NO334597B1 - Fremgangsmåte og system for navigering under vann - Google Patents

Abstract

I en fremgangsmåte for å bestemme absolutt posisjon under vann av et neddykkbart fartøy (1) som har bestikkregningsnavigasjonssystem og mottar akustiske signaler fra en referansestasjon (19), blir signaler mottatt fra referansestasjonen i flere posisjoner (15-18) av fartøyet. Beregnede absolutte posisjoner for fartøyet blir beregnet ved bruk av avstandsdata og relative posisjonsdata. Avstandsdata utledet fra signalene blir fortrinnsvis brukt. I en fremgangsmåte for å skanne et undervannsundersøkelsesområde, blir den absolutte posisjon av et fartøy (1) avbrutt bestemt i henhold til den nevnte metode. Referansestasjonen kan være plassert i en fast posisjon (19) eller på overflaten av vannet, fortrinnsvis i en bøye eller et fartøy. Et system for å bestemme den absolutte posisjon under vann av et fartøy omfatter: akustisk kommunikasjonsanordning i referansestasjonen og ombord på fartøyet, et bestikkregningsnavigasjonssystem ombord på fartøyet, og en regneanordning.

Description

Oppfinnelsens fagfelt

Systemet angår en fremgangsmåte og et system for å bestemme den absolutte posisjon under vann av et neddykkbart fartøy, som f.eks. en ubemannet, autonomt operer-ende undervannsbåt, så vel som en fremgangsmåte for å skanne et undervanns-oversiktsområde.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Det neddykkbare fartøy er av en type som har et bestikkregningsnavigasjonssystem som ikke mottar posisjonsinformasjon fra utenfor fartøyet, og fartøyet samler data ved hjelp av akustiske signaler fra en referansestasjon som har en kjent absolutt posisjon og som beregner dens avstand fra referansestasjonen ved beregningsanordning, fortrinnsvis en datamaskin ombord.

Flere fremgangsmåter og systemer er kjent for utvetydig bestemmelse av posisjonen av et fartøy eller kjøretøy på overflaten av jorden eller overflaten av sjøen. Som eksempler, kan generelt kjente satellittnavigasjon (GPS, NAVSTAR, GLONASS), og den tidligere kjente DECCA og LORAN systemer, bli nevnt. Slike systemer er nesten universelt basert på kortbølgeradiosignaler, og er således ikke brukbare under vann på grunn av den meget dårlige forplantning av slike radiosignaler gjennom vann, spesielt sjøvann.

Systemer er kjent for kommunisering og/eller navigering under vann ved hjelp av meget langbølgede radiosignaler, men slike systemer tilbyr ikke trekk som er nødvendige for presis kommersiell navigasjon, så som tilgjengelighet, oppløsning og presisjon.

Et prinsipp og et system for akustisk undervannsnavigasjon over begrensede avstander er kjent som "Long Base Line Navigation" (nedenfor designert som "LBL"), se f.eks. Jerome Vaganay m.fl.: "Outlier Rejection for Autonomous Acoustic Navigation", Proe. IEEE Int'l. Conf. Robotica and Automation, Minneapolis (US) April 1996, eller, for mer dyptgående diskusjon, P. H. Milne: "Underwater Acoustic Positioning Systems", Gulf Publishing Company, Houston (US) 1983, ISBN 0-87201-012-0.

Ved bruk av LBL, blir et antall referansepunkter etablert ved å plassere f.eks. transpondere på sjøbunnen i et nett eller system. Slike transpondere er tilpasset til hver å sende et individuelt akustisk signal når de mottar et felles akustisk signal.

Det er også kjent for bruk for dette formål, f.eks. akustiske fyr, som ganske enkelt sender akustiske signaler i en autonom modus.

Når et neddykket fartøy skal bestemme sin posisjon i forhold til et slikt nett av transpondere, sender fartøyet ut et akustisk spørsmålssignal på en felles frekvens. Etter mottaking av dette signalet, sender hver transponder et responssignal på sin egen individuelle frekvens, etter en forutbestemt, individuell forsinkelse.

Responssignalene blir tatt opp av hydrofoner på fartøyet, og et system ombord analyserer tidsforsinkelsene på returresponssignalene, og beregner avstanden til hver transponder, basert på dette, kan posisjonen for fartøyet i forhold til posisjonene av transponderne bli bestemt utvetydig, forutsatt at visse forhold når det gjelder antallet og plassering av transpondere er møtt.

Posisjonen for hver transponder kan f.eks. være bestemt som beskrevet i Milne, paragraf 5.2, side 55 osv. Ofte er en enhet med lignende akustisk utstyr som det neddykkede fartøy opphengt fra et overflatefartøy, som har absolutt posisjonsbestemmelses-anordning så som en GPS navigasjon. Overflatefartøyet er plassert i forskjellige posisjoner, bestemt ved hjelp av navigasjonssystemet. Fra hver av disse posisjonene, utveksler enheten signaler med transponderne, som forklart. Basert på tilstrekkelig mange sett av tidsforsinkelsesregistreringer fra disse forskjellige kjente posisjoner, kan lokaliseringen av hver transponder nå beregnes med tilfredsstillende presisjon. I noen kjente LBL-systemer, er transponderne i stand til å bestemme avstanden mellom hverandre. Dette eliminerer behovet for å bestemme posisjonen for hver enkelt transponder fra overflaten, når posisjonene for noen få transpondere med tilstrekkelig avstand er kjent, kan posisjonene for resten av transponderne bestemmes ved enkelt triangulering.

Det er en ulempe med LBL navigasjon at plassering og kalibrering av mange transpondere er nødvendig, hvor transpondere ofte er ganske kostbare og ikke alltid blir gjenvunnet tilfredsstillende etter en misjon. Et minimum på tre transpondere er nødvendig for å være i stand til å bestemme hvilken som helst posisjon, se Milne, kapittel 5, spesielt seksjonen 5.2.

I konferansepapiret A. Ph. Scherbatjuk: "The AUV Positioning using Ranges from One Transponder LBL", OCEANS '95, MTS/IEEE Proceedings of "Challenges of Our Changing Global Environment", 1995 ISBN 0933957149, vol. 3, sidene 1620-1623, er det en beskrivelse av en navigering av et undervannsfartøy ved bruk av avstandsdata fra bare en LBL type transponder.

I dette dokumentet, er imidlertid alvorlige restriksjoner plassert på de brukbare områder av overvåkning og baner av undervannsfartøyer. Det er således en forutsetning for bruk av den beskrevne fremgangsmåten at fartøyet opererer med konstant dybde, og følger baner som er utformet som regulære avvik, bestående av helt rette linjer. Det er spesielt nevnt i oppsummeringen av dokumentet at "anvendelsen av avvikslignende baner ikke er en alvorlig restriksjon for bruk av metoden". Forfatteren innrømmer således at fremgangsmåten bare vil virke hvis disse restriksjonene blir tatt vare på.

Det er klart at fremgangsmåten beskrevet i dette dokumentet ikke vil være av generell bruk, i motsetning til forfatterens forsikring, siden de fleste undervannsoppgaver vil bety at undervannsfartøyer følger mange forskjellige formede baner.

I konferansedokumentet Richard J. Babb: "Navigation of Unmanned Underwater Vehicles for Scientific Surveys", AUV '90, IEEE Proceedings of the Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology, 1990, sidene 194-198, er det i seksjon 4 foreslått å kombinere LBL med bestikkregning (Dead Reckoning), (henvist til nedenfor som DR). DR kan f.eks. omfatte bruk av en akustisk logg som måler hastigheten i forhold til sjøbunnen, og/eller bruker et treghets-navigasjonssystem (henvist til nedenfor som

"INS").

Hermed er det mulig å oppnå tilfredsstillende resultater med færre transpondere enn i enkelt LBL, idet DR blir brukt når man navigerer mellom områder i hvilke respons kan mottas fra så mange transpondere som nødvendig for å bestemme posisjonen ved LBL-metoden med tilstrekkelig nøyaktighet.

Det er kort beskrevet i seksjon 4 av dette dokumentet med henvisning til figur 4 av samme dokument at "siden DR systemet er i stand til å bestemme retningen av kursen over jorden til stor nøyaktighet (meget bedre enn 1 grad) er det mulig å oppnå en utvetydig fix fra en enkelt transponder, ved å kombinere den radielle avstand til transponderen med den sanne kurs fra DR systemet" (en "fix" betyr en bestemmelse av absolutt posisjon).

En fagperson vil vite at begge termene "retningen av kursen godt gjort" og "sann kurs" har samme mening, dvs. retningen av fartøyets bane over jorden i forhold til sann (geografisk) nord.

Den eneste måten hvorved kombinasjon av "sann kurs" med måling av avstand kan gi en "utvetydig" fix, er ved å ha fartøyet bevege seg i en rett linje (som klart indikert på figur 4) mens man mottar signaler fra transponderen. Ved den posisjon hvor mini-mumsavstand er registrert (som klart indikert ved de brutte linjer på figur 4), er transponderen kjent for å være lokalisert i en retning ortogonalt med "retningen av den godt-gjorte kurs" ved den målte minimum avstand (som indikert ved brutte linjer på figur 4).

Siden nå både retning og avstand til transponderen er kjent, er en utvetydig fix faktisk frembrakt. Det er imidlertid en betydelig ulempe ved den beskrevne fremgangsmåte at fartøyet må følge en lineær bane forbi transponderen. Spesielt, enhver manglende evne av fartøyets styringssystem til eksakt å følge en rett linje vil innføre ytterligere feil i posisjonsfixet.

I alminnelighet, den beskrevne fremgangsmåte for å oppnå en utvetydig fix vil frembringe to løsninger for posisjonen av fartøyet i forhold til transponderen, dvs. en posisjon til styrbord og en posisjon til babord side av transponderen (sett i bevegelsesretningen for fartøyet). En essensiell tidligere kunnskap om posisjonen for transponderen og banen av fartøyet vil derfor være nødvendig for å diskriminere korrekt mellom to slike løsninger.

I dokumentet, synes den rette løsning å være valgt ved bruk av tidligere kunnskap om banen for fartøyet i forhold til den absolutte posisjon av transponderen. Dette er en alvorlig ulempe ved fremgangsmåten som beskrevet i dokumentet.

