DE2813273A1

DE2813273A1 - Navigations-einrichtung

Info

Publication number: DE2813273A1
Application number: DE19782813273
Authority: DE
Inventors: Ronald William Passey
Original assignee: S Davall and Sons Ltd
Current assignee: S Davall and Sons Ltd
Priority date: 1977-03-29
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1978-10-05
Also published as: FR2386048A1; GB1566616A; NO781013L; SE7803313L; NL7802984A; US4207571A

Description

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PATENTANWÄLTE DIPL-ING. H. STEHMANN DIPL-PHYS. DR. K. SCHWEINZER DIPL-ING. DR. M. RAU

D-8500 NÜRNBERG ESSENWEINSTRASSE 4-i TELEFON 09 Π/20 37 27 TELEX 06/23135

Nürnberg, 22. 03. 1978 120/62

S. Davall & Sons Limited, 3, Aintree Road, Perivale,

Navigations-Einrichtung

Die Erfindung betrifft eine Navigations-Einrichtung mit Sende-Empfangs-Geräten für ültraschallsignale sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Relativposition eines Fahrzeuges gegenüber einer Bezugsstation durch übertragen von Ultraschallsignalen zwischen dem Fahrzeug und der Bezugsstation.

Dabei bezieht die Erfindung sich insbesondere auf solche Navxgatxonshxlfen, die als CQNA (close-quarter navigational aid; Nahbereich-Viereckpeilung) bezeichnet werden.

Im allgemeinen weisen die bekannten Einrichtungen zur Navigationshilfe den Nachteil auf, daß ihre Genauigkeit , ausgedrückt als Prozentwert der gemessenen Entfernung, bei kurzen Distanzen sinkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Navigaticns-Einrichtung sowie ein Verfahren eingangs genannter Art zu schaffen, dessen charakteristxsche Eigen-

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art eine besondere Eignung für Einsatz bei kurzen Entfernungen, beispielsweise im Bereiche zwischen 3 und 300 Metern, ohne aber auf diesen Bereich eine Beschränkung vorzunehmen, ist, wobei auf die Navigation bzw. Positionsbestimmung eines Schiffes, eines Flugzeuges oder eines anderen Fahrzeuges gegenüber einer Bezugsstation abgestellt ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Navigations-Einrichtung eingangs genannter Art erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß eine Bezugsstation oder eine Fahrzeugstation wenigstens zwei an den Endpunkten einer Basisstrecke angeordnete Sender für voneinander unterscheidbare Ultraschallsignale und einen Sender für elektromagnetische Signale und die Fahrzeugstation bzw. die Bezugsstation drei Empfänger für die Ultraschallsignale und einen Empfänger für die elektromagnetischen Signale aufweist, wobei zwei Empfänger, nämlich je einer für die beiden Ultraschallsignale, an einem Endpunkt einer Basisstrecke und der dritte Empfänger für eines der beiden Ultraschallsignale am anderen Endpunkt dieser Basisstrecke angeordnet sind und die mit diesen drei Empfängern ausgestattete Station Zeitmeßschaltungen zur Bestimmung des Zeitunterschiedes zwischen Aufnahme des elektromagnetischen Signales und Aufnahme der jeweiligen Ultraschallsignale aufweist.

Oben umrissene Aufgabe wird dementsprechend bei einem Verfahren eingangs genannter Art im wesentlichen dadurch

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gelöst, daß gleichzeitig, von verschiedenen Punkten des Fahrzeuges oder der Bezugsstation aus, voneinander unterscheidbare Ultraschallsignale und ein
elektromagnetisches Signal abgestrahlt und die
Ultraschallsignale in der Bezugsstation bzw. auf
dem Fahrzeug an zwei unterschiedlichen Punkten aufgenommen werden, wobei beide Ultraschallsignale
an einem Punkt und außerdem eines der Ultraschallsignale auch an einem anderen Punkt empfangen werden und eine Zeitmessung hinsichtlich des Empfangszeitpunktes der Ultraschallsignale bezüglich des Empfangszeitpunktes des elektromagnetischen Signales vorgenommen wird, um daraus drei Abstände zwischen den
ersterwähnten Punkten und den zweiterwähnten Punkten zu ermitteln, aus denen die Position des Fahrzeuges bestimmbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung macht also in besonderer Weise gleichzeitig von elektromagnetischen und Ultraschall-Signalverbindungen Gebrauch. Als elektromagnetische Signalverbindung wird im Rahmen der Erfindung im allgemeinen auf eine Funkverbindung zurückgegriffen werden; aber andere Signale innerhalb des elektromagnetischen Spektrums können in gleicher Weise Anwendung finden, einschließlich Licht-, Infrarotoder Ultraviolett-Signalen. Die Ultraschall- oder Sonar-Signalverbindung kann über ein gasförmiges oder flüssiges Übetragungsmedium eingerichtet werden, in der Praxis erfolgt eine Signalübermittlung in der Regel durch Luft oder durch Wasser.

