NO144052B - Navigasjonssystem for et fartoey. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et navigasjonsystem for et far-tøy som, utnytter i det minste inngangssignaler fra en kretsende satellitt, en akustisk doppler og et gyrokompass til minst ett følersystem som har mottakere for intermitterende mottagelse av radiosignaler som utsendes fra satellitten,

for å generere et signal som indikerer fartøyets absolutte posisjon, og minst ett ytterligere følersystem som omfatter en radionavigasjonsanordning for generering av navigasjonsdata som reaksjon på radiosignaler som mottas fra faste senderstasjoner.

Det er meget viktig å skaffe nøyaktig posisjonsinformasjon.for fartøyer som utfører seismiske undersøkelser under havet. Et stort antall fremgangsmåter er blitt benyttet tidligere som forsøk på å skaffe den nødvendige høye nøyaktighet og pålitelighet som trengs ved navigasjon i forbindelse med slike seismiske undersøkelser, men disse fremgangsmåter har ikke vært generelt tilfredsstillende på grunn av slike faktorer som manglende nøyaktighet, avstandsbegrens-ninger eller upålitelighet som følge av værforhold og liknende .

For eksempel krever kystradionavigasjonssystemer nøyaktig beliggende kyststasjoner som er dyre å montere og vedlikeholde. Videre er slike kystradionavigasjonssystemer utsatt for alvorlige forplantningsuregelmessigheter og "lane"-tvetydighetsp.roblemer, ved siden av at de har en begrenset rekkevidde. Andre navigasjonssystemer har omfattet bruk av gyrokompass og vannhastighetsmålere som er utsatt for drift,

og akustiske dopplersystemer som ikke kan utnyttes tilfredsstillende på dypt vann. Satellittnavigasjonssystemer er blitt foreslått i den senere tid, men disse systemer skaffer vanligvis bare periodisk posisjonsinformasjon, og oppviser således tidsintervaller uten tilgjengelig ajourført navigasjonsinformasjon.

Fra artikkelen "The Potential Use of Satellites in Hyperbolic Position Finding" av Casserly og Filkins, Navigation, Vol. 13, No. 4, Winter.1966-67, s. 353-366, er

det kjent å utføre posisjonsbestemmelse ved benyttelse av satellitter i flere forskjellige modi, nærmere bestemt 1) to geostasjonære satellitter og en sentersatel-litt i en synkronisert, hellende bane,

2) tre geostasjonære satellitter, og

3) en "krysning" av en satellittstasjon og en bakkestasjon.

Den kjente teknikk ifølge denne artikkel foreskri-ver bare oppløsning av data fra satellitten enten dataene mottas av en annen satellitt eller en bakkestasjon. Det finnes ingen antydning om å kombinere data fra satellitten med bakkedata, så som de data som oppnås fra et Loran-system. Det er heller ikke angitt noe om inngangssignaler fra et akustisk dopplersystem. Artikkelen gir således informasjon bare om bestemmelse av posisjon på den ene eller den andre måte. Den angir ikke noen kombinasjon av inngangssignaler fra en satellitt, en akustisk doppler og et gyrokompass,

slik som i det system som den foreliggende oppfinnelse angår. I dette system kunne systemet ifølge den nevnte artikkel benyttes som den ene inngang for å erstatte inngangssignalene fra den kretsende satellitt.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et navigasjonssystem hvor de inngående navigasjons- og føler-komponenter er kombinert på en slik måte at de gunstige egen-skaper hos hver komponent maksimeres og de ugunstige egenska-per hos hver komponent minimeres, og hvor det beregnes et

resulterende navigasjonsutgangssignal som gir ytterst nøyakti-ge og meget pålitelige posisjonsangivelser for et fartøy som utfører geofysiske undersøkelser i allslags vær og under hel-døgnsdrift.

For oppnåelse av ovennevnte formål er det tilveiebrakt et navigasjonssystem av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at det er anordnet en føler for generering av hastighets- og kurssignaler, for generering av et signal som indikerer fartøyets posisjon i forhold til en referansebeliggenhet, et sammenlik-nersystem for sammenlikning av signalene for absolutt posisjon med hastighets- og kurssignalene og som er innrettet til å bestemme varierende vekttallkoeffisienter for hvert signal i overensstemmelse med den avfølte relative nøyaktighet av det resulterende navigasjonssignal for å generere et feilsignal, og et feilkorreksjonssystem for korrigering av de resulterende navigasjonssignaler som reaksjon på det nevnte feilsignal.

I navigasjonssystemet ifølge oppfinnelsen blir således følernes utgangssignaler kombinert for å generere et resulterende utgangssignal med en mye bedre nøyaktighet og pålitelighet enn for hver av følerne. Det resulterende utgangssignal kan deretter benyttes for etterberegninger for ytterligere økning av navigasjonsnøyaktigheten. Følernes utgangssignaler veies ifølge vektfaktorer som varieres i overensstemmelse med f eilmålingætatistikk som bestemmes av systemet. Som følge av at navigasjonssystemet benytter flere føle-re, skaffes overensstemmende navigasjonsinformasjon i allslags vær og til ethvert tidspunkt ved å benytte følerutgangs-signaler som ikke påvirkes alvorlig av spesielt ugunstig vær eller andre fysiske omgivelsesforhold. Dessuten kan de data som skaffes av følerne, sammenlignes, og unøyaktigheter i et utgangssignal som følge av utrustningsfeil eller annen ytre påvirkning kan da bestemmes, og dette utgangssignal kan be-handles eller elimineres tilsvarende. Det foreliggende system arbeider i det vesentlige på sanntids-basis, og fører dermed til en mer nøyaktig bestemmelse av beliggenheten av seismiske undersøkelsesoperasjoner, idet en større, datamengde kan benyttes til å bestemme beliggenheten.

For en mer fullstendig forståelse av oppfinnelsen og for belysning av ytterligere formål og fordeler med denne, skal oppfinnelsen i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et blokkdiagram av en tre-følers utførelse av oppfinnelsen, fig. 2 viser en skjematisk fremstilling av geometrien av en del av systemet ifølge fig. 1, fig. 3 viser en kurve av den effektive feil (RMS-error) ved systemet uten optimal datakombinasjon, fig.

4 er et diagram som viser systemets bevegelsesgeometri, fig.

5 er en kurve som viser den effektive feil eller middelkvad-ratfeilen med optimal kombinasjon ifølge oppfinnelsen, fig. 6 viser en grafisk fremstilling av oppfinnelsens dataforbed-ringsfaktor ved økning av systemets ytelsesfaktor P, fig. 7 viser en grafisk fremstilling av dataforbedringsfaktoren ved benyttelse av etterberegning av stedsbestemmelser, og fig. 8 viser en grafisk fremstilling av den effektive feil ved etter-beregnede stedsbestemmelser ifølge oppfinnelsen; fig. 9 viser et funksjonsskjema over virkemåten av et fem-følersystem ifølge oppfinnelsen, fig. 10 viser et blokkdiagram av den foretrukne fem-følers utførelse av oppfinnelsen, fig. 11 viser en skjematisk fremstilling av virkemåten for doppler-radaren ifølge oppfinnelsen, fig. 12 er et diagram som viser dopplerradarens geometri, fig. 13 viser en skjematisk fremstilling av virkemåten for en såkalt EM-logg som benyttes i systemet ifølge oppfinnelsen, fig. 14 viser en skjematisk

fremstilling av anvendelsen av et antall satellittbestemmelser ifølge oppfinnelsen, fig. 15 viser en grafisk fremstilling av gjennomsnittstiden mellom stedsbestemmelser for tre satellitter i et satellittnavigasjonssytem, fig. 16 viser den nordlige stedsbestemmelsesbredde- og lengdefeil som skriver seg fra hver knops hastighet i et satellittnavigasjonssystem og fig.

17 viser den østlige stedsbestemmelsesfeil som skriver seg fra hver knops hastighet i et satellittnavigasjonssystem; fig. 18 og 19 viser blokkdiagrammer av direkte-minneadkomst-kanalens mellomkoplingskretsblokk på fig. 10, fig. 20 viser en skjematisk fremstilling av de to 16-bits dataord som benyttes i oppfinnelsen, fig. 21 viser et blokkdiagram av formingskretser som benyttes i den logiske blokk 76 som er vist på fig. 10, fig. 22 viser et blokkdiagram av formingskretser for omforming av utgangssignalene fra regnemaskinen 78 til inngangssignaler for den på fig. 10 viste regnemaskin 72, fig. 23 viser et blokkdiagram av ytterligere deler av formingskretsene ifølge fig. 22, fig. 24 er et prinsippskjerna som viser gangen i overføringen av data mellom de på fig. 10 viste regnemaskiner 72 og 78, fig. 25 viser et blokkdiagram av formingskretser mellom synkro-digitalomformeren 52 og regnemaskinen 78 på fig. 10, fig. 26 viser formingskretser

for overføring av på-kursdata mellom den akustiske doppler 54 og regnemaskinen 78 på fig. 10, fig. 27 viser formingskretser som er anordnet mellom den akustiske doppler 54 og regnemaskinen 78 for forming av utenfor-kurs data, og fig. 28 viser

formingskretser som er anordnet mellom EM-loggen 60 og regnemaskinen 78 på fig. 10; fig. 29 viser et blokkdiagram av tids- og lagr-ingskretser i den logiske blokk 56 på fig. 10, fig. 30 - 32 viser blokkdiagrammer av kretser i den logiske blokk 56 for mellomkopling mellom VLF-mottakerne og regne-, maskinen 78 på fig. 10, fig. 33 - 35 viser blokkdiagrammer av kretsene i prosessor-samleskinnestyreenheten i den logiske blokk 56 på fig. 10, og fig. 3 6 er et prinsippskjerna som viser utførelsen av oppfinnelsen i regnemaskinen 78 på fig. 10.

