WO2011036013A1

WO2011036013A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der position eines wasserfahrzeugs

Info

Publication number: WO2011036013A1
Application number: PCT/EP2010/062350
Authority: WO
Inventors: Benno Freking; Heiko Biegler
Original assignee: Atlas Elektronik Gmbh
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2011-03-31
Also published as: DE102009042969A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs mittels eines Vergleiches von mit einer Sonaranlage gemessenen Tiefenwerten (14) mit bekannten Tiefenwerten, wobei jeweils ein bekannter Tiefenwert einem Rasterpunkt (36) eines gerasterten digitalen Geländemodells eines bekannten Seegebietes zugeordnet ist (10). Die gemessenen Tiefenwerte werden jeweils einem Rasterpunkt (36) eines Rastermodells eines Geländeausschnittes zugeordnet (16), dessen Rasterweite an die Rasterweite des digitalen Geländemodells angepasst ist. Es sind zum Feststellen einer Übereinstimmung eine Mehrzahl von Parametern definiert (30), wobei für jeden Parameter ein die Übereinstimmung kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß ermittelt wird (32). In Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße werden Gesamtübereinstimmungsmaße gebildet (58), welche wenigstens ein eine maximale Übereinstimmung angebenden Extremwert aufweisen, dessen zugehörige Position in dem digitalen Geländemodell als die Position oder eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs bestimmt wird (60). Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines

Wasserfahrzeugs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 6.

Die Positionsbestimmung bei Überwasserwasserfahrzeugen basiert primär auf Satellitennavigationssystemen, wie bspw. dem Global Position System (GPS), bei dem die Laufzeiten der Satellitensignale zwischen den Navigationssatelliten und der Empfangsantenne bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit ermittelt werden. Dadurch ergibt sich ein Abstand des Navigationssystems zu dem jeweiligen Satelliten. Aufgrund der bekannten Lage der Satelliten kann eine Positionsbestimmung eindeutig erfolgen.

Nachteilig an einer Positionsbestimmung mittels GPS ist jedoch, dass durch bekannte Täuschungssysteme zum Senden von gefälschten Satellitensignalen an fremde Satellitenempfänger die Positionsbestimmung eines Satellitennavigationsempfängers zumindest zeitweise gestört werden kann und eine korrekte Positionsbestimmung somit verhindert wird.

Ferner besitzt die Positionsbestimmung mittels GPS den Nachteil, dass das GPS-Signal unter Wasser sehr schnell absorbiert wird und somit nicht ausbreitungsfähig ist. Das führt dazu, dass tauchende Wasserfahrzeuge wie bspw. U- Boote, AUVs oder Unterwasserlaufkörper keinen Kontakt zu GPS-Sensoren haben, die ihnen eine genaue Positionsbestimmung ermöglichen würden. Bekannte Navigationssysteme für Unterwasserfahrzeuge weisen im Allgemeinen eine Inertialmesseinrichtung auf, welche jedoch nur kurzzeitig eine genaue Navigation ermöglicht. Daher ist eine Stützung durch zusätzliche Sensoren notwendig wie bspw. eines Dopplerlogs und eines Heading-Sensors. Der Nachteil dieser Navigation liegt jedoch in der Summation des Fehlers. Der mit der Zeit wachsende Fehler verhindert eine genaue Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs.

US 6 819 984 B1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs, bei dem bathymetrische Daten herangezogen werden, um die Ergebnisse weiterer Sensoren, wie bspw. Geschwindigkeitssensor und fester Positionsmarkierung, zu verbessern. Dazu werden die bathymetrischen Daten im Bereich des versenkbaren Fahrzeugs zusammen mit der gemessenen Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs in eine Zustandsschätzung integriert. Ein Kalmanfil- ter sammelt die Terrain basierte Zustandsschätzung, den abschließenden Zustand, den gemessenen Neigungs-Bereich und den Ort der bekannten Positionsmarkierung und berechnet daraus eine Positionsschätzung des Wasserfahrzeugs. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch die Notwendigkeit weiterer Sensoren, insbesondere einer bekannten Positionsmarkierung, um eine Position des Wasserfahrzeugs zu bestimmen.

US 2007/0297289 A1 und US 2009/0031940 A1 zeigen ebenfalls Verfahren, die zusätzlich zu vorhandenen Navigationssensoren einen Terrain-Vergleich zum Erhöhen der Genauigkeit der Navigation durchführen. Dieser Terrain-Vergleich wird hierbei jedoch nicht ausführlich erläutert, sondern lediglich als eine mögliche funktionelle Ausgestaltung der genannten Verfahren angegeben.