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Die elektromagnetischen und Ultraschallsignale können durch gleichzeitiges Schalten entsprechender Trägerfrequenzen oder durch gleichzeitige Modulation solcher Trägerfrequenzen hervorgerufen werden, um Impulsfolgen zu erzeugen.Die Navigations-Information, die durch Auswertung der Empfangszeitpunkte der Impulse bezüglich einander gewonnen wird, wird auf diese Weise mit jeder Impulsgruppe auf den neuesten Stand gebracht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung vereinfacht und unter Beschränkung auf das Wesentliche dargestellten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:

Fig. 1 in schaubildlicher Draufsicht ein Fahrzeug mit erfindungsgemäß ausgerüsteter Fahrzeugstation, das sich einer ortsfesten Bezugsstation annähert,

Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Sendestation,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild für eine Empfangsstation und

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für eine einfache Realisierung der Zeitbezugs-Festlegung.

Für das in Fig. 1 dargestellte Realisierungsbeispiel ist angenommen, daß es sich bei dem Fahrzeug, dessen Position bezüglich eines "Ziel"- oder Bezugspunktes bestimmt werden

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soll/ um ein Seeschiff 1 handelt. Bei diesem feststehenden Bezugspunkt handelt es sich beispielsweise um die Plattform 2 einer in der offenen See verankerten öl- Bohr- oder -Löschinsel, einen Leuchtturm, eine Hafeneinrichtung, eine Landebrücke oder dergleichen.

Der Bezugspunkt ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Bezugsstation ausgestattet, die zwei Sender 3 und 4 für voneinander unterscheidbare Sonar- -oder ültraschallsxgnale aufweist, die an den Endpunkten einer Basisstrecke der Länge d angeordnet sind. Bei einem praktischen Realisierungsbeispiel beträgt die Trägerfrequenz der von den Sendern 3 bzxv. 4 abgestrahlten Signale typischerweise 3 kHz bzw. 5 kHz, und die Basisstrecke weist eine Länge d von 10 Metern auf. Die Bezugsstation ist ferner mit einem Funksender 5 ausgerüstet.

Das Schiff 1 ist an zwei Punkten mit insgesamt drei Empfängern ausgestattet, im vorgenannten Beispiel mit zwei Empfängern 6 und 7 für 5 kHz - bzw. für 3 kHz Signale an einem Punkte und mit einem einzigen Empfänger für 5 kHz-Signale am anderen Punkt. Die Basisstrecke zwischen diesen beiden Punkten ist wieder beispielsweise 10 Meter lang. Ferner ist das Schiff 1 mit einem Funkempfänger 9 ausgestattet.

Die von den beiden Ultraschall-Sendern 3 und 4 ausgesandten Signale werden an dem einen Punkt auf dem Schiff

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von den Empfängern 6 und 7 nach Maßgabe der Übertragungsstrecken R1 bzw. R2 empfangen. Im anderen Punkt auf dem Schiff 1 wird mittels des Empfängers 8 lediglich dasjenige Signal empfangen, das vom Sender abgestrahlt wurde und den Übertragungsweg R3 zurückgelegt hat. Wie aus der Prinzipdarstellung der Fig. 1 ersichtlich, ist durch diese Sender-Empfänger-Anordnung sichergestellt, daß niemals mehr als zwei Sende-Empfangs-Wege untereinander übereinstimmender Länge vorkommen. In der Regel, wenn sich das Schiff 1 nicht exakt gemäß der Darstellung der Fig. 1 der Bezugsstation annähert, sind sogar alle drei Übertragungswege R unterschiedlich lang. Jede Weg-Längen-Kombination (3-6, 4-7 und 4-8), wie sie über den Zeitablauf zwischen der Ankunft des gleichzeitig ausgesandten Funksignales und dem Empfang des entsprechenden Ultraschalloder Sonarsignales gekennzeichnet ist, beschreibt eine Position und Ausrichtung des Schiffes 1 in Hinblick auf die Bezugsstation. Theoretisch können die Zeitdifferenzen jeweils zwei um 180° bezüglich der Bezugsstation punktsymmetrische Positionen beschreiben; aber diese unterschiedlichen Positionen können bei normaler, praktischer Navigation nicht vertauscht werden, so daß die über die drei Übertragungswege R ermittelte Information unzweideutig ist.