I det følgende skal først beskrives et system med tre følere. Fig. 1 viser et blokkdiagram av en utførelse av oppfinnelsen hvor det benyttes flere følere. En satellittmottaker 10 mottar radiosignaler fra en kretsende satellitt for med mellomrom å frembringe en absolutt posisjonsbestemmelse som mates til en sifferregnemaskin 12. I den følgende beskri-velse antas at satellittmottakeren 10 i gjennomsnitt tilveiebringer en absolutt posisjonsbestemmelse annenhver time. I virkeligheten vil gjennomsnittstiden mellom absolutte posisjonsbestemmelser variere fra ca. 2,65 timer ved ekvator til ca. 0,75 timer ved 70° bredde. Nøyaktigheten av de absolutte posisjonsbestemmelser fra satellittmottakeren 10 antas å være mellom 100 og 200 meter. For beregning av en absolutt posisjonsbestemmelse trengs fra 30 sekunder til 3 minutter, avhengig av regnemaskinens 12 hastighet.

Et akustisk dopplersystem 14 er festet til fartøyet og sender og mottar akustiske signaler for å frembringe angivelser av fartøyets relative hastighet i langskips- og tverretningene. Disse hastighetsindikasjoner mates til en sifferregnemaskin 16 som da genererer angivelser av fartøyets nord- og vesthastighet, og også en angivelse av fartøyets posisjonsforandring siden siste satellittposisjonsbestemmelse.

En gyrokompassenhet 18 medføres også av fartøyet for å skaffe kontinuerlige angivelser av fartøyets kurs. Disse indikasjoner mates også til regnemaskinen 16, og benyttes til å skaffe posisjonsendringsangivelsen fra regnemaskinen. Utgangssignalene fra den akustiske doppler 14 og fra gyrokompasset 18 benyttes også for å skaffe EOTVOS-korreksjo-

ner, slik som forklart nærmere siden.

Utgangssignalene fra satellittmottakeren 10, den akustiske doppler 14 og gyrokompasset 18 kombineres av regnemaskinene 12 og 16 på en optimal måte for å skaffe en ytterst nøyaktig absolutt posisjonsangivelse som er mye nøyaktigere enn de individuelle utgangssignaler fra hvilken som helst av de enkelte følere. For å illustrere den teoretiske virkemåte for et sådant multifølersystem, antas at fartøyet med navigasjonssystemet ifølge fig. 1 beveger seg i en kompassretning på 6 grader med en feil på eg. Det antas videre at den akustiske doppler angir en foroverdistanse h og en tverrdistanse b, begge med en feil på E^ prosent. Oppstillingen er vist på fig. 2.

Feilen i x- og y-retning er gitt ved

som kan kombineres til en feilradius som tilnærmet er gitt ved Nå angir ganske enkelt den avstand som fartøyet i virkeligheten har tilbakelagt (r). Da cos 6e?»l-9e2/2, kan den foregående likning omskrives på følgende måte: der 8e er uttrykt i radianer og E^ er en brøk- (4) Den foregående analyse gjelder for et fartøy som beveger seg i rett linje i en vilkårlig retning. Dersom far-tøyet beveger seg i en krum bane, er den inkrementale feil gitt ved

Når den totale bane deles inn i L segmenter, er den totale feilradius gitt ved Når L-+-°°, blir likning 6

der D er den totale avstand som fartøyet tilbakelegger.

Representative verdier for 8e og E, er ca. 0,1° henholdsvis 0,2 prosent, hvilket tilsvarer en total feil i kombinasjonen av akustisk doppler og gyrokompass på 0,265 prosent av den avstand som fartøyet tilbakelegger. Med en antatt fartøyhastighet på 5 knop og 2 timer mellom hver satel-littstedsbestemmelse, vil feilen bli ca. 50 meter, hvilket gir en middelkvadratfeil som vist på fig. 3.

For å anvende optimal datakombinasjon på mulitføler-systemet i fig. 1, antas at fartøyet befinner seg ved x-^,

som vist i fig. 4, ifølge en absolutt posisjonsbestemmelse fra satellittmottakeren 10. Tallmaterialet for posisjonsbestemmelse er kjent slik at en "feilsirkel" for x.^ kan bestemmes. Videre antas at posisjonen x2 og avstanden y2 mellom x2 og x^ er blitt bestemt av satellitten henholdsvis akustisk-doppler/gyrokompass-systernet. Statistikken for y2 er også kjent og feilsirkelen antas i dette eksempel å være E prosent av <y>2.

Det skal bemerkes at <x>2<+y>2 egentlig er et mål for x-^. Derfor er

der og a2 er optimale vektfaktorer. Da det kan antas at de to målinger av posisjonen x-^ har forskjellige varianser, men identiske middelverdier (x) , kan konstantene ct-^ og a2 velges slik at Dette medfører at og

For å velge og a2 optimalt, kan den forventede verdi av den midlere kvadratfeil (mean square error)

(variansen) minimeres, dvs.

Da stedsbestemmelsene x-, og x9 ble bestemt pa lignende måte, har de den samme varians (S 2). Variansen av y2 er der E er den prosentuelle avstandsfeil av y2, V er gjennom-snittshastigheten under bevegelsen fra x2 til x^, og T er gangtiden. som kan deriveres slik at man får Ved å sette den deriverte lik 0 og løse med hensyn på a^, fås og der

P kan betraktes som en systemytelsesfaktor, for dens verdi avhenger av forholdet (E/S) mellom nøyaktigheten av satellitt og akustisk doppler/gyrokompass, fartøyets gjennomsnittshas-tighet (V) og tiden mellom satellitt-stedsbestemmelser (T).

Så snart de optimale vektfaktorer a-^ og a2 er bestemt, kan den aktuelle varians for punktet x-^ bestemmes til å være Denne ligning viser det forventede resultat

En sammenligning av fig. 3 med fig. 5 viser reduk-sjonen av den effektive feil som oppnås ved den optimale datakombinasjon ifølge oppfinnelsen. Når det antas at fartøyet i eksemplet er utstyrt med et akustisk dopplersystem 14 med 0,2 % nøyaktighet og et gyrokompass 18 med en gjennomsnittlig feil på 0,1°, fås en E på 2,65 x 10 . Dersom satellittsy-stemet 10 har en effektiv feil på 0,05 nautiske mil (nm) eller 0,0925 km pr. stedsbestemmelse, blir E/S (eller føler-faktoren) 0,0925. Dersom fartøyets hastighet er 5 knop og tiden mellom satellitt-stedsbestemmelser er 2 timer, fås for denne konfigurasjon en P-verdi på 0,85. Som vist på fig. 5, representerer dette en forbedring av variansen på 0,45, eller en reduksjon av størrelsen av den sannsynlige feilsirkel (cep) fra 93 til 62,5 m. Dette er en reelltids- eller sanntids-forbedring. Denne optimale databehandling i sann tid resulterer i en forbedring på 30,5 m av den effektive feil for hver satellitt-stedsbestemmelse og reduserer den maksimale feil tilsvarende.

Optimal datakombinasjon ifølge oppfinnelsen forbed-rer alltid en posisjonsbestemmelse. Graden av forbedring er bare en funksjon av P, hvilket er vist på fig. 6 for verdier av P opptil 3,5 og for et antall satellitt-stedsbestemmelser opptil N=5. Ligningene lagres i regnemaskinene 12 og 16 for bestemmelse av de optimale vektkoeffisienter for hvilket som helst antall satellitt-stedsbestemmelser under alle arbeids-forhold .

Etterberegning av en stedsbestemmelse etter hvert som flere data blir tilgjengelige, er ytterst verdifullt da nøyaktigheten av sanntids-posisjonen kan forbedres opptil 80 %, avhengig av verdien av P. Denne forbedring er i til-legg til den som oppnås ved sanntids optimal databehandling. Kurver for denne dataforbedring for N=3, 5 og 7 satellitt-stedsbestemmelser er vist på fig. 7. Posisjonsetterberegning vil således forbedre den effektive feil i det foreliggende eksempel. Dersom syv satellitt-stedsbestemmelser benyttes i eksemplet, vil ifølge fig. 7 variansen forbedres med en fak-tor på 0,42, hvilket resulterer i en etterberegnet middelkvadratfeil på 4 0,5 m for hver satellitt. Dessuten kan relative posisjonsdata som oppsamles mellom stedsbestemmelsene, etter-beregnes på lignende måte, hvilket resulterer i forbedrede feilgrenser som vist på fig. 8.

Optimal databehandling ifølge oppfinnelsen har således redusert den maksimale feil i eksemplet fra 93 til 40,5 m. I det mer kompliserte system som skal beskrives senere, med flere følere og datainnganger, vil forbedringen være enda mer oppsiktsvekkende.

Det innses således at systemet ifølge fig. 1 skaffer generelt tilfredsstillende navigasjonsresultater for begren-sede formål. Dette system er imidlertid begrenset til dybder på under ca. 180 m på grunn av den manglende rekkevidde av det akustiske dopplersystem. Det er dessuten ønskelig å skaffe forbedring av faktoren E i de forannevnte formler. Fig. 9 viser et funksjonsskjema av den foretrukne utførelse av oppfinnelsen hvor det benyttes fem forskjellige følerinnganger.

