EP0249838B1 - Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage - Google Patents

Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage Download PDF

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EP0249838B1
EP0249838B1 EP87108207A EP87108207A EP0249838B1 EP 0249838 B1 EP0249838 B1 EP 0249838B1 EP 87108207 A EP87108207 A EP 87108207A EP 87108207 A EP87108207 A EP 87108207A EP 0249838 B1 EP0249838 B1 EP 0249838B1
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EP
European Patent Office
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data
vehicle
field
course
compensation
Prior art date
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EP87108207A
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English (en)
French (fr)
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EP0249838A1 (de
Inventor
Johann Dr. Flecken
Rudolf Dipl.-Ing. Kock
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STN Systemtechnik Nord GmbH
Original Assignee
Bundesrepublik Deutschland Vertr Durch D Bundesm D Vert Vertr Durch Den Pras D Bundesamt fur Wehrtech U Beschaffung
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Publication date
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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

  • the invention relates to a device for controlling a magnetic self-protection (MES) system of a vehicle, which has a large-area, three-axis coil system consisting of current-carrying coils in three orthogonal vehicle axes to compensate for the earth's magnetic field at the vehicle location and the vehicle's movement in the earth's magnetic field (course, roll, Etc.). dependent magnetic field of the vehicle.
  • MES magnetic self-protection
  • the magnetic self-field contains a so-called permanent component and an induced component, which is due to the permanent magnetization of the vehicle when driving in the earth's field, its size changing depending on the course and the position of the vehicle axles to the horizon.
  • MES systems are well described in the literature (e.g. Kosack and Wangerin, "Electrical engineering on merchant ships", Springer Verlag 1956, pages 255-257, Fig. 234). They have a large, three-axis coil system consisting of coils through which current flows in three orthogonal axes to compensate for the vehicle's own magnetic field.
  • Every vehicle equipped with an MES system first experiences a basic setting of the MES system (initial measurement) based on a so-called magnetic measurement, in which an optimal compensation value is achieved by setting suitable winding currents and suitable coil switching states (ampere-turn numbers).
  • the Gyro MES system is a manual control. Errors in the operation of the controllers are therefore only recognized by manual control. In addition, the eigenfield changes are not recorded in the known system. The known MES system can therefore no longer meet today's demands with regard to the increased sensitivity of the detonators.
  • This known MES system has the following disadvantages: for technical reasons, the probe system, the probe triple, cannot be attached to the vehicle on site for the cheapest measurement with optimal measurement conditions, but only where it is structurally possible.
  • the measurement signal of the probes in the earth's field is the sole control signal for the MES system.
  • the system can therefore only be operated by hand, the so-called MES channels being controlled depending on the course. Probe errors are not easily noticed.
  • the invention is therefore based on the object of developing the device described at the outset in such a way that it provides substantially better and more reliable magnetic compensation for vehicles than the compensation with conventional MES controls. It is important to achieve an optimal magnetic protection state and to limit the measurement and control of the magnetic protection state from the outside to a minimum in order to increase the operational safety of the system at the same time.
  • the invention is intended to be able to be used on highly protected vehicles with an amagnetic and electrically non-conductive outer skin, on highly protected vehicles with a non-magnetic but electrically conductive outer skin and on vehicles with a ferromagnetic outer skin.
  • the magnetic opposing fields to compensate for the magnetic effects occurring on or in the vehicle are controlled as a function of the geographical location, the course and the vehicle's own movement.
  • the heart of the process-controlled MES system is an intelligent control system with a data processor that uses data storage (database).
  • the magnetic fields of ferromagnetic objects such as internals and equipment in vehicles as well as their magnetic reaction in different operating states and when moving in the earth's field can be measured precisely. This also applies to the ferromagnetic or non-magnetic outer skin of the vehicle.
  • known data transmitters arranged inside the vehicle - without magnetic field probes - it is just as easy to determine the data about the course, location and own movement of the vehicle.
  • the data for the control of the MES system are stored in exceptional situations, so that the best possible setting is guaranteed even for a faulty system.
  • the data previously obtained via magnetic field probes for the regulation or control of the ampere-turn numbers of the compensation coils are measured via the stored geometric data in conjunction with measured values about the geographical location and direct measurement of the vehicle's own movement and the operating states by corresponding sensors inside the vehicle.
  • the great advantage of the device according to the invention is that there is no need for a magnetic field probe system which is mechanically very easily damaged, as a result of which operational reliability can be increased considerably.
  • the focus is no longer on the measurement and complicated compensation of probe signals, but on the actual regulation / control, with constant digital control. Operating states are taken into account without the detour via the probe reaction. The compensation must therefore be carried out optimally.
  • the process-controlled MES system has particularly good uses or advantages on underwater vehicles, since it is always problematic to attach the gastric field sensors to the outer body of the submarines at an exposed point.
  • 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 2, 3, 4 in the three orthogonal axes XYZ.
  • Each coil 2 or 3 or 4 is usually divided into three sub-coils, which are no longer shown.
  • One coil section (additional designation P) is used to compensate for a permanent vehicle-dependent interference field component.
  • a second coil section (additional designation I) is used to compensate for an interference field component induced by the earth field. Since vortex fields are induced in metallic parts of the system as a result of the ship 1's own movement in the earth's field, it is compensated for with a third coil section (additional designation E).
  • 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.
  • FIG. 5 shows the ship 1 and the axes of the coordinate system in the same position as in FIG. 4, but now the isolines 12 of the magnetic field are shown in the case of pure longitudinal magnetization of the ship 1.
  • a measurement of the vertical field component would have the basic course marked with 13 below the ship 1.
  • FIG. 6 shows the ship 1 in a front view and correspondingly the y and z axes of the coordinate system.
  • lines 14 of the same field strength are entered schematically with pure transverse magnetization of ship 1. If one measures the vertical component of the magnetic field with such a magnetization in the depth MT, the field course marked with 15 would result.
  • a ship 1 Under normal circumstances, a ship 1 has both vertical and longitudinal and transverse magnetizations, i.e. in all three coordinate directions.
  • the Z component of the ship's field generated by this is independent of the heading angle.
  • the X component changes depending on the exchange rate according to a cosine function, which has its maximum value at the north and south rate and is zero at the east and west rate.
  • the Y component also changes depending on the course, but according to a sine function which has its maximum value at the east and west course and is zero at the north and south course. All three components also change their value in the event of roll and pounding movements of the ship.
  • the induced interference field components during lurching are shown in more detail in FIGS. 7-9. In the direction of its total, the earth's magnetic field generates the induced field vector S, which is divided into the components SZI and SYI according to the crossing angle of the ship 1.
  • the coils are in turn named according to their main magnetic directions of action.
  • the coils 2 according to FIG. 1, which are parallel to the YZ plane, are the L coils (L-MES winding), whose magnetic axes of action lie in the longitudinal direction of the ship (L corresponds to the longitudinal direction).