Die ültraschall-und Funksignal-Übertragungen können, wie für die nachfolgende Beschreibung angenommen, als Trägerwellen benutzt werden, wobei auf diese drei Trägerwellen

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kurze Signalimpulse oder Pulspakete (bursts) gleichzeitig aufmoduliert werden. Die Impulsdauer ist zweckmäßigerweise in der Größenordnung von einigen Millisekunden, und die Impulspause in der Größenordnung von einigen Sekunden, beispielsweise 4 Millisekunden Pulsdauer bei einer Sekunde Pulspause. Fig. 2 zeigt, wie ein Impulsgenerator 10 dazu benutzt werden kann, die gleichzeitige Aussendung von/Signalimpulsen über den einen Funksender 5 mit Antenne 5' und die Schwingkreise der Sonar-Sender 3 und 4 mit elektroakustischen Wandlern oder Schwingern 3', 4' zu steuern.

Empfangsseitig (vgl. Fig. 3) werden die Ultraschalloder Sonarsignale von Mikrophonen 6¹, T und 8¹ der Empfänger 6, 7 und 8 aufgenommen und auf Filter 11 geschaltet, die dafür ausgelegt sind, nur dasjenige Signal durchzulassen, das jeweils gewünscht ist. Den Filtern sind Verstärker 12 und Pulsformerschaltungen 13 nachgeschaltet. Das Funksignal, das von einer Empfangsantenne aufgenommen wird, wird von dem Empfänger 9 ebenfalls auf eine Pulsformerschaltung 13 gegeben. Abhängig von der Länge der Übertragungswege R1, R2 und R3 sind die Empfengsimpulse von den Sonar-Empfängern 6 und 7 unterschiedlich stark zeitlich gegenüber dem Auftreten des Empfangsimpulses am Funkempfänger 9 zeitlich versetzt. Die Pulsformung wird zweckmäßigerweise so vorgenommen, daß die Ultraschall- oder Sonarimpulse gegenüber dem vom Funkempfänger 9 hervorgerufenen Funkimpuls umgekehrte Polarität aufweisen.

Um ein Maß für die jeweilige Zeitverschiebung zu erhalten werden die Ultraschallimpulse aus den Pulsformerschaltungen 13 als "Stopp-" Signale auf zugeordnete digitale oder andere elektronische Zeitmeßschaltungen 14 oder andere Zeitermittlungseinrichtungen gegeben (vgl. Fig. 4), auf die der vom Funkempfänger 9 gelieferte Funkimpuls als "Start"-Signal geschaltet wird.

Die Zeitmeßeinrichtungen können einfach beispielsweise in Zeitintervalle für die Laufzeit des Ultraschallimpulses pro Entfernungseinheit durch das Übertragungsmedium, z. B. Luft, geeicht sein, so daß eine Zähleinheit einer Entfernungseinheit, etwa ein Fuß, entspricht. Die Anzeigen können direkt in Längeneinheiten vorgesehen sein. Die drei Entfernungsanzeigen können mittels bekannter Einrichtungen zusammengefaßt werden, um eine einzige Anzeige über die Entfernung und Peilrichtung bezüglich der Bezugsstation zu gewinnen, oder eine kartenähnliche Darstellung der Position des Schiffes 1 bezüglich der Platform 2 oder sonstigen Bezugsstation.

Wenn die oben beschriebene Signalauswertung mit Empfang einer jeden Impulsgruppe über die Empfänger 6 bis 9 wiederholt wird, dann wird dadurch die gewonnene Information stets fortgeschrieben,, also in sehr kurzen Zeitabständen auf den neuesten Stand ergänzt, d. h., im Abstand von jeweils einer Sekunde, wenn die Impulspause eine Sekunde beträgt. Die Größe der Impulspause wird je nach den be-

sonderen Gegebenheiten gewählt. Eine längere Pause als eine Sekunde wird normalerweise erforderlich sein, da andernfalls die maximale Entfernung, für die diese Einrichtung verwendbar ist, durch die Gefahr unkorrekter Signalantwort bei extremer Entfernung unnötigerweise beschränkt sein könnte.

Ein einfaches numerisches Beispiel soll der näheren Erläuterung der Größenordnung der in Betracht kommenden Zeiten dienen. Es werde eine Länge d von 10 Metern für die Basisstrecke und eine Entfernung zwischen Fahrzeug und Bezugsstation von 90 Metern angenommen. Die Zeit, die das Funksignal benötigt, um diese 90 Meter zu überbrücken, ist vernachlässigbar klein in Bezug auf diejenige Zeit, die von den ültraschallsignalen benötigt wird, die eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit von etwa 1500m/sek in Wasser und eine noch spürbar geringere in Luft aufweisen. In Wasser benötigt die Übertragung der Signale entlang den direkten Übertragungswegen 3-6 und 4-8 bei einer Basisstrecken-Ausrichtung gemäß Fig. 1 etwa 50 Millisekunden Dauer, während für die Signalübertragung entlang des diagonalen Weges 4-7 etwa 60,7 Millisekunden benötigt werden. Solche Zeitspannen können mittels Schaltungen, die relativ einfach aufgebaut und von angelernten Personen durchschnittlicher Intelligenz bedienbar sind, genau erfaßt werden.

