NO338644B1 - Arkitektur for et akustisk multistatisk system - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et multistatisk sonarsystem hvor kommunikasjonen mellom senderstasjonen og mottakerstasjonene som er ansvarlig for å detektere sonarekkoene, utføres akustisk. Dette systemet gjør det nærmere bestemt mulig å omgå ulempene som oppstår ved bruk av radiokommunkasjon eller satellittbasert kommunikasjon, som generelt brukes til å synkronisere sende- og mottakerfunk-sjonene. Dette systemet er særlig beregnet for bruk av undervannsfartøyer ved dykking.

Det er også kjent monostatiske akustiske systemer omfattende en senderstasjon og en mottakerstasjon hvor senderstasjonen også fungerer som mottakerstasjon. Dokumentet US 5 099 458 beskriver et eksempel på et monostatisk akustisk system.

En viktig karakteristikk ved multistatiske sonarsystemer består i den fysiske sepa-rasjonen som eksisterer mellom senderstasjonen som sonarpulsen kommer fra og mottakerstasjonene ansvarlig for å detektere og lokalisere sonarekkoene. Slike systemer har særlig fordelen av å inneha en fleksibel og modulær arkitektur, hvis kompleksitet kan skreddersys til den geografiske og operasjonsmessige situasjo-nen. Den slik utformede multistatiske sonaren kan i hvert tilfelle omfatte et variabelt antall mottakerstasjoner. På den annen side krever en slik arkitektur eksisten-sen av kommunikasjonsmidler mellom senderstasjonen som syntetiserer og sender ut sonarpulsen, og mottakerstasjonene som mottar ekkoene. Nærmere bestemt, i den utstrekning man ønsker å oppnå koherent deteksjon, må mottakerstasjonene informeres om operasjonsparameterne til systemet. Disse parameterne gir detaljer vedrørende for eksempel hvilken type puls som sendes ut, sendefrekvensen, repeti-sjonsperioden eller annet vedrørende sendeøyeblikket. Annen informasjon, slik som posisjonen av senderstasjonen og mottakerstasjonene, som gjør det mulig å refere-re målingene av ankomsttidspunktet til ekkoene, passerer også via disse kommunikasjonsmidler.

For å etablere kommunikasjon mellom senderstasjonen og mottakerstasjonene er det velkjent gjeldende praksis å bruke en radiolink, for eksempel en RF- eller satellittbasert link.

Informasjonen som sendes er generelt av to typer:

kontekstinformasjon vedrørende naturen av den utsendte puls (koding, va righet og så videre), posisjonen av senderstasjonen, den generelle konfigu-rasjon av sonarsystemet og ellers datoinformasjon, synkroniseringsinformasjon som gjør det mulig å nøyaktig bekrefte sende- tidspunktet til sonarpulsen og å beregne avstand som atskiller objektene som har returnert ekkoer fra mottakerstasjonene.

Senere i dokumentet vil denne informasjonen kalles modusinformasjon.

Bruk av en radiolink har fordelen av å tillate samtidig sending av en stor mengde informasjon, idet båndbredden av det utsendte signal kan være betraktelig. På den annen side viser det seg i visse tilfeller å være vanskelig eller til og med umulig å bruke en radiolink. Dette gjelder særlig i forhold til undervannsfartøyer når de dyk-ker. Slik er også tilfelle for eksempel når den operasjonsmessige sammenheng ute-lukker bruk av radioutsendelser, av kamuflasjeårsaker.

Oppfinnelsesgjenstanden minsker disse ulemper ved å foreslå et multistatisk sonarsystem hvor sendingen av operasjonsinformasjon mellom senderstasjonen og mottakerstasjonene utføres ved hjelp av et akustisk signal.

Omfanget av oppfinnelsen fremgår av de etterfølgende patentkrav.

