DE2118300C3

DE2118300C3 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Wasserfahrzeugs und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE2118300C3
Application number: DE2118300A
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Neuilly Therond
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1970-04-15
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1983-12-01
Also published as: NL7105012A; NO132293C; FR2091906B1; NL182176B; US3745518A; DE2118300B2; NO132293B; DE2118300A1; FR2091906A1; NL182176C; GB1308570A

Description

man das Netz der Linien gleicher Phasendifferenz nach Fig. 8 enger zieht;

Fig. IO zeigt eine Variante der Vorrichtung nach F i g. 7, die es ermöglicht, die Genauigkeit in der Bestimmung der Position des Schiffs wachsen zu lassen;

Fig. 1OA zeigt eine Ausbildung von Verzögerungselementen nach einer weiteren Variante der Vorrichtung nach F i g. 7, die geeignet ist, die Genauigkeit steigen zu lassen.

Aus Fig. 1 erkennt man, daß das Schiff eine Einrichtung 1 trägt, welche in kontinuierlicher Weise Ultraschallwellen bei einer gewählten Frequenz abgibt, die ein Eindringen der Wellen in die Wasserschicht über mehrere Kilometer erlaubt Die ausgesandten Wellen werden durch eine Vofrichtung mit vier Sonden h\.hi,hi und tu, empfangen, die auf einem polyedrischen Gestell ausgebildet sind, welches sie bezüglich einander in den vorbestimmten Lagen hält. Dieses Gestell wird in der Nähe des Meeresbodens durch eine Bake oder Seetonne 2 gehalten, die vorher auf den Boden gesetzt und durch das Schiff getaucht wurde.

Nach einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform können die Sonden beispielsweise auf einer an einem Kabel fixierten Plattform angeordnet sein, welches zwischen einem auf dem Boden angeordneten Befestigungselement und einer Oberflächenboje gespannt wird.

Die Seetonne umfaßt ein später zu beschreibendes elektronisches Gerät, welches einmal Phasendifferenzen mißt, sie in elektrische Impulse umformt und in Form kodierten Ultraschallwellen umwandelt, die anschließend gegen das Schiff über einen Schallsender oder Transduktor 3 erneut ausgesandt werden. Ein omnidirektionelles Hydrophon 4, das am Rumpf des Fahrzeugs aufgehängt ist, fängt die kodierten, erneut ausgesandten Wellen ein, die in einer geeigneten Vorrichtung bekannter Art, die nicht dargestellt ist, demultiplexiert werden. Die dekodierten Phaseninkremente können beispielsweise in einer Koordinatenwechselvorrichtung an sich bekannter Art verwendet werden, welche Inkremente entsprechend an das Fahrzeug gebundener Achsen erzeugen und die dann in einem Rechner verarbeitet werden, welcher die Steuerbefehle der Antriebe beaufschlagt, welche das Schiff in Ausgangslage rückführen. Beispielsweise kann man als Koordinatentransformationseinrichtung diejenige verwenden, die in der deutschen Patentanmeldung P 20 48 352.7 (entsprechend Frankreich 69 33 777 vom 2. Oktober 1969) beschrieben ist, wobei der Titel dieser Anmeldung lautet: »Verfahren zur Bestimmung der von einen; Fahrzeug durchlaufenden Bahn, deren Änderungen in Form von lnkrementen bezüglich eines Systems mit festen Achsen geliefert werden, sowie Vorrichtung zu seiner Durchführung«.

Nach der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung ist jede Sonde h\, Λ2, A3 und Λ4 mit einem Verstärker 5 A, 55, 5C bzw. 5 D verbunden. Die vier Verstärker verstärken und filtern die Signale entsprechend den kontinuierlichen, empfangenen Druckwellen in einem ausreichend breiten Band, um dem evtl. Dopplereffekt Rechnung zu tragen. Eine bekannte Verstärkersteuereinrichtung, die automatisch oder programmiert sein kann, hält das Niveau der Signale am Einang in die Amplitudenbegrenzer 6A, 65,6Cbzw. 6 D konstant, die jeweils mit den Verstärkern 5Λ 55, SC und SD verbunden sind. Die Begrenzer begrenzen die Signale in der Spitze und vermindern den Einfluß der durch die Strömungen hervorgerufenen Amplitudenmodulationen.

Die durch die Verstärker 5 und die Begrenzer 6 gebildeten Anordnungen sind für die Vorrichtung nicht charakteristisch. Sie können beispielsweise durch logarithmische Verstärker oder durch Phasenservoschleifen ersetzt sein.

Die verstärkten und begrenzten Signale werden dann in einer Anordnung von Spannungsmultiplikatoren 7,8, 9 und 10 an sich bekannter Art kombiniert, welche auch mit »Synchronmodulatoren« oder »Phasenkomparatoren« oder »abgeglichenen Modulatoren« oder »Frequenzwandlern« bezeichnet sind. Diese Multiplikatoren sind jeweils mit den Ausgängen der Begrenzer 65 und 6C, 6 A und SC, 65 und 6£>bzw. 6Λ und 6D verbunden.

