masses, and the corresponding undisturbed coil field (air flow) is determined iteratively and that -
  • optimal currents for approximating the coil system field to the vehicle interference field to be compensated are determined in a second algorithm.
  • FIG. 1-3 shows the large-scale, three-axis coil system of an MES system of a ship 1 (as an example of a vehicle as a ferromagnetic interference body).
  • This coil system consists of coils 3, 4, 5 in the three orthogonal axes.
  • Each coil 3 or 4 or 5 is usually divided into three sub-coils, which are no longer shown.
  • One coil serves to compensate for a permanent interference field component (and is fed with permanent current).
  • a second coil section is used to compensate for an interference field component induced by the earth field (and is supplied with current depending on the earth field and the course).
  • the X-Y-Z coordinate system is assumed to be fixed, i.e. is aimed at the generator of the magnetic interference field - in the exemplary embodiment the ship 1.
  • the coils are in turn named according to their main magnetic direction effects.
  • the coils 3 according to FIG. 1, which are parallel to the Y-Z plane, are the L coils (L-MES winding), whose magical axes of action lie in the longitudinal direction of the ship (X) (L corresponds to longitudinal).
  • the coils 4 according to FIG. 2 (only one is shown), which lie parallel to the X-Y plane, are the V-coils (V-MES winding) with vertical magnetic axes (V corresponds to vertical). 3, which are parallel to or in the X-Z plane, are the A-coils (A-MES winding) with the magnetic direction of action in the Y-direction (A corresponds to athwort-ship).
  • the coils 3, 4, 5 are fed with direct currents in different directions.
  • the positive current directions result from the positive directions of the coordinate system shown in FIG. 1.
  • the currents are set so that the interference field is optimally compensated for the magnetic field of the hull.
  • a controller ensures that the set current values are retained.
  • the invention relates to the magnetic measurement of a ship.
  • This measurement is carried out in the usual way that, according to FIG. 4, the ship 1 is brought into a measurement system with a measuring carpet of magnetic field measuring probes 2 and the coil currents are set in such a way that the interference field is optimally compensated for.
  • the determination of the optimal coil currents in the shortest possible time is the typical problem of magnetic measurement.
  • the measuring probes 2 are arranged in two different measuring levels in order to be able to make a statement at different measuring depths.
  • the measuring probes record the magnetic interference field of the ship 1 in size and direction.
  • the interference field of the ship 1 to be compensated is measured.
  • the interference field measured values are saved.
  • all the coils 3, 4, 5 of the MES system are charged with a current of a defined size and direction (standard current) and the magnetic interference fields of the respectively charged coils 3 or 4 or 5 are measured.
  • winding effect also called winding coefficient
  • the proportional change P i, k of the undisturbed coil field is referred to in the magnetics as the "winding effect".
  • this term also includes errors in the coil geometries.
  • the influence of errors in the coil geometry is generally of a disproportionate, ie serious, nature; these errors must therefore be “corrected”.
  • the “winding effect” thus corrected is then called the "winding coefficient”.
  • the magnetic field of a system consisting of several, in total Nsp coils, is obtained by summing up the fields of the individual coils at a point n according to location:
  • the algorithm should now - the position coordinate (nonlinear influencing variable) and - the proportionality parameter P i, k (linear influencing variable) Determine for each individual coil 3 or 4 or 5 of the system in such a way that the unit field measured values Bk n, i are approximated as closely as possible at the measurement locations Xm n, i .
  • an extended minimum least squares approach of the following form is used:
  • the measurement value scatter ⁇ serves as a weighting variable and has the effect that measurement values are taken into account less the larger their scatter.
  • the formula (1.11) represents a system of equations with which improvements ⁇ U can be calculated for a predefined approximation of the sought quantities U o (winding coefficients and coil position).
  • Formula (1.8) then gives the improved quantities U o + 1 , which in turn lead to the calculation of new improvements ⁇ U o + 1 .
  • This iteration - using convergence-securing procedures - must be repeated until a minimum of the mean square of error has been established or until two successive approximations no longer differ significantly from one another.
  • the result then consists in a corrected coil position coordinates and in the winding coefficients Pi for the respectively examined coil 3 or 4 or 5.
  • the compensation currents are now to be determined, ie the task of determining the currents I k in the individual coils of an MES coil system is concerned, so that the magnetic interference field measured in the "unprotected vehicle" state is canceled as well as possible .
  • the measured values are now also subject to a scatter ⁇ n, i ; the underlying measurement error distribution is normal with the mean o.
  • the sought compensation currents in the coils 3, 4, 5 are intended to generate a magnetic field which approximates or eliminates the measured interference field at the locations Xm in the sense of the smallest square of the error.
  • the process is repeated:
  • RS n, i represents the magnetic field generated by all coils of the system in the N measuring points; if you use the formula expression (1.6), the mean square of the error becomes:
  • the currents I k are obviously a linear influencing variable; the minimum of the mean square of the error is thus without iteration for a.
  • the method according to the invention determines the "winding effects", i.e. a value that takes into account the realities of the ship, which depends on the material properties of the outer wall to be penetrated in real terms and the real built-in parts, as well as obtaining a correction for inaccurate coil geometry data.
  • the winding effect ultimately describes the difference between a real coil 3 or 4 or 5 located in the ship 1, the field of which is changed by the ferromagnetic masses of built-in parts and the outer skin and a correspondingly undisturbed coil field (air coil).
  • the compensation that can be achieved by the method according to the invention is better adapted to reality (which cannot be represented so comprehensively in a mathematical model), ie it is essential Lich more precisely, especially since coil errors are also detected or corrected, which likewise cannot be taken into account in the case of a mathematical model.
  • Compensation currents are determined from the measured interference field of the ship 1 with the aid of the winding effects.