Systemet ifølge oppfinnelsen har, blant andre fordeler, den å operere uansett dyb-den av neddykking av senderstasjonen og mottakerstasjonene, og kan derfor im-plementeres av undervannsbåter under dykking. Foreliggende oppfinnelse har også fordelen av å tillate sanntidssending av operasjonsinformasjon. Denne informasjonen sendes i takt med sonarpulsene. Det akustiske signal som inneholder operasjonsinformasjonen over sonarpulsene blir med fordel sendt av en enkel senderinn-retning, idet de to signaler er atskilt med et tidsintervall At som kan være variabelt og hvis verdi kan inneholdes i operasjonsinformasjonen. Den senere informasjon kan videre være kryptert.

Andre karakteristikker og fordeler vil fremgå i etterkant av beskrivelsen illustrert av figurene 1-3 som representerer: • Figur 1, en illustrasjon av et multistatisk sonarsystem ifølge tidligere kjent teknikk,

• Figur 2, en illustrasjon av et system ifølge oppfinnelsen,

Figur 3, en illustrasjon av strukturen av det akustiske signal utsendt av systemet ifølge oppfinnelsen.

Illustrasjonene i figurene 1 til 3 presenteres som eksempler for å forenkle beskrivelsen av oppfinnelsen. De representerer selvfølgelig ikke en begrensning når det gjelder strukturen eller utførelsen av systemet ifølge oppfinnelsen.

Figur 1 illustrerer en typisk struktur av et multistatisk sonarsystem kjent fra tidligere teknikk.

Denne strukturen omfatteren senderstasjon og en eller flere mottakerstasjoner. For klarhets skyld viser figur 1 bare én mottakerstasjon.

Senderstasjonen 11 omfatter hovedsakelig to delsammenstillinger, en delsammenstilling beregnet for å sende ut sonarpulsen og en delsammenstilling beregnet for å sende operasjonsinformasjon. Disse to delsammenstillinger blir videre håndtert av sonarstyringsenheten 12.

Delsammenstillingen beregnet for å sende ut sonarpulsen omfatter på vanlig måte en sonarsender 13 og en akustisk antenne 14.

Delsammenstillingen beregnet for å sende modusinformasjon omfatteren radiosen-der 15 og en antenne 16.

På symmetrisk måte omfatter hver mottakerstasjon 17 en delsammenstilling for å motta sonarekkoene 113 reflektert av objektene 114 som ligger i sonen dekket av sonarutsendelsen 112. Denne delsammenstilling omfatter selv en akustisk antenne 18 og en passiv sonarmottaker 19.

Mottakerstasjonen 17 omfatter også en delsammenstilling for å motta selve operasjonsinformasjonen omfattende en antenne 110 og en radiomottaker 111.

Illustrasjonen i figur 1 gjør det mulig å innse begrensningene til en slik struktur. Særlig vil bruk av en elektrisk radiolink 115 for kommunikasjonen mellom senderstasjonen og mottakerstasjonene nødvendigvis implisere at i det minste elemente-ne 16 og 20 forblir på overflaten. Systemet er derfor neppe kompatibelt med stasjonene 11 og 17 båret av undervannsfartøy neddykket på dypet. Videre kan det legges merke til at selv under driftsbetingelser, så lenge senderstasjonen må være i stand til å kommunisere med flere mottakerstasjoner, er det vanskelig å bruke en høydireksjonal radioutsendelse. Kommunikasjonen av senderstasjonen med mottakerstasjonene bringer derfor med seg en utsendelse som er følsom for meteorolo-giske forhold, som ikke er godt kamuflert og som kan detekteres av fiendtlige ele-menter. Dette resulterer i betydelig risiko for jamming eller forstyrrelse. Dette fravær av kamuflasje som avdekker tilstedeværelsen av systemet kan gjøre dette systemet lite effektivt.

I tillegg vil en struktur slik som illustrert i figur 1 vise seg å være kompleks i sin struktur, sendingen av operasjonsinformasjon krever en transmisjonskjede 15, 16 spesifikk for denne funksjon og uavhengig av utsendelsen av sonarpulsen.