Aus LUCIDO, L, u.a.:„Segmentation of bathymetric profiles and terrain maching for underwater vehicle navigation", International Journal of System Science, 1998, Vol. 29, S. 1 157 - 1 176 ist eine Terrain basierte Unterwassernavigation unter Verwendung von Sonardaten und bathymetrischen Profilen bekannt. Zur Durchführung einer derartigen Unterwassernavigation werden zwei Verfahren angegeben. Das erste Verfahren verwendet eine Kontur basierte Darstellung einer Tiefenkarte, bei der ein Vergleichsalgorithmus einen Satz von überein- stimmenden Konturpunkten liefert, der dann für eine iterative Kaimanfilterung verwendet wird. Das zweite Verfahren basiert auf einem digitalen Geländemodell, welches für den Terrain-Vergleich herangezogen wird. Der Vergleich wird anhand von übereinstimmenden Parametern durchgeführt, wobei die Parameter zu einem Vektor zusammengefasst werden. Das digitale Geländemodell wird in kleine Karten unterteilt, welche in X- und Y-Richtung verschoben werden. Die gesuchte Position befindet sich in der Mitte des Bildes, so dass eine 1 -zu-1 - Korrespondenz zwischen den bekannten Rasterpunkten des digitalen Geländemodells und den zugehörigen Parametervektor entsteht.

In FAN, J., u.a.:„Seabead Terrain Matching Algorithm Basing on Correction Factor of Tide and Probability Data Associate Filtering", ISECS International Collo- quium on Computing, Communication, Control and Management, Sanya, China, 8.-9. August 2009, S. 63-67 wird ein Verfahren zur Berücksichtigung der Gezeiten bei der Verwendung von Terrain-Vergleichs-Algorithmen beschrieben. Das Verfahren beruht auf der Verwendung eines Tide-Korrekturfaktors. Zur Ermittlung des Korrekturfaktors wird eine Vorhersage der Tide herangezogen, welche mittels verschiedener Verfahren bestimmt werden kann. Dies hat jedoch den Nachteil, dass der Tide-Korrekturfaktor laufend angepasst werden muss.

Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, die Positionsbestimmung von Wasserfahrzeugen zu verbessern und zwar unabhängig von bekannten Navigationssystemen, insbesondere Satellitennavigationssystemen.

Die Erfindung löst das Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6.

Verfügt ein Wasserfahrzeug über eine Sonaranlage zum Messen von Tiefenwerten, besteht die Möglichkeit einer Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs mittels eines Vergleiches von gemessenen Tiefenwerten mit bekannten Tiefenwerten eines Seegebietes. Die bekannten Tiefenwerte werden bspw. einer mitgeführten Tiefenkarte, insbesondere einer Bathymetrischen Karte oder einer Seekarte entnommen oder liegen als zuvor gemessene Vergleichstiefenwerte vor. Sie werde im Folgenden Geländedaten genannt. Die von der Sonaranlage direkt gemessenen Tiefenwerte werden im Folgenden Suchmusterdaten genannt.

Die durch Digitalisierung von Tiefenlinien einer Karte erhaltenen Geländedaten oder die gemessenen Vergleichstiefenwerte liegen als unregelmäßig im Raum verteilte x,y,z-Tripels vor. Um einen Überblick über das gesamte zu betrachtende Seegebiet zu erhalten, wird eine flächendeckende Darstellung bspw. in Form eines digitalen Geländemodells (DGM) benötigt.

Ein DGM ist ein digitales, numerisches Modell der Geländehöhen bzw. Geländetiefen und der Geländeformen. Es nähert die Geländeoberfläche durch eine begrenzte Anzahl regelmäßig angeordneter Stützpunkte, sog. x,y,z-Tripel an. Diese werden üblicherweise als Quadratraster mit gleichen Abständen in x- und y- Richtung angegeben. Dabei sind zwei Definitionen eines Raumbezuges möglich. Ein x,y,z-Tripel repräsentiert entweder jeweils eine Fläche einer Rasterzelle des DGM oder bezieht sich auf die Schnittpunkte der Rasterlinien, den Rasterpunkten. Im Folgenden wird als Raumbezug ein x,y,z-Tripel immer einem Rasterpunkt zugeordnet. Das Quadratraster hat den Vorteil, dass logische und algebraische Operationen einfach durchführbar sind. Die Darstellung als Quadratraster ist jedoch nicht zwingend. Ferner ist bspw. eine Einteilung des DGM in Dreiecks-, allgemeine Vierecks- oder Hexagonalraster denkbar.

Mittels bekannter I nterpolationsverfahren werden die Geländedaten an das Quadratraster des DGM angepasst. Jedem Rasterpunkt des DGM wird jeweils ein Tiefenwert zugeordnet. Das DGM stellt somit ein sog. Referenzmodell dar.