  • the super-positioned field of the individual MES coils gives the measured interference field with the opposite sign after one or more optimization steps (computational optimization).
  • the individual correction MES currents are thus determined, which must be added to the previously set MES currents with the correct sign.
  • the mutual influence of the coil fields is sufficiently known by measuring the coil fields with a measuring carpet and can be taken into account accordingly; so the risk of overcompensation has been countered.
  • essential data are stored in a database, for example the winding currents causing the compensation according to size and direction (switching state of the coils), the (corrected) coil data, the winding effects.
  • the induced fields not only have information value, but can also be used to determine errors.
  • the transmission functions for the compensation of the horizontal and vertical induced fields, once determined for a ship, are fixed and are only dependent on the disturbances "course" and "area of application”.
  • the MES control system is responsible for correcting the course dependency. If the area of application changes, the feeds of the MES to compensate for the induced components are easy to determine. If extensive conversions have been carried out on a ship, the induced field determination must be carried out again.
  • FIG. 5 shows a data flow plan "database creation" for a ship database 11.
  • This data flow plan contains, in addition to the actual technical values, also the necessary secondary data, steps for data checking and data management.
  • the identifiers and secondary data for statistical and control purposes are created, and thus a "profile ship".
  • a downstream test unit 7 checks the data for completeness and timeliness.
  • the data can be forwarded from the test device 7 to a document output 8 or a data management 9.
  • the data management 9 provides information for the surveyors and tests and plausibility checks of the measurements are carried out.
  • the data management 9 works together with a unit 10 containing the measurement program and the ship database 11.
  • the boat database 11 contains the identifiers, coil data, winding effects and the PJ separation.
  • the data flow is indicated by arrows between the different device units.
  • the switching states and coil currents of the MES system are transmitted to the measuring point 12 and measured with the ones stored in the ship database 11 until the measurement of the ship 1, as shown in FIG then compared current values.
  • MES setting The associated data flow diagram "MES setting" is shown in FIG. 7, with measured value transmission positions being identified by lightning symbols.
  • the ship is then measured with the MES system switched on and, if necessary, the information from the database is used to recalculate or reset the MES compensation currents in accordance with the method described in the third step of the initial setting with a subsequent control measurement to determine whether the desired minimization has been achieved an update of the ship's database.
  • the magnetic measurement and recording of the data can take place in a stationary system or in an overflow process in a land or ship-based probe system, with distance determination.
  • the setting data is expediently transferred using a display.
  • the setting data is expediently transferred to the automatic control cabinet in the ship or to the MES on-board computer.
  • the number of measurements can be limited to an arrival and a discharge measurement.
  • the MES systems it is advantageously possible for the MES systems to be set quickly, precisely and reproducibly even at measuring points which do not have a measuring carpet, or the method allows MES setting with a mobile measuring system, i.e. from a surveying ship with a route determination for the object to be surveyed.

Landscapes

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Abstract

Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbesondere Schiffes. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges (Schiff). Bei der Ersteinstellung der MES-Anlage wird das zu kompensierende Störfeld in mindestens einer Koordinatenrichtung gemessen. Im nächsten Schritt wird jede der MES-Spulen mit einem Einheitsstrom bestimmter Größe und Richtung beaufschlagt, das sich dabei einstellende Magnetfeld wird gemessen und in Verbindung mit den Spulendaten der Wicklungseffekt jeder Spule unter Korrektur von Lagekoordinatenfehlern in den Spulendaten ermittelt. Im nächsten Schritt werden unter Verwendung der Störfeldmeßwerten und der Werte für die Wicklunseffekte die Spulenströme (Kompensationsströme) nach Größe und Richtung so bestimmt, daß das resultierende Störfeld minimiert wird. Die Daten der Ersteinstellung, insbes. die Wicklungseffekte, werden in einer Datenbank gespeichert. Bei einer Einstellkontrolle, die nach bestimmten Betriebszeiten zu erfolgen hat, erfolgt ein Vergleich der aktuellen Daten der MES-Anlage mit den gespeicherten Daten sowie eine Störfeldmessung; ggf. werden unter Verwendung der abgespeicherten Daten die Kompensationsströme neu berechnet und eingestellt.

Description

  • Schiffe, Boote und andere Fahrzeuge der Bundeswehr, aber auch Handelsschiffe, werden von Minen und Torpedos mit magnetischen Sensoren direkt bedroht oder sind durch Ortungssysteme mit magne­tischen Sensoren aufzuspüren. Aus diesem Grund sind die zu schützenden Fahrzeuge mit einer MES-Anlage ausgerüstet, die die Aufgabe hat, das magnetische Eigenfeld und damit die Gefährdung herabzusetzen.
  • Derartige Anlagen sind in der Literatur hinlänglich beschrieben (z.B. Kosack und Wangerin, "Elektrotechnik auf Handelsschiffen", Springer Verlag 1956, Seite 255-257 (Abb.234), so daß auf eine nähere Beschreibung des Prinzips und der Wirkung einer solchen Anlage hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.
  • Jedes mit einer MES-Anlage ausgerüstete Schiff erfährt zunächst aufgrund einer sogenannten magnetischen Vermessung eine Grund-­(Erst)-Einstellung der MES-Anlage, bei der durch Einstellen ge­eigneter Wicklungsströme ein optimaler Kompensationswert er­reicht wird. Die danach eingeschaltete Regelung der MES-Anlage steuert die Ströme in den individuellen Spulen im Fahrbetrieb so nach, daß die eingestellte Kompensation des Störfeldes erhalten bleibt. Im Laufe des Fahrbetriebes muß jedes Schiff in bestimmten Zeitabständen magnetisch erneut vermessen und die MES-Anlage ggf. entsprechend neu eingestellt werden (Einstel­lungskontrolle).