Figur 2 presenterer diagrammessig basisstrukturen av systemet ifølge oppfinnelsen. Slik som beskrevet i figur 1, omfatter dette systemet en senderstasjon 21 og generelt flere mottakerstasjoner 22. Pa den annen side, i motsetning til systemet illustrert i figur 1, kommuniserer stasjonen 21 med stasjonene 22 via en akustisk link. Modusinformasjonen og sonarpulsen blir slik sendt via den samme kanalen.

For dette formålet omfatter senderstasjonen 21 en modulator 23, som gjør det mulig å generere en modulert akustisk puls 210. Denne pulsen moduleres av modusinformasjonen kodet ved hjelp av kodingsanordningen 24. Kodingen av informasjonen kan for eksempel bestå i frembringelse av en binær melding omfattende antal-let bits som kreves for representasjon av informasjonen. Modulatoren 23 gjør det mulig å modulere den akustiske pulsen ved hjelp av signaler bestående av den bi-nære meldingen. Den frembrakte modulasjon kan foreksempel bestå av en modulasjon med frekvenshopping eller fasehopping. Den modulerte akustiske pulsen, som inneholder modusinformasjon, kalles også underrettelsespulsen. Senderstasjonen 21 omfatter også en summeringsanordning 225 som gjør det mulig å beregne summen av underrettelsespulsen og sonarpulsen 211 tilveiebrakt av styringsinnret-ningen 12. Endelig omfatter den en sonarsender 13 og en akustisk antenne 14 som sender ut sumsignalet 212 inn i forplantningsmediet.

På analog måte er strukturen av hver mottakerstasjon skreddersydd til mottak av modusinformasjon og av sonarekkoer på en og samme mottakskanal. For dette formålet omfatter stasjonen en enkelt akustisk antenne 18 som transformerer signalene mottatt til elektriske signaler 24. De mottatte signaler korresponderer på en side til informasjonsmeldingene som kommer fra senderstasjonen ved direkte transmisjon 215 og på den annen side til ekkoene 217 reflektert av objektet 218 som kan ligge i sonen dekket av sonarutsendelsen 216. Mottakerstasjonen omfatter også en separatoranordning 216 som gjør det mulig å separere sonarekkoene fra underrettelsespulsene. Den omfatter også en demodulator 27 og en dekodningsan-ordning 28 som gjør det mulig å gjenvinne modusinformasjonen som kreves for å konfigurere mottakeren 19 på en slik måte at mottaking av sonarekkoer optimalise-res. Endelig omfatter den prosesseringsorganer 29 som prosesserer sonarekkoene mottatt på en slik måte at posisjonen av objektene 114 bestemmes.

Ifølge en variant av strukturen, i det tilfelle hvor den akustiske antenne omfatter flere hydrofoner, er det mulig å tildele mer spesifikt bestemte hydrofoner for mottaking av underrettelsespulsen. Antennen til mottakerstasjonen splittes da i to delsammenstillinger. Denne strukturen kan kuliminere i den fullstendige separasjon av banene for mottak av underrettelsespulsene og for mottak av sonarekkoene, idet mottakerstasjonen da ikke lenger omfatter noen separatoranordninger 26.

Som det kan ses i figur 2, har strukturen av systemet ifølge oppfinnelsen fordelen av å ikke omfatte noen elektrisk radiolink og er derfor i stand til å operere totalt ned neddykket. Den gjør det også mulig å sende modusinformasjonen og sonarpulsen gjennom en og samme kanal, og å derved sikre temporær konkordans mellom de to signalene.

Strukturen av systemet ifølge oppfinnelsen kan med fordel supplementeres med krypterings-/dekrypteringsorganer assosiert med organene for koding 24 og deko-ding 28 av modusinformasjonen. Disse organene virker til å hindre direkte lesing av modusinformasjonen av tredje parter.

Figur 3 presenterer diagrammessig på en generell måte strukturen av signalet ut-nyttet av systemet ifølge oppfinnelsen. Signalet presentert i figur 3 utsendes av senderstasjonen 21 bestemt for mottakerstasjonene. Det omfatter særlig underrettelsespulsen 31 som inneholder modusinformasjon som følger den direkte bane 215 i figur 2.

