NO139938B - Fremgangsmaate for bestemmelse av den bevegelsesbane som gjennomloepes av et fartoey - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte ved

navigasjon under utnyttelse av Doppler-effekten for å bestemme den bevegelsesbane som gjennomløpes av et fartøy i forhold til en referanseflate.

Oppfinnelsen har særlig anvendelse ved bestemmelse av den bevegelsesbane som gjennomløpes av et skip som kan navigere på dypt vann.

Fremgangsmåten omfatter utnyttelse av den informasjon vedrørende skipets hastighet som ligger i Doppler-frekvensforskyvningen av frekvensen av mottatte ekkoer svarende til akustiske bølger som utsendes fra skipet og reflekteres fra sjø-bunnen.

Blant de kjente fremgangsmåter på området Doppler-navigasjon kan nevnes de. som omfatter utsendelse av akustiske bølger på kontinuerlig måte og mottagning av ekkoene fra disse bølger ved" hjelp av separate mottager-transdusere som ikke er sender-transduserne. Hovedulempen ved den kontinuerlige utsendelse ligger i den akustiske kobling som eksisterer mellom senderne og mottagerne. Ved innvirkning av en mekanisk kobling, lekkasje fra utsendelsen og eventuelle parasittbevegelser (rulling, stamping)

vil mottagerne hele tiden motta en variabel andel av signalet ved sendefrekvensen. Resultatet av dette er en utvidelse av Doppler-frekvens-spekteret og en variabel feil i detekteringen av den dominerende frekvens i dette, hvilket er til skade for påliteligheten av målingene.

En annen metode består i å utsende signaler med varighet maksimalt lik det tidsintervall som adskiller begynnelsen av utsendelsen og mottagningen av ekkoet og så å foreta måling av frekvensglidningen under avbrytelsen av sendingen. Varigheten av utsendelsen som f.eks. bestemmes av et ekkolodd kan variere på kontinuerlig måte eller også trinnvis når avstanden mellom fartøyet og referanseplaten øker eller avtar. Varigheten av mottagningen og følgelig repetisjonsperioden for det utsendte signal avhenger av avstanden mellom fartøyet og den reflekterende overflate. Anvendelsen av denne metode medfører den dobbelte fordel som er særegen for pulssending, at den tillater bruk av en enkelt transduser i hver senderetning og eliminering av akustiske koblings-effekter som forekommer med kontinuerlig sending.

Men når tykkelsen av vannmassen øker kan varigheten av

den akustiske bølgeforplantning mellom sendetidspunktet og mottagningen, bli lang (2 sekunder og mer).

Nedsettelsen av samplingsfrekvensen, dvs. repetisjons-frekvensen for måleoperasjonene, medfører samtidig en reduksjon av nøyaktigheten i målingen av-hastighetsvektoren.

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte for Doppler-navigasjon for bestemmelse av den distanse som gjennomløpes av et fartøy i forhold til en referanseflate som. kan befinne seg i stor avstand fra dette, hvilken fremgangsmåte unngår de forannevnte ulemper.

Fremgangsmåten omfatter utsendelse av signaler fra fartøyet langs i det minste en skråttliggende senderetning i forhold til den nevnte Jfcate, mottagning av tilsvarende-ekkosignaler reflektert fra flaten, måling av den gjennomløpte distanse på grunnlag av frekvensforskyvningen mellom frekvensen av de utsendte signaler og av de mottatte signaler langs senderetningen.

Det nye og særegne.ved fremgangsmåten består i at sendingen består av en uavbrutt rekke pulser hvis repetisjonsperiode er variabel og kortere enn forplantnings-tidsintervallet som adskiller sendingen fra mottagningen av de nevnte signaler og ved at frekvensen av signalene som utgjør pulsene er variabel under varigheten av hver puls.

Med variabel frekvens av de signaler som utsendes under hver puls, er den frekvens-sekvens som kan detekteres i hver puls som blir mottatt, en karakteristikk for denne. Dette gjør det mulig å identifisere den, eventuelt kontrollere påliteligheten av målingen og å etablere en korrelasjon mellom denne puls og den tilsvarende utsendte puls.