  • the coils 3 according to FIG 2 (only one is shown), which are parallel to the XY plane, are the V-coils (V-MES winding) with vertical magnetic axes of action (V corresponds to vertical).
  • V-MES winding V-coils with vertical magnetic axes of action (V corresponds to vertical).
  • A-coils A-MES winding whose magnetic direction of action lies in the Y-direction (A corresponds to athwort-ship).
  • each coil 2 or 3 or 4 consists of three sub-coils with the additional ranges P, I, E
  • an MES system has windings (sub-coils) referred to below: VI vertically acting induced field winding VP vertical field permanent winding VE vertically acting eddy current field winding LI longitudinal field-acting induced field winding LP fore and aft permanent field winding LE longitudinal eddy current field winding AI Inducted field winding acting across the ship AP transversal permanent field winding AE transversal eddy current field winding
  • the coil windings are fed with direct currents in different directions.
  • the positive current directions result from the positive directions of the X-Y-Z coordinate system shown in FIG.
  • the currents are set and the windings are switched so that the magnetic field of the hull, the so-called interference field, is optimally compensated for.
  • a controller or controller ensures that the set compensation is retained.
  • FIG. 5 corresponds to the coil system consisting of coils 2-4 and 6 represents the vehicle equipped with sensors (ship 1).
  • 7 denotes a measured value memory containing the current measured values and 8 denotes a database in which generally and long-term valid ones Data are stored.
  • the data from the measured value memory are stored in a data processor 9 7 and the data base 8 are processed to control values for the coil system 5.
  • the measured value memory 7 receives the current measured values from the measured value transmitters of the vehicle 6, whereby these measured value transmitters are not external magnetic field probes, but only transmitters for the detection of movements and the location of the vehicle.
  • the hardware core is an intelligent control system, whose data processor 9 uses an integrated control and regulating method and a database 8 of predefined parameters and measured influencing variables (measured value memory 7) to feed the current into the coil system 5 of the vehicle 6 controls based on a predetermined sequence control (control algorithms) so that optimal compensation is guaranteed.
  • the control and regulation procedure is to be used on vehicles with an amagnetic outer skin, on vehicles with a non-magnetic but electrically conductive outer skin and on vehicles with a ferromagnetic outer skin.
  • All the data that the process-controlled MES system requires for the control to achieve optimal compensation are stored in the database 8 or are determined inside the vehicle 6 by sensors that are not magnetic field probes.
  • the data in the database 8 are subdivided into data that are valid for all vehicles (generally valid data) and data that are typical of the vehicle and that apply for the long term.
  • the geographic data are valid for all vehicles.
  • the specific data of a vehicle are determined during the initial measurement. They show the dependency between the coil system 5 of the vehicle 6 in question and the influences of the earth field components.
  • the data processor 9 polls the influencing variables with a continuously running measuring program and thus supplies the control algorithms via the measured value memory 7 with the current data which are necessary for determining an optimal MES setting.
  • Groups 1 and 2 are general and long-term data and are therefore stored in database 8.
  • Group 3 is current measurement data and is therefore supplied to the measured value memory 7.
  • a constant measuring program runs in the process control of the intelligent control system, which detects the control data from the coil system 5 and the movement data of the vehicle 6 and feeds them to the measured value memory 7.
  • the movement data have a priority over the control data in triggering a reaction of the process control.
  • the movements of lurching or pounding can be recorded either by roller ball encoders or gyro encoders.
  • the yaw is detected by a gyro and treated like a course change.
  • the induced field Due to the constantly changing position of the vehicle in the earth's field, the induced field is also constantly changing. This also makes it necessary to change the counter-magnetic measures.
  • the reactions of the vehicle are through electrically simulated movements during the first measurement under the magnetic conditions of the measuring location have been determined. With the help of the determined reaction parameters and the earth field components of the location, the movement-correct magnetic reaction of the induced field MES becomes a linear control problem.
  • the second reaction to movements such as lurching, pounding and yawing is the generation of swirl fields in vehicles with large internals made of conductive material or vehicles which are made entirely or partially of conductive material. Movement in the earth's field creates induction currents in the conductive materials, so-called eddy currents, which in turn generate magnetic fields.
  • the swirl fields occur almost 90 ° out of phase and are dependent on the roll and pound frequency.
  • the subcomponents P permanent component
  • IV the vertical induced field generated by the vertical earth field component
  • IHN the horizontal induced field component generated by the horizontal earth field component on the north course
  • IHO the horizontal induced field component generated by the horizontal earth field component on the east course in the database 8th.
  • measurement location means the location of the measurement of the vehicle and “computer location” the current location of the vehicle.
  • the earth field components are to be specified in a uniform unit of measurement. Which unit is used when specifying the earth field components is irrelevant.
  • the vortex fields require their own compensation program, the reaction parameters of which in turn were determined during the initial measurement with electrically simulated movement.
  • To simplify the swirl field compensation should be operated with a second processor in master-slave mode.
  • the control algorithm intervenes when the motion sensor indicates a movement of the vehicle about its longitudinal and transverse axes.
  • the data processor 9 receives the current values of the pounding and rolling movements which are contained in a third and fourth memory sectors 7d and 7e. Via its output 9d, the data processor 9 supplies the necessary control signals for the compensation of the control field caused by the corresponding vehicle movements.
  • the effectiveness of the control algorithm by which the roll movements according to FIGS. 7-9 are included in the process-controlled MES system depends on the quality of the setting data (data subgroups 2.5 and 2.6) determined during the initial measurement.
  • the components of the self-magnetic field are measured in coordinate directions X, Y and Z and stored.
  • the coordinate system is object-fixed for easier handling.
  • the component points in the X direction to the bow of the object and thus to the top edge of the matrix, the component in the Y direction to the right side of the object and the matrix, and the component in the Z direction downwards.
  • the first step in solving the worldwide interference field calculation of an object is the calculation of the interference field on every course at the measuring location.
  • the permanent component P, the vertical induced field IV and the horizontal induced field components on the north or east course IHN and IHO are parameters of the calculation.
  • the horizontal induced field portion IHN on the north course behaves like the cos the course angle FI
  • the horizontal induced field portion IHO on the east course behaves like the sin of the course angle FI.
  • the permanent component P and the vertical induced field component IV caused by the vertical earth field component always remain the same. If the interference field of an object is to be calculated for a location with other geomagnetic conditions than at the measurement location, the horizontal factor HF and the vertical factor VF must be inserted in the calculation specification.
  • HST P + (IHN ⁇ COS FI) ⁇ HF + (IHO ⁇ SIN FI) ⁇ HF + IV ⁇ VF
  • the earth field values of the horizontal and vertical earth field for the measuring location can be firmly agreed in the computer program.
  • the earth field components of the locations for which the interference field of the object is to be calculated can also be present in the database 8 if used frequently. An entry for nonexistent data should be provided.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage eines Fahrzeuges, die ein großräumiges dreiachsiges Spulensystem bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in drei orthogonalen Fahrzeugachsen zur Kompensation des vom Erdmagnetfeld am Fahrzeugort und der Fahrzeugbewegung im Erdmagnetfeld (Kurs, Schlingern, etc.). abhängigen magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges aufweist.