Det utsendte signal omfatter også selve sonarpulsen 32. I figur 3 er det to pulser som danner utsendelsessignaler atskilt med et tidsintervall At. Dette tidsintervallet tillater særlig de forskjellige mottakerstasjoner som danner systemet å motta og dekode underrettelsespulsen før mottakelse av et ekko av sonarpulsen. Modusinformasjonen som bæres av underrettelsespulsen utnyttes av mottakerstasjonene til å konfigurere deres mottaker i samsvar med formen av den utsendte puls. Varigheten At kan være variabel som en funksjon av bruksområdet. Den kan for eksempel ha blitt bestemt for hver operasjonsmodus å være kjent av mottakerstasjonene. Den kan faktisk være fiksert under operasjonen av systemet og sendes til mottakerstasjonene som modusinformasjon. Begrensningen på verdien av At blir særlig pålagt av tiden som kreves av mottakerstasjonene til å konfigurere seg selv før mottak av ekko fra sonarpulsen og å ta hensyn til varigheten av de påkrevde akustiske baner.

I en bestemt utførelse kan det til og med benyttes et nullintervall At. De to pulsene er da umiddelbart etterfølgende.

Som illustrert i figur 3, er signalet utsendt av senderstasjonen, i tilfelle av systemet ifølge oppfinnelsen, et komposittsignal dannet av to pulser av forskjellig struktur.

Sonarpulsen er en puls av konvensjonell form, kjent annet steds fra. Den kan for eksempel være av fast frekvens, eller ellers tildelt en bestemt modulasjonslov.

Underrettelsespulsen for sin del er emnet for en bestemt modulasjon. Det modulerende signal representerer hele settet av modusinformasjon som skal sendes. Det består for eksempel av sammenkjedingen av dataene vedrørende modusinformasjonen, satt i binær form. Disse sammenkjedete dataene danner et ord eller en ramme omfattende et gitt antall bits avhengig av naturen til den sendte informasjonen.

Dette signalet vil modulere underrettelsespulsen gjennom en digital modulasjons-innretning, av for eksempel modemtype. Som angitt tidligere kan modulasjonsko-den for eksempel være koding ved fase- eller frekvenshopping, fase- og frekvenshopping eller enhver annen digital koding.

Varigheten av underrettelsespulsen er avhengig av mengden av modusinformasjon som skal sendes til mottakerstasjonene. I praksis er varigheten av underrettelsespulsen i størrelsesorden noen få sekunder. Denne varigheten som korresponderer til tiden som kreves for å sende noen hundre til noen få tusen bits av informasjon, er kompatibel med den konvensjonelle båndbredde av sonarsenderne. Systemet ifølge oppfinnelsen vil derfor med fordel ikke kreve bruk av bestemte midler for sending. Derfor kan for eksempel en sender med en båndbredde like 1 kHz være i stand til å sende en underrettelsespuls av 1 s inneholdende en modusmelding av en lengde lik omtrent 1 kbits.

Driftsmåten av systemet ifølge oppfinnelsen kan beskrives ved hjelp av figurene 2 og 3. Signalet utsendt av senderstasjonen er et signal omfattende to pulser: en underrettelsespuls 31 og en sonarpuls 31. Senderstasjonen kan foreksempel være den aktive sonar av en undervannsbåt. Underrettelsespulsen mottas på direkte må-te av mottakerstasjonene. Hver av mottakerstasjonene er videre utstyrt på kjent måte med midler som tillater dem å bestemme sin posisjon i forhold til en senderstasjon. Hver stasjon utfører dekodingen av modusinformasjonen. Denne informasjonen omfatter særlig verdien At av tiden som atskiller utsendelsestidspunktet av underrettelsespulsen, fra den for utsendelse av sonarpulsen. Kjennskap til At tillater mottakerstasjonene å bestemme utsendelsestidspunktet for sonarpulsen og å utføre en måling av forsinkelsen mellom den utsendte puls og ankomsttidspunktet for et ekko. Sammensetningen av mottakerstasjoner oppfører seg på denne måte som en multistatisk aktiv sonar.