Diese Modulatoren oder Multiplikatoren multiplizieren die Signale zu je zweien, eliminieren die Hochfrequenzkomponente und restituieren den Kosinus der Niederfrequenzsignale. Jeder Modulator 7, 8,9 und 10 ist mit einer Kette verbunden, die gebildet wird: durch ein Tiefpaßfilter 11Λ, 115, llCund HD, welches die Reste der HF-Modulation eliminiert; durch einen Nulldurchgangsdetektor der Amplitude der Signale — 12Λ, 125,12C bzw. 12£> — und einen Detektor für die Richtung des Nulldurchgangs der Amplitude eben dieser Signale 13/4, 135,13Cbzw. 13D. Jeder Detektor erzeugt einen Impuls an einer ersten Ausgangsklemme, wenn die aufgetretene Phasenverschiebung zwischen den aus dem Paar von Gebern stammenden Signalen um eine vorher festgelegte Größe sich erhöht hat. Im entgegengesetzten Fall, wenn die Änderung der Phasenverschiebung sich um die letztgenannte Größe vermindert, erzeugt jeder Detektor 13 an einer zweiten Ausgangsklemme einen Phasenabnehmeimpuls. Aus Zweckmäßigkeitsgründen wählt man die Einheit der Phasenverschiebung gleich π oder gleich 2 π Radians.

Die Vorrichtung umfaßt im übrigen eine Anordnung zur Kodierung und zur kodierten Reemission von Ultraschall gegen das Schiff. So werden die acht Ausgangsklemmen der vier Detektoren 13Λ, 135, 13C und 13Djeweils an eines von acht UND-Torschaltungen 151 ... 158 angeschlossen. Diese Torschaltungen sind jeweils mit acht Oszillatoren 141... 148 verbunden, die auf acht zueinander unterschiedliche Frequenzen /i... /₈ abgestimmt sind. Die Ausgangsklemmen der Torschaltungen 15 sind mit einem Trägerfrequenzmodulator 16 verbunden, der selbst mit einem Sender 17 verbunden ist. Ein Transduktor oder Geber 3 sendet erneut in Form von Ultraschallwellen die Signale, die aus dem Sender 17 aufnimmt

Die Impulse, die die Phasenverschiebungen vergrößern oder vermindern, welche durch einen beliebigen der Detektoren 13 erzeugt wurden, öffnen eine der beiden entsprechenden UND-Torschaltungen. Jede der Frequenzen f\... & welche die Trägerfrequenz moduliert, ist also charakteristisch für ein positives oder negatives Inkrement, welches an einem der beiden Wege entsprechend einem Paar genau präzisierter Sonden erscheint Die durch kodierte Verbindung übertragenen Inkremente werden nach Filtrierung oder Dekodierung in den auf dem Fahrzeug angeordneten Zählern gebucht bzw. gezählt Wenn η Phasenänderungsinkremente durch die getauchte Bake übertragen sind, bevor nach die Steuerung oder die selbsttätige Steuerungseinrichtung auf die Verschiebungseinrichtungen des Fahrzeugs gewirkt haben, so genügt es, in den durch die Orientierung der Sonden festgelegten Richtungen zu manövrieren und in Richtung derart, daß die während dieser Bewegung übertragenen Phasenverschiebungsinkremente Signale entgegengesetzt zu den-

/7

jenigen aufweisen, die erzeugt wurden, als das Fahrzeug sich aus seiner Ausgangslage entfernt hat

Die Modulationsfrequenzen /i, /₂... /J werden derart gewählt, daß sie sich voneinander selbst dann unterscheiden, wenn sie vom Dopplereffekt aufgrund der Bewegung des Schiffs bezüglich des Reemissionstransduktors oder Gebers 3 beeinflußt wird.

Im Rahmen der Erfindung kann man aber auch die Kodierung mit acht unterschiedlichen Frequenzen durch eine Kodierung ersetzen, die man erhält, wenn man jedem der positiven oder negativen, durch einen beliebigen der Detektoren 13 erzeugten Inkremente eine spezifische Kombination von mehreren Signalen unterschiedlicher Frequenz zuordnet, indem man ein Trägcrsigna! oder ein direkt ausgesandtcs Signa! moduliert. Im letztgenannten Fall ersetzt man den Modulator durch eine Signaladdiereinrichtung.

F i g. 3 zeigt den Fall, wo das Fahrzeug sich in der durch die drei Sonden Ai, A₂ und A₃ bestimmten Richtung fortbewegt, die jeweils an den drei Spitzen eines Gestells von Dreieckform AßClokalisiert sind.

Es soll bezeichnet werden mit:

θ der durch die Richtungsachse für die

Ultrasohallsignale gebildete Winkel mit der

Horizontalen, wobei die Ultraschallsignale

aus dem Schiff stammen,

Bp eine Achse parallel zu dieser Richtung,

Bq die Achse senkrecht zur Richtung Bp,

X Yund Z die jeweiligen Entfernungen BC, CA und

AB,
<x, β und γ die orientierten Winkel (AB, CA), (BC, AB)

\ma(CA,BC) λ die Länge der Druckwelle(n) im Wasser.

Man kann sehr einfach die Phasenverschiebungen Φ ab, Φ BC, Φ ca der Wellen berechnen, die an den Paaren von Sonden Ai und A₂ bzw. A₂ und A₃ oder A₃ und Ai ankommen, und sie ausdrücken in Form von:

2π — COS0

! = 2π -r- COS (α + j? - θ)

(D

(2)

(3)

-1 / ΔΦ_Κ

2π X sin θ

_L A ^ΑΦ<

2π Y sin(a + /S

CA

6·)

ΔΘ_ΛΚ — -τ -=■

Δ Φ λ

2π Z smiß-θ)

(4)

(5)

(6)

Die Beziehungen (4), (5) und (6) vereinfachen sich dann und lassen sich schreiben in Form von:

(7)

to Δ 0_CA =

\f> - ^λ

h	sin θ	χ- ή
λ
h \>2	sini
λ Δ	\Φ_ΛΒ

(8)

(9)

20

30

35

40

45

50

Den Phasenverschiebungen ΔΦβο ΔΦοα, ΔΦαβ entsprechen jeweiligen Änderungen ΔΘβο ΔΘολ, ΔΘαβ, die sich aus den Beziehungen 1, 2 und 3 durch die folgenden Gleichungen ausdrücken lassen:

60

65

In Praxis wählt man aus Gründen der Vereinfachung X gleich Z, β gleich 90° und a. gleich 45°.

wobei A den gemeinsamen Wert von X und Z bezeichnet.