I konferansedokumentet A. Ph. Scherbatjuk m.fl.: "Integrated Positioning System for Underwater Autonomous Vehicle MT-88" OCEANS 94, IEEE Proceedings of

Oceans Engineering for Today's Technology and To-morrow's Preservations, 1994, ISBN 0780320565, volum 3, sidene III/384-388, er et lignende integrert posisjoneringssystem beskrevet.

Dette systemet er basert på samtidig prosessering ombord på undervannsfartøyet, av data fra et autonomt navigasjonssystem ombord og data fra et langbase akustisk posisjoneringssystem.

LBL data blir frembrakt ved bruk av minst to og fortrinnsvis tre transpondere, men det synes ikke å være forklart hvor stort sjøbunnområde som kan overvåkes ved hjelp av dette systemet.

I konferansedokumentet A. H. Carof: "Acoustic Differential Delay and Doppler Tracking System for Long Range AUV Positioning and Guidance", IEEE Proceedings of the 1994 Symposium of Autonomous Underwater Vehicle Technology, 1994, ISBN 0780318080, sidene 370 til 375, er det beskrevet et system bestående av to dobbelt frekvens synkroniserte referansefyr og en hydrofon.

De to fyrene sender samtidig signaler ved individuelle, faste og forutbestemte frekvenser. Ved bruk av hydrofon, vil undervannsfartøyet måle forskjellige forsinkelse og forskjellige doppler skift av de nevnte signaler sendt fra fyrene. Ved antagelse og bruk av tidligere kunnskap av hastigheten for undervannsfartøyer, blir posisjonen bestemt fra de nevnte målinger.

Fra US patent nr. 5 357 437 er det kjent et undervannsnavigasjonssystem hvor et neddykket fartøy dropper en eller flere magnetiske markører på sjøbunnen, og bruker magnetfeltet fra disse markørene til å bestemme sin løpende posisjon. Markørene kan ha permanente magneter eller elektromagneter matet med vekselstrøm.

Videre, har fartøyet et DR og/eller INS navigasjonssystem, og vil derfor være i stand til å navigere en tid uten posisjoneringssignaler fra markørene.

Det er en vesentlig ulempe ved disse kjente systemene at den absolutte posisjon av markørene ikke er bestemt.

Endelig, fra US patenter nr. 5 119 341 og 5 579 285, er fremgangsmåter og apparater kjent for å forlenge radiobaserte navigasjonssystemer så som GPS, for bruk under vann.

Et antall bøyer flyter på overflaten, og hver bøye registrerer kontinuerlig sin posisjon ved å motta signaler fra det radiobaserte navigasjonssystem. Hver bøye sender akustiske signaler ned i vannet.

I den sistnevnte av de to US patenter, nr. 5 119 341, kan posisjonen for et neddykket fartøy så bli bestemt i forhold til bøyene, f.eks. ved hjelp av en strategi tilsvarende den som brukes i selve GPS. Data blir dessuten overført mellom det neddykkede fartøy og en landbasert stasjon gjennom de samme akustiske kanaler og gjennom radiokanaler via kommunikasjonssatellitter.

Tilsynelatende, bare i den første av US patentene, bestemmer fartøyet faktisk sin posisjon på denne måten, i det andre patentet blir posisjonen bestemt ved overflaten eller den landbaserte stasjon.

US patent nr. 5 579 285 nevner også et konsept for å bestemme posisjonen av undervannsfartøyet ved bruk av bare en enkelt bøye. Den nevnte tilnærming krever imidlertid at bøyen blir boret ved og utløst fra undervannsfartøyet. Bøyen må også være forprogrammert med den posisjon ved hvilken den ble utløst.

Det er klart at undervannsfartøyet ikke vil "vite" hvor det er, ellers ville det ikke være nødvendig å utløse noen bøye for å fa en posisjonsfix. Derfor kan posisjonen for utløsning av bøyen i hvilket som helst tilfelle være uendelig. Alternativt må et posisjonsestimat programmeres inn i bøyen før den utløses fra undervannsfartøyet, hvilket krever at fartøyet må ha denne evnen.

Bøyen trenger også å vite retningen av den banen som undervannsfartøyet tenker å følge etter utløsning av bøyen. Spesielt på militære anvendelser, kan det også være en viktig ulempe at undervannsfartøyet må sende signaler, hvilket eliminerer muligheten for en dekket operasjon.

Følgelig synes denne beskrivelsen ikke å frembringe noen brukbar løsning heller.

Sammendrag

Det er et mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe en fremgangsmåte og et system for å bestemme absolutt posisjon under vann, hvor en presis posisjon kan oppnås fra et minimum antall referansestasjoner, fortrinnsvis bare en referansestasjon.

Det er et videre mål for oppfinnelsen å eliminere behovet for overflatefartøy for å utplassere og kalibrere transpondere eller å generelt assistere eller understøtte det neddykkbare fartøy.

Det er endelig et mål for oppfinnelsen å frembringe en fremgangsmåte for å skanne et undervanns-overvåkningsområde med vesentlig reduserte behov for utplassering av transpondere eller assistanse eller understøttelse fra overflatefartøyer.

I en fremgangsmåte for å bestemme den absolutte posisjon under vann av et neddykkbart fartøy som har et bestikkregningsnavigasjonssystem som ikke mottar posisjonsinformasjon fra utenfor fartøyet, hvor fartøyet mottar akustiske signaler fra et referansestasjon som har en kjent absolutt posisjon og beregner sin avstand fra referansestasjonen, blir det nevnte mål møtt ved at signalene mottas fra en referansestasjon i flere posisjoner av fartøyet, og at den estimerte absolutte posisjon av fartøyet blir beregnet ved bruk av avstandsdata basert på de mottatte signaler og bruk av relative posisjonsdata fra bestikkregningsnavigasjonssystemet.

Ved å motta og prosessere de nevnte signaler i flere posisjoner av fartøyet, blir en tilsvarende multippel-dimensjonal måling og/eller redundans hatt som når man mottar signaler i en posisjon fra flere referansestasjoner.

Fortrinnsvis blir signaler mottatt og data prosessert i korte intervaller av tid, og frembringer en i hovedsak kontinuerlig beregning av absolutte posisjonsdata. Hermed blir en bestemmelse og oppdatering av posisjonen oppnådd, langt overlegen i forhold til tidligere teknikk.

Fortrinnsvis blir posisjonen av referansestasjonen i en relativ koordinatramme for det nevnte bestikkberegningsnavigasjonssystem beregnet. Dette frembringer en fordelaktig matematisk modellering av den absolutte posisjon ombord på fartøyet.

I en utførelse, blir de beregnede absolutte posisjonsdata fortrinnsvis brukt for å oppdatere bestikkberegningssystemets relative posisjonsdata. Sistnevnte data vil dermed utgjøre en kontinuerlig kilde for pålitelig og absolutt posisjonsinformasjon.

Det er generelt å foretrekke at beregningene er gjort av parametere som ligger i naturen av bestikkberegningsnavigasjonssystemet, så som sjøstrømmer, og relative posisjonsdata fra bestikkberegningsnavigasjonssystemet blir kompensert ved beregningen av de nevnte parametere. På denne måten, vil skadevirkningen av slike parametere bli minimalisert på en effektiv måte.

Fortrinnsvis blir en minste kvadrat algoritme brukt til å bestemme verdien av beregningene. Denne algoritmen har vist seg å være overlegen i levering av raske og pålitelige estimater.

Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, er data for endringsraten av fartøyets avstand fra referansestasjonen utledet fra mottatte signaler sammen med avstandsdata.

Hermed, er kravene til antallet og/eller kvaliteten av målingene meget redusert, og frembringer øket nøyaktighet og pålitelighet av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

De nevnte "avstandsrate" data blir fortrinnsvis utledet fra registrering av dopplerskifting av frekvenser av de akustiske signaler fra referansestasjonen, eller alternativt fra registrering av spredte spektrumpulser i de akustiske signaler fra referansestasjonen. Begge metodene har vist seg å gi pålitelige og effektive avstandsratedata.

Det er generelt foretrukket å beregne posisjonen av referansestasjonen i en relativ koordinatramme av data omfattende avstandsratedata så vel som avstandsdata. Som nevnt tidligere, frembringer dette en fordelaktig matematisk modellering av den absolutte posisjon ombord på fartøyet. Fortrinnvis, blir de nevnte beregninger gjort ved videre å utnytte informasjon av dybden av referansestasjonen. Hermed blir en fordelaktig redundans introdusert i posisjonsberegningsdataene.

I en fremgangsmåte for å skanne et undervannsovervåkningsområde ved hjelp av et neddykkbart fartøy som beveger seg i en ønsket bane, hvor fartøyet har et bestikkberegningsnavigasjonssystem som ikke mottar posisjonsinformasjon fra utenfor fartøyet, hvor fartøyet mottar akustiske signaler fra en referansestasjon som har en kjent absolutt posisjon og beregner sin avstand fra referansestasjonen, blir de tidligere nevnte mål nådd idet den absolutte posisjon av fartøyet blir avbrutt bestemt i henhold til fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Herved kan et undervannsområde bli overvåket ved bruk av bare en enkelt referansestasjon, eller i det minste et meget redusert antall referansestasjoner, i forhold til tidligere teknikk.

Fortrinnsvis, hvis det nevnte område strekker seg utenfor operasjonsrekkevidden for referansestasjonen, er den tiltenkte bane for fartøyet anordnet til å bringe fartøyet inne i den nevnte operasjonsrekkevidde ved regelmessige tidsintervaller.

Hermed er evnen av DR-systemet til å navigere med tilfredsstillende presisjon for en begrenset tidsperiode, utnyttet på optimal måte, mens samtidig en tilfredsstillende presisjon blir opprettholdt for varigheten av hele misjonen.

Det er foretrukket at den tiltenkte banen for fartøyet er anordnet til å bringe fartøyet innenfor en minimum avstand av hvert punkt i området, for å sikre en komplett dekning av området med et minimum av anstrengelse og kostnad.