Die Suchmusterdaten der Sonaranlage repräsentieren einen Geländeausschnitt bzw. einen Teil der Oberfläche des Gewässergrundes. Dieser Geländeausschnitt ist möglichst kleiner als das bekannte Seegebiet des Referenzmodells und muss innerhalb des bekannten Seegebietes liegen. Zu diesem Geländeausschnitt wird ein sog. Rastermodell erstellt, indem jeweils einem Rasterpunkt ein gemessener Tiefenwert zugeordnet wird. Die den Abstand der Rasterpunkte angebende Rasterweite des Rastermodells wird an die Rasterweite des DGM angepasst. Diese Anpassung erfolgt derart, dass die räumliche, durch Zeilen und Spalten definierte Positionsangabe des Rastermodells der Positionsangabe des DGM übereinstimmt.

Der Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten erfolgt für eine Mehrzahl von definierten Parametern, wie bspw. mittlere Tiefe, Bodenstruktur, Abweichung von der Bodenstruktur, Standardabweichung, Bodensteigung in West-Ost- Richtung und/oder Bodensteigung in Süd-Nord-Richtung. Die Parameter können für eine Mehrzahl an Positionsbestimmungen beibehalten werden oder zu jeder Positionsbestimmung beliebig neu ausgewählt werden.

Für jeden Parameter wird ein die Übereinstimmung des DGM mit dem Rastermodell kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß ermittelt, und zwar für jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Rasterpunkten des DGM . Das Übereinstimmungsmaß besitzt dabei die Form einer prozentualen Übereinstimmung, welche von 0 bis 100 Prozent reicht.

Bevorzugt erfolgt die Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs nicht anhand eines einzelnen Parameters sondern anhand einer Kombination von mehreren Parametern zu Gesamtübereinstimmungsmaße. Die Gesamtübereinstimmungs- maße werden in Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße gebildet, wobei die Parameter verschieden gewichtet kombiniert werden. Dies erfolgt bspw. mittels Multiplikation der einzelnen ggf. gewichteten Übereinstimmungsmaße und anschließender evtl. Radizierung oder mittels Mittelwertbildung. Es sind beliebige anwendungsbezogene Abhängigkeiten denkbar.

Jedem Rasterpunkt des DGM, welchem jeweils ein Übertragungsmaß pro Parameter zugeordnet ist, wird ein Gesamtübereinstimmungsmaß zugeordnet. Es lassen sich somit vorteilhaft logische Verknüpfungen unter den Übereinstimmungsmaßen generieren, die einem Bediener erkennen lassen, inwieweit bspw. sowohl Parameter 1 als auch Parameter 2 als auch Parameter 3 an der Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs beteiligt sind.

Aus den in Matrixform vorliegenden Gesamtübereinstimmungsmaßen wird wenigstens ein Extremwert bestimmt, welcher eine maximale Übereinstimmung des DGM mit dem Rastermodell angibt. Je nach vorher festgelegter Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße kann der Extremwert ein Minimum oder ein Maximum sein. Anhand der räumlichen Positionsangabe durch das Zeilen- und Spaltensystem kann eine dem Extremwert zugehörige Position in dem DGM des bekannten Seegebietes als die Position des Wasserfahrzeugs bestimmt werden. Liegen mehr als ein gleicher Extremwert vor, geben diese jeweils eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs an.