  • Schiffe, Boote und andere Fahrzeuge der Bundeswehr, aber auch Handelsschiffe, werden aufgrund ihres magnetischen Eigenfeldes (Störfeld), das sich dem Erdfeld überlagert und dieses verzerrt, 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.
  • Das magnetische Eigenfeld enthält dabei einen sogenannten Permanentanteil und einen Induziertanteil, der auf die dauernde Aufmagnetisierung des Fahrzeuges beim Fahren im Erdfeld zurückzuführen ist, wobei seine Größe je nach dem Kurs und der Lage der Fahrzeugachsen zum Horizont veränderlich ist.
  • Derartige MES-Anlagen sind in der Literatur hinlänglich beschrieben (z.B. Kosack und Wangerin, "Elektrotechnik auf Handelsschiffen", Springer Verlag 1956, Seite 255-257, Abb.234). Sie weisen ein großräumiges, dreiachsiges Spulensystem, bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in drei orthogonalen Achsen zur Kompensation des magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges, auf.
  • Jedes mit einer MES-Anlage ausgerüstete Fahrzeug erfährt zunächst aufgrund einer sogenannten magnetischen Vermessung eine Grundeinstellung der MES-Anlage (Erstvermessung), bei der durch Einstellen geeigneter Wicklungsströme und geeigneter Spulenschaltzustände (Amperewindungszahlen) ein optimaler Kompensationswert erreicht wird.
  • Die Einstellung ändert sich jedoch - abgesehen von Langzeitveränderungen, die in gewissen Zeitabständen eine Einstellungskontrolle erfordern - im Fahrbetrieb. Infolge der
    • Breitenabhängigkeit des Erdmagnetfeldes
    • Kursabhängigkeit des von der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes erzeugten Induziertanteiles
    • Abhängigkeit des Induziertfeldes von der Lage der Fahrzeugachsen zum Horizont

    weist die MES-Anlage eine Regeleinrichtung bzw. eine Steuerung auf, die die Ströme bzw. durch Schalten von Windungen die Amperewindungszahlen in den einzelnen Spulen im Fahrbetrieb so nachstellt, daß die eingestellte Kompensation des Störfeldes erhalten bleibt.
  • Es ist bekannt, einen Hand-Breitengradregler und einen sowohl von Hand als auch selbsttätig durch den Kreiselkompaß betätigbaren Kursausgleichregler vorzusehen (Deutsche Minenräumdienstvorschrift Nr.16 "Magnetischer Schutz der Minenräumfahrzeuge, 1946 insbesondere Seite 14/15).
  • Die Kreisel-MES-Anlage ist jedoch in der Praxis eine Handsteuerung. Fehler in der Bedienung der Regler werden daher nur durch manuelle Kontrolle erkannt. Zudem werden bei der bekannten Anlage die Eigenfeldänderungen nicht erfaßt. Die bekannte MES-Anlage kann daher im Hinblick auf die gesteigerte Empfindlichkeit der Zünder heutigen Ansprüche nicht mehr genügen.
  • Es ist auch bekannt, durch magnetische Fühlorgane (Sensoren) die Änderungen des Schiffs- und Erdfeldes zu erfassen (Kosack und Wangerin v.g. S.257). Diese vollautomatischen, sondengesteuerten, stromgeregelten MES-Anlagen weisen heute üblicherweise ein schiffsfest montiertes Magnetfeldsondentripel zur Erfassung des Erdfeldes am Schiffsort und der Schiffsbewegungen im Erdfeld (Kurs, Schlingern, Stampfen, Gieren) auf (DE-PS 977 846). Es erfolgt dabei eine getrennte Kompensation der Permanent-, Induziert- und Wirbelstrom-Komponenten des Schiffsstörfeldes in allen drei Schiffsachsen (Vertikal-, Horizontal-und Querschiff).
  • Diese bekannte MES-Anlage besitzt folgende Nachteile: Die Sondenanlage, das Sonden-Tripel, kann aus technischen Gründen am Fahrzeug nicht am Ort für die günstigste Messung mit optimalen Meßbedingungen angebracht werden, sondern nur dort, wo es baulich möglich ist.
  • Das Meßsignal der Sonden im Erdfeld ist das alleinige Regelsignal für die MES-Anlage. Beim Total-Ausfall der Sonden kann die Anlage daher nur von Hand gefahren werden, wobei die sogenannten MES-Kanäle kursabhängig gesteuert werden. Sondenfehler werden nicht leicht bemerkt.
  • Wird das Meßsignal nicht vom Erdfeld, sondern vom Schiffsfeld erzeugt, ist die Fehlererkennung noch wesentlich schwieriger und führt noch eher zu einer Fehlinterpretation und damit zu einer fehlerhaften MES-Einstellung.
  • Durch die Weiterentwicklung der Sensortechnik ist dabei eine Situation entstanden, in der nicht ausreichende magnetische Schutzmaßnahmen einerseits eine trügerische Sicherheit vorgaukeln, dem intelligenten Sensor aber andererseits die Möglichkeit geben, genauer "zu treffen".
  • Es ist also erforderlich, die Wirkung der MES-Anlage der Sensorentwicklung anzupassen. Diese Forderung gilt sowohl für Fahrzeuge in ferromagnetischer Bauweise als auch für Fahrzeuge in amagnetischer Bauweise mit teilweise ferromagnetischen Einbauten.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Vorrichtung so weiterzubilden, daß sie eine wesentlich bessere und zuverlässigere magnetische Kompensation von Fahrzeugen liefert als die Kompensation mit herkömmlichen MES-Steuerungen. Es gilt einen optimalen magnetischen Schutzzustand zu erreichen und die Vermessung und Kontrolle des magnetischen Schutzzustandes von außen auf ein Minimum zu beschränken, um damit gleichzeitig die Betriebssicherheit der Anlage wesentlich zu steigern.
  • Die Erfindung soll dabei auf hochgeschützten Fahrzeugen mit amagnetischer und elektrisch nicht leitender Außenhaut, auf hochgeschützen Fahrzeugen mit amagnetischer, aber elektrisch leitender Außenhaut und auf Fahrzeugen mit ferromagnetischer Außenhaut eingesetzt werden können.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine Prozeßsteuerung mit einem digitalen Datenprozessor vorgesehen ist, dem eine Datenbank zugeordnet ist, in der
    • fahrzeugspezifische Daten der Erstvermessung am Meßort
    • standortabhängige Daten über die erdmagnetischen Verhältnisse im Operationsgebiet des Fahrzeuges (geomagnetische Daten) abgelegt sind,

    dem an Bord des Fahrzeuges befindliche Meßgeber für Spulendaten, geomagnetischer Standort, Kurs- und Fahrzeugeigenbewegungen zugeordnet sind und der aufgrund einer vorgegebenen Ablaufsteuerung (Algorithmen) die Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer prozeßgesteuerten MES-Anlage werden die magnetischen Gegenfelder zur Kompensation der am oder im Fahrzeug auftretenden magnetischen Wirkungen abhängig vom geographischen Standort, vom Kurs und von der Fahrzeugeigenbewegung gesteuert. Kernstück der prozeßgesteuerten MES-Anlage ist eine intelligente Steueranlage mit einem Daten-Prozessor, der auf eine Datenhaltung (Datenbank) zurückgreift.