Man ^ieht, daß nach den Beziehungen (7), (8) und (9) allein die Kenntnis des Winkelquadranten, in dem sich der Winkel θ befindet, es ermöglicht, die Proportionalitätskoeffizienten zwischen den Änderungen ΔΘ und den Phasenänderungen ΔΦ und somit die Verschiebungsrichtung des Schiffs entsprechend den berechneten Phasenverschiebungen zu bestimmen.

Man würde Beziehungen identisch zu den Beziehungen (7), (8) und (9) erhalten, indem man die Änderungen Δ'ψ des durch die Richtungsachse der ankommenden Wellen mit der Achse gebildeten Winkels bestimmt, die durch die Sonden A₂ und Λ4 in der Ebene verläuft, die die Drucksonden Ai, A₂, Λ4 (F i g. 1) enthält.

Aus F i g. 4 erkennt man, daß einer Verschiebung MV' des Fahrzeugs an der Oberfläche Änderungen ΔΘ bzw. Δ'ψ jeweils der Winkel θ und φ in den beiden zueinander senkrechten, durch die Sonden Ai, A₂, A₃ und A₄ festgelegten Ebenen für den besonderen Fall entsprechen, wo der Winkel β gleich 90° ist. Mit I und II sind die jeweiligen Quadranten bezeichnet, für die der Winkel θ kleiner oder größer als 90° und der Winkel ψ kleiner als 90° ist, und mit III und IV die Quadranten, für die jeweils der Winkel θ größer oder kleiner als 90° und der Winkel ψ größer als 90° ist Die Bestimmung des Quadranten, in dem sich das Schiff bewegt, erfolgt, indem man es einen geschlossenen Kreis um die geschätzte Lage der Seetonne 2 beschreiben läßt.

Der Übergang des Schiffs aus dem ersten in den zweiten Quadranten beispielsweise führt eine Änderung des Vorzeichens der Phasenverschiebungsinkremente ΔΦαβ (Beziehung 9) herbei. Man kann so in einfacher Weise die Azimute der Richtungen herstellen, welche durch die Sondenpaare A₂, A3 und A₂, A4 materialisiert sind, und man kann so den Quadranten, in dem das Schiff liegt, erkennen.

Die Bestimmung des Quadranten beispielsweise kann mit Hilfe einer logischen kombinatorischen Analyse, ausgehend von Phaseninkremente ΔΦ, erfolgen.

Die Durchführung der ersten Variante des Verfahrens vereinfacht sich, wenn es möglich wird, die Seetonne 2 derart anzuordnen, daß die die Sonden A₂, A₃ und Λ4 enthaltende Ebene horizontal (F i g. 1) angeordnet wird. In diesem Fall genügen drei Sonden, wie A₂, A₃ und A₄, um die Richtung der Änderungen von θ und von ψ als Funktion der Vorzeichen der Phaseninkremente ΔΦ zu bestimmen.

F i g. 5 zeigt im allgemeinen Fall das Netz der Linien gleicher Phasendifferenz das an der Meeresoberfläche

r_M(t) = cos 2

durch eine Zusammensetzung der elektrischen Signale erhalten wurde, die durch zwei beliebige Kombinationen von getauchten Drucksonden hervorgerufen wurden. Überfährt das Fahrzeug eine beliebige dieser Linien, so zeigen die Inkrementzähler die quantifizierten Änderungen der Phasendifferenzen an. Verschiebt sich das Fahrzeug unter dem Einfluß von Strömen, beispielsweise von einem Ursprungspunkt E zu einem Punkt F, so überfährt es nach dem Beispiel der F i g. 5 die Linien q\, qi.-.Qi und die Linien p\, pi-.-Pi, die jeweils den sechs und fünf Phaseninkrementen in zwei unterschiedlichen Richtungen entsprechen. Um in die Ausgangslage zurückzukehren, folgt das Fahrzeug einer Bahn, bei der versucht wird, die längs der Bahn E, F gezählten Inkremente zu null zu machen. Diese Bahn kann vielleicht absolut beliebig sein und beispielsweise eine Verschiebung E G längs von q% derart umfassen, daß zunächst die Phaseninkremente in einer Richtung zu null werden; dann kann eine komplementäre Verschiebung längs der Linie po derart vorgenommen werden, daß die Inkremente in der anderen Richtung zu null werden.

Man kann klarstellen, daß eine Kombination der durch zwei Paare unterschiedlicher Sonden erzeugten elektrischen Signale es nicht ermöglicht, ein Netz von leicht auswertbaren Linien zu erhalten. Ist die Wassertiefe relativ groß, so nehmen die beiden dieses Netz bildenden Linienanordnungen sehr schnell eine Krümmung an, wenn man sie aus der Lage senkrecht zu den Sondenpaaren entfernt. Da Größe und Orientierung der Maschen des Netzes sich schnell ändern, wird die Konstruktion der Einrichtung zur Auswertung der Phaseninkremente schnell sehr kompliziert.