Die Auswahl des wenigstens einen Extremwertes zur Positionsbestimmung des Wasserfahrzeugs kann manuell durch einen Bediener erfolgen oder automatisch mittels geeigneter Datenverarbeitung. Dadurch ist vorteilhaft eine automatische Positionsbestimmung möglich.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die Suchmusterdaten in einen Gleichanteil und einen variablen Anteil aufgespalten. Vorteilhafterweise wird nur der variable Anteil für den Vergleich von Geländedaten mit Suchmusterdaten herangezogen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, den Vergleich ohne Kenntnis der absoluten Tiefe durchzuführen. Folglich ist der Vergleich der Tiefenwerte unabhängig von den Gezeiten des Gewässers.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Teil der Übereinstimmungskriterien mittels der linearen Regression ermittelt. Die Ergebnisse dieser Regressionsanalyse sind eine Steigung der Regressionsgeraden, ein evtl. vorhandener Y-Offset und eine Standardabweichung. Die Steigung der Regressionsgeraden gibt dabei ein Maß dafür an, mit welchem Anteil die Suchmusterdaten bei den Geländedaten vertreten sind, der evtl. vorhandene Y-Offset ist ein Maß für die mittlere Tiefe und die Standardabweichung ist ein Maß für die Abweichung des Geländeausschnittes von dem gerade untersuchten Seegebiet. Durch die Verwendung solch einer Regressionsanalyse entsteht der Vorteil einer Unabhängigkeit der Positionsbestimmung von der absoluten Tiefe.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder die Gesamtübereinstimmungsma- ße in einem Darstellungsraster eingegeben. Diese vorteilhafte, visuelle, flächenhafte Darstellung liefert dem Bediener ein sehr klares Bild darüber, ob es eine eindeutige Position gibt oder bei einer Vielzahl von möglichen Positionen, welche wie wahrscheinlich sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich zur Position des Wasserfahrzeugs ein Maß für die Zuverlässigkeit dieser Position angegeben. Dazu werden diejenigen Rasterpunkte ermittelt, zu denen ein Ge- samtübereinstimmungsmaß oberhalb einer vorbestimmten Schwelle bzw. Wertes zugehörig ist. Je geringer die Anzahl dieser ermittelten Rasterpunkte ist, umso größer ist das Maß für die Zuverlässigkeit der ermittelten Position. Dies liefert dem Bediener eine vorteilhafte Entscheidungshilfe zu der ermittelten Position des Wasserfahrzeugs. Wird bspw. eine Positionsbestimmung in einem vollkommen ebenen Gelände vorgenommen, ist das Übereinstimmungsmaß in dem gesamten Gebiet nahezu gleich groß und liefert somit ein geringes Maß an Zuverlässigkeit der ermittelten Position. Ferner ist es vorteilhaft diesen Zuverlässigkeitswert einer weiteren Verarbeitung bereitzustellen, um bspw. eine Historie der Zuverlässigkeitswerte zu erstellen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden die mittels der Sonar- anlage gemessenen Tiefenwerte punktuell, linienhaft oder flächenhaft erfasst. Demnach sind verschiedene Ausführungsformen der Sonaranlage denkbar. Je nachdem welche Erfassung des Geländes gefordert ist, kommen einfache Echolote oder sog. Fächerlote zum Einsatz. Die Suchmusterdaten in Form von gemessenen Tiefenwerten können demnach eindimensional sein oder einem echten zweidimensionalen Muster entsprechen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird nach einmaliger eindeutiger Positionsbestimmung ein Suchbereich für nachfolgende Positionsbestimmungen festgelegt, wobei derjenige Bereich ermittelt wird, welcher von dem Wasserfahrzeug in der Zeit zwischen den Positionsbestimmungen theoretisch erreichbar ist. Dies reduziert in vorteilhafter Weise den Rechenaufwand.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird durch eine fortlaufende Positionsbestimmung zusätzlich zur Position der Kurs über Grund und die Geschwindigkeit über Grund ermittelt. Das hat den Vorteil, dass alle für eine Navigation relevanten Daten vorliegen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen

Verfahrensschritte;

Fig. 2A-B ein DGM der Geländedaten und ein Rastermodell der Suchmusterdaten;

Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ermittlung der Übereinstimmungsmaße;

Fig. 4A-C die Aufteilung der Suchmusterdaten in einen Gleichanteil und einen variablen Anteil;

Fig. 5A-B die Ermittlung der Übereinstimmungsmaße mittels einer linearen

Regression.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Verfahrensschritte zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs. Zunächst werden die einer mitgeführten Karte entnommenen Tiefenlinien eines bekannten Seegebietes digitalisiert, indem die den Tiefenlinien zugehörigen Punkte in bestimmten Intervallen gespeichert und mit den zugehörigen Tiefenwerten als Attribut versehen werden. Da diese Punkte ungleichmäßig verteilt sind, wird für eine flächendeckende Darstellung ein DGM erstellt 10. Liegen die bekannten Tiefenwerte bereits in Form eines DGM vor, so entfällt eine entsprechende Verarbeitung.

Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich auf ein DGM in Form eines Quadratrasters. Sie sind jedoch auch auf andere Geometrie-Modelle anwendbar.

Im rasterbasierten DGM bildet eine Rasterzelle ein Grundelement. Sie ist von Rasterlinien begrenzt, deren Schnittpunkten bzw. Rasterpunkten jeweils ein Tiefenwert zugewiesen ist. Mittels bekannter Interpolationsverfahren werden die Punkte der Tiefenlinien an das Quadratraster angepasst. Die Genauigkeit einer derartigen geometrischen Beschreibung ist abhängig von der Basisgröße der Rasterzelle, einer sog. Rasterweite. Die Rasterweite wird so eng gewählt, dass markante Strukturen der Geländeoberfläche von dem Raster mit erfasst werden.

Da es in einem Quadratraster keine durch Koordinaten definierte Punkte gibt, muss zur Definition der Geometrie der Rasterzellen ein Ursprung des Rasters, eine Orientierung des Rasters sowie eine Rasterweite definiert werden. Zur geometrischen Positionsbeschreibung werden sog. Index-Tupel (i,j) verwendet, welche die Position einer Rasterzelle in Bezug auf den Ursprung (1 ,1 ) des Rasters beschreiben. Unter Beachtung dieser Definitionen werden die Geländedaten aus dem DGM ausgelesen 12.

Von dem Wasserfahrzeug aus erfolgt eine systematische hydrographische Vermessung eines Gewässerbodens eines Seegebietes mittels einer Sonaranlage.

