NO844101L - Guniotelemetrisk system - Google Patents

Abstract

Et goniotelemetrisk system omfatter to akus-. tiske goniometre orientert langs to perpendiku-. lære akser, hvilke goniometre utfører målinger av vinkler i de to aksers skjæringspunkt 0, så vel som et treaksemagnetometer og et gradient-. meter for det magnetiske felt anbragt i skjæringspunktet 0.Systemet tillater lokalisering av fartøyer ut. fra samtidig måling av den akustiske støy de sender ut og den forstyrrelse av det jordmag-. netiske felt som de forårsaker, for å avfyre undervannsminer.

Description

Oppfinnelsen vedrører et goniotelemetrisk system og spesielt et system som omfatter akustiske måleanordninger og magnetiske måleanordninger for å lokalisere gjenstander i bevegelse ved hjelp av deres utstrålte akustiske støy og det jordmagnetiske felt som de forstyrrer. Et slikt system kan spesielt brukes til lokalisering av fartøyer. Det passer for lokalisering av fartøyer ved hjelp av undervannsminer som er anbragt eller forankret på havbunnen.

Det er kjent å lokalisere et fartøys posisjon ved hjelp av tre akustiske goniometre anbragt i forskjellige punkter. Hvert goniometer bestemmer, ut fra den akustiske støy som fartøyer utstråler, en utbredelsesretning for de utstrålte bølger. De samlede målinger fra de tre goniometre tillater oppnåelse av fartøyets posisjon. Imidlertid viser det seg at resultatene er lite nøyaktige på grunn av avstandene som må tas i betraktning og vanskelighetene med nøyaktig posisjon-ering av goniometrene.

En annen løsning består i å utføre magnetiske målinger av det magnetiske felt som fartøyet forstyrrer. I dette tilfellet kan man bruke et magnetometer med tre akser som måler magnetfeltets tre komponenter i målepunktet så vel som flere måleapparater for den magnetiske feltgradient. Denne løsning gir også lite nøyaktige resultater og de er vanskelige å utnytte .

Oppfinnelsen tilveiebringer et målesystem som gir nøyaktige resultater som er lette å utnytte. Det oppviser også den fordel at det for det første er lett å sette iverk, og for det annet at det tar liten plass, slik at det kan plasseres i et hvilket som helst apparat, som f.eks. en mine plassert på havbunnen.

Oppfinnelsen vedrører altså et goniotelemetrisk system som spesielt tillater lokalisering av en gjenstand i bevegelse, ved at det omfatter minst et første og et andre akustiske goniometer (2-3, 4-5) anbragt i et felles plan, minst ett magnetometer med tre akser, minst ett gradientmeter for det magnetiske felt (6) samt en regneanordning (80) forbundet med goniometrene (2-3, 4-5) til magnetometret med tre akser og til gradientmetret for det magnetiske felt (6), hvilken regneanordning (80) mottar måleinformasjoner fra disse anordninger og til gjengjeld gir et måleresultat for den bevegelige gjenstands posisjon.

Oppfinnelsen vil lettere bli forstått, og andre trekk og fordeler vil fremgå ved hjelp av følgende beskrivelse med referanse til figurene, der: - fig 1 er et forklarende skjema over et lokaliserings-sy-stem, - fig. 2 er et forklarende skjema over et akustisk lokali-seringssystem ifølge tidligere kjent teknikk, - fig. 3 er et forklarende skjema over et system ifølge oppfinnelsen , - fig. 4 viser et eksempel på utforming av et system ifølge oppfinnelsen, - fig. 5 er et eksempel på utforming av kretsene i et system ifølge oppfinnelsen, - fig. 6 viser et eksempel på utforming av et system for magnetiske målinger som kan brukes innenfor rammen av et system ifølge oppfinnelsen, - fig. 7 viser et eksempel på montering av et system ifølge oppfinnelsen i en undervannsmine.

Betrakter man et punkt M beliggende i et treaksesystem Oxyz slik fig. 1 viser, vil det å lokalisere punktet M ut fra et målepunkt O si å finne radius vektor O^M, dvs. absoluttverdi-en MO og de tre retningscosinene i forhold til treaksesystemet i forhold til treaksesystemet knyttet til 0.