Die zweite Variante des Verfahrens besteht darin, die Drucksonden in gewählten Lagen benachbart einander anzuordnen und in besonderer Weise die elektrischen Signale, die sie erzeugen, zu kombinieren, um ein Netz von Linien gleicher Phasendifferenz zu schaffen, welches durch zwei Reihen von Kurven gebildet wird, deren Schnittwinkel stabil über eine große Fläche um die Lage der Sonden verbleibt.

Nach der unten beschriebenen Ausführungsform ermöglicht eine besondere Ausbildung der Drucksonden es, ein Netz von Linien gleicher Phasendifferenz zu erhalten, das durch zwei Reihen orthogonaler geradlini- 45 ger Linien konstanten Abstandes über beachtliche HF{r_M

Längen gebildet wird.

Aus F i g. 6 erkennt man, daß die getauchte Einrichtung vier Drucksonden M, P, <?und R umfaßt. Drei von ihnen, P, Q und R, sind auf dem Träger an den Orten der Spitzen eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet Die vierte Se-nde M befindet sich in der Mitte des durch Q und R begrenzten Segmentes.

Mit s soll die gemeinsame Entfernung zwischen der Sonde M und den drei Sonden P, Q und R bezeichnet werden; und mit χ und y die Koordinaten des Fahrzeugs, die auf zwei orthogonale Achsen parallel zu den Richtungen PM und QR aufgetragen sind und deren Schnittpunkt sich auf der Vertikalen des Punktes M befindet Im übrigen bezeichnet man mit du, dp, do und dg die Entfernung des Punktes JVzu den vier Sonden M, P, Q bzw. R und mit Zdie vertikale Entfernung zwischen dem Fahrzeug und der durch die vier Sonden begrenzten Ebene.

Ein Sender-Transduktor analog zum Transduktor 1 der F i g. 1 sendet kontinuierlich akustische Wellen fester Frequenz aus, die durch die Sonden eingefangen und in elektrische Signale umgeformt werden.

Hat die vom Fahrzeug ausgesandte Welle die Form: e(t) = cos2;r/i, (10)

so nehmen die Amplituden der Wellen ruft), rp(t), ro(t), m(t), die jeweils an den Sonden M, P, Q und R empfangen werden, nach Ausgleich ihrer Amplitude die Form an:

π (ft + -^

Γ_Ρ(ί) = cos 2 π (ft + -£-

r_R(t) = cos 2 π (/t+-^-

(H)

(12)

(13)

(14)

Die Kombination der Signale, die ein stabiles Netz von Linien gleicher Phase zu erhalten gestatten, werden in Übereinstimmung mit den folgenden Beziehungen vorgenommen:

HF(IVIe)-HF(IVT₁₁)J (15)

(16)

wobei man mit rp · r<? und rp · r« die Produkte des Signals rp mit den Signalen Γς> und r» mit ru ■ γμ das Produkt des Signals r« mit sich selbst und mit H F und B F jeweils die Hochfrequenz- und Niederfrequenzkomponenten der erzeugten Produkte bezeichnet. Man kann sofort prüfen, daß:

^^ (17)

= cos2,-r[2/i

HF{r_F ■ r_R } =

(18)

(19)

und daß die Kombinationen der Signale in Übereinstimmung mit den Beziehungen (15) und (16) sich als die folgenden Phasenbeziehungen ergeben:

cos y>p_QM = cos 2 π

dp

COs2:i

d_F + d_R-2d_M

(20) (21)

wobei ippQM und v«w die Phasen der aus diesen Kombinationen resultierenden Signale sind. Man ermittelt sämtliche der Variationen dieser Phasen, deren Wert ein Vielfaches von 2 π Radians ist Hieraus folgt,

daß die Änderungen der Summen
dp+ do—2 du und dp+ c/«—2 dsi

hier als gleich IK und /πλ sind (wobei λ die Wellenlänge der ausgesandten Wellen und /und m zwei ganze Zahlen bezeichnen). Die Längen d/*, dp, dQ und du lassen sich sehr einfach nach der Figur berechnen und ausdrucken und durch die Beziehungen:

4 = Z² + x² + y² + h² + 2xs 4 = Z² + x² + x² + h² + 2ys

(22) (23) (24) (25)

Aufgrund des geringen Relativwertes der Verschiebungen χ und /und der Länge 5 bezüglich der Dicke Z der Wasserschicht werden die Längen d», dp, dQ und cfa bei guter Annäherung ausgedrückt in Form von:

(26)

2Z

"Q —

χ²+/ 2Z

xs

s² ys

2ZZ

Ϊ1 Z

(27) (28) (29)

Die Summen

d_P + d_Q — 2d_M und d_D + d_R — 2d_M lassen sich dann schreiben in Form von:

d_P + d_Q - 2d_M = 4 (s -:- χ + y) = U.

dp-d_R- 2d_M = — (s + χ - }') = ml

(30)

(31)

Die Beziehungen (30) und (31) geben die Tatsache wieder, daß die Linien gleicher Phasendifferenz an der Meeresoberfläche bestehen und, wenn /und m variieren, durch zwei Familien orthogonaler Geraden gebildet sind, die unter 45° gegen die Achsen PM und MR, wie F i g. 8 zeigt, geneigt sind Aus eben diesen Beziehungen leitet man ab, daß die Entfernung Δ zwischen den Linien dieses Netzes konstant und gleich