Das Sonar (Sound Navigation and Ranging) ist eine Schallmesstechnik zur Ortung und Vermessung von Gegenständen unter Wasser. Eine aktive Sonarver- messung basiert auf ein vom eigenen Wasserfahrzeug ausgesendeten und vom Schallwandler anschließend empfangenen akustischen Signal. Aus der Laufzeitmessung der Schallwellen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit wird die Tiefe ermittelt. Echolote bspw. arbeiten nach dem aktiven Sonarprinzip.

Für die Vermessung von Gewässerböden werden jedoch üblicherweise statt E- cholote mit Einzelstrahl Fächerlotsysteme eingesetzt. Dabei werden Wasserschallsignale abgestrahlt und mittels einer Empfangsantenne, welche eine Vielzahl elektroakustischer oder optoakustischer Wandler zum Empfangen von Schallwellen und Erzeugen von elektrischen Empfangssignalen aufweist, richtungsselektiv empfangen. Der Empfangsantenne ist ferner ein Richtungsbildner nachgeschaltet, in dem die Empfangssignale der Wandler, abhängig von der Anordnung der Wandler auf der Antenne verzögert und zu Gruppensignalen zu- sammengefasst werden. Dadurch wird erreicht, dass die Empfangsanordnung in einem festgelegten Empfangssektor einen Fächer von einer Vielzahl gegeneinander verschwenkter Richtcharakteristiken aufweist. Somit wird die Vermessung des Gewässerbodens genauer und effizienter. Die auf diese Weise gewonnenen Tiefenwerte der einzelnen Richtcharakteristiken ergeben aneinandergereiht eine flächendeckende Vermessung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf eine flächendeckende Vermessung beschränkt. Ferner ist es möglich die Messdaten eines Einzelstrahlecholotes als punktförmige oder linienförmige Vermessung zu speichern.

Die mittels der Sonaranlage gewonnenen Daten werden gemäß Fig. 1 als gemessene Tiefenwerte gespeichert 14. In einem weiteren Verarbeitungsschritt wird aus diesen gemessenen Tiefenwerten, den sog. Suchmusterdaten ein Rastermodell erstellt 16. Dazu wird jedem Rasterpunkt ein Tiefenwert zugeordnet, welcher entweder direkt vorliegt, mittels bekannter Interpolationsverfahren oder mittels Approximation bzw. Filterung ermittelt wurde. Da die Messwerte der Sonaranlage, bspw. aufgrund des Öffnungswinkels des Fächerlotes, oftmals nicht rasterförmig mit gleichem Abstand vorliegen, wird mittels Interpolationsverfahren ein Attributwert an einer Stelle vorhergesagt, an der dieser Wert nicht gemessen wurde. Da es bei einem Rastermodell keine Punkte gibt, die durch Koordinaten beschrieben werden können, wird zur Definition der Geometrie des Rasters ein Ursprung des Rasters, eine Orientierung des Rasters und eine Rasterweite bestimmt.

Zu beachten ist, dass die Form und Größe der Rasterzellen, welche mit der Definition des Rasters vorgegeben sind, bei der Erstellung des Rastermodells an die Rasterzellen des DGM angepasst sind. Diese Anpassung erfolgt derart, dass die zu vergleichenden Rasterpunkte des DGM und des Rastermodells ein und den selben Geländepunkt repräsentieren. Dabei ist es denkbar, die Rasterweite des Rastermodells bspw. um den Faktor 2 zu vergrößern und für einen Vergleich nur jeden zweiten Rasterpunkt heranzuziehen.

Fig. 2A-B zeigen jeweils ein Raster mit eingezeichneter Tiefenlinie 20. In Fig. 2A ist beispielhaft das DGM der Geländedaten und in Fig. 2B das Rastermodell der Suchmusterdaten dargestellt.

Zur Definition der Geometrie von Rasterzellen 22 wird ein Ursprung 24 und eine Orientierung des Rasters festgelegt. Dazu wird ein Index-Tupel (i, j) definiert, welcher die Position einer Rasterzelle 20 festlegt. Der Zeilen-Index i wird vertikal von oben nach unten aufgetragen und der Spalten-Index j horizontal von links nach rechts. Ferner wird zur Definition der Geometrie der Rasterzellen 22 die Rasterweite festgelegt. Diese wird so eng gewählt, dass markante Strukturen der Geländeoberfläche mittels des Rasters erfasst werden. Da der durch die Suchmusterdaten dargestellte Geländeausschnitt kleiner ist als das Seegebiet, ist das Rastermodell der Suchmusterdaten ebenfalls entsprechend kleiner als das DGM der Geländedaten. Zum Feststellen einer Übereinstimmung von Suchmusterdaten mit Geländedaten wird in dem Rastermodell der Suchmusterdaten eine Bezugsposition 26 festgelegt.