Sendingen kan omfatte en uavbrutt rekke pulser med konstant varighet og hvis repetisjonsperiode er variabel og kortere enn det bølgeforplantnings-tidsintervall som adskiller signal-utsendelsen fra mottagningen av de tilhørende ekkoer.

Med variabel repetisjonsperiode for pulsene kan enhver tilfeldig koinsidens mellom sendingen av en puls og mottagningen av en annen puls som tidligere er utsendt, når distansen mellom fartøyet og overflaten antar visse bestemte verdier, bare forekomme et meget begrenset antall ganger for de andre mottatte pulser, ved omhyggelig valg av de tidsintervaller som adskiller suksessive pulser.

Målingen av den Doppler-effekt som opptrer i de mottatte signaler kan skje uavhengig av avstanden mellom fartøyet og overflaten. Videre er repetisjonsperioden for suksessive pulser kortere enn varigheten av pulsforplantningen og kan velges liten

i forhold til denne slik at samplingsfrekvensen øker og dermed kvaliteten og nøyaktigheten av målingene.

Andre særegne trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil frem-gå bedre av den følgende beskrivelse i tilknytning til utførélses-eksempler som er vist på tegningene, hvor: Figur 1 viser stillingen av en sende/mottagningsstråle

av akustiske bølger i forhold til sjøbunnen.

Figurene 2A, 2B og 2C viser tidsdiagrammer for pulser utsendt fra fartøyet i senderetningen, Figurene 3A og 3B viser signaler utsendt under varigheten av hver puls, Figurene 4A og 4B viser .forskjellige modulasjonskoder for pulsene.

Det på figur 1 viste skip omfatter i det minste en sender/mottager-transduser for akustiske bølger festet f.eks. på skroget. Fortrinnsvis er det anordnet to transdusere.

Transduserens akse er f.eks. plassert i et vertikalt plan som inneholder fartøyets lengdeakse og følger en retning på skrå

i forhold til bunnen. Den vinkel som dannes av sendestrålen i forhold til vertikalen er betegnet 3 og p betegner projeksjonen av hastighetsvektoren V for fartøyet på sendestrålens akse og

AF betegner avviket eller forskyvningen mellom frekvensen f av de utsendte akustiske bølger og frekvensen f av de mottatte akustiske bølger som skyldes refleksjon fra bunnoverflaten.

Projeksjonen p er knyttet til frekvensforskyvningen AF gjennom følgende relasjon:

hvor X betegner bølgelengden for de utsendte signaler i det aktuelle medium.

Da projeksjonen p er lik V sinfJ, er fartøyets hastighet knyttet til AF ved følgende relasjon:

idet relasjonen i ligning (1) er inkludert.

Hvis dessuten vinkelen & velges lik 30° vil hastigheten ganske enkelt være uttrykt ved:

Diagrammet på figur 2B viser at utsendelsen skjer i form av en uavbrutt pulsrekke med bredde 9 og hvis innbyrdes avstand er variabel omkring en middelverdi T (figur 2A).

I det viste eksempel er forskyvningen AT av hver puls forhold til T uttrykt som et multiplum av en elementær forskyvning 6T som er valgt lik T/10. Forskyvningene som er angitt i enheter 6T for de viste suksessive pulser er henholdsvis 1, 3, 6, 10, 7, 6 og 2 enheter (se fig. 2C). Disse forskyvninger har den virkning at hvis en fullstendig og tilfeldig koinsidens opptrer mellom en utsendt puls og en mottatt puls i en transduser, når forplantnings-tiden for pulsene mellom fartøyet og referanseflaten er lik tidsintervallet mellom to vilkårlig utsendte pulser, vil denne koinsidens

maksimalt fremkomme bare et meget begrenset antall ganger.

Hvis f.eks. repetisjonsperioden for forskyvningskoden

er 8T kan det observerte antall koinsidenser være begrenset til 2.

I alle tilfelle kan målingen av Doppler-effekten skje over den største del av ekkopulsene.

I det viste eksempel gjentas forsyningssekvensen for pulsene med en periode på 8T.

Det viste eksempel på posisjonsmodulasjon er selvsagt ikke begrensende. Det kan generelt velges en hvilken som helst forskyvningsmåte for pulsene som tillater størst mulig begrensning av det tilfeldige antall koinsidenser som kan opptre mellom de utsendte og de mottatte pulser.

