METHOD FOR DETERMINING THE SPEED OF A SEA-BORNE VESSEL

Abstract: In a method for determining the speed with extremely small tolerances, acoustic signals having a transmission frequency are first radiated, as is known, at an equal angle alpha to the longitudinal axis of the vessel in the fore and aft directions. The Doppler-modified reception frequencies fv, fA are determined for each direction of reception V, A and the frequency differences fV-fS, fA-fS and the frequency sums fV+fS, fA+fS are formed separately in each case for each direction of reception using the transmission frequency fS. Dividing the frequency difference by the frequency sum in each case results in a quotient xV and xA for the fore and aft directions respectively. From this an instantaneous vessel speed VF can be calculated taking the velocity of sound c in water and the radiation angle alpha into consideration. An auxiliary angle tau is calculated from the vehicle speed vF and subtracted from the angle of inclination beta measured continuously as the inclination of the vessel with respect to the horizontal. The vessel speed vF multiplied by the cosine of the difference in angle between the auxiliary angle and the angle of inclination results in the vessel speed vG over the seabed.

Description: Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird ein der Schiffsgeschwindigkeit proportionaler Wert laufend dadurch ermittelt, dass die in jeder Empfangsrichtung erhaltenen Dopplerfrequenzen voneinander subtrahiert, auf die Sendefrequenz bezogen und mit dem Reziprokwert des Kosinus des Abstrahlwinkels a multipliziert werden. Die nach diesem Verfahren ermittelte Schiffsgeschwindigkeit ist jedoch mit einem relativ grossen Fehler behaftet, da bei der Geschwindigkeitsbestimmung weder ein Trimm des Schiffes noch das Verhalten des Schiffes bei starken Wellenbewegungen (Dünung) oder das Stampfen des Schiffes berücksichtigt werden. Insbesondere bei Koppelnavigation ist es jedoch unerlässlich, die Schiffsgeschwindigkeit mit einem extrem hohen Genauigkeitsgrad zu bestimmen, da ansonsten die berechnete Schiffsposition nach längerer Fahrt erheblich von der tatsächlichen Schiffsposition abweicht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines Wasserfahrzeugs derart zu verbessern, dass die den Messergebnissen anhaftenden Fehlertoleranzen sehr viel kleiner sind. Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit mit extrem hoher Genauigkeit bestimmt, selbst dann, wenn das Wasserfahrzeug vertrimmt ist. Der auch hier erforderliche Wert der tatsächlichen Schallgeschwindig keit in Wasser, kann durch Messung oder mit Hilfe von Tabellen bestimmt werden, wobei selbst eine relativ grosse Ungenauigkeit in der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit die Genauigkeit der ermittelten Fahrzeuggeschwindigkeit nicht wesentlich beeinträchtigt. So verursacht ein Fehler von z. B. 10 m/s in der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit einen Fehler von nur ca. 0,35 0/ovo bei der Berechnung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Fehlertoleranzen von Cl % sind aber bei der üblichen Messung oder Bestimmung der Schallgeschwindigkeit ohne weiteres einzuhalten. Das in Anspruch 1 angegebene Verfahren ist hochgenau für Oberflächen-Wasserfahrzeuge, die in relativ ruhigen Gewässern, z. B. Flüssen oder Binnenseen, fahren, so dass Stampfbewegungen des Wasserfahrzeugs vernachlässigbar gering sind. Die berechnete Pahrzeuggeschwindigkeit entspricht der tatsachlichen Geschwindigkeit des Wasserfahrzeugs über Grund. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens ergibt sich aus Anspruch 2. Durch diese zusätzlichen Massnahmen wird auch bei seegängigen Wasserfahrzeugen,die starken Dunungen ausgesetzt sind und mitunter extreme stampfbewegungen ausführen, die Fahrzeuggeschwindigkeit mit gleich hoher Genauigkeit zuverlässig gemessen. Dies gilt in gleicher Weise für die Bestimmung der Geschwindigkeitskomponenten in horizontal- und Vertikalrichtung eines Unterwasserfahrzeugs mit oder ohne Trimm, bei welchem der Neigungswinkel p weniger durch das Stampfen als durch den Anstellwinkel der Fahrzeuglängsachse beim Ein- oder Auftauchen bzw. bei Schrägfahrten in Wasser bestimmt ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 5. Durch diese Massnahme erübrigt sich die Bestimmung des von der Schallgeschwindigkeit abhängigen Abstrahlwinkels a der Sende- und Empfangsrichtung. K kann als eine dem System immanente Konstante angegeben werden, solange die Phasenverschiebung ç der Wandlersignale im Sende- und Empfangsfall unverändert bleibt. Das erfindungsgemässe Verfahren wird an einem durch die Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiel im folgenden beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines stampfenden Oberflächenschiffes mit Trimm, das momentan die ansteigende Flanke eines Wellenbergs abreitet, Fig. 2 ein Blockschaltbild eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitenden Dopplerlogs. In Fig. 1 sind das Schiff mit 10, seine zur Längsachse parallel verlaufende Kiellinie mit 11 und seine senkrecht auf der Kiellinie 11 bzw. Längsachse stehende Hochachse mit 12 bezeichnet. - Das fahrende Schiff 10 weist einen momentanen Geschwindigkeitsvektor vF mit dem Betrag vF auf. Der Winkel zwischen dem Geschwindigkeitsvektor VF und der Kiellinie 11 bzw. Längsachse des Schiffes 10 ist als Hilfswinkel T, der Winkel zwischen der Horizontalen und der Kiel nie 11 bzw. Längsachse des Schiffes 10 als Neigungswinkel ss und der Winkel zwischen der Horizontalen und dem momentanen Geschwindigkeitsvektor oF des Schif- fes 10 als Differenzwinkel g bezeichnet. Der Neigungswinkel p kann als momentane Neigung der Kiellinie 11 oder der Längsachse des Schiffes 10 gegenüber der Horizontalen oder als Auslenkung der Hochachse 12 des Schiffes 10 gegenüber der Vertikalen mittels eines im Schiff 10 vorhandenen Inklinometers oder sonstigen Winkelgebers gemessen werden. Das Schiff 10 besitzt ein Dopplerlog 13, wie es in Fig. 2 im Blockschaltbild dargestellt ist. Das Dopplerlog 13 weist eine Sende- und Empfangseinrichtung 14 zum Aussenden gebündelter Wellenenergie in zwei selektive Abstrahlrichtungen V, A und zum Empfangen von reflektierter Wellenenergie aus diesen Abstrahlrichtungen auf. Hierzu hat die Sende- und Empfangseinrichtung 14 eine Unterwasserantenne oder Basis 15 mit einer Vielzahl von in einer Ebene 16 angeordneten Wandlern 17, die hintereinander oder versetzt zueinander in Längsrichtung der Basis 15 mit konstantem Abstand a voneinander aufgereiht sind. Die Basis 15 ist parallel zur Längsachse des Schiffes 10 an dessen oder in dessen Kiel ein- oder angebaut, so dass die Ebene 16 in etwa mit der Kiellinie 11 des Schiffes 10 fluchtet. Die Wandler 17 sind mit einem an sich bekannten Richtungsbildner 18 verbunden, der im Zeitmultiplex die Wandler 17 zum Aussenden von gebündelter Wellenenergie und zum Empfangen reflektierter Wellenenergie (hier Schall) ansteuert, und zwar so, dass in beiden Abstrahlrichtungen V, A abwechselnd gesendet und empfangen wird. Die Abstrahlrichtung V liegt um einen Winkel CL gegen die Kiellinie 11 oder Längsachse des Schiffes 10, geneigt in Vorausrichtung, die Abstrahlrichtung A um den gleichen Winkel CL in Achterausrichtung des Schiffes 10. Die Abstrahlrichtungen V, A werden in bekannter Weise durch entsprechende Phasenverschiebung ç der von einem Oszillator 19 erzeugten Sendesignale mit der Sendefrequenz 5 und der von den einzelnen Wandlern 17 empfangenen Wandlersignale im Richtungsbildner 18 generiert, gemäss Gl. n.c cos a = a.5 wobei c die Schallgeschwindigkeit im Wasser, 5 die Sendefrequenz und n = /(2t)die auf die Sendeperiode normierte Phasenverschiebung ç der Sende- bzw. Emp fangssignale benachbarter Wandler 17 ist. Wird der Wandlerabstand a zu h/8 gewählt, so ergibt sich bei einer Phasenverschiebung von (p = 90 eine Abstrahlrichtung V, A von CL = 450. Im Empfangsfall werden die Wandlersignale phasenverschoben aufsummiert, wobei die Phasenverschiebung ç bei einem Winkel von CL = 45 wiederum ç = +900 bzw. ç = 900 beträgt. Am Ausgang des Richtungsbildners 18 stehen zwei Ausgangssignale an, die die Empfangssignale aus den beiden Empfangsrichtungen V, A repräsentieren. Jedem Ausgang ist ein Frequenzanalysator 20. 