I foretrukne utførelser av fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen, er referansestasjonen plassert i en fast absolutt posisjon. Dette gir en enkel og effektiv konfigurasjon og minimale kostnader.

I en spesielt foretrukket utførelse av oppfinnelsen, er den absolutte posisjon av referansestasjonen bestemt ved at det neddykkbare fartøy ved overflaten av vannet samler absolutte posisjonsdata i et antall posisjoner fra et posisjonssystem som er brukbart på overflaten av vannet, mens det er på overflaten, mottar akustiske signaler fra referansestasjonen, og beregner avstandsdata fra de nevnte signaler, idet posisjon og avstandsdata fortrinnsvis blir prosessert ombord i fartøyet.

Videre, i denne utførelsen er referansestasjonen fortrinnsvis satt ut fra det neddykkbare fartøy, og spesielt å foretrekke, også samlet av de neddykkbare fartøy etter beregning av den absolutte posisjon.

I disse meget viktige utførelser, er behovet for et overflatefartøy redusert, og kan faktisk ofte utelates. Hermed vil kostnadene for undervannsovervåkningsmisjon bli ytterligere minimalisert på en meget effektiv måte.

Referansestasjonen kan fortrinnsvis omfatte en akustisk transponder, eller alternativt et akustisk fyr. Disse trekkene, som i seg selv er kjent, vil gi effektive signalkilder for forskjellige typer av misjon.

I en annen foretrukket utførelse, er referansestasjonen plassert på overflaten av vannet, fortrinnsvis i en bøye eller et fartøy.

Ifølge oppfinnelsen, vil dette frembringe den meget viktige mulighet for å gi referansestasjonen direkte tilgang til pålitelig absolutt posisjonsdata via f.eks. GPS.

Fortrinnsvis, blir slike data overført til det neddykkede fartøy, og gir umiddelbar oppdatering av DR-systemets absolutte posisjonsberegning.

Videre i denne utførelsen, er det foretrukket at referansestasjonen utveksler kommunikasjonsdata med et kommunikasjonssystem som er brukbar på overflaten av vannet, og utveksler slike data med det neddykkede fartøy.

Hermed kan en effektiv kommunikasjonskanal til og fra fartøyet etableres på en spesielt enkelt og fordelaktig måte.

I en viss utførelse av oppfinnelsen, er referansestasjonen plassert i et neddykkbart fartøy som er på overflaten under bruk av referansestasjonen.

Dette gir f.eks. et par neddykkbare fartøyer som opererer autonomt, eller er utsatt for fjernkontroll, i en undervannsmisjon for meget utstrakte tidsperioder.

I et system for å bestemme den absolutte posisjon under vann av et neddykkbart fartøy, hvor systemet omfatter en referansestasjon som akustisk kommunikasjonsanordning, en akustisk kommunikasjonsanordning ombord på fartøyet, et bestikkregningsnavigasjonssystem ombord på fartøyet, de nevnte målene er møtt i systemet som videre omfatter en regneanordning, fortrinnsvis ombord i fartøyet, for å beregne absolutte posisjonsdata fra følgende mottak av signaler fra en og samme referansestasjon.

Disse trekkene vil sette systemet i stand til å operere i henhold til fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen.

Bestikkregningssystemet er fortrinnsvis et treghetsnavigasjonssystem, og/eller fortrinnsvis omfattende et antall Ring Laser Gyroer, et antall faststoff akselerometere, en doppler jordhastighets logg, en direkte eller indirekte lydhastighetsmålesensor, og en trykksensor.

Disse trekkene gir pålitelig autonom navigasjon av undervannsfartøyet for forholdsvis lange tidsperioder uten å ha DR-systemet oppdatert.

I en foretrukket utførelse av systemet, er det neddykkbare fartøy tilpasset til å bære et antall referansestasjoner og til å sette ut stasjonene uavhengig.

Det er videre å foretrekke at det neddykkbare fartøyet er tilpasset til å samle et antall referansestasjoner.

Disse meget viktige trekkene frembringer videre dispensering med behovet for et assisterende overflatefartøy, som har vært forklart ovenfor.

I systemet, er referansestasj onene fortrinnsvis akustiske transpondere eller fyr, som hviler på sjøbunnen eller er opphengt over et anker som hviler på sjøbunnen, eller alternativt plassert på bøyer eller fartøyer som flyter på vannoverflaten.

Ved disse forholdsregler, har man oppnådd fordeler tilsvarende de som er forklart ovenfor med henvisning til fremgangsmåtene ifølge oppfinnelsen.

For øvrig henvises til selvstendig fremgang småtekrav 1 med tilhørende uselvstendige krav 2-23 og selvstendig systemkrav 24 med tilhørende uselvstendige krav 25-30.

Detaljert beskrivelse

Oppfinnelsen skal forklares i mer detalj nedenfor, ved hjelp av utførelses-eksempler og med henvisning til tegningene, i hvilket samme referansedesignasjoner indikerer lignende objekter i alle figurene, og i hvilke: Figur 1 viser bestemmelse av den absolutte posisjon av et neddykkbart fartøy ved hjelp av et LBL-navigasjonssystem ifølge tidligere teknikk, i et skjematisk toppriss, figur 2 viser bestemmelse av den absolutte bane og absolutte posisjoner for et neddykkbart fartøy ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, i skjematisk toppriss, figur 3 viser et ubemannet neddykkbart fartøy som bestemmer den absolutte posisjon av en transponder plassert på sjøbunnen, og deretter bestemmer sin egen posisjon i forhold til transponderen når den er neddykket nær sjøbunnen, i skjematisk perspektivriss, figur 4 viser en bane som skal følges av det neddykkbare fartøy som skanner et undervannsovervåkningsområde, i skjematisk toppriss, figur 5 viser den samme prosedyre som på figur 1, hvor det neddykkbare fartøy selv dropper en transponder og kalibrerer den når behovet for absolutt posisjonsbestemmelse oppstår, i et skjematisk sideriss, figur 6 viser et undervannsfartøy som bestemmer sin absolutte posisjon fra en eller to prosesseringer av akustiske signaler fra en enkelt transponder, i et skjematisk sideriss, figur 7 viser et neddykkbart fartøy som bestemmer sin absolutte posisjon fra en eller to prosesseringer av passivt mottatte akustiske signaler fra en enkelt bøye, i et skjematisk sideriss, figur 8 viser et undervannsfartøy som bestemmer sin absolutte posisjon fra et antall målinger på passivt mottatte akustiske signaler fra et enkelt akustisk fyr eller "pinger", i skjematisk sideriss, og figur 9 viser et undervannsfartøy som bestemmer den absolutte posisjon av en neddykket rørledning, og senere følger rørledningen ved bruk av tidligere samlede posisjonsdata. Figur 1 illustrerer grunnprinsippene for arbeidet av et generelt kjent LBL navigasjonssystem. Figur 1 er et toppriss av et område på sjøbunnen. Et neddykket fartøy 1 navigerer nær sjøbunnen. På bunnen, eller opphengt ovenfor den, er det plassert fire transpondere 2 til 5.

Transponderne er av hvilken som helst type som i seg selv er kjent for bruk i LBL systemet, de er hver utstyrt med en hydrofon og en høyttaler, hvis plassering er indikert ved henvisningstallene 11 til 14.

Hver av transponderne 2 til 5 er tilpasset til å sende et akustisk responssignal via høyttaleren etter mottak av et akustisk spørsmålssignal via hydrofonen. Responssignalene blir fortrinnsvis forsinket ved en forutbestemt tidsforsinkelse som er unik for hver transponder, i forhold til mottakelsen av spørsmålssignalet, og responssignalet blir overført på en frekvens som er unik for hver transponder.

Når således en enhet sender et spørresignal, vil det motta responssignaler fra transpondere med forskjellige forsinkelser og på forskjellige frekvenser.

Ved å bestemme tidsforsinkelsen fra sending av spørresignalet til mottak av responssignalet på frekvensen av en spesiell transponder, kan distansen eller avstanden fra enheten til denne transponder så beregnes når lydhastigheten i vannet og tidsforsinkelsen av transponderen er kjent. De absolutte posisjoner for transponderne er bestemt på forhånd, fortrinnsvis ved triangulering av et overflatefartøy som etablerer sin egen posisjon fra f.eks. et satellittnavigasjonssystem, så som GPS.

Det neddykkbare fartøy 1 er likeledes utstyrt med en hydrofon og en høyttaler, hvis plassering er indikert ved henvisningstallet 10.

For å bestemme sin posisjon når nødvendig, sender det neddykkede fartøy så et spørresignal fra sin høyttaler 10, signalet blir mottatt av hydrofonene 11 til 14 på transponderne 2 til 5. Transponderne sender responssignaler som nevnt fra sine høyttalere 11 til 14, og disse signalene blir mottatt av hydrofonen 10 på fartøyet 1. Nå blir disse fire individuelle forsinkelser bestemt og prosessert i et system inne i fartøyet 1, og avstandene 6 til 9 til hver av transponderne blir beregnet som nevnt. Hermed kan posisjonene for fartøyet 1 i forhold til transponderne 2 til 5, og således fartøyets absolutte posisjon, bli beregnet. Dette blir fortrinnsvis gjort ombord på fartøyet, som så vil være i stand til å utnytte den beregnede absolutte posisjon ved navigering.

Transpondere av den type som benyttes kan være utstyrt med sensorer så som trykksensorer, temperatur- og salinitetssensorer for å bestemme hastigheten av lyden og dybden av transponderen. Denne informasjonen kan så bli overført til spørrekretsen via telemetri, og brukt for å hjelp med bruken av transponderen.

Videre, transpondere er kjent som er i stand til å bestemme avstanden mellom hverandre, og således hjelpe med å bestemme deres absolutte posisjoner.

Det er en forutsetning for pålitelig og reproduserbar bestemmelse av posisjonen, imidlertid, at "baselinjen" dvs. avstanden 26 mellom hvilke som helst to transpondere, er tilstrekkelig lang sammenlignet med den målte avstand 6-9, derfor designasjonen Long Base Line (LBL). Med andre ord, spisse vinkler bør unngås mellom linjene fra fartøyet til hvilke som helst to transpondere.