For å bruke en indeksnotasjon, antar vi følgende notasjoner: u. = x, u_ = y, u = z, der u. med i = 1, 2, 3 henholdsvis refererer seg til retningene x, y og z.

I det tilfellet da punktet M bare kan forflytte seg i en halvkule, f.eks. u^> 0, er kjennskap til de to retningscosinene langs Ou^og Ou^tilstrekkelig.

I den hittil kjente teknikk finner man to familier av lokaliseringssystemer: akustiske lokaliseringssystemer og magnetiske lokaliseringssystemer.

Ifølge de akustiske lokaliseringssystemer kan et punkt M lokaliseres i forhold til tre punkter A, B og O, slik fig. 2 viser. Hvis r er avstanden mellom punkt M og punkt O og OA = OB = d, kan man siden r/d er større jo mindre <AMB = ^ er,

skrive:

To goniometre i A og B gir direkte verdiene av cos $^og cos-f2>og man har cos f^- cos ^ ^ - sinf sin a, hvor-

av man finner sin a og så r.

Et tredje goniometer i 0 måler Y for å gi retningen. Mangelen på dette system er at dersom man antar en rekke-vidde på 100 m og en nøyaktighet på to grader i vinkelmål-ingen, må avstanden d være større en to meter. Dessuten må målingene av £ og ^^gjøres ut fra samme referanse AB, hvilket er meget vanskelig når hensyn tas til vanskelighetene med oppankringen av et slikt system.

Ifølge de magnetiske lokaliseringssystemer forstyrrer metallmassen i den bevegelige gjenstand som skal lokaliseres det omgivende magnetiske felt, og måling av denne forstyrrelse tillater teoretisk lokalisering av den bevegelige gjenstand.

Ettersom den bevegelige gjenstand antas tilstrekkelig fjern fra målepunktet, er den magnetisk ekvivalent med en dipol

-f

med magnetisk moment M.

Verdiene av de tre komponenter av det magnetiske felt som dannes av ^ i målepunktet i en avstand r er:

der a^er retningscosinene til r i de tre regningene u^

og b.. =1 for i = j, og b.. = 0 for i j. For enkel-

hets skyld identifiserer man H. med H ..

1i Ul

Det er også kjent å måle gradientene til de magnetiske felt-komponentene. Under disse betingelser tillater målinger av magnetfeltkomponentene og gradientene lokalisering av punkt M. Med denne metode oppnår man imidlertid med tillegg av vanskelige beregninger bare en meget grov tilnærmelse av retningscosinene og derfor av r på grunn av feil som skyldes den forenklede modellen.

Oppfinnelsen tilveiebringer derfor et nøyaktig lokaliser-ingssystem som er lett å utnytte og lett å sette i verk.

Fig. 3 viser et oversiktsskjerna over et system ifølge oppfinnelsen. I et rettvinklet treaksesystem Ou^u^u^befinner det seg en gjenstand 1, f.eks. et fartøy som skal lokaliseres. På aksen Ou^er det i to i forhold til 0 sym-metriske punkter A og B plassert to akustiske sensorer 2 og 3. På aksen 0u£ er det i to punkter C og D, som ligger symmetrisk om 0 plassert to akustiske sensorer 4 og 5 og i punkt 0 er det plassert et treaksemagnetometer og et gradientmeter 6 for det magnetiske felt. Dette gradientmeter måler variasjonen av en komponent H. av feltet langs aksen 0^ for denne komponenten, dvs. i>H^/ &u^ .

De to akustiske sensorene 2 og 3 utgjør et første goniometer og tillater måling av vinkelen 3t= MOB i det plan som aksen Ou^og punkt M danner.

Likeledes utgjør de to sensorene 4 og 5 i et andre goniometer som tillater måling av vinkelen t^ = MOD i det plan som aksen OU2og punkt M danner.

Kaller man den rette linje mellom punktene O og M for Ot, tillater de to goniometere at den rette linje Ot kan bestemmes i forhold til det plan som aksene Ou^og Ou^danner. Legg merke til at de tre sensorer ville være tilstrekkelig for en slik måling. Skjæringspunktet 0 utgjør målepunktet der vinklene & og £ blir bestemt.