  • In der Datenhaltung sind die Parameter enthalten, die benötigt werden, um eine optimale Steuerung der MES-Anlage zu erreichen. Es sind die Daten für die Kompensation
    • der standortabhängigen magnetischen Effekte
    • der standort- und kursabhängigen magnetischen Effekte
    • der von den Eigenbewegungen des Fahrzeuges im Erdfeld abhängigen magnetischen Effekte
    • der von Betriebszuständen abhängigen magnetischen Effekte.
  • Die magnetischen Felder von ferromagnetischen Objekten wie Einbauten und Ausrüstungsgegenstände der Fahrzeuge sowie ihre magnetische Reaktion bei unterschiedlichen Betriebszuständen und bei Bewegung im Erdfeld, lassen sich dabei meßtechnisch genau erfassen. Dieses gilt auch für die ferromagnetische oder amagnetische Außenhaut des Fahrzeuges. Ebenso einfach sind mit bekannten, im Fahrzeuginneren angeordneten Datengebern - unter Verzicht auf Magnetfeldsonden - die Daten über den Kurs, Standort und Eigenbewegung des Fahrzeuges zu ermitteln.
  • Weiterhin sind die Daten für die Steuerung der MES-Anlage in Ausnahmesituationen abgelegt, so daß auch für eine gestörte Anlage eine möglichst optimale Einstellung gewährleistet ist.
  • Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung werden die bislang über Magnetfeldsonden erlangten Daten für die Regelung bzw. Steuerung der Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen über die gespeicherten geometrischen Daten in Verbindung mit Meßwerten über den geographischen Standort und direkte Messung der Fahrzeugeigenbewegung sowie der Betriebszustände durch entsprechende Geber im Fahrzeuginneren gemessen.
  • Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß auf eine mechanisch sehr leicht zu beschädigende Magnetfeldsondenanlage verzichtet werden kann, wodurch die Betriebssicherheit beträchtlich gesteigert werden kann. Der Schwerpunkt liegt nicht mehr in der Messung und komplizierten Kompensation von Sondensignalen, sondern in der eigentlichen Regelung/Steuerung, mit einer ständigen digitalen Kontrolle. Es ist die Berücksichtigung von Betriebszuständen ohne den Umweg über die Sondenreaktion gegeben. Die Kompensation ist daher optimal durchzuführen. Die prozeßgesteuerte MES-Anlage hat dabei besonders gute Einsatzmöglichkeiten bzw. Vorteile an Unterwasserfahrzeugen, da es stets problemhaft ist, die Magenetfeldsonden am Außenkörper der U-Boote an exponierter Stelle anzubringen.
  • Weltweite Einsatzmöglichkeit, geringere Störanfälligkeit und besserer Schutz gegen Magnetsensoren zeichnen dabei die Fahrzeuge, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet sind, aus.
  • Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 bis 3
    das Spulensystem einer MES-Anlage in einem Schiffskörper,
    FIG 4 bis 6
    die magnetischen Schiffseigenfelder (Störfelder) in den drei Schiffskoordinaten,
    FIG 7 bis 9
    die Größen der Induziertanteile beim Schlingern des Schiffes,
    FIG 10
    ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen prozeßgesteuerten MES-Anlage,
    FIG 11 bis 14
    die schematische Darstellung des Informationsflusses bei der Kompensation mit vier unterschiedlichen Kompensations-Algorithmen.
  • 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 2,3,4 in den drei orthogonalen Achsen X-Y-Z. Jede Spule 2 bzw.3 bzw.4 ist üblicherweise in drei - nicht mehr näher dargestellte - Teilspulen aufgeteilt. Die eine Teilspule (Zusatzbezeichnung P) dient zur Kompensation eines permanenten fahrzeugabhängigen Störfeldanteiles. Eine zweite Teilspule (Zusatzbezeichnung I) dient zur Kompensation eines vom Erdfeld induzierten Störfeldanteiles.
    Da als Folge der Eigenbewegung des Schiffes 1 im Erdfeld in metallischen Teilen des Systems Wirbelfelder induziert werden, erfolgt deren Kompensation mit einer dritten Teilspule (Zusatzbezeichnung E).
  • Die magnetischen Schiffsfelder - die in den FIG 4-6 dargestellt sind - werden üblicherweise nach den Schiffskoordinaten wie folgt bezeichnet:
    Längsschiffkomponente = X-Komponente (FIG 5)
    Querschiffskomponente = Y-Komponente (FIG 6)
    Vertikale Komponente = Z-Komponente (FIG 4)
  • Das X-Y-Z-Koordinatensystem wird als objektfest angenommen, d.h. ist auf den Erzeuger des magnetischen Störfeldes - im Ausführungsbeispiel das Schiff 1 - ausgerichtet.
  • FIG 4 zeigt das Schiff mit dem objektfesten Koordinatensystem. Zusätzlich sind in schematischer Form die Isolinien 10 des Magnetfeldes bei rein vertikaler Magnetisierung des Schiffes 1 eingetragen. Eine Messung des vertikalen Feldanteiles in der Wassertiefe MT ergäbe den mit 11 gekennzeichneten prinzipiellen Verlauf unterhalb des Schiffes.
  • FIG 5 zeigt das Schiff 1 und die Achsen des Koordinatensystems in der gleichen Lage wie in FIG 4, jedoch sind nun die Isolinien 12 des Magnetfeldes bei reiner Längsmagnetisierung des Schiffes 1 dargestellt. Eine Messung des vertikalen Feldanteiles würde den mit 13 gekennzeichneten prinzipiellen Verlauf unterhalb des Schiffes 1 aufweisen.
  • In FIG 6 ist das Schiff 1 in Frontansicht und entsprechend die y- und z-Achse des Koordinatensystems dargestellt. Dazu sind schematisch die Linien 14 gleicher Feldstärke bei reiner Quermagnetisierung des Schiffes 1 eingetragen. Mißt man bei einer solchen Magnetisierung in der Tiefe MT die vertikale Komponente des Magnetfeldes, so würde sich der mit 15 gekennzeichnete Feldverlauf ergeben.
  • Unter normalen Umständen weist ein Schiff 1 sowohl vertikale als auch Längs- und Quermagnetisierungen, d.h. in allen drei Koordinatenrichtungen, auf.