Begrenzern 18, 19, 20 bzw. 21 verstärkt. Diese Signale werden dann entsprechend den Gleichungen (15) und (16) behandelt Das durch />/> erzeugte Signal wird mit den durch Λς> und Λ« in den Modulatoren 22 bzw. 23 erzeugten Signalen multipliziert (siehe Beziehungen (17) und (19)). Das aus der Sonde /w austretende Signal wird mit sich selbst im Modulator 2 (siehe Beziehung (18)) multipliziert Die Ausgangsklemmen der Modulatoren 22, 23 und 24 sind mit Hochpaßfiltern 25, 26 bzw. 27 ίο verbunden, welche die Niederfrequenzkomponenten der hergestellten Produkte eliminieren. Das durch den Modulator 27 erzeugte Signal wird jeweils mit den aus den Modulatoren 25 und 26 austretenden Signalen in anderen Modulatoren 28 und 29 multipliziert. Die Ausgangsklemmen dieser letzteren sind mit Tiefpaßfiltern 30 bzw. 31 verbunden, weiche die Hochfrequenzkomponenten der multiplizierten Signale eliminieren.

Die Filter 30 und 31 sind jeweils mit Phasenmeßgeräten 32 und 33 verbunden, die durch Null-Durchgangsdetektoren für die Amplitude der Signale und Detektoren für die Richtung dieser Durchgänge analog den Elementen 12 und 13 der Fig.2 gebildet sind. Diese Phasenmesser 32 und 33 liefern an einem Ausgang einen Impuls jedesmal dann, wenn die Phase der kombinierten Signale um 2 π steigt und an einem zweiten Ausgang einen Impuls jedesmal dann, wenn die Phasen um 2 π abnehmen.

Die Vorrichtung umfaßt auch eine Kodierungsanordnung analog zur Anordnung L in Fig.2. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kodierung einfacher, ausgehend von vier unterschiedlichen Frequenzen, die jeweils den Impulsen zugeordnet sind, die an einer der vier Ausgangsklemmen der Phasenmeßgeräte 32 und 33 erzeugt wurden.

Die Vorrichtung umfaßt schließlich, wie in Fig.2 dargestellt, einen Leistungsverstärker 17, der einem Sender-Transduktor 3 für akustische kodierte Wellen zugeordnet ist

Die zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und die zugehörige Vorrichtung werden beschrieben unter der Annahme, daß man die Phasenverschiebungsänderungen, kombiniert mit Inkrementen der Phase vom Wert 2 π, umformt Um die Genauigkeit zu vergrößern, kann man die Änderungen der ermittelten Phasenverschiebungen in Inkremente vom Wert -^- (K ist eine ganze Zahl) transformieren.

In diesem Fall lassen sich die Gleichungen (30) und (31) schreiben zu:

⁴⁵

d_? + d_Q- 2dw = 4-(>i + x+v) = ^ (32)

Die Abweichung Δ der Linien gleicher Phasendifferenz wird dann zu

S \<2

60

ist Die Neigung von 45° wird durch die besondere ί

Konfiguration der vier Sonden erhalten. Man kann

jedoch die Neigung der Geraden des Bündels variieren Die Position des Schiffs wird also mit einer größeren

lassen, indem man die Entfernung PM variieren läßt 65 Genauigkeit festgelegt

Nach F i g. 7 werden die durch die Sonden hu, hp, Iiq und F i g. 9 zeigt eine Ausführungsform der verbesserten

Λ« erzeugten elektrischen Signale, die an den vier Vorrichtung zur Vergrößerung der Genauigkeit bei der

Punkten M, P, Q und R lokalisiert sind, in Verstärkern- man senkrecht über jedem Punkt M, P, Q und R eine

Anzahl K von Drucksonden angeordnet hat, die vertikal gegeneinander um ein Stück -f? getrennt angeordnet sind (K ist gleich fünf in der Figur).

Man kombiniert die elektrischen, von den auf dem gleichen Niveau (beispielsweise ho·,, hu\. Α/·,, A*,) angeordneten Sonden kommenden Signale entsprechend den Beziehungen (15) und (16) in einer Einrichtung analog der der F i g. 7. Die auf den Niveaus der die Sonden *<?,, I]Q₂, A₀₃, A<?, und A₀₅ enthaltenden Ebenen erzeugten Signale werden bezüglich einander

um ^- aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen

verzögert, die sie von dem durch das Schiff getragenen Sender trennea

Die Filter 30 und 31 jeder Einrichtung sind jeweils mit zwei Phasenmessern 32 und 33 über nicht dargestellte ODER-Torschaltungen verbunden.

Die Phasenmeßgeräte 32 und 33 (Fig.7) sind mit einer Kodierungsanordnung L verbunden, welche Einrichtungen zur Kodierung in Impulse durch Unterträgerfrequenzen von der Zahl 2 K enthält Fig. 10 zeigt eine andere verbesserte Einrichtung, die es ermöglicht, die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen. Aus Vereinfachungsgründen zeigt die Einrichtung den besonderen Fall, wo K= 2.