Anhand Fig. 1 ist als nächster Verfahrensschritt eine Festlegung der Parameter 30 für den Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten angegeben. Dieser Verfahrensschritt ist jedoch optional, d.h. die Parameter können für eine Mehrzahl von Positionsbestimmungen beibehalten werden und müssen nicht zu jeder neuen Positionsbestimmung erneut festgelegt werden. Die Parameter können bspw. eine mittlere Tiefe, eine Bodenstruktur, Abweichungen von der Bodenstruktur, eine Standardabweichung, Bodensteigung in West-Ost-Richtung und/oder Bodensteigung in Süd-Nord-Richtung sein, aber auch weitere, bislang nicht erwähnte Parameter sind denkbar. Ist bspw. die absolute Tiefe des Wasserfahrzeugs nicht bekannt, so wird für den Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten die Bodenstruktur verstärkt herangezogen.

Anschließend werden die Übereinstimmungsmaße berechnet 32. Dies erfolgt für jeden zuvor definierten Parameter. Die Übereinstimmungsmaße der Geländedaten mit den Suchmusterdaten werden für eine vorbestimmte Anzahl Rasterpunkte des DGM ermittelt und besitzen vorzugsweise die Form einer prozentualen Übereinstimmung, welche von 0 bis 100 Prozent reicht.

Fig. 3 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Ermittlung der Übereinstimmungsmaße für jeden Rasterpunkt 36. In dem dargestellten DGM sind die Geländedaten sowie die zu vergleichenden Suchmusterdaten für j-Spalten und i- Zeilen beispielhaft dargestellt.

Für einen Vergleich der Geländedaten mit den Suchmusterdaten wird nun zu jedem Rasterpunkt, beginnend beim Ursprung 24 des DGM, ein Übereinstimmungsmaß des Wertes der Bezugsposition 26 der Suchmusterdaten mit dem Wert des Rasterpunktes des DGM der Geländedaten ermittelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch nicht auf einen Vergleich mittels einer Bezugsposition 26 in den Suchmusterdaten beschränkt. Ferner ist bspw. ein Vergleich der Geländedaten mit einer zusammenhängenden Folge von Rasterzellen oder entsprechender Mittelwertbildung der Suchmusterdaten denkbar.

Für die Ermittlung der Übereinstimmungsmaße unabhängig von der absoluten Tiefe des Wasserfahrzeugs ist es vorteilhaft, die Suchmusterdaten aufzuspalten. Fig . 4A-C veranschaulicht die Aufteilung der Suchmusterdaten 40 in einen Gleichanteil 42 und einen variablen Anteil 44. Es ist jeweils der örtliche Verlauf der Tiefenwerte über die Tiefe 46 aufgetragen.

Fig. 4A zeigt einen beispielhaften Verlauf der Suchmusterdaten 40. Um unabhängig von der absoluten Tiefe des Wasserfahrzeugs einen Vergleich der gemessenen Tiefenwerte mit den bekannten Tiefenwerten durchzuführen, wird die in Fig. 4B dargestellte mittlere Tiefe in Form eines Gleichanteils 42 von den Suchmusterdaten 40 subtrahiert. Daraus ergibt sich ein Verlauf des variablen Anteils 44 der Tiefenwerte, welcher mit den Geländedaten verglichen wird und in Fig. 4C dargestellt ist.

Fig. 5A-B zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ermittlung der Übereinstimmungsmaße mittels einer linearen Regression. Die lineare Regression ist eine statistische Methode um Zusammenhänge zwischen zwei Variablen zu untersuchen. In diesem Fall sind die zwei Variablen die Tiefenwerte des DGM Z1 und die Tiefenwerte des Rastermodells Z2.

In Fig. 5A ist ein Ausschnitt des Quadratrasters des DGM dargestellt. Jedem Rasterpunkt 36 sind zwei Werte (Z1_i, Z2_i) zugewiesen. Die Rasterpunkte 36 sind von links nach rechts durchnummeriert, beginnend in der ersten Zeile, mit den Zahlen von 1 bis 6. In der zweiten Zeile folgen die Zahlen von 7 bis 12 wieder von links nach rechts.

In Fig. 5B ist eine Auswahl der Wertepaare der ersten zwölf Rasterpunkte 36 graphisch aufgetragen. Der horizontalen Achse 50 sind die Tiefenwerte des DGM Z1 zugeordnet und der vertikalen Achse 52 die Tiefenwerte des Rastermodells Z2. Es lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen den Werten feststellen. Somit ist es möglich eine Regressionsgerade 54 zu bilden gemäß der Vorschrift

Z1 = a · Z2 + b Dabei entspricht der Parameter a der Steigung der Regressionsgeraden 54 und der Parameter b dem Achsenabschnitt. Mittels der linearen Regression lassen sich die Parameter a und b abschätzen. Sie werden so bestimmt, dass sich die Gerade 54 den Wertepunkten bestmöglich anpasst. Eine optimale Lösung ist diejenige Gerade 54, für die die Summe der quadratischen vertikalen Abstände der einzelnen Punkte von der Geraden 54 minimal wird. Die derart ermittelten Parameter a und b liefern Werte für die Übereinstimmungsmaße bestimmter Parameter. Die Steigung a ist ein Maß dafür, mit welchem Anteil die Suchmusterdaten bei den Geländedaten vertreten sind und der Achsenabschnitt b gibt ein Maß für die mittlere Tiefe an. Ferner wird ein Maß für die Streuung der Wertepunkte um die Regressionsgerade 54 ermittelt. Die zugehörige Standardabweichung ist somit ein Maß für die Unsicherheit dieser Wertepunkte und gibt die Abweichung des Geländeausschnittes von dem gerade untersuchten Seegebiet an.