  • Die Z-Komponente des dadurch erzeugten Schiffsfeldes ist unabhängig vom Kurswinkel. Die X-Komponente ändert sich kursabhängig nach einer Cosinus-Funktion, die ihren Höchstwert bei Nord- und Südkurs hat und bei Ost- und Westkurs Null ist. Die Y-Komponente ändert sich gleichfalls kursabhängig, jedoch nach einer Sinus-Funktion, die ihren Höchstwert bei Ost- und Westkurs hat und bei Nord-und Südkurs Null ist. Alle drei Komponenten verändern ihren Wert zusätzlich noch bei Schlinger-und Stampfbewegungen des Schiffes. Die Induziert-Störfeldanteile beim Schlingern sind dabei in den FIG 7-9 näher dargestellt. Das Erdmagnetfeld erzeugt in der Richtung seiner Totalen den Induziertfeldvektor S, der sich entsprechend dem Kreuzungswinkel des Schiffes 1 in die Komponenten SZI und SYI aufteilt.
  • Die Spulen wiederum werden entsprechend ihren magnetischen Hauptwirkungsrichtungen bezeichnet. Die Spulen 2 nach FIG 1, die parallel zur Y-Z-Ebene liegen, sind die L-Spulen (L-MES-Wicklung), deren magnetische Wirkungsachsen in der Schiffslängsrichtung liegen (L entspricht longitudinal).
    Die Spulen 3 nach FIG 2 (nur eine ist dargestellt), die parallel zur X-Y-Ebene liegen, sind die V-Spulen (V-MES-Wicklung) mit vertikalen magnetischen Wirkungsachsen (V entspricht vertikal).
    Die Spulen 4 nach FIG 3, die parallel zu oder in der X-Z-Ebene liegen, sind die A-Spulen (A-MES-Wicklung) deren magnetische Wirkungsrichtung in Y-Richtung liegt (A entspricht athwort-ship).
  • Da, wie erwähnt, jede Spule 2 bzw.3 bzw.4 aus drei Teilspulen mit den Zusatzbereichnunen P,I,E besteht, weist eine MES-Anlage nachstehend bezeichnete Wicklungen (Teilspulen) auf:
    VI vertikalwirkende Induziertfeldwicklung
    VP vertikalwirkende Permanentfeldwicklung
    VE vertikalwirkende Wirbelstromfeldwicklung
    LI längsschiffwirkende Induziertfeldwicklung
    LP längsschiffwirkende Permanentfeldwicklung
    LE längsschiffwirkende Wirbelstromfeldwicklung
    AI querschiffwirkende Induziertfeldwicklung
    AP querschiffwirkende Permanentfeldwicklung
    AE querschiffwirkende Wirbelstromfeldwicklung
  • Die Spulenwicklungen werden mit Gleichströmen in unterschiedlichen Richtungen beschickt. Die positiven Stromrichtungen resultieren dabei aus den positiven Richtungen des in FIG 1 dargestellten Koordinatensystems X-Y-Z.
  • Bei der Ersteinstellung und bei Einstellungskontrollen (magnetische Vermessung) werden die Ströme so eingestellt und die Wicklungen so geschaltet, daß das magnetische Eigenfeld des Schiffskörpers, das sogenannte Störfeld, möglichst optimal kompensiert wird. Im laufenden Betrieb (Fahrt) sorgt ein Regler bzw. eine Steuerung dafür, daß die eingestellte Kompensation erhalten bleibt.
  • In FIG 10 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Blockdiagramm schematisch dargestellt. In diesem Blockdiagramm entspricht 5 dem aus den Spulen 2-4 bestehenden Spulensystem und 6 stellt das mit Meßwertgebern ausgerüstete Fahrzeug (Schiff 1) dar. Mit 7 ist ein die aktuellen Meßwerte enthaltender Meßwertspeicher und mit 8 eine Datenbank bezeichnet, in der allgemein und langfristig geltende Daten gespeichert sind. In einem Datenprozessor 9 werden die von dem Meßwertspeicher 7 und der Datenbank 8 gelieferten Daten zu Steuerwerten für das Spulensystem 5 verarbeitet. Der Meßwertspeicher 7 erhält die aktuellen Meßwerte von den Meßwertgebern des Fahrzeuges 6 zugeführt, wobei diese Meßwertgeber keine äußeren Magnetfeldsonden sind, sondern lediglich Geber für die Erfassung von Bewegungen und des Standortes des Fahrzeuges.
  • Bei der erfindungsgemäß prozeßgesteuerten MES-Anlage ist das Hardware-Kernstück eine intelligente Steueranlage, deren Datenprozessor 9 mit Hilfe eines integrierten Kontroll- und Regelverfahrens und einer Datenbank 8 von fest vorgegebenen Parametern und gemessenen Einflußgrößen (Meßwertspeicher 7) die Stromeinspeisung in das Spulensystem 5 des Fahrzeuges 6 aufgrund einer vorgegebenen Ablaufsteuerung (Steueralgorithmen) so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist. Das Kontroll- und Regelverfahren soll dabei auf Fahrzeugen mit amagnetischer Außenhaut, auf Fahrzeugen mit amagnetischer, aber elektrisch leitender Außenhaut und auf Fahrzeugen mit ferromagnetischer Außenhaut seine Anwendung finden.
  • Alle Daten, die die prozeßgesteuerte MES-Anlage für die Steuerung zum Erreichen einer optimalen Kompensation benötigt, sind in der Datenbank 8 abgespeichert bzw. werden durch Geber, die keine Magnetfeldsonden sind, im Innern des Fahrzeuges 6 ermittelt. Die Daten in der Datenbank 8 sind in für alle Fahrzeuge gültige Daten (allgemein gültige Daten) und in Daten, die fahrzeug-typisch sind und langfristig gelten, unterteilt. Für alle Fahrzeuge gültig sind die geopraphischen Daten. Die spezifischen Daten eines Fahrzeuges werden bei der Erstvermessung ermittelt. Sie ergeben die Abhängigkeit zwischen dem Spulensystem 5 des betreffenden Fahrzeuges 6 und den Einflüssen der Erdfeldkomponenten wieder.
  • Mit einem dauernd laufenden Meßprogramm werden vom Datenprozessor 9 die Geber der Einflußgrößen abgefragt und damit den Steuer-Algorithmen über den Meßwertspeicher 7 die aktuellen Daten zugeführt, die zur Ermittlung einer optimalen MES-Einstellung notwendig sind.
  • Die Daten, die die intelligente Steueranlage der prozeßgesteuerten MES-Anlage benötigt sind in drei Gruppen unterteilt. Gruppe 1 und 2 sind allgemein und langfristig gültige Daten und somit in der Datenbank 8 abgelegt. Die Gruppe 3 sind aktuelle Meßdaten und werden daher dem Meßwertspeicher 7 zugeführt.