En satellittmottaker 20 mottar med mellomrom radiosignaler fra en kretsende satellitt for å tilveiebringe absolutte angivelser av et fartøys beliggenhet uttrykt ved bredde og lengde. Satellittmottakerens 20 utgang påvirkes av et absolutt posisjonsprogram 22. Et akustisk dopplersystem 24 genererer indikasjoner på den langsgående og den tverrgående hastighet. En EM-logg eller alternativt en Pitotrør-hastig-hetsmåler 26, genererer et utgangssignal som viser hastigheten av vannet nær opptil fartøyet. Et gyrokompass-system 28 genererer indikasjoner på fartøyets kurs. Hver av utgangene fra den akustiske doppler, EM-loggen og gyrokompasset påvirkes ved 30 for å tilveiebringe indikasjoner av fartøyets hastighet, som benyttes av det absolutte posisjonsprogram 22.

Et antall VLF-mottakere 3 2 mottar radiobølger som overføres fra kjente fjerntliggende sendere, for å frembringe angivelser av fartøyets posisjon på velkjent måte....Utgangene fra mottakerne 32 påvirkes ved 34 for utsletting av døgnbun-det støy, og for veiing av utgangssignalene fra mottakerne. Utgangssignalene underkastes beregninger for å skaffe en angivelse av en fartøyposisjon slik den er bestemt av VLF-systemet.

Angivelser av satellittmottakerens 20 posisjon og nøyaktighet kombineres med hastighets- og kursangivelser fra den akustiske doppler 24, fra EM-loggen 26 og fra gyrokompasset 28. Dessuten kombineres angivelser av posisjonen og nøyaktigheten av VLF-mottakerens 32 bestemmelse med data fra , de andre følere for å tilveiebringe en sanntids-beregning av \ systemets posisjon og nøyaktighet. Ved hjelp av korrelasjon og andre sammenligningsmetoder blir støy- og forspenningsdata i det vesentlige eliminert ved 36. Det frembringes signaler for EOTVOS-korreksjoner, og posisjons- bg nøyaktighetssigna-ler tilveiebringes for å muliggjøre etterberegning av data i Som kjent forårsakes EOTVOS-effekten av endringen i sentri-fugalkraften ved jordoverflaten.på grunn-av at fartøyets hastighet adderes til eller subtraheres fra overflaterotasjons-hastigheten. EOTVOS-effekten er således proporsjonal med øst-komponenten av fartøyets hastighet og med cosinus til den geografiske bredde.

Fig. 10 viser et blokkskjema av den foretrukne ut-førelse av multifølersystemet ifølge oppfinnelsen. Et gyrokompass 50 genererer kurssignal-er som mates til en synkro-sifferomformer 52 og til en akustisk doppler 54. Utgangen fra omformeren 52 og fra den akustiske doppler 54 mates til en mellomkoplings-logikkblokk 56 for en prosessor- eller P-kanalinngang. En stangmåler 58 og en EM-logg 60 genererer signaler som angir vannhastigheten og som også mates til den logiske blokk 56. En systemkontrolltavle 62 tillater at ope-rasjonene kan utføres selektivt av systemoperatøren. To eller flere VLF-mottakere 64 mottar Omega- eller VLF-radiosignaler fra fjerntliggende, faste stasjoner. En signalutvelgnings-enhet 66 for Omega- eller VLF-radionavigasjon styrer mottakerens 64 funksjon. Mottakeren 64 genererer angivelser av fartøye/l^ beliggenhet som mates til en inngang i den logiske blokk 56% En frekvensnormal 68 skaffer en frekvens for sammenligning med de mottatte VLF-radiobølger for å muliggjøre utførelse av en posisjonsbestemmelse.

Et satellittmottakersystem 70 mottar radiosignaler fra en kretsende satellitt og genererer signaler som mates til en sifferregnemaskin 72. En fjernskriver 74 er forbundet med regnemaskinen 72. Utgangssignalet fra regnemaskinen 72 tilveiebringer indikasjoner på fartøyets absolutte beliggenhet og mates til en mellomkoplings-logikkblokk 76 for en direkteminneadkomstkanal (DMA). Den logiske blokk 76 over-fører også data til og fra sifferregnemaskinene 72 og 78. Signaler fra den logiske blokk 56 mates til regnemaskinen 78 som utfører den foran beskrevne, optimale kombinasjon og også minimerer virkningene av støy på systemet. Utgangen av regnemaskinen 78 er forsynt med en periferienhet 80 i form av en hullbåndstanser.

En båndleser 82 og en fjernskriver 84 hører også med til regnemaskinens 78 periferiutrustning. En posisjonsplot-ter eller -skriver 85 skriver ut navigasjonsinformasjon som tilveiebringes fra regnemaskinen 78 gjennom den logiske blokk 76. I fartøyets navigasjonshus finnes eri avdriftsplotter 86 for tilveiebringelse av en indikasjon på fartøyets av-drift, mens en avdriftsplotter 88 er anbrakt på fartøyets bro for et lignende formål.

En mellomkoplings-logikkblokk 90 for en prosessor-samleleder- eller P-kanalutgang mottar indikasjoner fra den logiske blokk 56 for drift av bredde-lengde-indikatorer 92 og 94 på broen henholdsvis i navigasjonshuset. Dessuten dri-ver den logiske blokks 90 utgang en instrumentrom-situasjons-indikator 96.

Hver av de fem følere som er benyttet i den foretrukne utførelse av oppfinnelsen ifølge fig. 10, består av vanlige enheter som fås i handelen.

Gyrokompasset 50 kan for eksempel bestå av gyrokompass-systemet Mark-14 som fabrikeres av det amerikanske firma Sperry-Rand Corporation. Dette gyrokompass-system kombinerer gyroskopets fundamentale prinsipper med naturfenomenene jord-rotasjon og tyngdekraft. Det resulterende instrument innret-ter seg selv med den geografiske meridian og skaffer en konstant sann-nord-angivelse uansett fartøyets rulling, stamping og giring.

Da gyrokompasset 50 er referert til jordrotasjonen i stedet for jordens magnetiske felt, er fartøyets bevegelse viktig. Dersom bevegelsesretningen er østlig eller vestlig, vil fartøyets bevegelse bare adderes til eller subtraheres fra jordens bevegelse, og innvirkningen på kompassangivelsen er uvesentlig. Om derimot fartøyet beveger seg i nordlig eller sydlig retning, frembringer skipets hastighet en resul-tant som ikke er parallell med jordrotasjonsplanet. Virkningen på kompassangivelsene er således proporsjonal med skipets hastighet og kurs. For alle nordlige eller sydlige kurser må en breddekorreksjon innføres i gyrokompasset. Dette innebærer at jo større den geografiske bredde er, jo mindre blir jordens bevegelse og jo større korreksjon er nødvendig. Korreksjonsbeløpet er derfor avhengig av skipets breddeposisjon. Denne korreksjon varierer omvendt proporsjonalt med cosinus til bredden og kan uttrykkes som:

der v = skipets hastighet.

Typiske gyrokompass, såsom det foran nevnte Mark-14, oppviser kortvarige dynamiske feil på mindre enn - 0,6° uavhengig av skipets rulling, stamping og giring. Selv om Mark-14 kan ha en gjennomsnittlig feil på 1°, er denne feil ikke av stor betydning, da den kan betraktes som en "variabel utrustningsfeil", som kan måles ved sammenligning av den aktuelle kurs med en nøyaktig referanse.

Synkro-digitalomformeren 52 kan bestå av omformeren A602-13T som fabrikeres av det amerikanske firma Astro Systems, Inc.

Den akustiske doppler 54 kan bestå av doppler-systemet MRQ2015 som fabrikeres av det amerikanske firma Marquardt Corporation. Virkemåten for slike dopplersystemer er beskrevet i detalj i litteraturen og i et antall utstedte patenter.

Dopplerteknikken ved hastighetsmåling er som kjent basert pa det prinsipp at et signal som sendes fra et beve-gelig objekt og reflekteres fra en stillestående flate, vil. oppvise en tydelig frekvensendring. Dersom signalet sendes

i objektets bevegelsesretning, vil det reflekterte signal vise en økning i frekvensen. Omvendt, dersom signalet sendes i motsatt retning av objektets bevegelse, vil det reflekterte signal vise én minskning i frekvens. Denne frekvensendring

er direkte proporsjonal med det bevegelige objekts hastighet i forhold til den reflekterende flate. Slike dopplersystemer tilbyr et middel for beregning av tilbakelagt avstand og hastighet med en høy grad av nøyaktighet.

Fig. 11 og 12 viser den grunnleggende virkemåte for et slikt dopplersystem. Systemet omfatter en første svinger 100 som retter et første par av akustiske signaler 102 og 104 på skrå mot havbunnen i fartøyets 106 styrbord- og babord-retninger. Dessuten sendes et signal 108 akterover og et signal 110 forover i forhold til fartøyet 106. En svinger

112 mottar de reflekterte signaler for å utføre målinger av de akustiske signalers frekvensendringer. Ved å ta gjennom-snittet av frekvensdifferansene mellom forover- og akterover-og babord- og styrbordretningene, kan det kompenseres for fartøyets 106 bevegelse og sanne hastigheter kan bestemmes. Utjevningen av retningskomponentene er vist på fig. 12, der bestemmelsen av komponentene av skipets bevegelse viser den sanne gangretning for fartøyet.