21 nachgeschaltet, der die dopplerbehaftete Frequenz fv bzw. fA der Empfangssignale ermittelt. Ein solcher Frequenzanalysator kann beispielsweise als digitale Frequenznachlaufschaltung ausgebildet sein, wie sie in der DE-PS 25 01 714 beschrieben ist. Die Differenz zwischen der Empfangsfrequenz fV' f und der Sendefrequenz fS ist die Dopplerfrequenz, auch Dopplerverschiebung genannt. Jedem Frequenzanalysator 20, 21 ist ein Differenzbildner 22 bzw. 23 und ein Summierer 24 bzw. 25 nachgeschaltet. Die anderen Eingänge dieser Differenzbildner 22, 23 und Summierer 24, 25 sind mit dem Oszillator 19 verbunden und somit mit der Sendefrequenz f5 belegt. Die jeweils einem Frequenzanalysator 20, 21 zugeordneten Differenzbildner 22 bzw. 23 und Summierer 24 bzw. 25 sind an einem Quotientenbildner 26, 27 angeschlossen, deren Ausgangsgrössen XV bzw. xA einem Rechner 28 zugeführt sind. Der Rechner 28 erhält weiterhin als Eingangsgrössen die Schallgeschwindigkeit c in Wasser, den momentanen Neigungswinkel p des Schiffes 10 und eine dem Dopplerlog 13 immanente Systemkonstante K zugeführt. Die Systemkonstante K berechnet sich zu K = 1 . a . fs (2). n Der Rechner 28 berechnet aus den ihm zugeführten Eingangsgrössen xv, x4, c, p und K den Betrag der momentanen Schiffsgeschwindigkeit VF gemäss EMI7.1 den für die Ablage des momentanen Geschwindigkeitsvektors VF von der Kiellinie 11 charakteristischen Hilfswinkel T des Schiffes 10 gemäss # = ¸ arc cos (- c . xA) - ¸ arc cos (c . xV ) (4) vF vF und bestimmt aus dem Neigungswinkel p und dem Hilfswinkel T einen Differenzwinkel # gemäss: ±= p -x (5), der die Winkelablage des momentanen Geschwindigkeitsvektors VF von der Horizontalen angibt. Aus dem berechneten Betrag der Schiffsgeschwindigkeit vF und dem Differenzwinkel ± wird die Schiffsgeschwindigkeit vG über Grund als horizontale Geschwindigkeitskomponente gemäss vG= VF Cos E (6) berechnet. Diese Schiffsgeschwindigkeit vG wird an dem Ausgang des Rechners 28 ausgegeben und angezeigt. Bei Unterwasserschiffen ist es zusätzlich möglich, die Sink- oder Steiggeschwindigkeit VL als vertikale Geschwindigkeitskomponente zu berechnen gemäss VL = VF sinn (7). Auch diese Sink- oder Steiggeschwindigkeit vL des Schiffes 10 in Lot- oder Vertikalrichtung wird vom Rechner 28 ausgegeben und kann in einer Anzeigevor richtung dargestellt werden. Es ist selbstverständlich möglich, auch die Funktionen der Differenzbildner 22, 23, der Summierer 24, 25 und der Quotientenbildner 26, 27 mit in den Rechner 28 zu integrieren. In diesem Fall würden die dopplerbehafteten Empfangsfrequenzen fVs fA und die Sendefrequenz f5 dem Rechner 28 unmittelbar zugeführt, der dann in gleicher Weise die Differenzfrequenzen f fA-5 bzw. fV-fS und die Summenfrequenzen A+fS bzw. fV+fS errechnet und dann durch ins Verhältnis setzen der Differenzfrequenzen und Summenfrequenzen die Werte XA und XV bestimmt. Der Funktionsweise des beschriebenen Dopplerlogs liegt folgendes Messverfahren zugrunde: Mittels der Sende- und Empfangs einrichtung 14 werden unter einem Winkel CL gegen die Schiffslängsachse sowohl in Vorausrichtung V als auch in Achverausrich- tung A akustische Signale mit der Sendefrequenz fS abgestrahlt und reflektierte akustische Signale empfangen. Für jede Sende- und Empfangsrichtung werden die