  • Jede Gruppe enthält wiederum systematisch untergliederte Daten-Teilgruppen. Die Datengruppen lassen sich daher wie folgt darstellen:
    • 1. Gruppe: Geomagnetische Daten (in Datenbank 8)
      • 1.1 Standortbereich 1 des Fahrzeuges
        • 1.1.1 Horizontales Erdfeld
        • 1.1.2 Vertikales Erdfeld
        • 1.1.3 Inklinationswinkel
      • 1.2 Standortbereich 2 des Fahrzeuges
    • 2. Gruppe: Daten die bei der Erstvermessung ermittelt wurden (in Datenbank 8)
      • 2.1 Kompensation des Permanentfeldes
        • 2.1.1 Strom und Schaltung aller LP-Spulen
        • 2.1.2 Strom und Schaltung aller AP-Spulen
        • 2.1.3 Strom und Schaltung aller VP-Spulen
      • 2.2 Kompensation des vertikalen Induziertfeldes IV am Meßort
        • 2.2.1 Strom und Schaltung aller VI-Spulen
      • 2.3 Kompensation des horizontalen Induziertfeldes IH am Meßort auf Nordkurs (N)
        • 2.3.1 Strom und Schaltung aller LI-Spulen
        • 2.3.2 Strom und Schaltung aller AI-Spulen
      • 2.4 Kompensation des horizontalen Induziertfeldes IH am Meßort auf Ostkurs (O)
        • 2.4.1 Strom und Schaltung aller LI-Spulen
        • 2.4.2 Strom und Schaltung aller AI-Spulen
      • 2.5 Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Schlingern am Meßort auf Ostkurs
        • 2.5.1 Strom und Schaltung aller AE-Spulen
        • 2.5.2 Strom und Schaltung aller VE-Spulen
      • 2.6 Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Stampfen am Meßort auf Nordkurs
        • 2.6.1 Strom und Schaltung aller LE-Spulen
    • 3. Gruppe: Daten die an Bord des Fahrzeuges gemessen werden (in Meßwertspeicher 7)
      • 3.1 Kontrolldaten aus der Spulenanlage
        • 3.1.1 Spulenströme
        • 3.1.2 Spulenwärme
        • 3.1.3 Spulenwiderstandswerte
      • 3.2 Bewegungsdaten
        • 3.2.1 Geographischer Standort
        • 3.2.2 Kurs
        • 3.2.3 Schlingerbewegung
        • 3.2.4 Stampfbewegung
  • In der Prozeßsteuerung der intelligenten Regelanlage läuft ein ständiges Meßprogramm ab, welches die Kontrolldaten aus dem Spulensystem 5 und die Bewegungsdaten des Fahrzeugs 6 erfaßt und dem Meßwertspeicher 7 zugeführt. Die Bewegungsdaten haben gegenüber den Kontrolldaten im Auslösen einer Reaktion der Prozeßsteuerung eine vorrangige Priorität.
  • Innerhalb der Bewegungsdatenliste herrscht folgende Reihenfolge:
    • Kurs
    • Schlingern
    • Stampfen
    • geographischer Standort
  • In der Ablaufsteuerung des Datenprozessors 9 wird daher auf eine Kursänderung sofort reagiert, dann auf Schlingern und Stampfen und dann erst auf das Erreichen eines anderen geographischen Standortes.
  • Für die Ermittlung der Kompensationen der einzelnen magnetischen Wirkungen laufen quasi parallele Prozesse mit unterschiedlichen Regelalgorithmen ab, die in den FIG 11-14 dargestellt sind.
  • Die einzelnen Teilwicklungen und ihre Stromeinspeisungen werden danach gemäß folgenden Kriterien behandelt:
    • 1) Bei der Kompensation der Permanentanteile sind gemäß FIG 11 nur die Daten der Gruppe 2.1 der Erstvermessung maßgebend. Die eingestellte Kompensation gilt weltweit.
      Bei der Kompensation des P-Anteils bleibt für die Regelanlage des MES die Aufgabe, den eingestellten Spulenstrom und die elektrischen Werte des Spulensystems 5 zur P-Kompensation zu kontrollieren. Hierzu enthält der Datenprozessor 9 aus der Datenbank 8 und einem Überwachungssektor 7a des Meßwertspeichers 7 die entsprechenden Werte. Über seinen Steuerausgang 9a kann der Datenprozessor 9 das Spulensystem bei Abweichungen entsprechend nachsteuern.
    • 2) Die erdmagnetischen Einflüsse auf das Fahrzeug 6, das Induziertfeld, muß in seine Komponenten zerlegt werden. Da die vertikale und horizontale Komponente IV und IH des Induziertfeldes unterschiedliche Auswirkungen auf den magnetischen Zustand des Fahrzeuges 6 haben, ist ihre Kompensation völlig getrennt vorzunehmen. Das durch die vertikale Komponente des Erdfeldes im Fahrzeug erzeugte vertikale Induziertfeld IV ist zwar standortabhängig, aber nicht kursabhängig. Das durch die horizontale Komponente des Erdfeldes im Fahrzeug erzeugte horizontale Induziertfeld IH dagegen ist standort-und kursabhängig.
      • a) Bei der Kompensation des verikalen Induziertfeldes IV gemäß FIG 12 greift der Regelalgorithmus daher nur ein, wenn eine Veränderung im geographischen Standort gemessen worden ist. Der Datenprozessor 9 erhält die zur Berechnung eines Korrektursignals notwendigen Werte von der Datenbank 8 und einem die aktuellen Werte des Standortes bzw. der Standortänderung enthaltenden ersten Speichersektor 7b des Meßwertspeichers 7. Außerdem werden ihm von dem Überwachungssektor 7a die notwendigen Werte zugeführt. Durch das an seinem Ausgang 9b erscheinende Steuersignal werden die VI-Spulen entsprechend gesteuert.
      • b) Bei der Kompensation des horizontalen Induziertfeldes IH nach FIG 13 dagegen greift der Regelalgorithmus ein, wenn eine Kursänderung und/oder eine Veränderung im geographischen Standort gemessen worden ist. Der Datenprozessor 9 erhält hierzu neben den Werten aus der Datenbank 8 und dem Überwachungssektor 7a noch die aktuellen Werte aus dem ersten Speichersektor 7b und einem zweiten Speichersektor 7c, der die Meßwerte für den Kurs bzw. die Kursänderung enthält, zugeführt. An dem Ausgang 9c erscheinen die zur Steuerung notwendigen Steuersignale. Der Regelalgorithmus für die Horizontalkompensation soll auch das Gieren mit abfangen.
    • Zur Ermittlung der gegenmagnetischen Maßnahmen gemäß vorstehendem Regelalgorithmus benötigt daher die Prozeßsteuerung der MES-Anlage den Standort und den Kurs des Fahrzeuges. Diese Information erhält die Prozeßsteuerung durch Kopplungen an die den Standort bestimmenden Geräte und den Kreiselkompaß oder im Notfall durch eine manuelle Eingabe. Der Inklinationswinkel und die Horizontalintensität des Erdfeldes und damit auch die Vertikalintensität ändern sich auf der Erde von Ort zu Ort. Im Rahmen der zugelassenen Abweichung von der Idealkompensation durch das Kompensationssystem ist es möglich, die Navigationskarte in Standortbereiche einzuteilen, wobei Isoklinen und Isodynamen bei der Flächeneinteilung zu berücksichtigen sind.