På figur 2, er det illustrert en utførelse av metoden ifølge oppfinnelsen, i samme riss som på figur 1. Et neddykket fartøy 1 navigerer nær sjøbunnen. På sjøbunnen, eller opphengt ovenfor den, er det plassert en transponder 19. Fartøyet 1 skal følge en ønsket bane 25.

Ifølge oppfinnelsen, er fartøyet utstyrt med et bestikkregning (Dead Reckoning, DR) navigasjonssystem, som gjør det mulig for fartøyet å navigere med ønsket nøyaktig-het for kortere perioder uten å oppdatere dets absolutte posisjon. Et slikt navigasjonssystem er kjent i seg selv, og vil typisk omfatte et kompass, en logg og en dybdeindikator. I høy grad systemer av denne typen, vil et treghetsnavigasjonssystem (INS) også være inkludert.

I den foreliggende utførelse er DR-navigasjonssystemet fortrinnsvis av meget høy grad, og gjør det mulig for det neddykkede fartøy 1 å navigere i forholdsvis lange tidsperioder med bare små avvik fra den absolutte posisjon. Teknikkens stand i denne sammenheng vil gjøre det mulig for DR-navigasjonssystemet å beregne den absolutte posisjon av det neddykkede fartøy med et maksimum avvik på 3 meter over en tidsperiode på 1 time, eller omkring 0,03 % til 0,1 % av avstanden som er tilbakelagt, avhengig av regulariteten av banen.

Et foretrukket DR-navigasjonssystem for den beskrevne bruk vil fortrinnsvis omfatte de følgende systemer: Et såkalt "Strap-Down" treghets-navigasjonssystem (INS)

(dvs. en INS hvor treghetssensorene er festet stivt (stroppet ned) til fartøyets legeme, f.eks. basert på Ring Laser Gyros, og faststoff akselerometere), en doppler jordhastighetslogg (DVL) eller korrelasjonshastighetslogg, en CTD sensor (konduktivitet, temperatur og dybde), eller en direkte lydhastighetsmålesensor, og en trykksensor. Et slikt system er i stand til å bestemme den absolutte kurs ved "innretning", ved å sense gravitasjonen og jordrotasjonsvektorene og å måle absolutt hastighet ved hjelp av loggen.

En egnet INS er typen KN-5053 fra Kearfott G & N Corporation of America, New Jersey, USA.

I utførelseseksempelet på figur 2, følger det neddykkede fartøy 1 banen 25 som krysser gjennom punktene 15 til 18. Fartøyet 1 utspør transponderne 19 i hvert av disse punktene, og fra transpondernes responssignaler, blir avstanden 21-24 beregnet.

Fartøyets 1 DR-navigasjonssystem vil være i stand til å navigere nøyaktig gjennom hele banen 15-16-17-18-15 i forhold til startpunket 15, hvis banen blir avsluttet på tilstrekkelig kort tid. Anta dette, blir det matematiske problem med å bestemme den absolutte posisjon 15-18 i banen 25 i forhold til den kjente posisjon av transponderen 19, redusert til problem av samme type og kompleksitet som problemet på figur 1 med å bestemme posisjonen for fartøyet 1 i forhold til de kjente posisjoner av transponderne 2-5.

De samme geometriske behov gjelder plasseringen av punktene 15-18 for transponderne 2-5 på figur 1, dvs. baselinjen bør være lang og spisse vinkler bør unngås for å oppnå optimal nøyaktighet.

I praksis, vil posisjonen for transponderen 19 fortrinnsvis bli bestemt i et relativt koordinatsystem av fartøyets DR-navigasjonssystem. Avviket av DR-navigasjonssystemet er lett beregnet som forskjellen mellom den kjente absolutte posisjon av transponderen og den bestemte relative posisjon av transponderen, og derfor er den absolutte posisjon av banen 25 bestemt.

Det er generelt foretrukket at estimater av posisjonen for fartøyet 1 i forhold til den enkelte transponder 19 blir utledet ved hjelp av posisjonsutgangen ved DR-navigasjonssystemet og avstandsmålingene. Videre, iboende parametere til naturen av DR-navigasjonssystemet, som f.eks. strømmen i sjøen, kan beregnes som en del av prosessen. Hver måling av avstanden er relatert til posisjonsutgangen ved DR-navigasjonssystemet kompensert ved estimatet for iboende parametere i DR-navigasjonssystemet, og et estimat av posisjonen for transponderen i den relative koordinatramme av DR-navigasjonssystemet blir utført.

Fortrinnsvis, blir en minst kvadraters algoritme (se f.eks. Lennart Ljung: "System Identification, Theory for the User", Prentice-Hall, 1987, ISBN 0-13-881640-9) brukt for å bestemme verdien av parametere som ligger i DR-navigasjonssystemet og en posisjon for transponderen i den relative koordinatramme av DR-navigasjonssystemet som passer best i settet av forhold oppnådd fra avstandmålingene, i forhold til minimalisering av kvadratene. En gjentakelsesmetode så som f.eks. Kalman filtre kjent i seg selv, kan også brukes for å implementere trianguleringsberegningene.

Avviket av DR-navigasjonssystemet blir nå beregnet som forskjellen mellom den kjente absolutte posisjon av transponderen, og den bestemte posisjon av den relative koordinatramme av DR-navigasjonssystemet.

I alminnelighet, vil et minimum på tre eller fire avstandsmålinger frembringe en utvetydig løsning, avhengig av hvorvidt dybden av transponderen er kjent fra før (dybden av fartøyet kan måles direkte ved trykksensing, som nevnt). Noen flere avstander vil bli nødvendig hvis det i systemets logg bare måler forskyvning i forhold til vannet. I alminnelighet, ville ekstra avstander bli målt så vel for å øke redundans i tilfelle kunstige målinger, og for å forbedre nøyaktigheten.

Det er en viktig fordel med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen at fartøyet ikke trenger å følge noen spesifikk bane. Det er også en fordel ved fremgangsmåten at posisjonen for fartøyet i forhold til transponderen blir bestemt uten å kreve kunnskap om den absolutte posisjon av transponderen.

Angående LBL-systemene ifølge tidligere teknikk, er det vel kjent at for å oppnå optimal nøyaktighet, må baselinjene mellom hver transponder være lang og spisse vinkler må unngås. Den foreliggende oppfinnelsen holder imidlertid en meget betydelig fordel over LBL-systemet idet det er mulig å gjøre avstandsmålinger til en transponder fra hvilket som helst antall posisjoner, dvs. et meget høyere antall enn antallet transpondere i et LBL-system. LBL ekvivalenten av dette ville være å utplassere et tilsvarende stort antall transpondere, som er både meget upraktisk og meget kostbart.

Hvis DR-systemet ikke er i stand til å kompensere for havstrømmer, dvs., hvis bare hastigheten gjennom vannet blir målt, kan havstrømmene også bli beregnet fra avstandsmålingene og dermed bli kompensert for. I dette tilfellet, vil imidlertid antallet målinger økes for å oppnå den samme nøyaktighet.

Man kan se fra det ovenstående at forutsetningene for den nøyaktige navigasjon på figur 2 er: 1) et DR-navigasjonssystem ombord i fartøyet 1, 2) at fartøyet må bevege seg i en bane av viss lengde og dimensjoner før man kjenner dens oppdaterte absolutte posisjon, mens 3) i retur, bare en transponder 19 med kjent absolutt posisjon er nødvendig.

I tillegg til pålitelig posisjonsfastsetning i punktene 15-18, gir fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen nøyaktig posisjonsinformasjon langs hele banen 15-16-17-18-15, og også for en tid etter den siste fix. forutsatt kvaliteten av DR-navigasjonssystemet. Det er ikke mulig fullt å kompensere for en kursfeil på DR-navigasjonssystemet ved bruk av bare avstandsmålinger fra en fast kilde. DR-navigasjonssystem med betydelig høyere kvalitet enn de som er vanlig brukt i LBL-systemer, vil være foretrukket for bruk ved systemet ifølge oppfinnelsen.

Siden kostnadene for et slikt "ekstra høy kvalitet" DR-navigasjonssystem er en første investering, mens behovet for flere transpondere i et LBL-system omfatter betydelig operasjonskostnader sammenlignet med bare en transponder, vil fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse tillate meget betydelige besparelser sammenlignet med det kjente LBL-navigasjonssystem.

Spesielt, de temmelig høye kostnader for et overflatefartøy som normalt er nød-vendig å utplassere, kalibrere og gjenvinne de mange transpondere nødvendig i det kjente LBL-system (typisk rundt US$ 30.000 per dag) kan være redusert til et minimum, eller helt eliminert, som skal forklares nedenfor.

På figur 3, er et annet utførelseseksempel av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen illustrert. Et ubemannet undersjøisk fartøy 1 har vært satt ut på overflaten 41 av sjøen, en innsjø eller en elv, og en transponder 34 er droppet på bunnen 40 av det samme legemet av vann.

Fartøyet 1 har en antenneanordning 30 og en passende mottaker for å motta absolutte posisjonsradiosignaler fra et posisjoneringssystem som f.eks. GPS. For å bestemme den absolutte posisjon av transponderen 34, vil fartøyet 1 bevege seg gjennom en bane 42 omfattende et antall posisjoner 51-53, og i hver posisjon måles avstanden 35-37 til transponderen ved hjelp av akustiske signaler. Den absolutte posisjon av fartøyet 1 ifølge det radiobaserte posisjoneringssystem blir registrert for hver av posisjonene 51-53.

Av klarhets grunner på tegningene, er bare tre slike posisjoner 51-53 med tilsvarende avstander 35-37 vist. Selv om et minimum av tre posisjoner vil være nødvendig for å bestemme den eksakte posisjon av transponderen, vil et høyere antall være foretrukket i ethvert tilfelle.

Posisjonen av transponderen i tre dimensjoner blir nå bestemt ved triangulering, ved bruk av linjer som forbinder posisjonene 51-53 som baselinjer sammen med avstandsmålingene. For å frembringe noen redundans til målingene, kan transponderen utstyres med en dybdeindikator, som gir en forhånds-dybdeinformasjon.

Transponderen kan også være utstyrt med ytterligere sensorer for å beregne hastigheten av lyd som skal brukes til å konvertere tidsforsinkelsen til et mål for avstand.