  • Die Einstellungen sind wegen der starken magentischen Wechsel­wirkungen zwischen den einzelnen Spulen (und Teilspulen) der MES-Anlage unverhältnismäßig komplex. Durch die unregelmäßigen geometrischen Formen der Spulen entzieht sich das Problem auch einfachen mathematischen Berechnungsmethoden, insbes. was den Einfluß ferromagnetischer Einbauten auf das Magenetfeld der Spulen (reale Effekte) anbelangt. Außerdem schränken fehlerbe­haftete geometrische Daten zur Angabe der Spulenlage im Schiff die Brauchbarkeit von Feldberechnungen ein.
  • Es ist bekannt, daß Schiffe in bestimmte "magnetische Abschnitte" zu unterteilen und für diese die Amperewindungszahlen, d.h. die Wicklungsströme zu bestimmen sind, die zum Ausgleich des magne­tischen Eigenfeldes des Schiffes notwendig sind (Deutsche Marineräumdienstvorschrift Nr.16, 1946, insbes. Seite 9-13). Dieses Verfahren würde - im wirtschaftlichen Rahmen - bezogen auf die heutige Ansprechempfindlichkeit der Magnetzünder der Minen, keine ausreichende Kompensation bzw. keine ausreichende Minderung des Minenansprechrisikos mehr gewährleisten.
  • Es ist auch bekannt, daß zunächst durch eine stark idealisierte Berechnung in grober Näherung eine Ausgangseinstellung vorge­nommen werden kann. Durch Iteration zwischen wiederholten Mes­sungen des Rest-Eigenfeldes und Veränderungen der MES-Einstel­lunen wird ein minimales Rest-Eigenfeld, das die ausreichende Gefährdungstiefe gewährleistet, erreicht. Dieser Iterations­prozeß ist ein vielschrittiges Probieren, bei dem nach jeder Stromänderung in der MES-Anlage eine erneute Vermessung erfolgt, bis das Eigenfeld minimiert ist (empirisches Vorgehen); dabei spielt die langjährige Erfahrung des Meßleiters der Schiffsver­messungsstelle eine wesentliche Rolle.
  • Der Nachteil dieses praktizierten Verfahrens besteht in einem beträchtlichen Zeitaufwand, den Mängeln in der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Einstellung und in der Abhängigkeit von der Erfahrung der Meßleiter. Die getroffenen Maßnahmen sind selbst bei guter Protokollführung in ihren Einzelschritten kaum nachzuvollziehen und stehen daher weder zum Erkenntnisgewinn noch zur Erzielung eines technischen Lerneffekts zur Verfügung. Genaue Schiffseinstellungen sind auf Überlaufmeßstrecken noch schwerer als auf stationären Meßanlagen zu erreichen, mobile Meßstrecken scheiden bisher für die Schiffseinstellung aus.
  • Es ist auch ein Vorschlag bekannt geworden (DE-PS 31 32 933), die zur Kompensation erforderlichen Wicklungsströme selbsttätig aus einer Signalverarbeitungsanlage zu gewinnen, der Signale von Magnetfeld-Meßsonden und über den Ort des Schiffes zuge­führt sind, und die ein mathematisches Modell der magnetischen Wirkung der einzelnen MES-Wicklungen an den Raumpunkten, an denen sich die Meßsonden befinden, zugeordnet zu bestimmten Bereichen des Schiffes, enthält. Diese bekannte Methode unter Verwendung eines mathematischen Analogons in der Signalver­arbeitungsanlage hat folgende Nachteile: Die Annäherung des Modells (des Analogons) an die Schiffsrealität ist verhältnis­mäßig grob und ungenau, da die Einflüsse des Schiffes auf die magnetischen Wirkungen der (ungestörten) MES-Spulen (stark idealisiert) nur berücksichtigt werden können, indem die Schiffbereiche "blockweise" den jeweiligen Spulen zugeordnet und in deren Übertragungsfunktion berücksichtigt werden sowie in nur wenigen Nachbarbereichen in der Übertragungsfunktion, ebenfalls stark idealisiert, Berücksichtigung finden; damit bleibt der Einfluß von dem jeweiligen in der magnetischen Wirkung zu bestimmenden Schiffsabschnitt weit entfernteren MES-Spulen - um den Aufwand vertretbar zu halten - unberück­sichtigt. Ein Einfluß ferromagnetischer Einbauten auf das Magnetfeld der Spule kann nicht realitätsgetreu erfaßt werden; fehlerhafte geometrische Daten zur Angabe der Spulenlage im Schiff schränken die Brauchbarkeit der Feldberechnung, d.h. des Analogens, ebenfalls ein.
    Das bekannte Verfahren ist daher nur beschränkt tauglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einstellung der MES-Anlage eines Fahrzeuges mit selbsttätig gewonnen Werten für die Kompensationsströme so auszuführen, daß sie möglichst realitätsgetreu und damit genau ist, so daß die niedrigst mögliche Minenbedrohung erreicht wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei einem Verfahren zur Ein­stellung einer MES-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbes. Schiffes gemäß der Erfin­dung dadurch, daß
    - jede einzelne Spule mit einem Einheitsstrom vorgegebener Richtung beaufschlagt und mindestens eine Komponente des zugehörigen Magnetfeldes gemessen wird sowie daß
    - durch einen ersten Algorithmus - bei Korrektur von Lage­koordinatenfehlern - der "Wicklungseffekt" jeder Spule, d.h. der Unterschied der realen Spule, deren Feld von ferromagne­tischen Massen beeinflußt ist, zu der entsprechenden unge­störten Spulenfeld (Luftstrom) iterativ ermittelt wird und daß
    - unter Verwendung der korrigierten Spulengeometriedaten und der Wicklungseffekte optimale Ströme zur Annäherung des Spulensystemfeldes an das zu kompensierende Fahrzeugstör­feld in einem zweiten Algorithmus ermittelt werden.