Die Vorrichtung umfaßt vier Sonden hu, hp, Aq und Ar, die mit vier Verstärkern 18, 19, 20 und 21 und zwei Kreisen analog dem in F i g. 7 gezeigten verbunden und parallel mit dem Ausgang der Verstärker geschaltet sind. Der erste dieser Kreise ist direkt an den Ausgang der Verstärker über die Leiter 181, 191, 201 und 211 gelegt. Der zweite ist mit diesen Verstärkern über Phasenschieber R\, R₂, R3 und Rt verbunden, welche die verstärkten Signale um 180° phasenverschieben. Die direkten, aus den Sonden hp und /?q einerseits kommenden Signale und die aus eben diesen Sonden stammenden verzögerten Signale werden jeweils in den Modulatoren 221 und 222 multipliziert und dann in Hochpaßfiltern 251 und 252 gefiltert. In gleicher Weise werden die direkten und verzögerten, aus den Sonden Ap und Λρ stammenden Signale direkt in den Modulatoren 231 und 232 vervielfacht und dann in den Hochpaßfiltern 261 und 262 gefiltert. Die direkten, aus der Sonde Am austretenden Signale und die gleichen verzögerten Signale werden mit sich selbst in den Modulatoren 241 und 242 multipliziert und dann in den Hochpaßfiltern 271 und 272 gefiltert Die Signale aus den Filtern 271 und 272 werden jeweils mit den Signalen aus den Filtern 251 und 252 in Modulatoren 281 und *82 multipliziert und dann in Tiefpaßfiltern 301 und 302 gefiltert, einerseits; bzw. andererseits jeweils mit den aus den Filtern 261 und 262 stammenden Signalen in Modulatoren 291 und 292 multipliziert und dann in Tiefpaßfiltern 311 und 312 gefiltert Die Ausgangsklemmen der Filter 301 und 302 sind mit der Einganpsklemme des Phasenmersers 32 über eine ODER-Torschaltung 34 verbunden. In gleicher Weise sind die Ausgangsklemmen der Filter 311 und 312 mit der Eingangsklemme des Phasenmessers 33 verbunden. Die aus diesen Phasenmessern austretenden Impulse werden dann in der Anordnung L kodiert und dann zum Schiff über den Schallsender 3 nach Verstärkung im Element 17 rückübertragen.

Die oben beschriebene Vorrichtung ermöglicht es, Phasenschritte oder -inkremente vom Wert π in einer Anzahl zu erhalten, die doppelt so hoch ist wie die, die man mit der Vorrichtung nach Fig.7 erhält Diese Verdoppelung der Inkrementzahl stellt sich an der Meeresoberfläche als ein Netz von Linien gleichen Phasenunterschiedes mit konstanter Entfernung

y voneinander (siehe Fig.8) dar. Hieraus folgt eine

größere Genauigkeit in der Bestimmung der Position des Schiffs.

Man kann die Genauigkeit der Messungen steigern und die die Linien gleicher Phase trennende Entfernung vermindern, indem man K größer als 2 wähit und indem man die Anzahl der Phasenschieber am Austritt jedes der Verstärker 18, 19, 20 und 21 vervielfacht Als Beispiel zeigt F i g. 1OA die besondere Ausbildung der Phasenschieber am Austritt aus dem Verstärker 20 für den Fall, wo K=A. Drei Phasenschieber R_3U R₃₂ und R₃₃, die kaskadenartig ausgebildet sind, verzögern nacheinander das direkte Signal um 90°, 180° und 270°. Die Vorrichtung umfaßt vier parallele Kombinationskreise für direkte Signale sowie um ί- , π und -^- verzögerte Signale.

Fig.8 erläutert das bevorzugte Verfahren zur Bestimmung der Richtungen von zwei Familien orthogonaler Phasenlinien. Man läßt dem Schiff eine Bahn // bei konstantem Kuis, vorzugsweise gegen Norden, zwischen einer Ausgangsposition und einer beliebigen Eingangsposition folgen. Während seiner Fortbewegung bemerkt man die jeweiligen Zahlen /und m der parallel zu den Achsen λ,λ und ßß verlaufenden Linien, die von ihm traversiert werden. Der Winkel γ_α der durch // und durch die Richtung PM gebildet wird, ergibt sich dann aus der Beziehung

tg/c =

l-m l + m

(34)

Wenn die Bahn //in Nordrichtung orientiert ist, dann erhält man direkt den Azimut der Achse PM der getauchten Sondenanordnung.

Die Koordinaten des Schiffs können in einem Koordinatentransformationsrechner bekannter Art als Funktion der Anzahl der empfangenen Impulse nach Dekodierung in Filtern verarbeitet werden, deren Durchlaßbänder auf die Kodierungsfrequenzen zentriert sind, und zwar ebenfalls als Funktion des Winkels y_cund des von einem Kompaß gelieferten Kurswinkels.

Die zweite Variante des Verfahrens wurde für den Sonderfall beschrieben, wo die Drucksonden auf einen Träger an den Orten von drei Spitzen eines Quadrats angeordnet sind. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, wenigstens vier Sonden in beliebiger Art in der Nähe des getauchten Bezugsortes anzuordnen und die von wenigstens zwei Sondenpaaren mit einer gemeinsamen Sonde erzeugten Signale mit Signalen von einer Bezugssonde kombiniert.

Man kann auch die beiden beschriebenen Varianten zusammennehmen, um die Trennungsintervalle der Linien oder Kurven des Netzes aus Linien gleichen Phasenunterschiedes zu vermindern.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Wasserfahrzeugs bezüglich einer Unterwasser-Referenzposition mit Hilfe von mehreren in der Nähe der Referenzposition fest angebrachten Schallsonden und mit Schallsendern, die fest am Wasserfahrzeug angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst Schallwellen vom Fahrzeug kontinuierlich ausgesandt und von den Schallsonden empfangen werden, daß die Schwankungen der Phasenverschiebungen zwischen den von je zwei Sonden empfangenen Wellen aufgrund von Verschiebungen des Fahrzeugs gemessen werden, wobei die Schallsonden zu mindestens zwei SGndenpaaren mit einer beiden Sondenpaaren zugehörigen Sonde gruppiert sind und die durch ein Sondenpaar definierte Richtung ungleich der durch das andere Sondenpaar definierten Richtung ist, daß dann die Zeitpunkte ermittelt werden, an denen sich die einzelnen Phasenverschiebungen um einen vorgegebenen Wert geändert haben, und daß hierüber kodierte Nachrichten an eine am Fahrzeug angebrachte Zähleinrichtung übertragen werden, woraus Größe und Richtung der Abweichung des Fahrzeugs bezüglich einer Sollposition ableitbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geber nach wenigstens zwei orthogonalen Richtungen angeordnet sind.

3. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sondenanordtiungen, bestehend aus vier Sondengruppen, verwendet sind, welche jede K in einer vertikalen Richtung angeordnete Sonden auf unter regelmäßigem Abstand befindlichen Niveap umfaßt, wobei die Sonden eines Niveaus sich in einer horizontalen Ebene befinden; daß die Ermittlung der Schwankungen der Phasenverschiebungen durchgeführt wird, indem für die Sonden jedes Niveaus eine Kombination von Signalen, die aus zwei nicht ausgerichteten Sondenpaaren mit einer gemeinsamen Sonde stammen, mit Signalen erfolgt, die aus einer Bezugssonde stammen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombination direkt und mit vorgegebenen Verzögerungen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugssonde in Ausrichtung auf die zwei nicht gemeinsamen Sonden der beiden Sondenpaare jedes Niveaus angeordnet ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die die beiden Sondenpaare bildenden Sonden an den Orten von drei der Spitzen eines Quadrates und die Bezugssonde am Mittelpunkt dieses Quadrats angeordnet ist.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl K der Niveaus gleich eins ist.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kombination der aus den Sonden jedes Niveaus stammenden Signale entsprechend den Beziehungen

65

BF

{HF{r_F

r_Q}-H F{r_M-r_M}

vorgenommen wird, wobei /> das aus der gemeinsamen Sonde stammende Signal, rp una r« die aus den nicht gemeinsamen Sonden der beiden Paare stammenden Signale und r*/das aus dem Bezugsgeber stammende Signal bezeichnet, wobei B F und H F die jeweiligen Nieder- und Hochfrequenzkomponenten der gebildeten Signalprodukte bezeichnen.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen des Fahrzeugs, für die die aufeinanderfolgenden Phasenverschiebungswerte aufgrund dieser Kombination Inkrementschwankungen erleiden, nach wenigstens zwei parallele Linien schneidenden Anordnungen ausgerichtet sind.

10 Verfahren nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Anordnungen paralleler Linien orthogonal sind.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Zeitpunkt, zu dem eine der verschiedenen Phasenverschiebungen ein Vielfaches eines vorgegebenen Phaseninkrements ist, ein kediener Impuls in Form eines akustischen Signals bestimmmter Frequenz oder ein akustisches Signal übertragen wird, das aus der spezifischen Kombination mehrerer akustischer Signale verschiedener Frequenzen besteht.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Signal-Multiplikatoren (7-10), die für jede Anordnung Kombinationen von Signalen bilden, die aus Gruppen von Sonden (h) mit wenigstens jeweils einem dieser Paare stammen, Einrichtungen zur Ermittlung der Phasenverschiebungsschwankungen dieser Signalkombinationen, Einrichtungen zur Ermittlung der Zeitpunkte, in denen sich die einzelnen Phasenverschiebungen um einen vorgegebenen Wert geändert haben, durch eine Kodierungsanordnung (L) mit Einrichtungen zur Erzeugung von Kodierungssignalen, Einrichtungen zur Zuordnung jedes Kodierungssignals zu Impulsen entsprechend ihrem Vorzeichen für jede Signalkombination und Einrichtungen (3) zur Übertragung der Kodierungssignale an die Zähleinrichtung.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierungsanordnung (L) Einrichtungen zur Erzeugung von unterschiedlichen Frequenzsignalen umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kodierungsanordnung (L) Einrichtungen zur Erzeugung spezifischer Kombinationen unterschiedlicher Frequenzen umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung zwei nicht zueinander ausgerichtete Sondenpaare mit einer gemeinsamen Sonde und eine Bezugssonde aufweist und daß die Signalmultiplikatoren einen ersten Modulator (22) zur Kombination der Signale aus dem ersten Sondenpaar, einen zweiten Modulator (23) zur Kombination der Signale aus dem zweiten Sondenpaar, einen dritten Modulator (24) zur Quadrierung des Signals aus der Bezugssonde sowie einen vierten und fünften Modulator (28, 29)

umfassen, die die. über Hochpaßfilter (25—27) gelaufenen Ausgangssignale des dritten und des ersten bzw. dritten und des zweiten Modulators multiplizieren, worauf deren Ausgangssignale in Tiefpaßfiltern (30,31) gefiltert werden.

Die Erfindung betrifft die Bestimmung der Position eines Wasser/ihrzeugs bezüglich einer Unterwasser-Referenzposition und richtet sich insbesondere darauf, es an einem vorbestimmten Ort zu halten.

Ein besonderes Anwendungsgebiet der Erfindung besteht darin, ein Schiff oder eine Bohrplattform vertikal über einem Bohrloch im Meer zu halten.

Das Halten eines Schiffes an einem festen gewählten Ort wird entweder durch eine statische Verankerung mit Ankern und Ketten oder durch eine sogenannte »dynamische« Verankerung erreicht, die dariii besteht, es in Ausgangslage zu halten oder in diese mit Hilfe von Antriebseinrichtungen rückzuführen. Die Abweichun gen des Schiffs werden meist gegenüber einer oder mehreren festen getauchter. Bezugspositionen mittels Ultraschall ermittelt oder indem man einen Spanndrahtneigungsmesser verwendet Die Vorrichtung umfaßt einen gespannten Draht zwischen einem festen Punkt am Meeresboden und dem Fahrzeug sowie Einrichtungen zur Ermittlung der Größe und der Richtung der Neigungen, die der Draht annimmt, wenn das Schiff aus einer Bezugslage abweicht.