Fartøyet 1 neddykkes (31) til nær sjøbunnen 40, og beveger seg gjennom en bane 32 omfattende et antall posisjoner 54-56. I hver av disse posisjonene, blir det tatt målinger av avstanden 57-59 fra fartøyet til transponderen, på en lignende måte som forklart ovenfor med henvisning til figur 2.

Siden den absolutte posisjon av transponderen 34 er bestemt, kan de absolutte posisjoner 54-56 nå beregnes, og fartøyets DR-navigasjonssystem kan oppdateres tilsvarende. Undervannsfartøyet 1 kan nå fortsette på sin ønskede bane 33, idet det er i stand til kontinuerlig å registrere sin beregnede absolutte posisjon i henhold til data fra sitt DR-navigasjonssystem.

Med DR-navigasjonssystemet således oppdatert, er posisjonen som kontinuerlig gis av systemet kjent for å være korrekt innenfor en viss feil som øker med tiden i en praktiserbar måte, i henhold til de iboende kvaliteter av DR-navigasjonssystemet.

Fremtidige oppdateringer av DR-systemet vil bli utført etter behov, omfattende utveksling av akustiske signaler med transponderen 34, som forklart ovenfor med henvisning til figur 2.

På figur 4 er det illustrert hvordan et område som strekker seg langt utenfor det akustiske området av transponderen kan bli besiktiget i henhold til oppfinnelsen.

Ifølge oppfinnelsen, er banen for det neddykkbare fartøy anordnet på en slik måte at fartøyet vil returnere til innfor området av transponderen med regelmessige intervaller. DR-systemet kan således bli tilbakestilt så snart responssignalene fra transponderen kan bli mottatt og analysert. Så lenge dette mål er nådd, kan banen bli anordnet på hvilken som helst beleilig måte for vedkommende anvendelse.

Det er en karakteristikk som er kjent i seg selv av de fleste DR-navigasjonssystemer, at navigasjon i et avgrenset område vil forårsake noen av de iboende feilkilder som skal kanselleres ut, forbedre DR-ytelsen, uttrykt ved plasseringsfeil i forhold til den tilbakelagte avstand. Man kan lett se at posisjonen av feil som oppstår fra f.eks. en fast kursvinkelfeil i DR-systemet vil bli kansellert hvis fartøyet beveger seg langs en rett linje i en viss avstand, og så returnerer langs den samme linje til startpunktet. Dette vil faktisk gjelde uansett hvilken bane som tas. Det kan demonstreres at lignende forhold gjelder flere andre former av feiloppbygning i DR-navigasj onssystemet.

På figur 4 er det vist et anordningseksempel av en passende bane for skanning av et undervanns-oversiktsområde 68, som benytter de nevnte karakteristikker.

Et undervannsfartøy 1 vil starte ved posisjon 60, og første følge en bane 61 så som en lukket sløyfe, oppdatere sitt DR-navigasjonssystem som beskrevet ovenfor mot den kjente absolutte posisjon av transponderen 34 som er plassert på eller ovenfor sjøbunnen. Den akustiske rekkevidde eller avstand 81 av transponderen er ganske begrenset sammenlignet med utstrekningen av oversiktsområdet 68, og er illustrert med en sirkel 82 som har en radius 81 lik den nevnte avstand.

Med sitt DR-navigasjonssystem således oppdatert, fortsetter fartøyet oppmåling langs en bane 67 som fører fra transponderen, og fortsetter i retninger 72 og tilbake igjen i motsatte retninger 73. De motsatte retningsdeler 72, 73 av banen 62 er fortrinnsvis forskjøvet fra hverandre med en avstand 74 for å skanne oversiktsområdet 68 så regulært som mulig. Langs banen 67, vil fartøyet samle de ønskede prøver eller data, i henhold til hensikten med vedkommende misjon, f.eks. ved posisjonene 62-66.

Ifølge oppfinnelsen, er banen 67 slik anordnet at den fører tilbake til relativ nærhet av transponderen 34, f.eks. ved 69. Her vil undervannsfartøyet 1 utveksle signaler med transponderen 34, samle avstandsdata for å bestemme sin absolutte posisjon, som forklart med henvisning til figur 3. Dette blir gjort mens fartøyet følger en passende bane 69, som kan være en lukket sløyfe, eller f.eks. en kurve med en passende radius som indikert på figur 4, og som bringer fartøyet til korrekt kurs for å følge den neste bane 70.

Som sett på figur 4, er oversiktsarealet i utførelsen illustrert som skannet i etterfølgende kvadranter av oversiktsområdet, idet fartøyet 1 følger baner 67, 70, 71 osv. som indikert på figur 4.

Det er en viktig fordel med denne skanningsmetode at fartøyet 1 blir brakt tilbake til relativ nærhet av transponderen 34, slik at oppbygging av posisjonsfeil i DR-systemet kan kanselleres ved å oppdatere DR-systemet med den kjente absolutte posisjon av transponderen 34.

Det er en reell fordel med denne skanningsmetode at posisjonsfeil som oppstår i fartøyets DR-navigasjonssystem har en tendens til å balanseres ut når fartøyet etter å følge en bane 72 dreier seg rundt og beveger seg tilbake og følger den samme bane 73 i motsatt retning, og returnerer til nærheten av startpunktet. Den relative posisjonsfeil av nært atskilte punkter på linjen i motsatte retninger vil være små. Det må bemerkes som en spesifikk fordel at banen 67 kan nå langt utenom avstanden 81 ved hvilken akustisk signalkontakt kan has mellom fartøyet 1 og transponderen 34.

Den fundamentale nøyaktighet av systemet er begrenset ved det faktum at en fast kursfeil ikke er observerbar fra avstandsmålinger til en fast kilde. Den ventede maksimale posisjonsfeil er således som et minimum kursfeilen i radianer multiplisert med avstanden til transponderen. En kursfeil på f.eks. 0,5 milliradianer og en maksimum avstand på 5 km vil således være lik en posisjonsfeil på 2 til 5 meter.

Kvadrantene 70, 71 osv. blir skannet på lignende måte som den skanning som er beskrevet i den første kvadrant 67. Mellom skanningen av to etterfølgende kvadranter 67, 70, er det sikret at fartøyet 1 beveger seg i en passende bane 69 innenfor området 61 av transponderen 33, og tillater at man tar en korrekt posisjonsfix, og at DR-systemet av fartøyet 1 således kan oppdateres.

En person med ferdigheter i teknikken vil være i stand til å utarbeide passende baner ved å følge de prinsipper som er forklart ovenfor, for det formål å overvåke områder som ikke har en kvadratisk eller rektangulær konfigurasjon, eller hvor visse spesifikke forhold vil måtte bli vurdert.

Eksperimenter har vist at et areal på 10x10 km (100 km ) kan bli oppmålt til en nøyaktighet på mindre enn 4 meter ved bruk av bare en transponder i kombinasjon med et DR-system så som typen Kearfott G & N, type KN5053 "SeaNav" doppler-treghetsnavigasjonssystem. Denne oppmåling kan gjøres med meget betydelige økonomiske besparelser sammenlignet med det kjente LBL-system som omfatter et stort antall transpondere.

På figur 5, er det illustrert en spesielt fordelaktig utførelse av fremgangsmåten på figur 3. Denne utførelsen er overlegen blant annet ved meget langstrakte oppmålings-områder, så som når det utføres en "linjeoppmåling", dvs. oppmåling av en smal strimmel av sjøbunnen hvor f.eks. en kabel eller en rørledning skal neddykkes.

I en slik oppmåling, vil et neddykkbart fartøy som utfører oppmålingen typisk bevege seg langs stedet bare en gang, og registrere karakteristikker av f.eks. sjøbunnen.

Siden fartøyet således aldri vil returnere eller reise tilbake, vil ikke fremgangsmåten på figur 4 være brukbar. Isteden, kan utførelsen vist på figur 5 av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bli brukt.

Det neddykkbare fartøy 1 bærer et antall transpondere 75 som kan droppes etter kommando fra fartøyets kontrollsystem eller ved kommando fra f.eks. bemannet kontrollsenter. En transponder 34 blir droppet 43 før fartøyet senker seg 31 til operasjonsdybden, og posisjonen av transponderen blir kalibrert ved fartøyet 1 som beveger seg i en bane 42 mens det mottar posisjonsinformasjon så som GPS via en antenne 30, som forklart ovenfor med henvisning til figur 3.

Idet det senker seg til sin operasjonsdybde, beveger fartøyet seg i en bane 32 og bestemmer sin absolutte posisjon som forklart ovenfor med henvisning til figurene 2-3. DR-navigasjonssystemet på fartøyet 1 blir nå oppdatert, fartøyet setter ut på sin misjon, og beveger seg i en ønsket bane 33.

Etter en viss avstand er dekket eller en viss tid har gått, har den forutsigbare feil i den absolutte posisjon som beregnet av fartøyets DR-navigasjonssystem nådd et forutbestemt maksimumsnivå, og et nytt posisjonsfix vil være nødvendig for oppdatering av DR-systemet.

Det neddykkbare verktøyet 1 dropper så 44 en 45 av de medbrakte transponderne 75. Den posisjon ved hvilken DR-navigasjonssystemet tror transponderne var droppet (den "relative posisjon" av transponderen), blir registrert eller alternativt, hvis dette ikke gir tilstrekkelig nøyaktighet, blir den "relative" posisjon av transponderen bestemt ved at fartøyet beveger seg i en bane som beskrevet ovenfor og registrerer avstandsmålinger.

Det neddykkbare fartøy stiger 46 til overflaten 41 og bestemmer den absolutte posisjon av den droppede transponder 45 ved å bevege seg i en bane 47, motta posisjonssignaler og å gjøre avstandsmålinger, på samme måten som beskrevet ovenfor med henvisning til den først droppede transponder 34.

Fartøyet 1 synker så 48, bestemmer sin absolutte posisjon ved å bevege seg i en bane 49, utveksle signaler med den droppede transponder 45, og fortsetter så sin misjon 50.