      Für diesen Standortbereich ist ein gültiger Horizontalwert und Verikalwert und der Inklinationswinkel festgelegt. Gleichzeitig sollten auch die geographischen magnetischen Anomalien berücksichtigt werden. Die Standortflächenkarte ist als Datei in der Datenbank 8 des MES-Prozessors abgelegt. Die Standortflächen brauchen nicht gleich groß zu sein, aber rechtwinklig unter Berücksichtigung der Längen- und Breitengrade der Navigationskarte eines bestimmten Maßstabes, um die rechnerische Standortflächenbestimmung zu beschleunigen.
      Jede Standortfläche mit ihren Eckdaten stellt ein "File" dar. In dieses File werden die Horizontalkomponenten und Vertikalkomponenten des Erdfeldes eingetragen; außerdem die Ströme zur Einspeisung in die Vertikalkompensationsspulen, da die Vertikalkompensation nicht kursabhängig ist.
      Für die Horizontalkompensation wird der Strom für eine Nordkurskompensation und eine Ostkurskompensation eingetragen. Aus diesen Werten kann der Strom für die Horizontalkompensation auf jedem Kurswinkel rechnerisch bestimmt werden.
    • 3) Die bisher angeführten Kompensationsmaßnahmen gegen das Induziertfeld gelten für ein Fahrzeug, welches sich auf einer Ebene bewegt.
      Bewegt sich das Fahzeug nicht auf ebenem Kiel, sondern macht das Fahrzeug Bewegungen, die bei einem Schiff mit Schlingern, Stampfen und Gieren bezeichnet werden, so muß die MES-Anlage auf diese Bewegung reagieren.
  • Es sind zwei getrennt zu behandelnde Reaktionen auf die Bewegung zu berücksichtigen. Dazu ist es erforderlich, die Fahrzeugbewegungen aufzunehmen. Die Bewegungen des Schlingerns oder Stampfens können entweder durch Rollkugelgeber oder Kreiselgeber aufgenommen werden. Das Gieren wird durch einen Kreiselgeber erfaßt und wie eine Kursänderung behandelt.
  • Durch die dauernd sich verändernde Lage des Fahrzeuges im Erdfeld ändert sich auch ständig das Induziertfeld. Das macht auch eine Änderung der gegenmagnetischen Maßnahmen erforderlich. Die Reaktionen des Fahrzeuges sind durch elektrisch simulierte Bewegungen bei der Erstvermessung unter den magnetischen Verhältnissen des Meßortes festgestellt worden. Mit Hilfe der ermittelten Reaktionsparameter und der Erdfeldkomponenten des Standortes wird die bewegungsrichtige magnetische Reaktion des Induziertfeldes-MES zu einem linearen Steuerungsproblem.
  • Die zweite Reaktion auf Bewegungen wie Schlingern, Stampfen und Gieren ist die Erzeugung von Wirbelfeldern bei Fahrzeugen mit großflächigen Einbauten aus leitendem Material oder Fahrzeugen, die ganz oder teileweise aus leitendem Material gefertigt sind. In den leitenden Materialien entstehen durch die Bewegung im Erdfeld Induktionsströme, sogenannte Wirbelströme, die ihrerseits Magnetfelder erzeugen. Die Wirbelfelder treten nahezu 90° phasenverschoben auf und sind abhängig von der Schlinger- und Stampffrequenz.
  • Von den Magnetfeldkomponenten befinden sich die Teilkomponenten P = Permanentanteil, IV = das durch die vertikale Erdfeldkomponente erzeugte vertikale Induziertfeld, IHN = der durch die horizontale Erdfeldkomponente auf Nordkurs erzeugte horizontale Induziertfeldanteil und IHO = der durch die horizontale Erdfeldkomponente auf Ostkurs erzeugte horizontale Induziertfeldanteil in der Datenbank 8.
  • Für die Berechnung eines Störfeldes eines ferromagnetischen Objektes auf jedem beliebigen Kurs und an jedem beliebigen Punkt der Erde sind außer den Teilkomponenten P, IV, IHN und IHO noch folgende Angaben notwendig:
    • der Kurswinkel FI
    • der vertikale Erdfeldanteil am Meßort EVM
    • der vertikale Erdfeldanteil am "Rechnerort" EVR
    • der horizontale Erdfeldanteil am Meßort EHM
    • der horizontale Erdfeldanteil am "Rechnerort" EHR
  • Hierbei wird unter "Meßort" der Ort der Vermessung des Fahrzeuges und unter "Rechnerort" der aktuelle Standort des Fahrzeuges verstanden.
  • Die Erdfeldkomponenten sind in einer einheitlichen Maßeinheit anzugeben. Welche Einheit bei der Angabe der Erdfeldkomponenten benutzt wird ist ohne Bedeutung. Aus den Angaben wird ein Vertikalfaktor VF und ein Horizontalfaktor HF bestimmt und dieser wird dimensionslos. Es gilt: VF = EVR/EVM und
    HF = EHR/EHM
  • Die Wirbelfelder benötigen ein eigenes Kompensationsprogramm, deren Reaktionsparameter wiederum bei der Erstvermessung mit elektrisch simulierter Bewegung ermittelt worden sind. Zur Vereinfachung sollte die Wirbelfeldkompensation mit einem zweiten Prozessor im Master-Slave-Betrieb betrieben werden.
  • Bei der Kompensation der Wirbelstromfelder gemäß FIG 14 greift der Regelalgorithmus ein, wenn der Bewegungsgeber eine Bewegung des Fahrzeuges um seine Längs- und Querachse anzeigt. Der Datenprozessor 9 erhält außer den erforderlichen Werten aus der Datenbank 8, den aktuellen Werten aus dem ersten und zweiten Speichersektor 7b und 7c noch die aktuellen Werte der Stampf- und Schlingerbewegungen, die in einem dritten und vierten Speichersektor 7d und 7e enthalten sind, zugeführt. Über seinen Ausgang 9d liefert der Datenprozessor 9 die notwendigen Steuersignale für die Kompensation, des durch die entsprechenden Fahrzeugbewegungen hervorgerufenen Steuerfeldes.
  • Die Wirksamkeit des Regelalgorithmuses durch den die Schlingerbewegungen nach den FIG 7-9 in die prozeßgesteuerte MES-Anlage mit einbezogen sind, ist abhängig von der Qualität der bei der Erstvermessung insoweit ermittelten Einstelldaten (Datenuntergruppen 2.5 und 2.6).