Dopplersystemer, såsom det forannevnte Marquardt-system, har vanligvis maksimale operasjonsdybder på ca. 180 m, og avstands- og hastighetsbestemmelser som oppnås med dette system, er i virkeligheten til en første orden uavhen-gige av fartøyets rullings- og stampingsbevegelser.

Stangmåleren 58 og EM-loggen 6 0 kan bestå av det EM-loggsystem som har identifiseringsdelnumrene UL100-3, UL200-72F, UL300 og UL400-3, og som fabrikeres av det amerikanske firma Chesapeake Instrument Corporation. Dette system skaffer nøyaktige angivelser av vannhastigheten. Loggen fungerer etter det elektromagnetiske prinsipp, hvor en lineær spenning som er proporsjonal med vannhastigheten, genereres i en undervanns-følerenhet. Loggens elektromagnetiske funksjonsprinsipp er en form a<y> Faraday's lov som har formen: der

Denne lov angir at når en leder krysser et magnetisk felt, frembringes det en elektromotorisk kraft som er proporsjonal med den hastighet med hvilken feltet krysses.

I EM-loggen utgjøres lederen av vann. Fig.13 viser den grunnleggende strømningsmåler ut fra hvilken EM-loggén ble kon-struert. Vann kommer inn i et rør 118 og skjærer gjennom det magnetiske felt som frembringes av en spole 120 som er inn-kapslet i loggens undervannsføler. Spolen 12 0 magnetiseres av et vekselstrømsignal. To signaloppfangere 122 og 124 inngår i undervannsføleren, over hvilken det genereres en elektromotorisk kraft når det magnetiske felt krysses av det pas-serende vann. Denne elektromotoriske kraft avføles av passende detekteringskretser for å frembringe en angivelse av vannets hastighet.

EM-loggen 6 0 har-en hastighetsnøyaktighet på ca.

0,1 % opptil 10 knop og på ca. - 1 % ved hastigheter over 10 knop. Vannstrømmer som skyldes vind og vannturbulens langs skipsskroget forårsaker feil ved beregninger av hastigheten i forhold til bakken.

VLF-radionavigasjonssystemet som benyttes i den foretrukne utførelse av oppfinnelsen, er det Omega-nåvigasjons-mottakersystem som fabrikeres av det amerikanske firma Tracor Incorporated. Fortrinnsvis benyttes tre VLF-mottakere av typen 599H som fabrikeres av det nevnte firma, sammen med en 533S Omega signalutvelgelsesenhet. Det benyttes også en 304B frekvensnormal og en reservestrømkilde 312C fra det samme firma.

Virkemåten for Omega-navigasjonssystemet er velkjent og skal ikke beskrives i detalj. Systemet er basert på måling av løpetidsdifferanse og er et jord-referert, hyper-bolsk navigasjonssystem som arbeider i det internasjonalt til-delte navigasjonsbånd mellom 10 og 14 kHz. Det nåværende Omega-navigasjonssystem består av fire senderstasjoner beliggende i Trinidad, Hawaii, New York og Norge.

I det gjeldende Omega-system utsendes pulsede 10,2 kHz og 13,6 kHz kontinuerlige bølgesignaler etter hverandre fra hver senderstasjon. Et signal på 11,33 kHz vil også bli utsendt i fremtidige utførelser av systemet. Alle sender-stas joner er synkroniserte og hver stasjon utsender en 10,2 kHz og en ,13,6 kHz puls etter hverandre og med nøyaktig tids-beliggenhet. Pulslengden pluss dens posisjon i den 10 sekunder varende sendeperiode identifiserer senderen. I det nåværende system med fire stasjoner sender hver stasjon i to av åtte tilgjengelige sendetidsrom.

Den romvariable størrelse som måles med Omega-systemet, er VLF-signalets fase. Den nøyaktighet med hvilken man kan forutsi avlesninger av middeltids-differanser ved en hvilken som helst beliggenhet, er øyensynlig avhengig av den nøyaktighet med hvilken middel-forplantningstiden mellom to punkter kan forutsies. Fasehastigheten i Omega-systernet varierer ikke bare med forandringer av ionosfære-høyden, men også med andre parametre, såsom jordens ledningsevne, sol-vinkelen og jordmagnetismens baneorientering.

Omega-systemet ødelegges noe av støy som er en funksjon av avstanden. Hastighetsforandringen av VLF-signalene i Omega-systemet mellom dag og natt betegnes som døgn-forandring eller døgnvariasjon. Denne forandring skyldes hovedsakelig ionosfæren og dennes innvirkning på forplantningstiden når den stiger eller synker. Denne forandring kan forutsies i en viss grad, og tillater således kompensa-sjon i regnemaskinen 78 ved hjelp av et lagret program.

Det lagrede program løser følgende ligning for beregning av VLF-signalet ved et gitt punkt:

der

^pred = ^ere9net VLF-fase

0Q = start-konstant (ukjent)

a = avdriftsverdi (ukjent)

t = beregningstidspunkt

t = begynnelsestidspunkt

J* Q = nominell invers bølgelengde

(0^,<A>^) = bredde, lengde for sender nr. i (Øo,XQ) = bredde, lengde for mottaker

F = døgnfunksjon, der

F = -1 - cos x < - 0,15

C3~C4 cos x - 0,15 < cos x< -0,04

C, (1-cos x) -0,04 < cos x - 1

x = sol-senitvinkelen i punktet (0,A) ved tiden t K2, K'<2>,<K5>,<K>'5, K3, K'3, Kg, K'6 er ukjente parametre

0 = magnetisk bredde ved (0,X)

Xm = forplantningsbanens magnetiske kurs ved (0,X) Integralet utvikles langs en storsirkel (stor ellipsebue) fra sender til mottaker. Den angitte ligning (23) i hvilken døgnfunksjonen F inngår, er tatt fra et dokument utgitt av Naval Electronics Laboratory Center, nemlig teknisk dokument nr. 26, 29. mars 1968, av E.R. Swanson.

Andre VLF-navigasjonssystemer kan alternativt benyttes sammen med oppfinnelsen. Et eksempel på et slikt system er Lambda-Navigasjonssystemet som er et posisjons-bestemmelsessystem med liten tvetydighet og som inneholder lane-identifikasjon og faselåste oscillatorer på både skips-og landstasjoner. Dette system er fordelaktig idet det ikke krever ekstra landstasjoner, men det krever en ekstra radiofrekvens som benyttes bare i brøkdelen av et sekund

under lane-identifiseringen.

Andre konvensjonelle navigasjonssystemer som også kan benyttes, er Hi Fix Decca, Shoran, Hiran, Lorac A og B, DN Raydist, Autotape DM 40, Toran og Loran C.

Satellittmottakeren 70 utgjøres fortrinnsvis av satellittmottakersysternet MX7 02/HP som fabrikeres av det amerikanske firma Magnavox Company. Denne mottaker benytter den amerikanske marines (Navy) navigasjons-satellittsystem (NNSS), hvor en radiooverføring med konstant frekvens fra en jord-satellitt mottas av en bakkestasjon med en tydelig frekvensvariasjon. Denne frekvensvariasjon Af er et nøyaktig mål for endringshastigheten av den hellende avstand mellom senderen og mottakeren.

Således påvirkes Af av satellittens bevegelse i rom-met, bevegelsen av det mottagende punkt som et punkt på. den roterende jord, bevegelsen av mottakerstasjonen idet den beveger seg på eller over jordoverflaten, og brytningseffek-ter på radiosignalenes bane fra satellitten til fartøyet.

Dopplerforskyvningen angis kvantitativt ved

der Af = dopplerforskyvningen

p = endringshastigheten av avstanden mellom kilde

og observatør

c = lysets hastighet

f = overført frekvens.

Måling av dopplerforskyvningen svarer derfor til måling av avstandsverdien.

Frekvensendringens beløp er proporsjonalt med nærmings- eller fjerningshastigheten, og det eksakte beløp er avhengig av beliggenheten av mottakerstasjonen i forhold til satellitten. Ved hjelp av en nøyaktig måling av doppler-frekvensendringen og med nøyaktig kjennskap til satellittens bane, er det mulig å beregne stasjonens posisjon på jordoverflaten.

Nøyaktigheter bedre enn ca. 185 m kan oppnås ved benyttelse av denne doppler-fremgangsmåte med mottakeren 70, da de målte størrelser (frekvens og tid) kan måles med en nøyaktighet på en milliarddel, og da blant alle de mulige satellittbaner der det bare er én som resulterer i en spesiell doppler-f orskyvningskurve •.

To grunnleggende problemer er til stede ved dette tilsynelatende enkle navigasjonssystem, nemlig problemet med ionosfærebrytning av radiobølgene og avvikelser av satellitt-banene, hovedsakelig forårsaket av at jorden er flattrykt ved polene pg tyngdekraftsvariasjoner.

For å løse problemet med ionosfærebrytning, sender satellittene på to eller flere frekvenser. Ved å sende på en andre frekvens som styres av samme oscillator for å sikre at signalene er kohærente, er det således mulig å gjøre en korreksjon for brytning og redusere brytningsfeilen til et meget lavt nivå.

Det andre problem, nemlig den umulighet å forutsi en satellitts posisjon med en nøyaktighet på mindre enn 1,8 km mer enn tre eller fire dager i forveien, gjør det nødven-dig å publisere satellittbanedata i almanakkform. NNSS-beregningssentrene beregner fremtidige baneparametre og sender informasjonen til satellittene. Satellittene som er utstyrt med et magnetisk minne, sender deretter de tre korrigerte koordinater for satellitten hvert annet minutt i 12 - 14 timers perioder.