Den absolutte posisjon av transponderen som nå er kjent, tillater bestemmelse av posisjonsfeil før oppstigning til overflaten, ved å sammenligne transponderens relative posisjon ved tidspunktet 44 ved dropping av transponderens relative posisjon etter en nylig oppdatering av DR-systemet, hvor sistnevnte relative posisjon nå henviser til det absolutte posisjoneringssystem brukt på overflaten.

Siden posisjonsfeilen ofte er en tilnærmet lineær funksjon av tid og/eller avstand, er det mulig å bestemme den virkelige banen mellom transponderne 34, 45 med meget stor nøyaktighet ved etterprosessering av data. Denne etterprosesseringsplan vil typisk være i stand til å kompensere mer enn 90 % av posisjonsfeiloppbyning mellom transponderflxer.

Ifølge oppfinnelsen, kan transpondere bli båret og droppet i hvilket som helst antall som er nødvendig for å utføre vedkommende misjon med ønsket posisjons-nøyaktighet, utsatt for begrensninger hovedsakelig i det neddykkbare fartøys 1 nyttelast og batterikapasitet.

For å kompensere for endringen i oppdrift fra dropping av en transponder, kan undervannsfartøyet bli utstyrt med et variabelt oppdriftssystem, som i seg selv er kjent. Alternativt, kan et objekt som har positiv oppdrift bli utløst sammen med hver transponder.

Utførelsen på figur 5 av en undervannsoppmåling har en meget distinkt fordel idet den kan bli utført uten bruk av overflatefartøy i det hele tatt. Det neddykkbare fartøy 1 kan bli satt ut ved hjelp av et helikopter, idet fartøyet bærer de nødvendige antall transpondere ved utsetting. Når misjonen er ferdig, blir fartøyet også hentet tilbake av helikopteret etter ankomst til overflaten. Kostnadene for slike to helikoptermisjoner er meget lavere enn for en overflateskipmisjon, primært på grunn av den meget kortere varighet av førstnevnte.

Transponderne kan være forprogrammert til å komme til overflaten ved å droppe en vekt etter en forutbestemt tid eller ved en passende kommando. Ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, er det imidlertid foretrukket å la fartøyet 1 samle transponderen umiddelbart etter oppdatering av dens DR-system, på denne måten kan bare en transponder være nødvendig for hele misjonen.

I en foretrukket utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, beregner undervannsfartøyet, i tillegg til avstanden, endringshastigheten av avstanden ("avstandsraten") fra det akustiske responssignal sendt fra transponderen etter utføring fra fartøyet.

I en tilnærming er det utnyttet at avstandsraten er proporsjonal med doppler-frekvensskiftet av responssignalet, og kan beregnes fra det nevnte dopplerfrekvensskift. Dopplerfrekvensskift er målbart siden frekvensen av responssignalet fra transponderen er kjent fra før.

En alternativ tilnærming ville være å bruke spredt spektrums signaleringsteknikk, som beskrevet i f.eks. konferansedokumentet T. C. Austin: "The Application of Spread Spectrum Signalling Techniques to Underwater Acoustic Navigation", AUV '94, IEEE Proceedings of the 1994 Symposium on Autonomous Underwater Vehicle Technology, 1994, sidene 443-449. I dette tilfellet ville responssignalet fra transponderen 34 omfatte spredt spektrum pulser, f.eks. med en spesiell koding så som Barker Code eller Gold Code, pulser som blir atskilt ved en fast og kjent tid T, f.eks. 0,1 s, 1 s eller 5 s.

Atskillelsen av atkomsttid Tm for de nevnte spredt spektrum pulser vil bli detektert ved fartøyets hydrofon og tilhørende spredt spektrum detektorkretser. Forskjellen dT = Tm - T blir så derivert og brukt for å beregne endringsraten for avstand eller "avstandsrate" (RR): RR = dT/T x vs, hvor vser lydens hastighet. Andre måter å bestemme avstandsraten fra det akustiske responssignal vil kunne tenkes, og/eller vil være kjent for fagfolk i teknikken.

Som nå skal forklares med henvisning til figur 6, tillater disse utførelsene av oppfinnelsen meget forbedret ytelse til å bestemme den absolutte posisjon under vann for fartøyet 1. I prinsippet, vil mottak av bare ett eller to signaler fra transponderen være tilstrekkelig til å oppnå en registrering av posisjonen i tre dimensjoner for fartøyet i forhold til transponderen.

Spesielt, vil undervannsfartøyet være i stand til å bestemme absolutt posisjon nær avstandsgrensen for de akustiske signaler uten å måtte utføre en forlenget bane for å tillate en lang baselinje. Dette er fordi avstandsraten frembringer betydelig informasjon om retningen til transponderen, som er komplementær til og uavhengig av avstandsinformasjon frembrakt ved tidsforsinkelsen.

Antatt at fartøyet 1 har en absolutt logg, så som f.eks. en Doppler Velocity Log som måler hastighetsvektoren over sjøbunnen i retning av aksen for fartøyet, eller andre midler for å måle den nevnte hastighetsvektor, og en stillingssensor som f.eks. en magnetisk eller gyrokompass eller en INS, vil hastighetsvektoren V for fartøyet 1 bli kjent i retning så vel som størrelse.

Nå er hastigheten v for fartøyet 1 mot transponderen 34 lik minus den nevnte avstandsrate. Den nevnte hastighet v vil også være lik størrelsen av V multiplisert med cosinus av vinkelen a mellom hastighetsvektoren V og retningen mot transponderen 34, dvs. "dot-produktet" av V og en enhetsvektor i retning fra fartøyet mot transponderen.

Følgelig vil transponderen 34 være lokalisert på overflaten av en konus som har sin spiss i fartøyets 1 hydrofon 10 og sin akse sammenfallende med hastighetsvektoren V. Denne koniske overflate er skjematisk illustrert på figur 6, ved de to linjene L, M.

Videre vil transponderen 34 bli lokalisert på overflaten av en kule S som har et sentrum i hydrofonen 10 og sin radius r lik den beregnede avstand (distanse) til transponderen.

Disse to kriteriene definerer en sirkel C (krysningen av den nevnte koniske overflate med den nevnte sfæriske overflate) som ligger i planet P og krysser planet for papiret på figur 6 i to punkter A, B. Sirkelen C er illustrert skjematisk på figur 6.

Siden dybden av transponderen er kjent (f.eks. fra den første triangulering eller fra telemetridata fra en innebygd trykksensor), kan denne være lokalisert i et horisontalt plan D, som krysser den nevnte sirkel i to punkter, er de mulige posisjoner for transponderen som sett fra undervannsfartøyet 1.

Å skjelne mellom den sanne og den falske av disse to punktene antas å være ganske lett, siden den virtuelle, absolutte posisjon (den absolutte posisjon som beregnet ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen) av det falske punkt vil endre seg fra en måling til en annen, som hastighetsvektoren endres. Også, så snart det er etablert hvilket punkt er det sanne, vil den absolutte posisjon av dette punkt være registrert, og å skjelne mellom fremtidige sanne og falske punkter vil være ganske lett.

Følgelig, i denne utførelse av oppfinnelsen, vil bare noen få, f.eks. to eller tre registreringer være tilstrekkelige til å etablere den absolutte posisjon i tre dimensjoner for fartøyet 1 (den absolutte posisjon av transponderen er kjent fra før i tre dimensjoner), og fremtidige oppdateringer av et fartøys DR-navigasjonssystem kan hver bli utført med bare en eller meget få anrop til transponderen. Dette vil frembringe betydelige operasjonsbesparelser, så vel som meget øket presisjon i undervannsnavigasjonen.

Tegningen på figur 6 er bare skjematisk, det er klart at hastighetsvektoren V og transponderen 34 ikke normalt vil begge ligge i planet for papiret, og således vil planet P ikke normalt være ortogonalt til planet for papiret. Også dybden (D) av transponderen er illustrert som sammenfallende med det laveste punkt på sirkelen C, hvilket normalt ikke vil være tilfellet.

En annen foretrukket utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er illustrert på figur 7. Her er referansestasjonen en bøye 76 som flyter på overflaten 41 av vannet og som har en antenne 77 for å motta absolutte posisjonsdata fra f.eks. GPS, og en høyttaler 78 for å overføre akustiske data inn i vannet. Bøyen kan være forankret, den kan drive med en hastighetsvektor U, eller dens bevegelse kan være styrt av en fremdriftsanordning, i henhold til karakteren av vannlegemet og vedkommende misjon. Bøyen kan være drevet av batterier, av vind eller solkraft, ved et generatorsett eller hvilken som helst kombinasjon av disse.

I henhold til oppfinnelsen, mottar bøyen 76 kontinuerlig absolutt posisjons- og hastighetsdata og fortrinnsvis også presis tidsinformasjon via antennen 77. Den oversender disse dataene akustisk inn i vannet gjennom høyttaleren 78.

Neddykkbart fartøy 1 beveger seg neddykket med en hastighetsvektor V, det har en hydrofon 10 og gjennom denne mottar det data sendt fra bøyen. Fartøyet registrerer også dopplerskift av akustiske signaler fra bøyen 76 for å oppnå avstandsrateinformasjon, fortrinnsvis dopplerskift av en bærefrekvens inkludert i signalet som har en kjent, viss frekvens. Alternativt, bestemmer fartøyet hastighetsraten ved hjelp av en spredt spek-trumssignaleringsteknikk, som beskrevet i tidligere utførelseseksempler.

Videre, kan fartøyet 1 benytte dybdeinformasjon frembrakt ved en dybdeindikator eller trykksensor ombord i fartøyet 1. Endelig, er fartøyet 1 utstyrt med en nøyaktig klokke, som tidligere er synkronisert med tidsbasen for bøyen, fortrinnsvis tidsbasen brukt av satellittposisjoneringssystemet.