  • Durch die Erfassung der "Wicklungseffekte" werden die realen Schiffsverhältnisse erfaßt; zusätzlich werden Ungenauigkeiten/­Fehler in den Spulengeometriedaten "korrigiert", so daß die Kompensation des Fahrzeugstörfeldes sehr genau wird.
  • Durch die Erfassung der "magnetischen Wicklungseffekte" aus unmittelbaren Messungen und ihrer Speicherung in einer Daten­bank ist gemäß der Erfindung auch eine einfach durchzuführende Einstellkontrolle möglich. Die Speicherung der magnetischen Wicklungseffekte und der übrigen Daten bei der Ersteinstellung erlaubt bei der Einstellkontrolle einen schnellen Vergleich mit dem Zustand der MES-Anlage hinsichtlich des Eintrittes von Ver­änderungen und damit eine schnelle und eindeutige Ermittlung von ggf. neuen Kompensationsströmen.
  • Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­spieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
    • FIG 1 bis 3 das dreiachsige Spulensystem eines MES-Anlage in einem Schiffskörper,
    • FIG 4 die Vermessung eines Schiffes in zwei Meßebenen,
    • FIG 5 einen Datenflußplan für die Erstellung einer Datenbank,
    • FIG 6 das System der Datenübermittlung bei der Einstell­kontrolle,
    • FIG 7 den Datenflußplan der MES-Einstellung bei einer Einstellkontrolle.
  • In den FIG 1-3 ist das großräumige, dreiachsige Spulensystem einer MES-Anlage eines Schiffes 1 (als Beispiel eines Fahr­zeuges als ferromagnetischer Störkörper) dargestellt. Dieses Spulensystem besteht aus Spulen 3,4,5 in den drei orthogonalen Achsen. Jede Spulen 3 bzw.4 bzw.5 ist üblicherweise in drei - ­nicht mehr näher dargestellte - Teilspulen aufgeteilt. Die eine Teilspule dient zur Kompensation eines permanenten Störfeldan­teils (und wird mit permanentem Strom beschickt). Eine zweite Teilspule dient zur Kompensation eines vom Erdfeld induzierten Störfeldanteils (und wird erdfeld- und kursabhängig mit Strom beschickt).
  • Da als Folge der Bewegung des Schiffes im Erdfeld in metalli­schen Teilen des Systems Wirbelfelder induziert werden, erfolgt deren Kompensation mit einer dritten Teilspule.
  • Die magnetischen Schiffsfelder werden üblicherweise nach den Schiffskoordinaten wie folgt bezeichnet:
    Längsschiffkomponente = X-Komponente
    Querschiffskomponente = Y-Komponente
    Vertikale Komponente = Z-Komponente

  • Das X-Y-Z-Koordinatensystem wird als objektfest angenommen, d.h. ist auf den Erzeuger des magnetischen Störfeldes - im Aus­führungsbeispiel das Schiff 1 - ausgerichtet.
  • Die Spulen wiederum werden entsprechend ihren magnetischen Hauptrichtungswirkungen bezeichnet. Die Spulen 3 nach FIG 1, die parallel zur Y-Z-Ebene liegen, sind die L-Spulen (L-MES-­Wicklung), deren magentische Wirkungsachsen in der Schiffs­längsrichtung (X) liegen (L entspricht longitudinal).
  • Die Spulen 4 nach FIG 2 (nur eine ist dargestellt), die paral­lel zur X-Y-Ebene liegen, sind die V-Spulen (V-MES-Wicklung) mit vertikalen magnetischen Achsen (V entspricht vertikal). Die Spulen 5 nach FIG 3, die parallel zu oder in der X-Z-Ebene liegen, sind die A-Spulen (A-MES-Wicklung) mit der magnetischen Wirkungsrichtung in Y-Richtung (A entspricht athwort-ship).
  • Die Spulen 3,4,5 werden mit Gleichströmen in unterschiedlichen Richtungen beschickt. Die positiven Stromrichtungen resultieren dabei aus den positiven Richtungen des in FIG 1 dargestellten Koordinatensystems.
  • In der Ersteinstellung und bei Einstellungskontrollen (magneti­sche Vermessung) werden die Ströme so eingestellt, daß für das magnetische Eigenfeld des Schiffskörpers, das Störfeld, mög­lichst optimal kompensiert wird. Im laufenden Betrieb (Fahrt) sorgt ein Regler dafür, daß die eingestellten Stromwerte erhalten bleiben.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die magnetische Vermessung eines Schiffes. Diese Vermessung erfolgt in üblicher Weise dadurch, daß gemäß FIG 4 das Schiff 1 in eine Vermessungsanlage mit einem Meßteppich von Magnetfeld-Meßsonden 2 gebracht wird und die Spulenströme so eingestellt werden, daß das Störfeld opti­mal kompensiert wird. Das Ermitteln der optimalen Spulenströme in möglichst kurzer Zeit ist, wie eingangs erläutert, das typische Problem der magnetischen Vermessung. In FIG 4 sind dabei die Meßsonden 2 in zwei unterschiedlichen Meßebenen ange­ordnet, um eine Ausage in unterschiedlichen Meßtiefen machen zu können. Die Meßsonden erfassen dabei das magnetische Störfeld des Schiffes 1 in Größe und Richtung.
  • An sich ist eine Vermessung der drei Komponenten des Schiff­störfeldes möglich und würde zahlreiche Vorteile mit sich bringen. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies jedoch nicht zwingend erforderlich. Es reicht, wie in FIG 4 dargestellt, die Vermessung einer Komponenten aus.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren der magnetischen Vermessung bei einer Ersteinstellung wird wie folgt durchgeführt:
  • Im ersten Schritt wird das zu kompensierende Störfeld des Schiffes 1 gemessen. Die Störfeld-Meßwerte werden abgespeichert.