Det nåværende NNSS består av fem utrustningsgrupper, omfattende tre satellitter, et nettverk av samløpende eller mottagende stasjoner, en regnesentral, en injeksjonsstasjon og navigasjons-mottagningsutrustning. Alle bakkestasjoner er forbundet ved hjelp av et høyhastighets datatransmisjons-system. Tidsreferansen for hele systemet fås fra mottakere og normaler beliggende i den amerikanske marinens observatorium.

Planer fra den amerikanske marine krever et system med fire satellitter i polare sirkelbaner i en høyde på ca. 1100 km. Hver satellitt veier ca. 45 kg og inneholder to harmonisk forbundne sendere som benyttes for sending av baneparametre og tidsstyresignaler, et digitalminne, en klokke som regner periodene i den stabiliserte oscillator, en mottaker for injeksjonssignaler, og en fasemodulator for modu-lasjon av doppler-senderne.

Dessuten benyttes fjernmålerutstyr for å skaffe informasjon angående satellittenes funksjon. Satellittene sender med ca. l,..watt, nok effekt til å skaffe en margin på 15 db ved bakkestasjoner som bruker rundtstrålende antenner.

NNSS-systemet inneholder fire samløpende bakkestasjoner som hver måler doppler-frekvens på begge satellitt-overføringer og korrigerer automatisk for ionosfærebrytning. Minst én av de samløpende stasjoner må overvåke tidspuIsene fra satellitten for sammenligning med normal-tidsavsnitt slik disse er bestemt av den amerikanske marines observatorium. Dopplerdataene som er korrigert for brytninger og små tids-signalfeil, overføres ved hjelp av fjernskriver til regnesentralen.

Ved regnesentralen blir data fra følgérstasjonene benyttet til å bestemme satellittbanen, hvoretter de fremtidige satellittposisjoner beregnes på forhånd for det nød-vendige tidsrom. Dessuten foretas tidsfeilanalyse og bestemmelse av korreksjoner for både klokkehastigheten og klokke-innstillingen. Alle beregninger som trengs for å ajourføre banen, utføres i løpet av noen få timer. En regnemaskin med kapasiteten for IBM 7090 benyttes for beregning av banene for de fire satellitter.

Korrigerte data for overføring til satellitten sendes over telex fra regnesentralen til injeksjonsstasjonen. Når satellitten er innenfor rekkevidde for injeksjonsstasjonen, slettes satellittminnet, ny informasjon innføres i minnet og klokken tilbakestilles og reguleres. Umiddelbart deretter gjentar satellitten alle data til injeksjonsstasjonen for sammenligning med den opprinnelige overføring og for korrigering av mulige feil. Når riktig lagring i satellittminnet er verifisert, sperres magnetminnet for ytterligere mottakelse av informasjon i ca. tolv timer, ved hvilket tidspunkt satellitten igjen er innenfor injeksjonsstasjonens rekkevidde. I systemet benyttes to injeksjonsstasjoner, idet den andre stasjon hovedsakelig kreves for systempålitelighet.

I det nåværende NNSS-system bestemmes integralet av doppler-endringen eller forskyvningen over flere nøyaktig

målte to-minutts-intervaller. Under henvisning til fig. 14

går en satellitt ca. 850 km i løpet av en to-minutters periode fra punkt 1 til punkt 2. Satellitten sender et siffer-kodeord hvert annet minutt, og disse signaler kan benyttes som en meget nøyaktig tidsreferanse.

I løpet av en satellittpassering er det mulig å oppnå så mange som åtte eller ni to-minutters intervaller (1-2, 2-3, 3-4, osv.), selv om ikke alle passeringer vil gi så mange intervaller. Bare tre intervaller er nødvendig for en posisjonsbestemmelse. Fig. 15 viser gjennomsnittstiden mellom stedsbestemmelser for tre satellitter, basert på data inneholdt i "Transit Navigation Satellite System for Offshore Operation" av Thomas A. Stansell, OECON 1968, New Orleans, 14-16 februar 1968.

Navigasjonsfeilen som fremkommer i satellittnavi-gasjonssystemet med ionosfærebrytning, kan anskueliggjøres ved å bemerke at den maksimale helling av dopplerkurven er et løselig mål på hellende avstand, og at brytning har en direkte innvirkning på hellingen. Brytning minsker hellingen, og plasserer således den navigatørberegnede posisjon lenger bort fra subsatellittpunktet enn hva som ville være riktig uten ionosfære. Ved å måle dopplerforskyvningen samtidig på to forskjellige frekvenser, kan imidlertid brytningsfeilen i det foreliggende system reduseres betydelig under 1 km.

En del feil innføres i NNSS-utgangsverdien på grunn av hastighetsfeil. Disse hastighetsfeil frembringer imidlertid endringer av dopplerkurven som er delvis rettvinklede i forhold til den navigatørberegnede posisjon. Således kommer ikke hele virkningen av disse hastighetsfeil til syne i navigasjonsfeilen. Fig. 16 viser den nordlige stedsbestem-melses bredde- og lengdefeil som skriver seg fra hver knop hastighet, mens fig. 17 viser den østlige stedebestemmelses-feil som skriver seg fra hver knops hastighet.

Satellittnavigasjonssystemer av andre typer enn NNSS-systemet kan benyttes etter hvert som de blir tilgjengelige, så som det interferometriske satellittsystem som er foreslått av Westinghouse Corporation. Alternativt kan et system kalt Autoscan Ranging Satellite Computer System som er foreslått av General Electric Corporation, benyttes når

systemet er helt fullført.

Selv om regnemaskinene 72 og 78 kan bestå av hvilke som helst to passende, konvensjonelle sifferregnemaskiner, eller alternativt en eneste regnemaskin med høy kapasitet, utgjøres regnemaskinen 72 i den foretrukne utførelse av sifferregnemaskinen HP2115 som lages av Hewlett Packard Corporation. Programvaren for regnemaskinen HP2115 for satellittstedsbestemmelser består av MAPS-35568 eller liknende programvaresett som selges av Magnavox Corporation. Regnemaskinen 78 består fortrinnsvis av sifferregnemaskinen TI2540 som lages av Texas Instruments Incorporated.

Fig. 18 - 21 viser direkteminneadkomst- eller DMA-kanalens mellomkoplings-logikkblokk 7 6 som inneholder for-bindelseskretser mellom regnemaskinen 72 og regnemaskinen 78. De logiske kretser som er vist på fig. 18 - 21, er forsynt med symboler ifølge Militær Standard-806, utgitt av det amerikanske forsvarsdepartement og luftforsvar.

De logiske kretser som er vist på fig. 18, omfatter en ordteller, en avbryterkrets og en synkroniseringskrets som tillater datastrøm til og fra hver av regnemaskinene. Kretsene frembringer også styresignaler for å tilfredsstille kravene for kanalene i hver regnemaskin. Kretsen inneholder fire flip-flop-kretser 200, 202, 204 og 206. Hver flip-flops K-J-klemmer er forbundet med to OG-porter 208 hhv. 210. Et klokkesignal på 2 M.Hz mates over en leder 212 til inngangene av hver av flip-flopene 200 - 206.

Flip-flopens 204 utgang Q er forbundet med en ELLER-port 214 for å danne utgangen IT7N. Flip-flopens 204 Q-utgang er forbundet med ELLER-porten 216, og flip-flopens 202 utgang WC2T er også forbundet med ELLER-portens 216 inngang. Portens 216 utgang går til inngangen av OG-porten 210 som er forbundet med flip-flopen 206. Signaler HP014N og WC2F mates både til OG-porten 210 og til en NAND-port 218. Portens 218 utgang er forbundet med en ELLER-port 220 som

på sin side er forbundet med inngangen av en NAND-port 222. Videre er vist et antall styresignaler og regnemaskin-inngangs- og -utgangssignaler som mates til og fra forskjellige deler av kretsen, og som således ikke skal beskrives i detalj.

Når kretsen ifølge fig. 18 er i drift, virker flip-flopene 200 og 202 som en ordteller for å angi når en to-ords dataoverføring er fullført. To listeord trengs i kretsen for å innlede overføring i den ene eller den andre retning fra regnemaskinene. Utgangstilstandene til de to flip-floper 200 og 202 arbeider i overensstemmelse med en logisk sekvens for å skaffe en angivelse av fullførelsen av ordet.

Flip-flopen 204 har som oppgave å generere et avbrytelsessignal til regnemaskinen 78 når dette kreves. Flip-flopen 206 virker som en synkroniseringskrets for syn-kronisering av inngangskanalens kvitteringssignaler fra regnemaskinen 78.

Fig. 19 viser styrekretsene for overføring av data mellom regnemaskinene. Kretsen inneholder to flip-floper 226 og 228 sammen med tilhørende NAND-porter 230 og 232. Falsk-utgangen fra flip-flopen 226 og sann-utgangen fra flip-flopen 228 mates til en NAND-port 234, mens de motsatte utgangssignaler fra de to flip-floper mates til en NAND-port 236. Sann-utgangene fra flip-flopene 226 og 228 mates til en NAND-port 238, hvis utgangssignal mates til en ELLER-port 24 0. Signalet 07AKN mates til inngangen av en NAND-port 2 42 som mater et signal til inngangen av en ELLER-port 244. Et annet signal 17AKC mates til inngangen av porten 24 4 fra utgangen av en NAND-port 246. Et klokkesignal på 2 MHz mates over en leder 248 for styring av flip-flopene 226 og 228.