Die Genauigkeit dieser Art von Vorrichtung nimmt mit zunehmender Wassertiefe ab. In einer relativ großen Tiefe hört die Krümmung des Drahts unter dem Einfluß seiner Masse auf, einen vernachlässigbaren Einfluß zu haben, und die Neigung, die er annimmt, ist nicht mehr proportional zu den Abweichungen des Schiffs.

Die am häufigsten verwendeten Verfahren zur Ermittlung der Abweichungen mittels Ultraschall bestehen darin, die Fortpflanzungszeiten für Ultraschallimpulse zwischen dem Schiff und den Bezugspunkten zu bestimmen. Eine Verwirklichungsform ist z. B. darin zu sehen, an einem bekannten Ort eine Ultraschallimpulse sendende Sonde zu tauchen und die ausgesandten Impulse beispielsweise mittels dreier Sonden oder Hydrophone zu empfangen, die an den drei Spitzen eines rechtwinkligen Rahmens befestigt sind, der wiederum am Schiffsrumpf angebracht ist. Ein Rechner an Bord bestimmt die Lage des Schiffs, ausgehend von den Unterschieden zwischen den Ankunftszeiten der Impulse an den drei Hydrophonen.

Andere Verwirklichungsformen bestehen umgekehrt darin, Ultraschallimpulse vom Schiff aus zu senden und sie mit Hilfe mehrerer getauchter Hydrophone zu empfangen, die in festen Positionen gegenüber dem Meeresboden gehalten sind. Die Hydrophone werden am Kopf eines polyedrischen Rahmens angeordnet, der auf den Boden gesetzt ist, oder sie werden an mehrere bekannte Orte verteilt. Die Fortpflanzungszeiten für die Ultraschallimpulse werden auf das Schiff, beispielsweise durch Oberflächenbojen, übertragen, die mit den Hydrophonen verbunden sind und radioelektrische Sender enthalten.

Die Fortpflanzungszeiten können auch bestimmt werden, indem man an bestimmten Orten Baken oder Seetonnen, weiche Reflektoren unterschiedlicher Art und Form tragen, anordnet, die gegen das Schiff für jede von ihnen charakteristische Echos zurückschicken. Die Dauer des Hin- und Rückweges der Impulse ermöglicht es, die das Schiff von jeder der Baken trennende Entfernung auszumachen.

Der Hauptnachteil der genannten Verfahren liegt in der Schwierigkeit, die Eingangsaugenblicke der ausgesandten Impulse aufgrund der starken Störung zu bestimmen, die durch das vom Fahrzeug oder der Bohrplattform erzeugte Geräusch hervorgerufen wurde, und aufgrund der Störreflexionen, die das Orten der direkten Ankunft der Impulse unsicher machen. Darüber hinaus werden die ausgehend von den Laufzeitabweichungen vorgenommenen Berechnungen in Form von absoluten Entfernungsabweichungen geliefert, die nicht immer leicht durch die Automatik oder Handsteuereinrichtung auswertbar sind, die das Schiff in seine Ausgangslage rückführen sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, ein Seeschiff in einer vorbestimmten Stellung zu halten, bei dem die Messungen der Positionsabweichungen nicht mehr ausgehend von Impulsen, sondern durch Messung der Änderungen der Phasenverschiebungen einer Welle vorgenommen werden, die kontinuierlich ausgesandt und durch mehrere Hydrophone empfangen wird, wobei die Positionsabweichungen in Form von Inkrementen mit quantifizierten, leicht auswertbaren Werten geliefert werden.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen dieses Verfahrens und bezüglich von Merkmalen der dieses Verfahren benutzenden Vorrichtung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es, die Abweichungen eines Schiffs in der Nähe einer gewählten Lage bezüglich eines getauchten Bezugsortes zu bestimmen, wo mehrere Drucksonden in vorher festgelegter Lage bezüglich einander angeordnet sind

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig. 1 schematisch ein Schiff erkennen läßt, das sich an einem gewählten Ort bezüglich eines getauchten Bezugsortes befindet, an dem vier Sonden nach der ersten Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind;

Fig. 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens;

Fig.3 zeigt die Position des Empfangssystems der kontinuierlichen Druckwellen für den besonderen Fall, wo das Schiff sich in seiner Ebene befindet;

F i g. 4 zeigt die Projektionen des Verschiebevektors des Schiffs auf den die Drucksonden verbindenden Achsen;

Fig. 5 zeigt im allgemeinen Fall das durch die einander kreuzenden Linien gleicher Phasenverschiebung gebildete Netz für Kombinationen der elektrischen Signale, die durch Anordnungen verschiedener Sonden erzeugt wurden;

F i g. 6 zeigt scliematisch die Pos'tion des Fahrzeugs bezüglich einer Anordnung von vier Sonden nach einer Variante zu Fig. 2;

F i g. 7 zeigt die Vorrichtung zur Durchführung der Varian"* gemäß F i g. 6;

Fig.8 zeigt das Netz von Linien gleicher Phasendifferenz, das man bei Anwendung der Variante gemäß Fig.6 erhalten hat;

Fig.9 zeigt eine besondere Anordnung der Sonden, die es ermöglicht, die Genauigkeit zu steigern, indem