I illustrasjonen i figur 2 er en sendestasjon avbildet som omfatter en enkelt sonarsender, idet underrettelsespulsen og sonarpulsen utsendes av en og samme sender 13. Denne løsningen representerer en økonomisk utførelse når det gjelder plassbe-hov og kostnad. Uansett er ikke denne løsning begrensende og det er selvfølgelig mulig å bruke to forskjellige akustiske sendere hvis behovet for å ha to separate sendere blir åpenbart.

Ifølge en utførelse av systemet blir utsendelsestidspunktet for sonarpulsen dedusert fra mottakstidspunktet for underrettelsespulsen. Mottakerstasjonene utfører for eksempel en deteksjon av omhyllingen av underrettelsespulsen og allokerer sonarpulsen et utsendelsestidspunkt avhengig av mottakstidspunktet for underrettelsespulsen og At.

Ifølge en annen utførelse er mottakerstasjonene og senderstasjonen tidligere syn-kronisert. Modusdataene vil derfor integrere informasjon som tilveiebringer den presise dato for utsendelse av sonarpulsen, og tillater derved mottakerstasjonene å finne ut utsendelsestidspunktet for sonarpulsen.

Strukturen av det utsendte signalet har fordelen av å gjøre systemet parameter-iserbart og derfor enkelt skreddersydd. Nærmere bestemt, på grunn av informasjonen som kan sendes gjennom underrettelsespulsen, er det mulig å modifisere kon-figurasjonen av systemet i sanntid. Som en funksjon av den utsendte informasjon er det for eksempel mulig å endre senderfrekvensen for sonarpulsen, dens modula-sjonstype eller ellers verdien av spalten At som atskiller underrettelsespulsen fra sonarpulsen: beskyttelse mot en slik sonar blir derfor gjort vanskelig. Det er videre mulig, som illustrert i figur 2, å utføre krypteringen av modusinformasjonen før modulasjonen. Pa denne måten, i fravær av dekrypteringsnøkkelen, er det mulig å få tilgang til modusparameterne for systemet.

I beskrivelsen ovenfor omfatter den beskrevne sendemodus et signal utsendt sys-tematisk bestående av to pulser. Et slikt signal kreves særlig i det tilfelle hvor man ønsker å være i stand til å modifisere bestemt modusinformasjon fra en utsendelse til den neste. Det er uansett mulig å benytte enklere operasjonsmodi, for hvilke operasjonsparametrene forblir uforandret over en relativt lang tid. I dette tilfellet er det for eksempel mulig å konstruere et system for hvilket sendesignalet noen ganger er dannet av en underrettelsespuls fulgt av en sendepuls, og noen ganger bare av en sendepuls. Det er også mulig å konstruere et system for hvilket sendesignalet er dannet av en underrettelsespuls fulgt av flere sendepulser. Mønstret utsendt av systemet ifølge oppfinnelsen kan ta forskjellige former som en funksjon av bruksområdene.

Som angitt tidligere er systemet ifølge oppfinnelsen særlig anvendelig for utførelse av en multistatisk sonar beregnet for å lokalisere ekkoer som kommer fra objekter som befinner seg i en undersøkelsessone. Imidlertid er ikke dette bruksområdet det eneste som kan tenkes, og det begrenser ikke på noen måte bruksområdet for systemet. Det er for eksempel også mulig å bruke det for å utføre posisjonering av selvstyrte undervannsfarkoster. Ved dette bruksområdet er senderstasjonen plassert på selvstyrte fartøyer og mottakerstasjonene er for eksempel plassert på overflaten.