På fig. 19 er også vist diverse andre inngangs- og utgangssignaler til og fra deler av kretsen.

Så snart de riktige ordanmodninger er gjort til overføringsstyrekretsen ifølge fig. 19, endres flip-flopenes 226 og 228 tilstander fortløpende for å sørge for styring av overføringen mellom regnemaskinene. F.eks. angir ordet HPEC at utgangen av de to flip-floper begge er på logisk null. Når flip-flopenes 226 og 228 utganger er logisk 10, er ord-nummeret definert og flip-flopenes 226 og 228 neste tilstand er logisk 11 for å definere en anmodning. Regnemaskinen 78 erkjenner signaler som inntreffer før forandringen av flip-flopenes 226 og 228 tilstander til logisk 01, på hvilket

tidspunkt en flaggfunksjon inntreffer og flip-flopene 226

og 228 starter på en ny syklus.

Fig. 20 viser de to 16-bits dataord som benyttes for å iverksette overføring mellom de to regnemaskiner. Uavhengig av hvilken regnemaskin som innleder dataoverførin-gen, formes startinformasjonsoverføringen ved den innledende regnemaskin på samme måte. A- og C-feltene i dataordet består begge av 14 bits og definerer følgende informasjon i den regnemaskin som mottar de innledende data:

A-felt - minneadresse til/fra hvilken den ønskede overføring skal starte, C-felt - antall 16-bits dataord som skal overføres, F-felt - styreinformasjon fra den regnemaskin som innleder overføringsanmodningen, og L-felt - definisjon på den ønskede overføring på enten et inngangssignal (1) til, eller et utgangssignal (0) fra regnemaskinen 78.

Signalutvekslingen med regnemaskinen 78 skjer over regnemaskinens DMA-kanal 7. Signalutvekslingen med regnemaskinen 72 skjer over en standard-kanal som plugges inn i en tilhørende kanal i regnemaskinen. Fig. 21 viser de logiske kretser for utforming av utgangsdata fra regnemaskinen 72 (Hewlett-Packard 2115) til inngangsdata for regnemaskinen 78 (TI-2540). Kretsen omfatter 16 ELLER-porter 300 - 330 for invertering av regnemaskinens 72 utgangssignaler HP015C-HPØOOC til inngangssignaler 1700N-1715N til regnemaskinen 78. Porten 330 er forsynt med en signalutvelgelseskrets for å hindre at informasjon som benyttes under sekvenseringen, mates til regnemaskinen 78. Sekvenssignaler WCIT fra kretsen ifølge fig. 18 mates til en NAND-port 332, og en utgang fra en ELLER-port 366 går også til porten 332. Signalet HP014C tilføres til inngangen av porten 3 66. Fig. 22 viser de logiske kretser for overføring av utgangssignalene fra TI-regnemaskinen 78 til inngangssignaler for HP-regnemaskinen 72. Kretsen omfatter 16 NAND-porter av hvilke det er vist 14 porter 378 - 404 som former TI-regnemaskinens 78 utgangssignaler 0700N-0715N til HP-inngangssigna-

ler HPI15C-HPI00C.

Fig. 23 viser formingskretsene for de gjenværende to bits i det formede ord ifølge fig. 22, hvor signalutvelgelseskretser er inkludert for å lede styredata fra HP-regnemaskinen 72. En NAND-port 4 06 former TI-regnemaskinens utgangssignal 0700N til et inngangssignal HPI15C for HP-regnemaskinen 72. Styresignaler mates til inngangen av NAND-portene 4 08 og 410 som er forbundet med en ELLER-port 412. ELLER-porten 412 styrer en NAND-port 414 som er forbundet med en NAND-port 416. Porten 416 former signalet 0701N til et inngangssignal HPI14C for HP-regnémaskinen 72. Fig. 24 viser en passende arbeidsgang i et regne-maskinprogram for regnemaskinen 72 for utførelse av dataover-føring mellom regnemaskinene 72 og 78. En inngang til HP-regnemaskinen 72 er tilveiebrakt ved 4 20 og benyttes for inn-stilling av regnemaskinens kanal 12 ved 422. En angivelse av avbrytelsen av kanal 24 er tilveiebrakt ved 424, hvor et "flagg" er anbrakt. Dersom kanal 12 er avbrutt, innføres inngangssignalet i A eller B ved 426. A/B spares og lagres ved 428. En angivelse av fullførelsen av overføringen er tilveiebrakt ved 430. Dersom overføringen er fullført, fås data ved 432 og disse data innføres i et kanalregister 434. Kanalen innstilles ved 436, og en angivelse av avbrytelsen av kanal 12 er tilveiebrakt ved 438. Listeordene innføres ved 44 0.

Under en utlesning fra regnemaskinen 72 fås data fra minnet ved 440 og disse data innføres i et kanalregister ved 442. Styrelinjen på utgangen av kanalen innstilles ved 444, og en angivelse av avbrytelsen av kanal 12 er tilveiebrakt ved 4 46. En angivelse av den fullførte overføring er tilveiebrakt ved 448.

Regnemaskinen 7 2 underrettes således om mottakel-sen av en kanal 7 som avbrytes av regnemaskinen 78, og får opplysning om at dataordet 1 er innført i regnemaskinen 78 ved mottagelse .av et "flagg"- og/eller avbrytelsessignal for kanal 12. Ved mottakelse av avbrytelsen av kanal 12 innføres dataordet 2 i denne kanals utgangsdataregister. Fullførelsen av dataordets 2 overføring betyr at begge regnemaskiner 72 og 78 ønsker utførelse av en overføring. Regnemaskinen 78 kan således nå aktivere sin kanal 7 for den type overføring som er beskrevet i dataordene 1 og 2. Regnemaskinen 72 bevirker på sin side utførelse av den ønskede dataoverføring. Dataordets 1 F-felt overføres ikke til regnemaskinen 78, da dette felt inneholder bruksinformasjon bare for maskinvaren i mellomkoplingskretsene.

Fig. 25 viser formingskretser for forming av de digitale signaler fra synkrodigitalomformeren 52 til inngangen av regnemaskinen 78. Formingskretsene omfatter 16 NAND-porter 450 - 465 som hver har en inngang som er felles forbundet med NAND-portens 4 66 utgang, der signalet HØLD12N fremkommer. Siffersignaler GNDW-SD13N tilføres til de respektive gjenværende innganger av portene 4 50 - 465, mens de resulterende utgangssignaler 1200C - 1215C anvendes som inngangssignaler til regnemaskinen 78. Fig. 26 viser formingskretser for omforming av på-kurs-data fra det akustiske dopplersystem 54 til siffersignaler for innmating i regnemaskinen 78. Noen dekodingskret-ser (ikke vist) finnes foran disse formingskretser for å dekode resultatet fra den akustiske doppler 54 fra 4 bits til 1 bit for anvendelse på kretsen ifølge fig. 26. Formingskretsene omfatter 16 NAND-porter 468 - 483. En inngang av hver av disse porter er felles forbundet med utgangen fra en ELLER-port 484 som tilfører signalet HØLD18N. Signalet ADMDC fra den akustiske doppler 54 tilføres gjennom ELLER-porten 485 til portens 469 inngang. På liknende måte til-føres akustiske dopplersignaler ADØN42N-ADØN11N til de respektive innganger av portene 470 - 483. Utgangssignalene ADØNOOC-ADØN15C anvendes som inngangssignaler til regnemaskinen 78. Fig. 27 viser formingskretser i den logiske blokk 56 mellom den akustiske doppler 54 og regnemaskinen 78 for forming av utenforkurs-data fra den akustiske doppler. Formingskretsene omfatter 16 NAND-porter 487 - 502 som hver har en inngang som er felles forbundet med en ELLER-ports 503 utgang. Signalet HØLD19N tilføres av porten 503 til portene 487 - 502. Utenfor-kurs-utgangssignaler ADØFPPN-ADØF11N, som er blitt dekodet fra 4 bits til 1 bit som foran nevnt, tilføres til de respektive porter 487 ~ 502. Således tilveiebringes formede signaler ADØFOOC-ADØF15C for innmating i regnemaskinen 78. Fig. 28 viser formingskretser for omforming av utgangssignalene fra EM-loggen 60 til inngangssignaler til regnemaskinen 78. Formingskretsene omfatter 16 NAND-porter 505 - 52 0 som hver har en inngang som er felles forbundet med en NAND-ports 521 utgang, for å motta signalet HØLD11N. På lignende måte som de tidligere beskrevne formingskretser mates portenes 505 - 520 innganger med utgangssignaler GNDN-1111F fra EM-loggen. Portutgangene skaffer således signaler 1100C-1115C for innmating i regnemaskinen 78. Fig. 29 viser klokke- og lagringskretser for fort-løpende innmating av endringer fra EM-loggen til formingskretsene ifølge fig. 28. Denne krets tillater ikke at nye data fra EM-loggen innmates i regnemaskinen 78 før det er tilveiebrakt et stabilt EM-loggutgangssignal, slik at feil-aktige data hindres fra å innmates i regnemaskinen 78.