  • Im zweiten Schritt werden nacheinander sämtliche Spulen 3,4,5 der MES-Anlage mit einem Strom definierter Größe und Richtung (Einheitsstrom) beschickt und die magnetischen Störfelder der jeweils beschickten Spule 3 bzw.4 bzw.5 gemessen.
  • Aus diesem gemessenen Magnetfeld (Einheits-Meßwert) und den bekannten geometrischen Abmessungen und Daten der erzeugenden Spule 3 bzw.4 bzw.5 (Lage und Wicklungszahl der Spulen sind bei der Konstruktion des Schiffes festgelegt) wird der sogenannte "Wicklungseffekt" (auch Wicklungskoeffizient genannt) wie folgt bestimmt:
  • Bezüglich jedes Spulenfeldes gelte für das ungestörte, d.h. von ferromagnetischen Einbaueinflüssen freie Magnetfeld der k-ten-­Spule des Systems (Luftspule) in einem Meßpunkt n das Biot-­Savartsche Gesetz in der Form:
    Figure imgb0001
     mit: Index k  für die k-te Spule
        Index n  für den n-ten Aufpunkt Meßpunkt
        AWk  = Ik.Wk
        Wk  = Windungszahl der k-ten Spule
        Ik  = Strom (Ampere) in der k-ten Spule      (1.2)
    Figure imgb0002
  • Für die Komponenten des ungestörten Magnetfeldes der k-ten Spule schreibt man nun zweckmäßigerweise (aus 1.1 und 1.2)
    Figure imgb0003
     mit Index i =1,2,3 ≙ X-, Y-, Z-Richtung.
    Beeinflussen ferromagnetische Einbauteile/-massen das Magnet­feld der Spule, so nimmt man an, daß eine solche Störung eine proportionale Änderung des ungestörten Magnetfeldes bewirkt.
  • Also gilt für das veränderte Magnetfeld der k-ten Spule
    Si,k,n = Hi,k,n·Pi,k      (1.5)
  • Die proportionale Änderung Pi,k des ungestörten Spulenfeldes wird in der Magnetik als "Wicklungseffekt" bezeichnet. Dieser Begriff umfaßt allerdings neben dem Einfluß ferromagnetischer Einbauteile auch den von Fehlern in den Spulengeometrien. Der Einfluß von Fehlern in der Spulengeometrie ist jedoch in aller Regel von überproportionaler, also gravierender Natur; diese Fehler müssen daher "korrigiert" werden. Der so bereinigte "Wicklungseffekt" wird dann "Wicklungskoeffizient" genannt.
  • Das Magnetfeld eines Systems, aus mehreren, insges. Nsp Spulen, ergibt sich durch ortsgerechtes Aufsummieren der Felder der einzelnen Spulen in einem Aufpunkt n zu:
    Figure imgb0004
  • Auf der Basis dieser Vorbetrachtung erfolgt die Bestimmung der Wicklungseffekte wie nachstehend:
  • Als Ausgangsgrößen sind folgende Werte vorhanden:
    • a) N Meßwerte einer oder mehrerer (drei) Komponenten des Stör­flußdichtefeldes BKn,i (n = 1, ..N, i = 1,2,3) mit den zu­gehörigen Meßorten Xmn,i (n = 1, ...N, i = 1,2,3), vorgegeben durch die Positionen der Meßsonden 2 gesondert für die einzelnen Spulen 3,4,5 des Systems; dabei sei jede Spule 3 bzw.4 bzw.5 einzeln mit dem vorgegebenen Einheitsstrom beschickt worden.

      Die Meßwerte BKn,i sind den Berechnungswerten Si,k,n der Gleichung (1.5) zuzuordnen und naturgemäß mit einer Streuung σi,n behafetet. Die dieser Streuung zugrunde liegenden Meß­fehler seien normal um Null verteilt.
    • b) Die geometrischen Kenndaten, Windungszahlen und Einheits­ströme der einzelnen Spulen 3,4,5. Die geometrischen Kenn­daten können mit Fehlern behaftet sein, von denen in aller Regel nur sogenannte Lagekoordinatenfehler gravierend und daher korrekturwürdig sind. Als "Lagekoordinate" wird in diesem Zusammenhang die bei allen Eckpunkten einer Spule 3 bzw.4 bzw.5 konstante Koordinate verstanden, d.h. bei einer
      V-Spule 4 die Z-Koordinate, bei einer
      L-Spule 3 die X-Koordinate und bei einer
      A-Spule 5 die Y-Koordinate.
  • Daher sind die gegebenen Werte der Lagekoordinaten der einzel­nen Spulen 3,4,5 als eine - ggf. korrekturwürdige - Näherung zu verstehen. Aus Formel (1.1) und (1.3) ist unmittelbar zu ent­nehmen, daß die Koordinaten exponentiell in die Magnetfeld­berechnung eingehen.
  • Der Algorithmus soll nun

    - die Lagekoordinate (nichtliniare Einflußgröße) und
    - die Proportionalitätsgröße Pi,k (lineare Einflußgröße)

    für jede einzelne Spule 3 bzw.4 bzw.5 des Systems bestimmen und zwar so, daß die Einheitsfeld-Meßwerte Bkn,i an den Meßorten Xmn,i möglichst gut angenähert werden. Hierzu wird ein erweiter­ter Minimum-Fehlerquadratansatz folgender Form verwendet:
    Figure imgb0005
  • Die Meßwertstreuung σ dient als Gewichtungsgröße und bewirkt, daß Meßwerte um so weniger berücksichtigt werden, je größer ihre Streuung ist.