Claims (16)

1. Multistatisk akustisk system omfattende i det minste: • en senderstasjon (21) omfattende midler for utsendelse av sonarpulser (32, 112, 211) og i det minste, • en mottakerstasjon (22) omfattende midler for mottakelse (18, 19) og pre-sisering av sonarekko (113) reflektert av objekter (114) som ligger i en sone dekket av sonarutsendelsen, idet senderstasjonen (21) også omfatter midler (23, 24) for å sende modusinformasjon til mottakerstasjonen (22), karakterisert vedat modusinformasjon sendes til mottakerstasjonen i akustisk form av en akustisk underrettelsespuls (31, 210), idet nevnte akustiske underrettelsespuls (31, 210) er en akustisk puls modulert av et signal inneholdende nevnte modusinformasjon.

2. Multistatisk system ifølge krav 1, hvor senderstasjonen (21) omfatter: • en kodingsanordning (24) for koding av kodeinformasjonsmodusen for å generere et signal som koder modusinformasjonen, • en modulator (23) for generering av en akustisk puls (210) modulert ved hjelp av signalet som koder modusinformasjonen, • en summeringsanordning (25) for å beregne summen av underrettelsespulsen (31, 210) og sonarpulsen (32, 112, 211) tilveiebrakt av en styringsinn-retning (12), • en sonarsender (13) og en akustisk antenne (14) for utsendelse av sumsignalet (25).

3. Multistatisk system ifølge et av kravene 1 til 2, hvor mottakerstasjonen (22) omfatter en enkelt akustisk antenne (18) som mottar sonarekkoene (113) og underrettelsespulsen (31, 210) og en separatoranordning (26) som gjør det mulig å separere sonarekkoene (113) fra underrettelsespulsene (31, 210).

4. Multistatisk system ifølge et av de foregående krav, omfattende en rekke mottakerstasjoner (22).

5. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat sonarpulsen (31, 112, 211) og underrettelsespulsen (31, 210) er adskilt av et tidsintervall At avhengig av operasjonsmodus av systemet og kjent for mottakerstasjonen (22).

6. System ifølge krav 5, karakterisert vedat sonarpulsen (31, 112, 211) og underrettelsespulsen (31, 210) er adskilt av et tidsintervall At hvis varighet sendes til mottakerstasjonen (22) med modusinformasjonen.

7. System ifølge et av kravene 5 eller 6, karakterisert vedat tidsintervallet At er lik null, idet sonarpulsen (31, 112, 211) og underrettelsespulsen (31, 210) er umiddelbart etterføl-gende.

8. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat underrettelsespulsen (31, 210) og sonarpulsen (32, 112, 211) utsendes av en enkelt sender (13) som suksessivt sender ut sonarpulsen (31, 112, 211) og underrettelsespulsen (31, 210).

9. System ifølge krav 1, karakterisert vedat modulasjonen av underrettelsespulsen (31, 210) med det modulerende signalet inneholdende modusinformasjonen utføres ved digital koding.

10. System ifølge krav 1, karakterisert vedat modulasjonen av underrettelsespulsen (31, 210) med det modulerende signalet inneholdende modusinformasjonen utføres ved fasehoppkoding.

11. System ifølge krav 1, karakterisert vedat modulasjonen av underrettelsespulsen med det modulerende signalet inneholdende modusinformasjonen utføres ved fre-kvenshoppkoding.

12. System ifølge krav 1, karakterisert vedat modulasjonen av underrettelsespulsen (31, 210) med det modulerende signalet inneholdende modusinformasjonen utføres ved frekvenshopp- og fasehoppkoding

13. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat utsendelsestidspunktet for sonarpulsen (32, 112, 211) bestemmes på basis av mottakstidspunktet for underrettelsespulsen (31, 210) av mottakerstasjonen (22) og av operasjonsmodusen.

14. System ifølge et av kravene 1-12, karakterisert vedat utsendelsestidspunktet for sonarpulsen (32, 112, 211) bestemmes på basis av tidspunktet for utsendelse av nevnte sonarpuls (32, 112, 211), inneholdt i signalet som inneholder modusinformasjon.

15. System ifølge et av de foregående krav, karakterisert vedat det omfatter organer for å kryptere modusinformasjonen.

16. Anvendelse av systemet ifølge et av de foregående krav for å kontrollere posisjoneringen av selvstyrte undervannsfartøyer.