Et annet trekk ved fremgangsmåten gjelder arten av de signaler som utsendes under varigheten av hver puls. Dette består i å variere som funksjon av tiden frekvensen av de signaler som utsendes under hvert sendetidsintervall 6. De utsendte signaler kan f.eks. bestå av en kontinuerlig sekvens av signaler med forskjellige frekvenser, som blant fagfolk er betegnet som FSK-modulasjon. Verdien av de frekvenser som inngår i sekvensen og deres rekkefølge varierer fra en puls til en annen slik at de pulser som utsendes under et tidsintervall lik dét som adskiller sendetidspunktet for akustiske bølger fra mottagningstidspunktet for deres ekkoer og som svarer til den maksimale rekkevidde av navigasjonsanordningen, lett kan skjelnes fra hverandre ved mottagningen.

I det tilfelle hvor hver puls består av en omhylnings-kurve for et signal med konstant periode tq (fig. 3A), er den totale varighet 6 av sendingen lik ét helt antall nQ av dette signals perioder. Som ikke begrensende eksempel og for å gi en enkel beregning velges en signalsekvens som betegnes med "konstant integrasjon", dvs. bestående av en kontinuerlig rekke signaler med variabel periode t som funksjon av tiden i et intervall 6T med forutbestemt varighet innenfor hvert sendeintervall 6 og som til-fredsstiller følgende ligning:

.for hver av de utsendte pulser. Intervallet 6' kan eventuelt velges lik 6. Uansett hvilken kode som velges (frekvenser og rekkefølge), er det antall perioder som finnes i hver puls et helt tall. Det kan med fordel velges en kode bestående av en samling frekvenser f^, f2 ... f^ ... f som er identiske i hver puls. For å gjøre det lett å gjenkjenne hver puls bringes rekkefølgen av frekvensene til å variere innenfor hver puls slik at antallet n^, n2 ••• n^ ... n^ av perioder av signalene med perioder t^, t2 ...... Tk svarer til de respektive frekvenser f^ r f2 ... ^i " " " "^k s-^k at ligningen:

hele tiden tilfredsstilles. ,0' betegner sendingens varighet som kan være lik 9, men som fortrinnsvis kan velges lavere enn denne verdi slik at signalsekvensen med frekvenser f^ som utgjør pulsen ikke delvis blir forstyrret av transientfenomener som i praksis forekommer ved begynnelsen av mottagningen av hver puls.

I dette tilfelle blir det umiddelbart foran sendefrekvensen med varighet 0' og umiddelbart efter denne brukt et signal med konstant frekvens som eventuelt velges forskjellig fra frekvensene f^ slik at de samlede utsendte signaler har en varighet 9.

For å bestemme den distanse som gjennomløpes av fartøyet måles varigheten av et forutbestemt antall perioder fra signalsekvensen som utgjør hver sendepuls og varigheten av det samme forutbestemte antall signalperioder som utgjør den tilsvarende mottatte puls, når det er fastslått korrelasjon mellom de frekvens-koder som finnes i disse pulser.

med 69^ betegnes sendetidsintervallet for n^ perioder

av signalet med periode x. innenfor sekvensen, med 69'^ betegnes mottagningstidsintervallet for n^ perioder hvor hver har en lengde t'. som er forskjellig fra som følge av Doppler-effekten, med 9'' betegnes summen av de elementære intervaller 69 V, med f V betegnes den mottagningsfrekvens som1svarer til frekvensen f. for sending (f V = —17—) og med Afi betegnes forskyvningen eller avviket mellom frekvensene" f^ og f V .