Empfangsfrequenzen fV und A der Emp- fangssignale ermittelt0 Die Empfangsfrequenzen fv werden getrennt jeweils mit der Sendefrequenz fS verknüpft, und zwar einmal additiv und einmal sub traktiv, so dass jeweils einerseits eine Frequenz differenz fV-fS bzw. I fA-5 und andererseits eine Frequenzsumme fV+fS bzw. fA+S entsteht. Für jede Sende- und Empfangsrichtung V, A werden Frequenzdifferenz und Frequenzsumme ins Verhältnis gesetzt und damit ein Quotient XV bzw. XA gemäss: EMI9.1 ermittelt. Nunmehr wird die Schallgeschwindigkeit c in Wasser durch Messung bestimmt oder aus Tabellen entnommen und die momentane Schiffsgeschwindigkeit vF berechnet gemäss EMI9.2 Für Binnenschiffe, die zwar einen Trimm aufweisen können, jedoch kaum starken Wellenbewegungen ausgesetzt sind und daher kaum stampfen, kann der errechnete Betrag der Schiffsgeschwindigkeit vF unmittelbar als tatsächliche Schiffsgeschwindigkeit VG über Grund ausgegeben werden. Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsausgabe ist wie eingangs beschrieben. Bei Seeschiffen wird die Geschwindigkeitsbestimmung jedoch noch durch Stampfbewegungen des Schiffes oder durch Abreiten von Wellenbergen sowie bei Unterwasserschiffen durch Schrägfahrten im Wasser erheblich beeinflusst. Um hier die angegebene gewünschte Genauigkeit in der Geschwindigkeitsbestimmung zu erreichen, wird in einem weiteren Verfahrensschritt zunächst aus der berechneten Schiffsgeschwindigkeit vF ein Hilfswinkel T gemäss c T = a-arc cos (c 5) (11) VF oder c T = -z + arc cos (- 7 . xA) (12) F berechnet, der die Winkelablage des momentanen Geschwindigkeitsvektors vF von der Kiellinie 11 oder Längsachse des Schiffes 10 angibt. Dieser Hilfswinkel T wird von dem mittels des Inklinometers gemessenen Neigungswinkel p abgezogen und damit ein Dif ferenzwinkel # bestimmt, der die Lage des momentanen Geschwindigkeitsvektors v? bezüglich der Horizon- F talen kennzeichnet. Nunmehr werden die Schiffsgeschwindigkeit vG über Grund als die Horizontalkomponente und die Sink- oder Steiggeschwindigkeit VL eines Unterwasserschiffes als die Vertikal- oder Lotkomponente der Schiffsgeschwindigkeit VF ausgegeben. Diese Komponenten werden durch Multiplikation der berechneten Schiffsgeschwindigkeit vF mit dem Kosinus bzw. Sinus des Differenzwinkels ± bestimmt. Da der Abstrahlwinkel CL und die Schallgeschwindigkeit c in Wasser gemäss G1. (1) miteinander verknüpft sind, ergeben sich mit den Beziehungen cos a (13) und EMI11.1 die oben angegebene Gl. (3). Durch Addition der G1. (11) und (12) erhält man die G1. (4), in welcher der Abstrahlwinkel a eliminiert ist, so dass der Hilfswinkel T anstelle nach G1. (11) oder (12) auch nach G1. (4) berechnet werden kann. Das beschriebene Verfahren setzt voraus, dass das Schiff 10 zumindest in der Messphase im wesentlichen geradlinig fährt und keine Geschwindigkeitskomponenten im Azimut auftreten. Will man jedoch bei der Geschwindigkeitsmessung die Einflüsse von Drift und Kurvenfahren berücksichtigen, so ist das gleiche vorstehend beschriebene Verfahren zusätzlich in einer Ebene quer zur Schiffslängsachse durchzuführen. Die Sende- und Empfangsrichtungen liegen dann in einer Ebene mit der zur Schiffslängsachse rechtwinkligen Schiffs querachse und um einen Winkel t gegen letztere in Backbord- und Steuerbordrichtung geneigt. Der Winkel t kann den gleichen Wert wie der Winkel aufweisen, was jedoch nicht erforderlich ist. Alle vorstehend angegebenen Gleichungen gelten in gleicher Weise, wobei nur der Winkel CL durch t und die Indizes V, A für Voraus- und Achterausrichtung durch die Indizes B und S für Backbord und Steuerbord zu ersetzen sind. Zur Gewinnung der resultierenden Schiffsgeschwindigkeit in Horizontalrichtung müssen dann die in beiden rechtwinklig zueinander stehenden Messebene erhaltenen Geschwindigkeitskomponenten vG vektoriell zusammengesetzt werden.