  • Um die Abhängigkeit des zu berechnenden, den Einheitsfeld-Meß­werten anzunähernden Spulenmagnetfeldes von den gesuchten Größen zu erfassen, schreibt man in Form eines Taylor-Ansatzes:
    Figure imgb0006
     Darin sind die
    J  die Anzahl der gesuchten Unbekannten
    Uo  eine erste Näherung dieser Unbekannten und die
    ΔU  die "Verbesserung" dieser Unbekannten, die zum Minimum des mittleren Fehlerquadrats führen soll.
  • Verbesserte Unbekannte ergeben sich damit zu:
    Figure imgb0007
     wobei σ der Schrittzähler einer Iteration ist.
  • Setzt man Formel (1.7) in den Fehlerquadratansatz (1.6) ein, so ergibt sich
    Figure imgb0008
  • Das Fehlerquadratminimum wird erreicht, wenn die partiellen Ableitungen nach den gesuchten Verbesserungen uj verschwinden, also
    Figure imgb0009
     Dies liefert
    Figure imgb0010
     und
    Figure imgb0011
     Die Koeffizienten der Matrix A und des Vektor R ergeben sich ohne weiteres beim Übergang von Gleichung (1.10) auf (1.11).
  • Die Formel (1.11) gibt ein Gleichungssystem wieder, mit dem sich zu einer vorzugebenden Näherung der gesuchten Größen Uo (Wicklungskoeffizienten und Spulenlage) Verbesserungen ΔU errechnen lassen. Mit Formel (1.8) ergeben sich dann die ver­besserten Größen Uo+1, welche ihrerseits zur Berechnung neuer Verbesserungen ΔUo+1 führen. Diese Iteration ist - unter Benutzung konvergenzsichernder Verfahren - so oft zu wieder­holen, bis sich ein Minimum des mittleren Fehlerquadrats ein­gestellt hat oder bis sich zwei aufeinanderfolgende Näherungen nicht mehr wesentlich voneinander unterscheiden. Das Ergebnis besteht dann in einer korrigierten Spulenlagekoordinaten und in den Wicklungskoeffizienten Pi für die jeweils untersuchte Spule 3 bzw.4 bzw.5.
  • Im nächsten, d.h. dritten Verfahrensschritt sind nunmehr die Kompensationsströme zu bestimmen, d.h. es geht um die Aufgabe der Bestimmung der Ströme Ik in den einzelnen Spulen eines MES-Spulensystems, so daß das im Zustand "ungeschützes Fahrzeug" gemessene magnetische Störfeld möglichst gut aufgehoben wird.
  • Als Ausgangsgrößen sind folgende Werte gegeben:
    • a) aus dem zweiten Verfahrensschritt die (korrigierten) Spulen­geometriedaten, Windungszahlen und die Wicklungseffekte Pi.k aller Nsp Spulen eines Systems und
    • b) N-Störfeld-Meßwerte der drei oder mindestens einer Komponente des zu kompensierenden magnetischen Störfeldes Bn,i (n=1, ...N, i = 1,2,3) mit den zugehörigen Meßorten Xmn,i (n=1, ...N, i = 1,2,3).
  • Die Meßwerte seien auch jetzt mit einer Streuung σn,i behaftet; die zugrunde liegende Meßfehlerverteilung sei normal mit dem Mittelwert o.
  • Die gesuchten Komensationsströme in den Spulen 3,4,5 sollen ein Magnetfeld erzeugen, welches das gemessene Störfeld an den Orten Xm im Sinne des kleinsten Fehlerquadrats annähert bzw. aufhebt. Wie im zweiten Verfahrensschritt wird wieder angesetzt:
    Figure imgb0012
  • RSn,i repräsentiert das von allen Spulen des Systems in den N Meßpunkten erzeugte Magnetfeld; setzt man den Formelausdruck (1.6) ein, so wird das mittlere Fehlerquadrat:
    Figure imgb0013
  • Die Ströme Ik sind offensichtlich eine lineare Einflußgröße; das Minimum des mittleren Fehlerquadrats stellt sich also ohne Iteration für
    Figure imgb0014
     ein.
  • Das entsprechende Differenzieren führt auf folgendes Gleichungs­system:
    Figure imgb0015
  • Die Bestimmungsgleichung für die Ströme Ik lautet:
    Figure imgb0016
  • Damit sind Ströme ermittelt, die das gemessene Störfeld Bn,i in den Orten Xmn,i im Sinne des minimalen Fehlerquadrates annähern; eine Kompensation des gemessenen Störfeldes stellt sich durch einen Vorzeichnungswechsel ein, also für die Kompensation
    Figure imgb0017
  • Im Gegensatz zu der eingangs erläuterten bekannten Lösung mit einem direkten mathematischen Modellansatz zwischen gemessenem Fahrzeugstörfeld und den Kompensationsströmen erfolgt bei dem Verfahren nach der Erfindung eine Bestimmung der "Wicklungs­effekte", d.h. eines die Schiffsrealitäten berücksichtigenden Wertes, der von den Materialeigenschaften der real zu durch­dringenden Außenwand und der realen Einbauteile abhängig ist sowie die Gewinnung einer Korrektur zu ungenauen Spulengeome­triedaten.
  • Der Wicklungseffekt beschreibt letztlich den Unterschied zwischen einer realen, im Schiff 1 befindlichen Spule 3 bzw.4 bzw.5, deren Feld durch die ferromagnetischen Massen von Ein­bauteilen und der Außenhaut verändert ist und einem entspre­chend ungestörten Spulenfeld (Luftspule).
  • Durch das Einbeziehen dieses Wicklungseffektes ist die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichbare Kompensation besser an die Realität angepaßt (die in einem mathematischen Modell so umfassend nicht darstellbar ist), d.h. sie ist dadurch wesent­ lich genauer, zumal auch Spulenfehler mit erfaßt bzw. korrigiert werden, die in dem Fall eines mathematischen Modells ebenfalls nicht berücksichtigt werden können.