Den foranstående ligning (3) kan i henhold til oven-stående skrives:

Den distanse som gjennomløpes av fartøyet under tidsintervallet 9' kan uttrykkes i, formen:

Under-.hensyntagen til de ligninger som gjelder for de forskjellige symboler eller betegnelser, kan ligning (5) omdannes og skrives på følgende form:

Målingen av varigheten av n. perioder skjer ved å måle antall perioder av et klokkesignal med periode t som er meget liten i forhold til den for de signaler som utgjør sendesekvensen. Tallene KL og N'^ blir henholdsvis målt slik at:

Som følge av de to foregående ligninger kan ligning (6) skrives på følgende form:

Hvis man dessuten gjør den i praksis berettigede til-

nærmelse at N'. - N. har en verdi som er neglisjerbar i forhold

11 -aj

til verdien av N., kan den foregående ligning også skrives slik:

/

Videre settes: hvilket gjør det mulig å skrive ligning (12) på følgende form:

Den distanse som gjennomløpes av fartøyet under det midlere tidsintervall for gjentagelse av suksessive pulser kan uttrykkes på følgende måte:

hvor K er proporsjonal med C t og med forholdet mellom T og 9<*>. Hvis den utsendte signalsekvens innen hver puls er av typen "konstant integrasjon", er forholdet mellom T og 9' og følgelig koeffisienten K uavhengig av den valgte kode og antallet N s som utgjør et mål for antall perioder av klokkesignalet i et konstant tidsintervall 9',- er selv en konstant. Bestemmelsen av den gjennomløpte distanse reduseres til enkle operasjoner når først antallet N' ser registrert.

Hvis fartøyet disponerer over to sendestråler som er orientert symmetrisk i forhold til vertikalen og ligger i et plan som inneholder fartøyets symmetriakse, blir N' ' ^ og NV perioder av klokkesignalet tellet under hvert mottagningstidsintervall for pulser langs de to stråler, hvilke to tall har symmetriske verdier i forhold til verdien N..

I dette tilfelle kan den distanse som gjennomløpes under hvert intervall T skrives slik:

hvor N* og N" betegner de totale antall perioder av klokke-SS*

signalene som opptelles under mottagningstiden for de pulser som blir mottatt fra de respektive to stråleretninger.

Nøyaktigheten av hver måling blir desto bedre jo større tallene N* og N" er, dvs. at varigheten 9'' av målingen er

SS

lengere jo høyere frekvensen av klokkesignalet er.

Alle de utførte målinger er tidsmålinger, hvilket er det som er lettest å utføre.

Da fremgangsmåten omfatter en identifikasjon av pulsene kan deres forplantningstid måles og resultatene utnyttes til å iverksette de kjente korreksjonsmetoder av typen "tallerken" for bunnens hellning og filtrering av Doppler-informasjonen, spesielt av en gjentagende type (du type récursif).

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av den bevegelsesbane som gjénnomløpes av et fartøy-som beveger seg, i forhold til en referanseflate, omfattende utsendelse av signaler fra fartøyet langs i det minste en skråttliggende senderetning i forhold til den nevnte flate, mottagning av tilsvarende ekkosignaler reflektert fra flaten, måling av den gjennomløpte distanse på grunnlag av frekvensforskyvningen mellom frekvensen av de utsendte signaler og av de mottatte signaler langs senderetningen", karakterisert ved at sendingen består av en uavbrutt rekke pulser hvis repetisjonsperiode er variabel og kortere enn forplantnings-tidsintervallet som adskiller sendingen fra mottagningen av de nevnte signaler og ved at frekvensen av signalene som utgjør pulsene er variabel under varigheten av hver puls.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at. varigheten av hver puls er konstant.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det totale antall koinsidenser mellom en hvilken som helst sekvens av utsendte pulser og den tilsvarende mottatte pulssekvens er maksimalt lik 2.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at den midlere repetisjonsperiode for de nevnte pulser beregnes efter varigheten av en sekvens bestående av et forutbestemt antall pulser i den uavbrutte rekke pulser, er konstant.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet av utsendte signalperioder som inneholdes i et konstant og forutbestemt tidsintervall innenfor varigheten av hver puls, er et helt tall.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at de signaler som utsendes under hver puls omfatter en kontinuerlig sekvens av signaler hvis frekvenser er forskjellige fra hverandre og er valgt innenfor et forutbestemt frekvensbånd.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at de signaler som utsendes under hver puls omfatter en signalsekvens hvis frekvenser er forskjellige fra hverandre og er valgt fra en samling av flere forutbestemte frekvenser.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den distanse som gjennomløpes bestemmes ved måling av antall perioder av et signal hvis frekvens er høy i forhold til frekvensen av de signaler som utgjør de nevnte pulser, som inneholdes henholdsvis i samme antall perioder av utsendte signaler og mottatte signaler.