I punkt O tillater treaksemagnetometeret og gradientmetreret 6 for det magnetiske felt at komponentene av magnetfeltet og komponentene av magnetfeltgradienten kan måles. Det kan vises at avstanden r mellom punkt M og punkt 0 er proposjo-nalt med de tre komponenter av det magnetiske felt og omvendt proposjonal med magnetfeltgradienten som definert ovenfor. Formelen for r har formen:

der i fritt kan ha verdiene 1, 2, 3, med hvor

D

I disse formlene er a retningscosinene, slik at:

Videre gjør kjennskapet til r at man kan finne komponentene av dipolmomentet M^, M^, M^av:

som man får ved å invertere ligning (1).

Fig. 4 viser en utforming av systemet i fig. 3. I denne utforming av sensorene av en type med kulekarakteristikk og med lav elektrisk støy. Hver av sensorene 2 og 5 og gradientmeteret 6 for det magnetiske felt er forbundet til en behandlingsanordning 8 over forbindelsene 302 til 306. Anordningen 8 omfatter midler for beregning av for det første cosinus til vinklene og 0 ut fra data som blir avgitt fra goniometrene, for det annet avstanden r, ved å bruke formlene ovenfor, ut fra data avgitt fra gradientmeteret for det elektriske felt og retningscosinene.

For å oppnå en korrekt måling av r må det plane underlag (30) være parallelt med havets overflate, dvs. horisontalt. Hvis underlaget rører på seg, hvilket er tilfellet når det ikke er anbragt på havbunnen, kan planet (30) og sensorene monteres slik at man oppnår en opphengning, eller også kan dets posisjon i rommet bestemmes ved hjelp av to posisjons-sensorer, f.eks. akselerometre, det ene langs u^, det andre langs u^, idet beregningen av r korrigeres ved en enkel ombytting av aksene.

Det skal bemerkes at planet (30) kan være av et materiale som absorberer akustiske bølger, slik at man unngår parasit-tiske refleksjonsfenomener som kan forringe målingen.

/

Gradientmetret 6 for det magnetiske felt kan bestå av to ad-skilte apparater. Ifølge utformingen på fig. 5 er det reali-sert med et enkelt apparat av en type som kalles "fluxgate".

Som fig. 5 viser skjematisk, består den følsomme del av mag-netometeret av tre sonder (60, 61, 62) langs de tre aksene

(Ou^, OU2, Ou^), idet hver sonde utgjøres av en mett-

bar magnetisk kjerne og en magnetiseringsvikling som gjen-nomløpes av en vekselstrøm.

En målekrets (65) detekterer tilstedeværelsen av et magnetisk felt langs sondens akse. En sonde (63) plassert langs samme akse Ou^som sonden 61 gjør at det i samar-beide med denne kan oppnås måling av feltgradienten langs aksen Ou^(AH^ ) • Verdiene H^, H^, H og oH^ blir angitt på utgangsforbindelsen 306.

Under henvisning til fig. 6 skal man nå beskrive en utforming av behandlingsanordningen 8 på fig. 4.

På fig. 8 finner man sensorene 2 til 5 anbragt i samsvar med ovennevnte disposisjoner, gradientmetret 6 som for å forenkle fremstillingen ligger til høyre på figuren og behandlingsanordningen 8. Behandlingsanordningen 8 omfatter filtre 82, 83, 84 knyttet til forbindelsene 302, 303, 304 og 305 henholdsvis, en første fasemåler 87 forbundet med filtrene 82 og 84 svarende til to akustiske sensorer 4 og 5 i ett og samme goniometer, og en andre fasemåler 88 forbundet med filtrene 82 og 83 tilsvarende de to andre akustiske sensorene 2 og 3 i det andre goniometer. Anordningen 8 omfatter også en kalkulator 80 som mottar numeriske data fra fasemålerne og fra gradientmetret 6, idet anordningen be-handler disse data ogpå utgangen 89 avgir informasjon om fartøyets M posisjon ifølge likning (2) og om komponentene av det dipolare moment ifølge ligning (3).