Kretsen omfatter fire flip-floper 525 - 528- hvis K- og J-klemmer er forbundet med respektive NAND-porter

529 - 536. Et 1 MHz klokkesignal tilføres hver flip-flop over lederen 537. Et holdesignal HØLD11C tilføres over lederen 538 til portene 530, 532, 534 og 536 for å gjøre de fire flip-floper arbeidsudyktige når regnemaskinen 78 undersøker den minst signifikante bit i de lagrede dataord på EM-loggen.

Falsk-utgangene fra flip-flopene 527 bg 528 tilføres til inngangene av en NAND-port 539 for å skaffe et signal EMCLKN som tilføres en klokkeinngang til 12 bistabile regi-sterkretser 540 - 551. Kretsen 540 benyttes for å lagre den mest signifikante bit i dataordene fra EM-loggen 60, mens kretsen 551 benyttes for lagring av den minst signifikante bit. Inngangssignaler EMOOC-EM10C fra EM-loggen tilføres til kretsene 54 0 - 550, mens den minst signifikante bit EM11C tilføres til kretsen 551. Q-utgangene fra hver av lagrings-kretsene 540 - 551 tilveiebringer signaler 1100F-1111F som tilføres til formingskretsene ifølge fig. 28 for innmating i regnemaskinen 78.

Når kretsen på fig. 2 9 arbeider, lagres det siste dataord fra EM-loggen 60 i kretsene 540 - 551. Flip-flopene 525 - 528 tillater ikke kretsene å registrere en forandring før variasjonene på EM-logg-utgangen har stabilisert seg. Når den minst signifikante bit i dataordet fra EM-loggen er større enn den minst signifikante bit som er lagret i kretsen 551, innstilles flip-flopene 526 og 528. Et mikrosekund senere innstilles flip-flopene 525 og 527 for å styre det nye dataord inn i kretsene 540 - 551. Alternativt, dersom den minst signifikante bit fra EM-loggen er forskjellig fra den minst signifikante bit som er lagret i kretsen 551, innstilles flip-flopene 525 og 527, og et mikrosekund deretter innstilles flip-flopene 526 og 528 for å styre inn de nye data. De data som er styrt inn i registerkretsene 540 - 551, lagres her inntil det avføles en forandring i den minst signifikante bit i utgangssignalet fra EM-loggen.

Fig. 30 viser mellomkoplingskretsene i den logiske blokk 56 mellom VLF-mottakerne og regnemaskinen 78. Det er klart at liknende kretser som vist på fig. 30 må finnes for hver av VLF-mottakerne, selv om bare én komplett krets er vist for å forenkle beskrivelsen. Kretsen inneholder tre flip-floper 556 - 560 som hver tilføres et 2 MHz klokkesignal over en leder 562. To NAND-porter 564 og 566 er forbundet med K- hhv. J-klemmene på hver av flip-flopene. En ELLER-port 568 leder utgangssignalene fra to NAND-porter 570 og 572 til en inngang av flip-flopens 556 port 566. En ELLER-port 574 mottar signalet HØLD14C og falsk-utgangssignalene fra flip-flopene 558 og 560.

En ELLER-port 57 6 leder utgangssignalene fra to NAND-porter 578 og 580 til flip-flopen 558. På liknende måte leder en ELLER-port 582 utgangssignalene fra to NAND-porter 584 og 586 til flip-flopen 560. Signalet V2UCN mates direkte til inngangen av porten 586 og også til en NAND-port 588. Signalet V2DCN mates direkte til inngangen av porten 578 og også til inngangen av en NAND-port 590. En ELLER-port 592 er forbundet med inngangene av portene 564 til begge flip-floper 558 og 560.

En ELLER-port 59 4 er forbundet med en inngang av

en NAND-port 596 som på sin side er forbundet med en ELLER-port 598 som frembringer signalet VRESN. Dette signal mates sammen med signalet V2PRN til inngangen av en NAND-port 600 som på sin side er forbundet med en ELLER-port 602. Portens 602 utgang er koplet til. portene 580 og 584.. Signalet V2PRN, sammen med sann-utgangssignalet fra flip-flopen 558 og falsk-utgangssignalet fra flip-flopen 560, tilføres til en NAND-port 604. Likeledes tilføres signalet V2PRN, sammen med falsk-utgangssignalet fra flip-flopen 558 og sann-utgangssignalet fra flip-flopen 560, til inngangen av en NAND-port 606. Portens 604 utgangssignal tilføres en ELLER-port 608, mens portens 606 utgangssignal tilføres en ELLER-port 610.

Ved drift av kretsen ifølge fig. 3 0 lagres en indikasjon på bærebølgenivået for VLF-signalet fra en spesiell mottaker i flip-flopen 556. Utgangssignalet V2AT fra flip-flopen 556 er logisk 1 når amplituden er tilstrekkelig høy.

En indikasjon på en nedtelling lagres i flip-flopen 558.

Denne indikasjon på en nedtelling betyr at den spesielle VLF-mottaker krever en faseminskning på 0,1 ys. En indikasjon på en opptelling lagres av flip-flopen 560 som tilveiebringer en indikasjon når en faseøkning på 0,1 ys er nødvendig. Et mottakerprioritetssignal V2PRN som kommer fra prioritetskret-ser som skal beskrives senere, angir at den aktuelle mottaker har den i øyeblikket høyeste prioritet for innmating til regnemaskinen 78.

Bare én VLF-mottaker ad gangen gis adgang til innmating i regnemaskinen 78. Signalet V2YDC antyder en nød-vendig nedtelling for den andre mottaker, mens signalet V2YUC antyder en nødvendig opptelling for den andre mottaker. Et kvitteringssignal AKC som mottas fra prosessorsamlelederens mellomkoplings-logikkrets som skal beskrives senere, mates til porten 594. Det resulterende signal VRESN som mates til porten 600, er et tilbakestillingssignal for å tilbakestille hver av flip-flopene 558 og 560 etter innmating i regnemaskinen.

Fig. 31 viser prioritetsnettverket for bestemmelse av den spesielle prioritet for VLF-mottakere som. er koplet-til regnemaskinen 78. Opp- og nedtellingene fra hver av VLF-mottakerne mates til de respektive innganger av ELLER-porter 620, 622, 624 °9 626. Utgangssignalene fra portene 620 - 624 mates til respektive innganger av NAND-porter 628 - 632. Andre innganger til portene 628 - 632 er knyttet til sann-utgangen fra en flip-flop 634 og til inngangene av to NAND-porter 636 og 638. Portens 626 utgang er også koplet til inngangen av portene 636 og 638. Flip-flipens 634 falsk-utgang er koplet til en ELLER-port 640. Flip-flopens 634 sann-utgang er koplet til inngangene av ELLER-porter 642, 644 og 646. Utgangene av portene 628 - 632 er også koplet til de respektive innganger av portene 642 - 64 6. Et 2 MiHz klokkesignal mates til flip-flopen 634.

Ved drift av prioritetsnettverket ifølge fig. 31 mates opp- og nedtellingene fra de forskjellige mottakere gjennom portene 620 - 624. Når det fremkommer en ønsket fasetelling fra hvilken som helst mottaker, genereres et avbrytelsessignal av flip-flopen 634. Utgangssignalet fra porten 642 gis høyest prioritet, og således vil enhver fase-forandring som detekteres av den første VLF-mottaker, bli matet først til regnemaskinen 78. Etterfølgende faseendrin-ger for de andre VLF-mottakere er gitt lavere prioritet for senere mating til regnemaskinen 78. Fig. 32 viser formingskretser for forming av VLF-mottakernes utgangssignaler til en passende form for innmating til regnemaskinen 78. Kretsen inneholder 16 NAND-porter 650 - 680 som hver har en inngang som er felles forbundet med utgangen av en NAND-port 682. Portens 682 inngang mottar et signal fra prosessorsamlelederens mellomkop-lingskrets som skal beskrives senere, for å angi den spesielle VLF-mottaker som undersøkes av regnemaskinen 78. Portenes 650 - 672 andre innganger er felles forbundet for å motta signalet GNDW. Portenes 664 - 680 andre innganger mottar hhv. signalene A5A3V3AT-VIYUN. De resulterende signaler A5A31400C-A5A31415C genereres av kretsen for mating til regnemaskinen 78. Fig. 33 viser en del av prosessorsamlelederstyre-kretsen som sørger for sekvensering eller ordning og synkro-nisering av de forskjellige følerinnganger i den logiske blokk 56. Kretsen på fig. 33 inneholder to flip-floper 686 og 688 som begge synkroniseres med et 2 MiHz klokkesignal over en leder 690. To NAND-porter 692 og 694 er koplet til hver av flip-flopene. Et antall signaler CAX02N-CAX15N,

RQN og AB05C mates til en NAND-port 69 6 som tilveiebringer

et utgangssignal PEC som mates til flip-flopen.686 og også til en NAND-port 698. Seksten NAND-porter 700 - 730 tilveiebringer seksten utganger AB06C-AB05C. Utgangen av porten 698 er forbundet med inngangene av portene 700, 704, 708, 712, 716 og 720 - 730. Signalet VCON tilføres inngangen av portene 702, 706, 710, 714 og 718. Signaler CAX07N-CAX06N tilføres inngangene av portene hhv. 700, 704, 708, 712, 716 og 720 - 730.

Ved drift av kretsen ifølge fig. 33 tjener flip-flopen 688 til å synkronisere den kjennsgjerning at systemet er i en overføringstilstand. Flip-flopen 686 synkroniserer signalet PEC i forhold til kretsklokken. Denne krets setter regnemaskinen i stand til å utføre en enkelt overføring til den anordning som har den spesielle adresse som er tilveiebrakt av portene 700 - 730..