  • Aus dem gemessenen Störfeld des Schifes 1 werden mit Hilfe der Wicklungseffekte Kompensationsströme ermittelt. Das superposi­tionierte Feld der einzelnen MES-Spulen ergibt nach ein oder mehreren Optimierungsschritten (rechnerische Optimierung) das gemessene Störfeld mit umgekehrten Vorzeichen. Damit sind die einzelnen Korrektur-MES-Ströme ermittelt, die vorzeichengerecht auf den bisher eingestellten MES-Strömen aufaddiert werden müssen.
  • Die gegenseitige Beeinflussung der Spulenfelder ist durch die Vermessung der Spulenfelder mit einem Meßteppich hinreichend bekannt und kann entsprechend berücksichtigt werden; so ist der Gefahr einer Überkompensation begegnet.
  • Vorstehende Schritte können manuell oder mit Hilfe von entspre­chenden Einrichtungen selbsttätig aber auch kombniniert manuell/­selbsttätig ausgeführt werden. Derartige Einrichtungen zur Auf­schaltung und Messung von Wicklungsströmen, Erfassen von Magnet­feldern, Bearbeiten von Algorithmen und dergleichen stehen dem Fachmann in ausreichender Auswahl zur Verfügung und können zu geeigneten Signalverarbeitungs-Einrichtungen in der Vermessungs­anlage als Station zusammengefaßt werden.
  • Erbringt das erfindungsgemäße Verfahren bereits bei der Erst­einstellung erhebliche Vorteile, so zeigen sich die Vorteile auch besonders deutlich bei der Einstellkontrolle bei den üblichen nachfolgenden Routinevermessungen.
  • Bei der Erstvermessung werden dazu wesentliche Daten in einer Datenbank gespeichert, z.B. die die Kompensation bewirkenden Wicklungsströme nach Größe und Richtung (Schaltzustand der Spulen), die (korrigierten) Spulendaten, die Wicklungseffekte.
  • Erforderlich ist ebenfalls, den Induziertanteil des Schiffes (nach horizontalen und vertikalen Komponenten getrennt) genau zu ermitteln, und diese Information ebenfalls in der Datenbank abzuspeichern. die Induziertfelder haben nicht nur Informations­wert, sondern können auch zur Fehlerermittlung herangezogen werden. Die Übertragungsfunktionen für die Kompensation der horizontalen und vertikalen Induziertfelder stehen, einmal für ein Schiff ermittelt, fest und sind nur noch abhängig von den Störgrößen "Kurs" und "Einsatzgebiet". Das Ausregeln der Kurs­abhängigkeit ist Aufgabe der MES-Regelanlage. Sollte das Ein­satzgebiet sich ändern, sind die Einspeisungen des MES zur Kompensation der Induziertanteile leicht zu ermitteln. Sollten an einem Schiff umfangreiche Umbauten stattgefunden haben, ist die Induziertfeldermittlung neu vorzunehmen.
  • Die FIG 5 zeigt einen Datenflußplan "Datenbank-Erstellung" für eine Schiffsdatenbank 11. Dieser Datenflußplan enthält neben den eigentlichen technischen Werten auch die notwendigen Nebendaten, Schritte für die Datenprüfung und Datenverwaltung.
  • In einer Eingabeeinheit 6 erfolgt die Erstellung der Identifi­katoren und Nebendaten zur Statistik und Kontrolle, somit eines "Steckbriefes-Schiff". Eine nachgeschaltete Prüfeinheit 7 über­nimmt die Prüfung der Daten auf Vollständigkeit und Aktualität. Von der Prüfeinrichtung 7 können die Daten an eine Belegausgabe 8 oder eine Datenverwaltung 9 weitergeleitet werden. Durch die Datenverwaltung 9 werden Informationenen für die Vermesser bereitgestellt sowie Prüfungen und Plausibilitätskontrollen der Messungen durchgeführt. Die Datenverwaltung 9 arbeitet mit einer das Vermessungsprogramm enthaltenden Einheit 10 und der Schiffsdatenbank 11 zusammen. Die Schifsdatenbank 11 enthält die Identifikatoren, Spulendaten, Wicklungseffekte und die P-J-Trennung. Der Datenfluß ist durch Pfeile zwischen den ver­schiedenen Geräteeinheiten gekennzeichnet.
  • Steht die Vermessung eines Schiffes 1 im Rahmen der Einstell­kontrolle an, so werden, wie in FIG 6 dargestellt, vor der Ver­messung des Schiffes 1 die Schaltzustände und Spulenströme der MES-Anlage an die Meßstelle 12 übermittelt und mit den in der Schiffsdatenbank 11 abgespeicherten, bis dahin aktuellen Werten verglichen.
  • Der zugehörige Datenflußplan "MES-Einstellung" ist in FIG 7 dargestellt, wobei Meßwertübertragungspositionen durch Blitz­symbole gekennzeichent sind.
  • Werden Abweichungen festgestellt, so ist auf jeden Fall zu ergründen, wie diese entstanden sind und aus welchem Grund.
  • Anschließend wird das Schiff mit eingeschalteter MES-Anlage vermessen und es erfolgt ggf. mit Hilfe der Informationen aus der Datenbank eine Neuberechnung bzw. Neueinstellung der MES-­Kompensationsströme entsprechend den im dritten Verfahrens­schritt der Ersteinstellung beschriebenen Verfahren mit einer nachfolgenden Kontrollmessung, ob die gewünschte Minimierung erreicht wurde, eine Aktualisierung der Schiffsdatenbank.