Sensorene 2-5 mottar de akustiske bølger som utsendes fra 8

fartøyet 1 (fig. 3). Det akustiske støybånd strekker seg over et forholdsvis bredt område fra noen Hz til noen tusen Hz. De signaler som sensorene 2 og 3 avgir over forbindelsene 302 - 305, blir så filtrert i et smalt bånd omkring en arbeidsfrekvens valgt for systemet. Eksempelvis kan man ar-beide med en frekvens på 2500 Hz. Resultantsignalene påtrykkes de to inngangene på fasemålerne 87 og 88. Disse fase-målere som fortrinnsvis er digitale, avgir verdiene av de to retningscosinene a^og a ? langs Ou^og Ou^. Hvis d er avstanden mellom de to sensorene 2 og 3, så vel som mellom 4 og 5, oppnås retningscosinus direkte fra måling av f asef orsk jellen a <t> ifølge a =

2nd

der Xer den bølgelengde som svarer til arbeidsfrekvensen. For at A alltid skal være mindre enn 180°, velges avstanden d slik at d < X/ 2. Med en arbeidsfrekvens på 2500 Hz, tar en f.eks. d = 30 cm. Verdiene av retningscosinene påtrykkes en kalkulator 80. Denne mottar også, over forbin-delsen 306, verdiene av de magnetiske feltkomponenter og den magnetiske feltgradient. Anvendelsen av de før nevnte formler tillater da kalkulatoren 80 på sin utgang 89 å avgi retningen, avstanden (dipolmomentet) og komponentene av dipolmomentet.

Systemet kan omfatte tre gradientmetre som måler variasjon-ene (JH^^u^, aH2/oU2'sH3//S'u3'og man vel9er den som gir det sterkeste amplitudesignal. Man kan nemlig bruke hvilken som helst av de tre gradientene.

Fig. 7 viser et eksempel på iverksettelse av systemet ifølge oppfinnelsen i en undervannsmine.

En undervannsmine må her kunne lokalisere det fartøy som nærmer seg den så nøyaktig som mulig for å utføre en even-tuell driftsmessig klassifisering og for å bestemme avfyr-ingsøyeblikket. Hvis det f.eks. dreier seg om en dyptliggen-de mine, tillater beregning av avstandene projisert på vertikalaksen å bestemme avstanden mellom overflatefartøy og

ubåt.

Fig. 7 viser skjematisk en mine anbragt på bunnen og utstyrt med det ovenfor beskrevne goniometriske system.

Systemet er montert på øvre del av minen. Skallet består av en avkortet kjegle, fortrinnsvis laget av støpt akustisk gjennomsiktig plastikkmateriale (50) som kan beskytte se.v sorer som f.eks. 4 og 5, såvel som gradientmetret 6 for det magnetiske felt, som er festet til underlaget (30). Man kan se den eksplosive ladning (52) og den tilknyttede elektro-nikk (51) som spesielt styrer avfyringen ut fra de indika-sjoner som avgis fra behandlingssystemet 8 i systemet ifølge oppfinnelsen.

Claims (8)

1. Goniotelemetrisk system for lokalisering av et fartøy, karakterisert ved minst et første og et andre akustisk goniometer anbragt i samme horisontalplan og kryssende hverandre, minst et treaksemagnetometer, minst et gradientmeter for magnetisk felt og en kalkulatoranordning forbundet med goniometrene, med treaksemagnetometret og med gradientmetret for å motta målingene fra disse anordninger og bestemme fartøyets posisjon.

2. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 1, karakterisert ved at kalkulatoranordningen videre tillater bestemmelse av verdiene av komponentene i fartøyets magnetiske dipolmoment.

3. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første akustiske goniometer omfatter to sensorer beliggende langs en første akse, og det andre akustiske goniometer omfatter to sensorer beliggende langs en akse som skjærer den første akse i et skjæringspunkt beliggende midtveis mellom de fire sensorene for at målingen for hvert goniometer utliknes i skjæringspunktet .

4. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 3, karakterisert ved at treaksemagnetometret så vel som gradientmetret for det magnetiske felt er beliggende i skjæringspunktet.

5. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 4, karakterisert ved at treaksemagnetometret er orientert for å måle komponentene av magnetfeltet langs den første og den andre akse og langs en tredje akse perpendikulær på de to første.

6. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 5, kar akterisert ved at gradientmetret for det magnetiske felt er orientert for å måle magnetfeltets gradient langs den tredje retning.

7. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 4, karakterisert ved at den første akse og den andre akse er perpendikulære.

8. Goniotelemetrisk system som angitt i krav 6, karakterisert ved at goniometrene, treaksemagnetometret er festet på en bunnplate av materiale som absorberer de akustiske bølger.