I henhold til oppfinnelsen, blir den følgende informasjon fortrinnsvis prosessert i fartøyets kontrollsystem eller datamaskin: 1) Den absolutte posisjon og hastighet av bøyen er omfattet i det mottatte signal, 2) Avstandsinformasjon er utledet fra forskjellen mellom tidsinformasjonen av det mottatte signal og tiden for mottakelse av signalet, 3) Avstandsrateinformasjon, dvs. raten av endring av avstanden mellom fartøyet 1 og bøyen 76, som er lik projeksjonen av (V-U) i retning av posisjonen for bøyen ved transmisjonstiden, U og den nevnte posisjon omfattes i det mottatte signal,

4) Dybdeinformasjon som frembrakt ved dybdeindikator i fartøyet 1,

5) Fartøyets absolutte hastighetsvektor som frembrakt ved fartøyets logg og kryssreferanse, og

6) Posisjonsestimat fra DR-navigasjonssystemet.

Den matematikk som er nødvendig for å bestemme to mulige absolutte posisjoner av fartøyet tilsvarer nå direkte de som blir brukt med henvisning til figur 6, og en utvetydig posisjon blir bestemt nær like lett som i dette tilfellet, idet bevegelsen av bøyen er kjent til fartøyet fra innholdet av de akustiske signaler.

Denne utførelsen av oppfinnelsen har mange fordeler. For det første, en bøye er lettere å sette ut og å ta inn enn en transponder, og spesielt trenger den ikke å bli kalibrert, og ha tillegg til f.eks. GPS data. For det annet, ingen signaler blir sendt fra det neddykkede fartøy. Dette vil være viktig for militære anvendelser, og vil også tjene til å spare energi ombord. For det tredje, hvis bøyen driver, vil det faktisk være mulig å bestemme den absolutte posisjon for et stasjonært, neddykket fartøy, ved benyttelse av den fremgangsmåte som nettopp er beskrevet.

Det er ikke et absolutt krav for denne utførelsen av bøyen sender hastighets-informasjon. Isteden, kan bare avstandsmålinger bli brukt til å beregne den absolutte posisjon av undervannsfartøyet.

Videre, bøyen kan sende ytterligere bevegelsesdata så som f.eks. akselerasjon som kan brukes av fartøyet til å bestemme posisjonen. Det kan bemerkes at bøyen vil være meget lik de bøyene som er nevnt i US patent nr. 5 119 341.

Videre er det ikke et absolutt krav at den absolutte hastighetsvektor av fartøyet er kjent. Hvis bare hastighetsvektoren i forhold til vannet er kjent, kan strømmen i sjøen også beregnes, på bekostning av redusert nøyaktighet eller øket antall målinger.

En utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som illustrert på figur 8 skal nå forklares: En referansestasjon i form av enhet 79 autonomt sender korte akustiske signaler ("pings") fra en høyttaler 80 ved faste og kjente intervaller og frekvenser, en såkalt lydgiver eller akustisk fyr er plassert ved eller nær sjøbunnen 14. En under-vannsfartøy 1 som har en hydrofon 10 navigerer med en hastighetsvektor V innenfor hørbarheten av lydgiveren.

Antatt at nøyaktige klokker er tilgjengelige ved både lydgiveren og det neddykkbare fartøy, vil ping-mottakersidene utgjøre pseudo avstandsmålinger. Mens det neddykkede fartøy beveger seg videre, blir flere pseudoavstander frembrakt. Man kan se at det matematiske problem med å bestemme posisjonen for lydgiveren i den relative koordinatramme for DR-navigasjonssystemet er ekvivalent til det vel kjente GSP pseudo avstandsproblem, og kan f.eks. løses ved å bruke en minste kvadrat algoritme, et Kalman filter, eller den algebraiske løsning gitt i Stephen Bancroft: "An Algebraic Solution of GPS Equations", IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-21 no. 7, Jan. 1985, pp. 56-59. Som beskrevet i en tidligere utførelse, kan avstandstakten også beregnes og brukes til å bestemme den relative posisjon for fyret.

Antatt at den absolutte posisjon av lydgiveren har vært bestemt fra overflaten, blir forskyvningen fra DR-navigasjonssystemet nå beregnet ved å subtrahere posisjonene for transponderen i DR-rammen og den absolutte ramme, og dermed er den absolutte posisjon for det neddykkbare fartøy bestemt.

Siden en hovedfordel med bruken av lydgiver er at den er meget mildere enn en transponder 34 eller en bøye 76 av de nevnte typer, bør ingen høye krav settes til den. Følgelig, stabiliteten av signalfrekvensen og intervallet vil kanskje ikke være brukbart for basis for målinger.

I likhet med de tidligere utførelser, kan ukjente parametere som f.eks. intervaller og frekvens av fyret i noe utstrekning bli beregnet som en del av prosessen. Beregning av ytterligere parametere vil imidlertid typisk kreve ytterligere målinger, og kan legge noen begrensninger på bevegelsesmønsteret for fartøyet for å frembringe observerbarhet.

Eksperimentelle simuleringer har således vist at forutsatt tilstrekkelig datamaskineffekt er installert ombord på undervannsfartøyet, og forutsatt at korttids-frekvensstabilitet av lydgiveren kan antas, vil det være mulig å bestemme fartøyets absolutte posisjon fra et slikt lavkvalitets lydsignal.

I den ekstreme situasjon at ingen informasjon er tilgjengelig når det gjelder lydgiverens absolutte posisjon eller dybde, vil dette kreve temmelig mange registreringer av sett av tilgjengelige variable, som omfatter:

- Fartøyets dybde,

- Fartøyets absolutte hastighetsvektor (tre dimensjoner og mengde) eller hastighetsvektor relativ til vannet,

- Kontinuerlig forskyvningsinformasjon fra fartøyets DR-navigasjonssystem, og

- Mottatte lydgiver akustiske signalfrekvens og korttidsfrekvensavvik.

Når disse variable er registrert mens fartøyet beveger seg i en bane som varierer passende når det gjelder kurs, dybde, stigning og hastighet, vil det ifølge simuleringene som nevnt ovenfor være mulig å løse det matematiske problem med å bestemme den absolutte posisjon av fartøyet 1.

Det er klart at enhver supplementær informasjon vil ha en tendens til å la det matematiske problem bli løst raskere og med mindre innviklet bevegelse av fartøyet, slik informasjon kunne være at lydgiverfrekvensen faktisk er stabil, eller kanskje til og med kjent på forhånd. Unødvendig å si, hvis den absolutte posisjon av lydgiveren også er kjent, vil problemet være lett å løse.

Tilfellet hvor et oppmålingsområde skal oppmåles mer enn en gang, vil det være lite fordelaktig å samle transpondere etter bruk, som beskrevet med henvisning til figur 5. I slike tilfeller, f.eks. når en rørledning skal overvåkes regelmessig, f.eks. en gang i året, vil det være å foretrekke å la den droppede transponder være på plass, klar til å bli brukt i fremtidige misjoner. Siden posisjonen for slike transpondere ikke forandrer seg, vil det være åpenbart fordelaktig å være i stand til å bruke om igjen de samme transpondere i fremtidige misjoner.

Som et eksempel på en foretrukket utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for å inspirere rørledninger, kraftkabler, telekommunikasjonskabler, eller andre underjordiske installasjoner med langstrakt konfigurasjon, skal nå forklares med henvisning til figur 9.

En bane 83 av installasjonen 84 er kjent fra før til en viss nøyaktighet, f.eks. 10 m. Etter den prosedyren som tidligere er beskrevet og ved bruk av transpondere 85-88, blir installasjonen 84 fra først inspisert 33 ved et fartøy 1 som bruker f.eks. en sideskanndybdemålingssonarinstallasjon 89 som har tilstrekkelig stort "fotspor" 90 på sjøbunnen til å sikre at installasjonen 84 er dekket til tross for den nevnte usikkerhet av den absolutte posisjon og den forutsigbare navigasjonsfeil på undervannsfartøyet 1.

I den foreliggende utførelse av oppfinnelsen, kan den nevnte første inspeksjon bli utført ved bruk av for-utplasserte og for-kalibrerte transpondere 85-88, i hvilket tilfelle posisjonsfixene 98 er oppnådd via avstandmålinger 91 når man passerer en transponder, følgende den prosedyren som er forklart ovenfor med henvisning til figur 2, for å oppdatere DR-navigasj onssystemet.

I alle tilfelle, skulle avstanden 93 mellom etterfølgende transpondere 86-88 være slik at nøyaktigheten av sanntids navigasjon av fartøyet 1 mellom posisjonsfixene frembrakt ved hjelp av avstandsmålinger fra punktene 98 i den første inspeksjon og de følgende inspeksjoner er tilstrekkelige for sensoren 89, dvs. en sideskannsonar, for å sense installasjonen 84, og kunne f.eks. være 10 km hvis et DR-navigasjonssystem med meget høy nøyaktighet ble brukt. Etterprosessering av posisjonsdataene som beskrevet ovenfor vil frembringe en utmerket beregning av den virkelige bane 33 av undervannsfartøyet 1 under den første inspeksjon.

Den absolutte banen 83 av installasjon 84 skal nå bestemmes fra analyse av sonarbildet oppnådd ved installasjonen 84 under den nevnte inspeksjon.

Transponderne 85-88 forblir på sjøbunnen for bruk i etterfølgende inspeksjoner av installasjonen.

I senere inspeksjoner, blir undervannsfartøyet 100 kommandert til å følge en bane 94 som er beregnet fra den tidligere bestemte banen 33 til nærmere å følge installasjonen 84, og dermed å tillate kortavstandsinspeksjonssensorer 95, så som f.eks. et videokamera, et akustisk kamera, en dybdemålingssonar eller en laserskanner (avstandsmåler), for å sense installasjonen 84 fra en kortere avstand.

Posisjonsfix blir oppnådd via avstandsmålinger 96 fra punktene 97 hvor undervannsfartøyet 1 passerer innenfor det akustiske området av en transponder 85-88. Siden banene 33, 94 kan være nesten rette linjer, vil et posisjonsfix bli tvetydig siden det ligger på babord eller styrbord side av transponderen (som sett i bevegelsesretningen for fartøyet 1,100). Denne tvetydighet er imidlertid lett å løse ved bruk av tidligere kunnskap om plasseringene av transponderne 86-88.