  • Es ist eine automatische oder manuelle Übertragung der Schalt­zustände und der aktuellen Wicklungsströme vom Schiff 1 zur Informationsverarbeitungsanlage in der Station 12 möglich. Die magnetische Vermessung und Erfassung der Daten kann in einer stationären Anlage oder im Überlaufverfahren in einer land- ­oder schiffsgestützten Sondenstreckenanlage, mit Wegstrecken­ermittlung erfolgen.
  • Bei einer manuell zu schaltenden MES-Anlage erfolgt zweckmäßig die Übergabe der Einstelldaten mit Hilfe eines Displays.
  • Bei automatischer Einstellung erfolgt die Übergabe der Einstell­daten zweckmäßig an den Automatikschaltschrank im Schiff oder an den MES-Bordrechner.
  • Durch die Ermittlung der MES-Ströme zur Einstellung der MES-­Anlage mit Hilfe eines Informationsverarbeitungssystems, gestützt auf eine Datenbank der Wicklungseffekte, kann daher eine optimale, reproduzierbare MES-Einstellung in kürzester Zeit erreicht werden.
  • Die Zahl der Messungen kann auf eine Ankunfts- und eine Ent­lassungsmessung beschränkt werden.
  • Es ist mit Vorteil eine schnelle, exakte und reproduzierbare Einstellung der MES-Anlagen auch an Meßstellen, die keinen Meß­teppich besitzen, möglich bzw. das Verfahren erlaubt eine MES-Einstellung mit einer mobilen Meßanlage, d.h. von einem Vermessungsschiff aus mit einer Wegstreckenbestimmung für das zu vermessende Objekt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage mit einem großräumigen, dreiachsigen Spulensystem bestehend aus stromdurchflossenen Spulen (3,4,5) in drei ortho­gonalen Achsen zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges (1), bei dem im ersten Schritt in einer stationären Meßanlage bei abgeschalteter MES-Anlage das zu kompensierende Störfeld in mindestens einer Koordinatenrichtung in zwei Meßtiefen gemessen wird und die Spulenströme (Kompen­sationsströme) nach Größe und Richtung selbsttätig so bestimmt werden, daß das Störfeld minimiert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem zweiten Schritt nacheinander jede Spule (3 bzw.4 bzw.5) mit einem Einheitsstrom in einer vorgegebenen Richtung beaufschlagt und jeweils mindestens eine Komponente des sich dabei einstellenden Einheits-Magnetfeldes an vorgegebenen Orten gemessen wird sowie daß unter Verwendung der vorgegebenen Meß­werte für den Einheitsstrom, des Einheits-Magentfeldes und der Spulendaten, der "Wicklungseffekt" jeder Spule (3 bzw.4 bzw.5), d.h. der den Unterschied zwischen einer realen im Fahrzeug befindlichen Spule (3,4,5), deren Feld durch ferromagnetische Massen von Einbauteilen und Außenhaut verändert ist und einem entsprechenden ungestörten Spulenfeld (Luftspule) beschreibt - ­unter Korrektur von Lagekoordinatenfehlern in den Spulendaten - ­durch spuleniterative Annäherung des Rechenwertes des Einheits-­Magnetfeldes an die entsprechenden Meßwerte mittels eines ersten Algorithmus bestimmt wird, daß in einem dritten Schritt unter Verwendung der Werte für das im ersten Schritt gemessene Fahrzeug-Störfeld und der im zweiten Schritt gewonnenen Werte für die Wicklungseffekte und der korrigierten Spulendaten die optimalen Kompensationsströme durch stromiterative Annäherung des Spulensystemfeldes an das gemessene Störfeld mittels eines zweiten Algorithmus ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wicklungseffekt jeder Spule (3 bzw.4 bzw.5) und die Spulendaten sowie die optimalen Kompensationsströme nach Größe und Richtung (Schaltzustand der Spulen) in einer fahrzeug­typischen Datenbank (11) gespeichert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich die Größen des Permanent-, der Induziert- und des Wirbelfeldanteils des magnetischen Störfeldes getrennt gespeichert werden.
4. Verfahren zur Einstellungskontrolle einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage mit einem großräumigen, dreiachsigen Spulensystem, bestehend aus strombeschickten Spulen (3,4,5) in drei orthogonalen Achsen zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Datenbank (11) gespeicherte Werte über Spulendaten und die optimalen Kompensationsströme der Ersteinstellung mit den aktuellen Werten der MES-Anlage verglichen werden, an­schließend mit eingeschalteter MES-Anlage eine Störfeldmessung erfolgt und ggf. aufgrund von in der Datenbank (11) gespeicher­ten Werten über die Wicklungseffekte der Spulen (3,4,5) und korrigierter Spulendaten neue optimale Kompensationsströme durch stromiterative Annäherung des Rechenwertes des Störfeldes an das gemessene Störfeld mittels eines Algorithmuses ermittelt werden und daß danach im Rahmen einer Kontrollmessung festge­stellt wird, ob die gewünschte Minimierung des Störfeldes er­reicht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellkontrolle auf stationären sowie auf Überlauf­meßstrecken, bei letzteren jedoch mit gleichzeitiger Ermitt­lung der Meßpunktkoordinaten bei der Überlaufmessung erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstelldaten für die MES-Anlage im on-line-Verfahren an entsprechende Signalverarbeitungseinrichtungen des Fahrzeuges (MES-Automatikschrank; MES-Bordrechner) übergeben werden.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstelldaten für die MES-Anlage mittels eines Bild­schirmes der Bedienungsperson der MES-Anlage übermittelt werden.
EP19870106093 1986-04-29 1987-04-27 Verfahren zur Einstellung einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage zur Kompensation des magnetischen Störfeldes eines Fahrzeuges, insbesondere Schiffes Expired - Lifetime EP0247367B1 (de)

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