Fig. 34 viser ytterligere kretser i prosessorsamle-lederstyrekretsen som inneholder tre flip-floper 740 - 746 med tilhørende NAND-porter 748 og 750. Et 2 M.Hz klokkesignal mates til flip-flopen 746 og til inngangen av en NAND-port 752. Klokkeutgangssignalet fra porten 752 styrer flip-flopenes 740 og 742 funksjon, og mates også til inngangen av en fjerde flip-flop 754. Signalene fra fire NAND-porter 758 - 764 styres av en ELLER-port 766 og mates til flip-flopen 846.

Flip-flopens 742 sann-utgang er koplet til flip-flopen 740 og også til inngangen av en NAND-port 770 som er forbundet med flip-flopens 754 J-klemme. Portens 770 andre inngang er forbundet med flip-flopens 740 sann-utgang. Signaler PEF og PITF passerer gjennom en NAND-port 772 til flip-flopens 754 K-klemme. Flip-flopens 754 Q-utgangssignal mates til en NAND-port 77 4 som avgir signalet PITN. Flip-flopens 746 falsk-utgangssignal mates til inngangen av en NAND-port 77 6.

Signaler PBGØT og PET styres også av porten 776 som avgir et utgangssignal som mates til en ELLER-port 778. Flip-flopens 740 falsk-utgangssignal mates til en annen inngang av porten 778 og også til en ELLER-port 780 for å tilveiebringe styresignalet AKN. Flip-flopens 740 sann-utgangssignal mates til en NAND-port 78 2 som avgir styresignalet AKC som benyttes i kretsen som er vist på fig. 30. Flip-flopene 74 0 og 74 2 virker på de synkrone signaler, mens flip-flopen 746 synkroniserer signalet RDYN som mates fra porten 766 til 2 MHz-klokken.

Fig. 35 viser signalutvelgelseskretser i prosessor-samleleder-styreenheten i den logiske blokk 56 for tilveiebringelse av fortløpende innmating til regnemaskinen 78 fra de utvalgte følere. En forspenning VCC som i den foretrukne utførelse er på 5 volt, mates gjennom motstander 800 - 83 0 for å danne en fast oppkoplet ELLER-funksjon. Kretsen inneholder videre seksten porter 832 - 862 som hver har en inngang som er felles forbundet for å motta et signal DEN. De gjenværende innganger av portene 832 - 862 mottar signaler OOC-15C. Motstandenes 800 - 830 utganger er forbundet med respektive signaler 00C-15C.

På fig. 33 - 35 er noen konvensjonelle adresse-ringskretser sløyfet for å forenkle beskrivelsen. Signalet 00C som går til porten 832, tilveiebringer en styring for hver bit nr. null for en spesiell anordningsinngang. Signalet 01C utgjør bit nr. 1 for hver anordningsinngang og så videre. Med den viste kretsutforming adresseres bare én følerutgang av prosessorsamlelederkretsen ved et gitt tidspunkt, slik at regnemaskinen 78 i rekkefølge mottar ett ord ad gangen fra de utvalgte følere.

Fig. 36 viser et grunnleggende prinsippskjerna over regnemaskinens 78 virkemåte ved dé forskjellige inngangssignaler fra følerne. Fire i det vesentlige periodiske avbrytelser er tilveiebrakt for regnemaskinens funksjon, nærmere bestemt tre avbrytelser som inntreffer tilnærmet for hver 10 millisekunder, et halvt til ett sekund, 2 minutter, og en

satellittposisjonsavbrytelse som inntreffer med varierende tidsmellomrom, men som for beskrivelsesformål kan antas å

være i gjennomsnitt ca. 2 timer. Det finnes også to ytterligere avbrytelser, VLF-avbrytelsen og VLF-ajourføringen for hver mottaker.

I løpet av 10 ms-avbrytelsen avleses gyrokompasset, vannhastighets- og dopplerfølerne ved 900. Sinus og cosinus for gyrokompasskursen beregnes ved 902. Nord- og østkompo-nentene av vannhastigheten beregnes ved 904. Den relative bevegelse av doppleren og vannhastigheten akkumuleres ved 906 og utleses ved 908.

I løpet av den andre avbrytelse på et halvt til ett sekund oppsamles data fra de lagrede data og fastholdes ved 910. Data oppsamles fra akkumuleringen ved 906, og også fra ajourføringen av VLF-tellernes VLF-avbrytelse ved 912. Ved 912 innstilles VLF-tellernes tilstand på/av og VLF-ajour-føringen utleses deretter ved 914. Dersom en følertilstands-forandring har inntrådt, blir de optimale vektfaktorer som er tilveiebrakt ved følerinngangene, etterberegnet ved 912 på den foran beskrevne måte. Filtrering og korrelasjon av VLF-signalene utføres også ved 912. - Den optimale posisjon beregnes ved 914 ut fra den siste 2-minutters stedsbestemmelse. Den beregnede posisjon fremvises ved 916. De relevante funksjoner av posisjon, tid og hastighet beregnes ved 918 og fremvises ved 920. Programmet avsluttes ved 922.

Ved hvert 2-minutters intervall blir de forutsagte VLF-avlesninger ved den forhåndenværende posisjon under den neste 2-minutters periode beregnet ved 924. Forutsigelsen fra den siste 2-minutters avbrytelse til den aktuelle tid og posisjon ajourføres ved 926. De optimale vektfaktorer beregnes ved 928 og den optimale posisjon beregnes ved 930. Posisjon-, tid-, og VLF-avlesningene i listen spares eller oppbevares ved 932 og stilles til rådighet for et halvt til ett sekund-avbrytelsesprogrammet ved 918.

VLF-ajourføringen for hvert mottakerprogram omfatter forminskning av den foreliggende VLF minste midlere kvadratmatrise ved 934 på den måte som er velkjent i teknik-ken. Den minste midlere kvadratmatrise for listedata beregnes på vanlig måte ved 936 og adderes til den forhåndenværende matrise. De på forhånd valgte normale likninger løses ved 938 og parametrene for hver mottaker ajourføres. Programmet avsluttes ved 940.

Satellittposisjonsavbrytelsen mottar data fra regnemaskinen 72 ved 942. Ved 944 finnes satellittposi-sjonstiden i oppbevaringslisten ved 932. Ved 946 fordeles posisjonsfeilen lineært tilbake til den foregående satellitt-posis jon. Denne fordeling skjer over en dataforbindelse til VLF-ajourføringsprogrammet ved 936. VLF-ajourføringsprogram-met startes ved 948 og programmet avsluttes ved 950.

Som vist i beskrivelsen angår oppfinnelsen et meget nøyaktig og pålitelig navigasjonssystem som er særlig godt egnet for seismiske undersøkelser. Det store antall forskjellige og individuelle følere tillater at nøyaktige navigasjonsdata kan frembringes ved alle tider og under alle værforhold. I forening med den optimale databehandling ifølge oppfinnelsen skaffes data som er mer nøyaktige enn hva som kan skaffes med en enkelt føler.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet i forbindelse med utnyttelse av to sammenkoplede sifferregnemaskiner, er det klart at det ved noen utførelser av oppfinnelsen kan benyttes en eneste sifferregnemaskin med stor kapasitet. I stedet for de programmerte universalsifferregnemaskiner som er angitt i det foregående, kan alternativt passende analoge eller digitale maskinvarekomponenter benyttes for å sørge for de analyser og korreksjonsfunksjoner som tilveiebringes av regnemaskinene.

Claims (3)

1. Navigasjonssystem for et fartøy som utnytter i det minste inngangssignaler fra en kretsende satellitt, en akustisk doppler og et gyrokompass til minst ett følersystem som har mottakere (12; 20) for intermitterende mottagelse av radiosignaler som utsendes fra satellitten, for å generere et signal som indikerer fartøyets absolutte posisjon, og minst ett ytterligere følersystem som omfatter en radionavigasjonsanordning (32) for generering av navigasjonsdata som reaksjon på radiosignaler som mottas fra faste senderstasjoner, karakterisert ved at det er anordnet en føler (14, 18; 24, 26, 28) for generering av hastighets- og kurssignaler, for generering av et signal som indikerer fartøyets posisjon i forhold til en referansebeliggenhet, et sammen-liknersystem (12, 16; 36) for sammenlikning av signalene for absolutt posisjon med hastighets- og kurssignalene og som er innrettet til å bestemme varierende vekttallkoeffisienter for hvert signal i overensstemmelse med den avfølte relative nøyaktighet av det resulterende navigasjonssignal for å generere et feilsignal, og et feilkorreksjonssystem for korrigering av de resulterende navigasjonssignaler som reaksjon på det nevnte feilsignal.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved et kombinerende system for kombinasjon av de optimale avveide signaler for absolutt posisjon og hastighets- og kurssignalene ved tilveiebringelse av det resulterende navi-gas jonssignal som har en minimal midlere kvadratfeil.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved en anordning som er innrettet til å variere signalene fra følerne for absolutt posisjon og hastighets- og kurssignalene ved hjelp av vekttallkoeffisienter med størrelser som er bestemt ved hjelp av en minimums-middelkvadratfeilfunksjon, idet denne funksjon er avhengig av den relative nøyaktighet av radio-navigas jonssystemet for generering av signaler for absolutt posisjon, og videre av føleren for generering av hastighets-og kurssignaler, og av tidsintervallet mellom satellittradio-signalene.