Claims: A method for determining the speed of a sea-borne vessel, wherein acoustic signals are radiated with a transmission frequency (f S ) at an identical angle α towards the vessel longitudinal axis in the vessel bow and stern alignment; the acoustic signals reflected on the sea bottom are received; the reception frequencies (f V , f A ), of the reception signals are determined; and the Doppler frequencies are in each case determined as frequency differences (f V - f S , f A - f S ) from the reception frequencies (f V , f A ) received in each direction of reception and the transmission frequency (f S ), characterized in that in each case the frequency sum (f V + f S ; f A + f S ) is determined from the reception frequencies (f V , f A ) received in each direction of reception (V, A) and the transmission frequency (f S ); from the frequency difference (f V - f S , f A - f S ) determined for each direction of reception (V, A) and the frequency sum (f V + f S , f A + f S ) a quotient x V is formed for the bow alignment and a quotient x A for the stern alignment; the vessel's speed v F is calculated therefrom, having regard to the actual speed of sound in water c, in accordance with the instantaneous angle of inclination (β) of the vessel (10) is continuously measured in relation to the horizontal; an auxiliary angle (τ) is calculated from the vessel speed v F which states the deviation of the instantaneous speed vector of the vessel longitudinal axis, in accordance with by subtraction from the angle of inclination (β) and the auxiliary angle (τ) a differential angle (ε) is determined which states the angular deviation of the instantaneous speed vector from the horizontal; and the calculated vessel speed v F is multiplied by the cosine of the differential angle (ε) and the horizontal speed component thus obtained is outputted as the actual vessel speed (v G ) over the bottom. A method according to claim 1, characterized in that the calculated vessel speed v F is multiplied by the sine of the differential angle (ε) and the vertical speed component thus obtained is outputted as the falling or rising speed (v L ) of the vessel (10). A method according to claims 1 or 2, using a transmission and receiving system which has a plurality of sonic transducers (17) disposed equidistantly at a distance (a) from one another and wherein the transducer signals, shifted in phase in relation to one another by identical angles () are added up to transmission and/or reception signals, characterized in that the term c/cos α is set as K and the term cot² a is set as c²/K²-c²), where K is a constant given by the transmission and reception system (14) and is obtained as a.f S /n, f S being the transmission frequency, a the transducer distance and n the phase shift () of the transducer signals referred to the period. A method according to one of claims 1 to 3, characterized in that in addition, inclined at right angles to the vessel longitudinal axis and at an identical angle γ in relation to the vessel transverse axis, signals are radiated at transmission frequency in starboard and port directions and the acoustic signals reflected from the sea bottom are received; the reception frequencies of the reception signals are determined and processed in the same process steps of sum, difference and quotient formation to determine the vessel speed in the starboard or port direction; the speed of the vessel in the starboard or port direction is calculated in the same manner from the quotients, taking into account in the same manner the speed of sound in water (c) and the radiation angle (γ); and a resulting vessel speed over the bottom is obtained by vectorial connection of the vessel speeds determined in the longitudinal and transverse directions.

Inventors: RATHJEN, DIRK
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRAENKTER HAFTUNG
Application year: 1986
Main classification: G01S15
IPC codes: G01S15