Å følge inspeksjonsbanene 94 med nødvendig nøyaktighet, f.eks. 1 til 2 meter, er en meget utfordrende oppgave selv for en meget høy grad DR-navigasjonssystem. Siden imidlertid posisjonsfeilen for et slik høygrad DR-navigasjonssystem er nesten en lineær funksjon, dvs. meget systematisk for tid og avstand, spesielt i tilfelle av nesten lineær bane, vil det være mulig å oppdatere det nevnte DR-navigasjonssystem etter at posisjonsfixen er oppnådd fra to transpondere 85, 86 som kjente absolutte posisjoner.

Denne oppdatering vil typisk frembringe en tifoldig forbedring i kursnøyaktigheten og tillate utvidede avstander, f.eks. 10 km, til å bli navigert mellom posisjonsfixer med nødvendig nøyaktighet, f.eks. 1 til 2 meter. Det kan være fordelaktig å utplassere to transpondere 85, 86 med redusert intervall 92 ved begynnelsen av inspeksjonen for å tillate en første oppdatering å bli utført uten å måtte reise den fulle avstand 93 mellom transpondere 86-88.1 tillegg, en første bane av typen 32 (figurene 3, 5) kan passeres av fartøyet etter behov.

Ifølge en videre utførelse av oppfinnelsen, vil det være mulig å navigere for lengre tidsperioder over utvidede områder eller avstander ved hjelp av minst to samvirkende neddykkede fartøyer. Dette vil tillate autonom oppmåling av meget stort område eller meget lang linje uten behov for referansetranspondere eller inspeksjonsskip.

I denne utførelsen, har hvert av de samvirkende neddykkbare fartøyer antenneanordninger og passende mottaker for å motta absolutt posisjonsdata fra et posisjoneringssystem som f.eks. GPS. Hvert neddykkbart fartøy har også en høyttaler for å sende akustiske data inn i vannet.

Ved regulære intervaller stiger en av de neddykkbare fartøyer til overflaten, hvorfra det sender posisjons-, hastighets- og tidsdata inn i vannet ved hjelp av en høyttaler, på samme måte som forklart for bøyen 76 (figur 7). Disse dataene blir mottatt av det andre, neddykkede fartøy som beskrevet med henvisning til figur 7, og brukt til å oppdatere DR-systemet for det fartøyet.

Hvert av de neddykkede fartøyer kan videre være utstyrt med en generator-anordning som er i stand til å gjenopplade fartøyets batterier så lenge fartøyet er på overflaten. Nøyaktig absolutt navigasjon dekker således meget utvidede områder, selv f.eks. en transatlantisk inspeksjon kan oppnå. Fartøyene kan også kommunisere med en jordstasjon eller en operatør via satellitt eller overflateradiokommunikasjonsanordning mens det er på overflaten.

Selv om, i den foregående beskrivelse og kravene, det er henvist til navigasjon under overflaten av sjøen, vil ingenting hindre oppfinnelsen fra å bli brukt i andre media, hvor signalene av de vanlig brukte, radiobaserte navigasjonssystemer ikke forplanter seg effektivt.

Selv om, i den foreliggende beskrivelse og de medfølgende krav, henvisninger er bare gjort til bruken av oppfinnelsen i et neddykkbart fartøy, vil ingenting hindre oppfinnelsen fra å bli brukt i andre typer av neddykkbare enheter, hvis posisjoner skal bestemmes.

Claims (30)

1 Fremgangsmåte for å bestemme den absolutte posisjon under vann til et undervannsfartøy (1) som har et bestikkregningsnavigasjonssystem som ikke mottar posisjonsinformasjon fra utenfor fartøyet, hvor fartøyet mottar akustiske signaler fra en referansestasjon (34) som har en kjent absolutt posisjon og beregner sitt område fra referansestasjonen, karakterisert vedat signaler mottas fra én referansestasjon (34) i to eller flere posisjoner av fartøyet (1); at data for endringsrate av avstanden (avstandsrate) av fartøyet fra referansestasjonen utledes fra de akustiske signalene; og at anslåtte absolutte posisjoner av fartøyet beregnes ved å bruke dette beregnede område, hvor denne avstandsrate, og ved å bruke relative posisjonsdata fra bestikkberegningsnavigasjonssystemet.

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat disse avstandsratedata utledes fra opptak av Doppler-forskyvninger i frekvenser til de akustiske signalene fra referansestasjonen.

3 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert vedat disse avstandsratedata utledes fra tidsdiskrepanser i ankomsttidene av spredt-spekter-pulser liggende inne i de akustiske signaler fra referansestasjonen.

4 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat signaler mottas og data behandles ved korte tidsintervaller, som tilveiebringer et i all hovedsak fortløpende overslag for absolutt posisjon.

5 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat posisjonen til referansestasjonen (19; 34; 45; 76) i en relativ koordinatramme til nevnte bestikkregningsnavigasjonssystem estimeres.

6 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat de anslåtte absolutte posisjonsdata brukes til å oppdatere relative posisjonsdata til bestikkberegningssystemet.

7 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat anslag gjøres av parametere iboende til egenskapene til bestikkberegningsnavigasjonssystemet, så som sjøstrømmer, og relative posisjonsdata fra bestikkberegningsnavigasjonssystemet er kompensert med anslaget fordisse parametere.

8 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat en minste-kvadrat-algoritme benyttes i å bestemme verdiene av anslagene.

9 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat et Kalman-filter benyttes i å bestemme verdiene av anslagene.

10 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat disse anslagene gjøres videre ved å benytte informasjon om dybden til referansestasjonen.

11 Fremgangsmåte for avsøking av et undersjøisk undersøkelsesområde (68) ved hjelp av et undervannsfartøy (1) som beveger seg langs en ønsket vei, hvor fartøyet håret bestikkregningsnavigasjonssystem som ikke mottar posisjonsinformasjon fra utenfor fartøyet, hvor fartøyet mottar akustiske signaler fra en referansestasjon (34) som har en kjent absolutt posisjon og beregner sitt område fra referansestasjonen,karakterisert vedat den absolutte posisjonen til fartøyet er sporadisk bestemt ifølge fremgangsmåten i krav 1.

12 Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert vedat området strekker seg utover den operative rekkevidden (81) til referansestasjonen (34), og den mente kursen (67; 70; 71) til fartøyet er innrettet til å bringe fartøyet innenfor denne operative rekkevidden ved regulære tidsintervaller.

13 Fremgangsmåte ifølge krav 11 eller 12, karakterisert vedat den mente kursen av fartøyet er innrettet til å bringe fartøyet innenfor en minste avstand til hvert punkt i området.

14 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat referansestasjonen er plassert ved en fast absolutt posisjon.

15 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat den absolutte posisjonen til referansestasjonen (34) bestemmes av undervannsfartøyet på overflaten av vannet ved innsamling av absolutte posisjonsdata i en rekke posisjoner (51-53) fra et posisjoneringssystem som kan brukes på overflaten av vannet, og mens ved overflaten å motta akustiske signaler fra referansestasjonen, og å beregne avstandsdata ut fra disse signalene, hvor posisjons-og avstandsdata fortrinnsvis blir behandlet ombord fartøyet.

16 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat referansestasjonen (45) blir utplassert (44) fra undervannsfartøyet (1).

17 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat referansestasjonen samles inn av undervannsfartøyet etter estimeringen av en absolutt posisjon.

18 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav,karakterisert vedat referansestasjonen omfatter en akustisk transponder.

19 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-17, karakterisert vedat referansestasjonen omfatter en akustisk sendestasjon.

20 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de forutgående krav, imidlertid uten avhengighet på krav 15, karakterisert vedat referansestasjonen er plassert på overflaten av vannet, fortrinnsvis i en bøye (76) eller et fartøy.

21 Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert vedat referansestasjonen (76) mottar absolutte posisjonsdata fra et posisjoneringssystem som kan brukes på overflaten av vannet, og videresender slike data til undervannsfartøyet.

22 Fremgangsmåte ifølge krav 20 eller 21, karakterisert vedat referansestasjonen (76) utveksler kommunikasjonsdata med et kommunikasjonssystem som kan brukes på overflaten av vannet, og fortrinnsvis også utveksler slike data med undervannsfartøyet.

23 Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 20-22, karakterisert vedat referansestasjonen er plassert i et undervannsfartøy som er ved overflaten under bruk av referansestasjonen.

24 System for å bestemme den absolutte posisjonen under vann av et undervannsfartøy (1) ved hjelp av fremgangsmåten i krav 1, hvor systemet omfatter: - en referansestasjon (34) som har akustiske kommunikasjonsmidler; - akustiske kommunikasjonsmidler ombord fartøyet; - et bestikkregningsnavigasjonssystem ombord fartøyet; hvor systemet er karakterisert vedytterligere å omfatte beregningsmidler, fortrinnsvis ombord fartøyet, innrettet til å anslå absolutte posisjonsdata fra to eller flere mottak av signaler fra én og den samme referansestasjonen, sammen med relative posisjonsdata fra bestikkberegningsnavigasjonssystemet, og innrettet til å utlede endringsraten av avstanden (endringsraten) av fartøyet fra referansestasjonen ut fra disse akustiske signalene.

25 System ifølge krav 24, karakterisert vedat bestikkberegningssystemet omfatter et treghetsnavigasjonssystem.

26 System ifølge et hvilket som helst av kravene 24 eller 25, karakterisert vedat bestikkberegningssystemet omfatter: - et antall gyroer; - et antall akselerometre; - en Doppler-log for hastigheten over bakken; - en direkte eller indirekte lydhastighetsmålesensor; og - en trykksensor.

27 System ifølge et hvilket som helst av krav 24-26, karakterisert vedat undervannsfartøyet er innrettet for å bære et antall referansestasjoner (45) og til å starte (44) stasjonene uavhengig.

28 System ifølge et hvilket som helst av krav 24-27, karakterisert vedat undervannsfartøyet er innrettet for å samle inn et antall referansestasjoner.

29 System ifølge et hvilket som helst av krav 24-28, karakterisert vedat referansestasjonene er akustiske transpondere eller sende-stasjoner, som hviler på sjøbunnen eller er hengt opp ovenfor et anker som hviler på sjøbunnen.

30 System ifølge et hvilket som helst av krav 24-28, karakterisert vedat referansestasjonene (76) befinner seg på bøyer eller fartøy som flyter på overflaten av vannet.