Gemäß Fig. 1 erfolgt eine Bildung von Gesamtübereinstimmungsmaßen 58 in Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße, indem die Übereinstimmungsmaße der Parameter miteinander kombiniert werden. Bei der Kombination werden bspw. die individuell gewichteten Übereinstimmungsmaße der Parameter multipliziert. Die durch diese Multiplikation entstandene Datenmenge lässt sich bspw. mittels Radizierung reduzieren. Es sind jedoch weitere Kombinationsmöglichkeiten der Parameter denkbar, bspw. eine Mittelwertbildung.

Als letzter Verfahrensschritt erfolgt das Bestimmen der Position des Wasserfahrzeugs 60 mittels der Gesamtübereinstimmungsmaße. Dazu wird ein Extremwert der Gesamtübereinstimmungsmaße ermittelt, welcher eine maximale Übereinstimmung angibt und dessen zugehörige Position in dem DGM des bekannten Seegebietes als die Position des Wasserfahrzeugs bestimmt wird. Anhand der zuvor getroffenen Definitionen des Quadratrasters des DGM bezüglich des Ursprungs und der Rasterweite, lassen sich nämlich die Positionen der einzelnen Rasterzellen in ein kartesisches Koordinatensystem überführen. Es ist ferner denkbar, die aus kartographischer Sicht speziell definierten räumlichen Bezugssysteme zur Positionsangabe des Wasserfahrzeugs zu verwenden. Existieren mehrere Extremwerte, bzw. Werte, die eine maximale Übereinstimmung ange- ben, so ist die daraus ermittelte Position des Wasserfahrzeugs eine mögliche Position.

Bei einer Verfahrensvariante wird zusätzlich zur Position des Wasserfahrzeuges ein Maß für die Zuverlässigkeit dieser Positionsangabe ermittelt. Je geringer die Anzahl derjenigen Gesamtübereinstimmungsmaße ist, die oberhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, umso größer ist das Maß für die Zuverlässigkeit der Positionsbestimmung. Dieses Maß wird dem Bediener zusammen mit der ermittelten Position angezeigt. Ferner ist es denkbar, dieses Maß für eine weiter Verarbeitung zu speichern um bspw. nach mehrmaliger Positionsbestimmung auf Bereiche hinzuweisen, in denen die angegebene Position mit geringerer Zuverlässigkeit ermittelt wurde.

Um dem Bediener eine vorteilhafte Entscheidungshilfe zu bieten, wird das vorstehend beschriebene Verfahren mit einer visuellen Darstellung der Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder der Gesamtübereinstimmungspara- meter verknüpft. Die Darstellung dieser Werte erfolgt in einem Darstellungsraster, welches an die Anzahl der Werte angepasst ist, indem jedem Rasterpunkt ein Übereinstimmungsmaß bzw. ein Gesamtübereinstimmungsmaß zugeordnet ist. Die Zeilen und Spalten geben die geometrische Position des zugewiesenen Wertes wieder. Eine derartige Darstellung liefert dem Bediener ein sehr klares Bild darüber, ob es eine eindeutige Position gibt oder eine Vielzahl von möglichen Positionen.

Alle in der vorgenannten Funktionsbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannte Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Ansprüche

Verfahren zum Bestimmen der Position eines Wasserfahrzeugs, welches eine Sonaranlage zum Messen von Tiefenwerten (14) aufweist, mittels eines Vergleiches von gemessenen Tiefenwerten mit bekannten Tiefenwerten, wobei ein gerastertes digitales Geländemodell (10) mit einer Vielzahl von Rasterpunkten (36) eines bekannten Seegebietes vorliegt, wobei jeweils einem Rasterpunkt (36) ein bekannter Tiefenwert zugeordnet ist und ein Rastermodell eines Geländeausschnittes erstellt wird (16), wobei jeweils einem Rasterpunkt (36) des Rastermodells ein gemessener Tiefenwert zugeordnet wird und die Rasterweite der Rasterpunkte (36) des Rastermodells an die Rasterweite der Rasterpunkte (36) des digitalen Geländemodells angepasst ist und eine Mehrzahl von Parametern zum Feststellen einer Übereinstimmung definiert sind (30),

dadurch gekennzeichnet, dass

für jeden Parameter ein die Übereinstimmung des digitalen Geländemodells mit dem Rastermodell kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß für jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Rasterpunkten (36) des digitalen Geländemodells ermittelt wird (32),

Gesamtübereinstimmungsmaße in Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße der Parameter gebildet werden (58), wobei die Parameter verschieden gewichtet kombiniert werden und

wenigstens ein Extremwert der Gesamtübereinstimmungsmaße ermittelt wird, welcher eine maximale Übereinstimmung angibt und dessen zugehörige Position in dem digitalen Geländemodell des bekannten Seegebietes als die Position oder eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs bestimmt wird (60).

Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

für wenigstens einen Parameter die gemessenen Tiefenwerte in einen Gleichanteil (42) und einen variablen Anteil (44) aufgespaltet werden und aus dem variablen Anteil (44) der gemessenen Tiefenwerte die Ubereinstimmungsmaße ermittelt werden (32).

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

für wenigstens einen Parameter die Übereinstimmungsmaße mittels einer linearen Regression ermittelt werden (32).

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder die Gesamtüberein- stimmungsmaße in ein Darstellungsraster eingegeben werden, insbesondere zum visuellen Darstellen der Übereinstimmungsmaße und/oder der Gesamtübereinstimmungsmaße, zum Anzeigen, ob es eine eindeutige Position des Wasserfahrzeugs gibt, oder bei einer Vielzahl von möglichen Positionen, welche wie wahrscheinlich sind.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Maß für eine Zuverlässigkeit der ermittelten Position des Wasserfahrzeugs angegeben wird, welches aus der Anzahl derjenigen Rasterpunkte (36) ermittelt wird, zu denen ein Gesamtübereinstimmungsmaß oberhalb einer vorbestimmten Schwelle zugehörig ist.

Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines Wasserfahrzeugs, welches eine Sonaranlage zur Messung von Tiefenwerten (14) aufweist, mittels eines Vergleiches von gemessenen Tiefenwerten mit bekannten Tiefenwerten, wobei ein gerastertes digitales Geländemodell (10) mit einer Vielzahl von Rasterpunkten (36) eines bekannten Seegebietes vorliegt, wobei jeweils einem Rasterpunkt (36) ein bekannter Tiefenwert zuweisbar ist und ein Rastermodell eines Geländeausschnittes erstellbar ist (16), wobei jeweils einem Rasterpunkt (36) des Rastermodells ein gemessener Tiefenwert zuweisbar ist und die Rasterweite der Rasterpunkte (36) des Raster- modells an die Rasterweite der Rasterpunkte (36) des digitalen Geländemodells anpassbar ist und eine Mehrzahl von Parametern zum Feststellen einer Übereinstimmung definiert sind (30),

dadurch gekennzeichnet, dass

für jeden Parameter ein die Übereinstimmung des digitalen Geländemodells mit dem Rastermodell kennzeichnendes Übereinstimmungsmaß für jeweils eine vorbestimmte Anzahl von Rasterpunkten (36) des digitalen Geländemodells ermittelbar ist (32),

Gesamtübereinstimmungsmaße in Abhängigkeit der Übereinstimmungsmaße der Parameter bildbar sind (58), wobei die Parameter verschieden gewichtet kombinierbar sind und

wenigstens ein Extremwert der Gesamtübereinstimmungsmaße ermittelbar ist, welcher eine maximale Übereinstimmung angibt und dessen zugehörige Position in dem digitalen Geländemodell des bekannten Seegebietes als die Position oder eine mögliche Position des Wasserfahrzeugs bestimmbar ist (60).

Vorrichtung nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet, dass

für wenigstens einen Parameter die gemessenen Tiefenwerte in einen Gleichanteil (42) und einen variablen Anteil (44) aufspaltbar sind und aus dem variablen Anteil (44) der gemessenen Tiefenwerte die Übereinstimmungsmaße ermittelbar sind (32).

Vorrichtung nach einem Ansprüche 6 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

für wenigstens einen Parameter die Übereinstimmungsmaße mittels einer linearen Regression ermittelbar sind (32).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Übereinstimmungsmaße aller Parameter und/oder die Gesamtübereinstimmungsmaße in ein Darstellungsraster eingebbar sind, insbesondere zum visuellen Darstellen der Ubereinstimmungsmaße und/oder der Ge- samtübereinstimmungsmaße, zum Anzeigen, ob es eine eindeutige Position des Wasserfahrzeugs gibt, oder bei einer Vielzahl von möglichen Positionen, welche wie wahrscheinlich sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass

ein Maß für eine Zuverlässigkeit der ermittelten Position oder der möglichen Positionen des Wasserfahrzeugs angebbar ist, welches aus der Anzahl derjenigen Rasterpunkte (36) ermittelbar ist, zu denen ein Gesamt- übereinstimmungsmaß oberhalb einer vorbestimmten Schwelle zugehörig ist.