  • In welcher Weise die Regelalgorithmen aus einem Verfahren zur Berechnung des Störfeldes eines ferromagnetischen Objektes auf jeden beliebigen Kurs an jedem Punkt der Erde abgeleitet werden, soll nachstehendes Beispiel zeigen:
  • Bei der magnetischen Vermessung von ferromagnetischen Objekten werden die Komponenten des Eigen-Magnetfeldes in Koordinatenrichtungen X,Y und Z gemessen und abgespeichert. Das Koordinatensystem ist zur leichteren Handhabung objektfest. In diesem objektfesten Koordinatensystem zeigt auf Nordkurs die Komponente in X-Richtung zum Bug des Objektes und damit zur Oberkante der Matrix, die Komponente in Y-Richtung zur rechten Seite von Objekt und Matrix und die Komponente in Z-Richtung nach unten. Bei der Datenablage im Rechner in Form von Matrizen der anderen Hauptkurse ist unabhängig von der Art der Meßwertaufnahme dafür zu sorgen, daß durch Klappen oder Stürzen oder durch Umkehr der Vorzeichen der Meßwertmatrix der Bug des Objektes, und damit die Komponente in X-Richtung zur Oberkante der Matrix, die Komponente in Y-Richtung zur rechten Seite und die Komponente in Z-Richtung nach unten zeigt.
  • Der erste Teilschritt zur Lösung der weltweiten gültigen Störfeldberechnung eines Objektes ist die Berechnung des Störfeldes auf jedem Kurs am Meßort.
  • Der Permanentanteil P, das vertikale Induziertfeld IV und die horizontalen Induziertfeldanteile auf Nord- bzw. Ostkurs IHN und IHO sind Parameter der Rechnung. Dabei verhält sich in der Rechnung der horizontale Induziertfeldanteil IHN auf Nordkurs wie der cos der Kurswinkel FI, der horizontale Induziertfeldanteil IHO auf Ostkurs wie der sin des Kurswinkels FI.
  • Das Störfeld HSF für die Komponenten in den Koordinatenrichtungen X,Y und Z wird jeweils mit der für die Programmierung aufbereitete Formel
    HSF = P + IHN × COS FI + IHO × SIN FI + IV
    gerechnet.
  • Bei der Berechnung eines Störfeldes eines Objektes am Meßort auf unterschiedlichen Kursen bleibt der Permanentanteil P und das durch die vertikale Erdfeldkomponente hervorgerufene vertikale Induziertfeldanteil IV immer gleich. Soll das Störfeld eines Objektes für einen Ort mit anderen erdmagnetischen Verhältnissen wie am Meßort berechnet werden, so sind der Horizontalfaktor HF und der Vertikalfaktor VF in die Rechenvorschrift einzufügen.
  • In eine für die Programmierung günstigen Form aufbereitet ergibt sich für das Störfeld HST eines Objektes mit anderen erdmagnetischen Verhältnissen als am Meßort folgende Rechenvorschrift:
    HST = P + (IHN × COS FI) × HF + (IHO × SIN FI) × HF + IV × VF
  • Wie schon angedeutet, werden die Teilkomponenten der Datenbank 8 entnommen.
  • Die Erdfeldwerte des horizontalen und vertikalen Erdfeldes für den Meßort können im Rechnerprogramm fest vereinbart werden. Die Erdfeldkomponenten der Orte, für die das Störfeld des Objektes berechnet werden soll, können bei häufiger Benutzung ebenfalls in der Datenbank 8 vorhanden sein. Eine Eingabe für nicht vorhandene Daten sollte vorgesehen werden.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage eines Fahrzeuges, die ein großräumiges, dreiachsiges Spulensystem bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in den drei orthogonalen Fahrzeugachsen zur Kompensation des vom Erdmagnetfeld am Fahrzeugort und der Fahrzeugbewegung im Erdmagnetfeld (Kurs, Schlingern, etc.) abhängigen magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß eine Prozeßsteuerung mit einem digitalen Datenprozessor (9) vorgesehen ist, dem eine Datenbank (8) zugeordnet ist, in der
    - fahrzeugspezifische Daten der Erstvermessung am Meßort
    - standortabhängige Daten über die erdmagnetischen Verhältnisse im Operationsgebiet des Fahrzeuges (geomagnetische Daten)
    abgelegt sind, dem an Bord des Fahrzeuges (Schiff 1) befindliche Meßgeber für Spulendaten, geographischer Standort, Kurs- und Fahrzeugeigenbewegungen zugeordnet sind, und
    der aufgrund einer vorgegebenen Ablaufsteuerung (Algotithmen) die Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Daten der Erstvermessung Daten zur Kompensation des Permanentfeldes (P), des vertikalen Induziertfeldes (IV) sowie des horizontalen Induziertfeldes (IHN und IHO) auf Nord- und Ostkurs sowie zur Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Schlingern auf Ost- und beim Stampfen auf Nordkurs, jeweils bezogen auf den Meßort, sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Daten, die an Bord des Fahrzeuges gewonnen werden, Kontrolldaten aus der Spulenanlage (Spulenstrom, -wärme, -widerstandswerte) und Bewegungsdaten (geographischer Standort, Kurs, Schlinger- und Stampfbewegungen) sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ablaufsteuerung eine Prioritätsschaltung aufweist, derart, daß im Auslösen einer Reaktion der Prozeßsteuerung die Bewegungsdaten gegenüber den Kontrolldaten Vorrang haben und innerhalb der Bewegungsdatenliste folgende Rangfolge besteht:
    - Kurs
    - Schlingern
    - Stampfen
    - geographischer Standort.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in der Prozeßsteuerung unterschiedliche Ablaufsteuerungen (Algorithmen) zur Ermittlung der Stellgrößen für die Amperewindungszahleneinstellung der Spulen zur Kompensation
    - des magnetischen Permanentfeldes (P),
    - des horizontalen magnetischen Induziertfeldes (IH),
    - des vertikalen magnetischen Induziertfeldes (IV) und
    - des magnetischen Wirbelstromfeldes
    vorgesehen sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Ablaufsteuerung so ausgebildet sind, daß
    - bei der Kompensation des Permanentfeldes (P) ein erster Algorithmus aufgrund der Daten der Erstvermessung die Stellgröße bildet,
    - bei der Kompensation des vertikalen Induziertfeldanteiles (IV) ein dritter Regelalgorithmus vorgesehen ist, der bei Messung einer Kursänderung und/oder einer Veränderung im geographischen Standort die Kompensation veranlaßt,
    - für die Kompensation der Wirbelstromfelder ein vierter Regelalgorithmus vorgesehen ist, der aufgrund von Signalen zugeordneter Bewegungsgeber für Bewegungen des Fahrzeuges um seine Achsen die Stellgröße für die Kompensation bildet.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Wirbelfeldkompensation ein zweiter Datenprozessor vorgesehen ist, der mit dem ersten Datenprozessor (9) im Master-Slave-Betrieb geschaltet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Regelalgorithmus für die Kompensation des horizontalen Induziertfeldes (IH) so ausgebildet ist, daß er auch die Kompensation der Fahrzeugbewegung "Gieren" mit umfaßt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die geomagnetischen Daten auf vorgegebene rechtwinklige Flächen der Erdoberfläche bezogen sind unter Berücksichtigung von geographischen magnetischen Anomalien.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Erfassung der Fahrzeugeigenbewegungen (Schlingern, Stampfen, Gieren) Rollkugel- oder Kreiselgeber vorgesehen sind.
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