Die umsetzung der gemessenen Zeitspannen in Abstandsinformationen hängt von der örtlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der ültraschallsxgnale ab. Diese Ausbrei-

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tungsgeschwindigkeit kann mittels kontinuierlicher Messung auf dem Schiff oder über ein an das Schiff übermitteltes Referenzsignal ermittelt werden. Auf dem Schiff kann der Wert über die momentane Ausbreitungsgeschwindigkeit der Sonarenergie dann über automatische oder manuell einstellbare Vorrichtungen in der Zeitmeßschaltung berücksichtigt werden.

Es können auchfoehr als zwei Ultraschallsender und als drei Ultraschallempfänger benutzt werden, und sie können bezüglich einander auch anders gruppiert sein, als oben beschrieben. Gegenüber dem unter Bezugnahme auf Fig.1 beschriebenen Realisierungsbeispiel kann der Ort der Installation der Sender einerseits und der Empfänger andererseits in der Bezugsstation bzw. auf dem Fahrzeug auch gegeneinander ausgetauscht werden.

Für das Realisierungsbeispiel nach Fig. 1 ist vorgesehen, daß die Empfänger 6, 7 und 8 querab außerhalb des Schiffes 1 angeordnet sind. Für bestimmte Realisierungsfälle kann aber auch eine Empfängeranordnung vorgesehen sein, die in Längsrichtung des Schiffes 1 ausgerichtet ist, oder eine veränderbare Anordnung.

In der Praxis werden die beiden benutzten Ultraschallfrequenzen bevorzugt aus einem Bereich in der Größenordnung von 2 bis 10 kHz ausgewählt. Die tatsächlich benutzten Frequenzen werden so ausgewählt, daß sie gut voneinander unterscheidbar sind, wobei in Zusammenhang mit dieser Auswahl die Möglichkeit von Funktionsstörungen aufgrund der Erscheinungen von Harmonischen berücksichtigt werden sollten.

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Die Erfindung ist also nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sie umfaßt auch alle fachmännischen Abwandlungen sowie Teil- und ünterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.

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Claims

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Nürnberg, 22. 03. 1978 120/62

S. Davall & Sons Limited, 3, Aintree Road, Perivale,

Navigations-Einrichtung

Ansprüche

1y Navigations-Einrichtung mit Sende-Empfangs-Geräten für Ultraschallsignale, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bezugsstation (Plattform 2) oder eine Fahrzeugstation (Schiff 1) wenigstens zwei an den Endpunkten einer Basisstrecke angeordnete Sender (3, 4) für voneinander unterscheidbare Ultraschallsignale und einen Sender (5) für elektromagnetische Signale und die Fahrzeugstation bzw= die Bezugsstation drei Empfänger (6, 7, 8) für die Ultraschallsignale und einen Empfänger (9) für die elektromagnetischen Signale aufweist, wobei zwei Empfänger (6, 7), nämlich je einer für die beiden Ultraschallsignale, an einem Endpunkt einer Basisstrecke und der dritte Empfänger (8) für eines der beiden Ultraschallsignale am anderen Endpunkt dieser Basisstrecke angeordnet sind und die mit diesen drei Empfängern (6, 7, 8) ausgestattete Station Zeitmeßschaltungen (14) zur

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Bestimmung des Zeitunterschiedes zwischen Aufnahme des elektromagnetischen Signales und Aufnahme der jeweiligen Ultraschallsignale aufweist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen und die Ultraschallsignale durch gleichzeitiges Schalten zugeordneter Träger zur Erzeugung von Pulsfolgen aus Trägerfrequenzimpulspaketen gewonnen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen und die Ultraschallsignale durch gleichzeitiges Modulieren von zugeordneten Trägern mit Pulsfolgen gewonnen sind.
4. Verfahren zum Bestimmen der Relativposition eines Fahrzeuges gegenüber einer Bezugsstation durch übertragen von Ultraschallsignalen zwischen dem Fahrzeug und der Bezugsstation, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig, von verschiedenen Punkten des Fahrzeuges oder der Bezugsstation aus, voneinander unterscheidbare Ultraschallsignale und ein elektromagnetisches Signal abgestrahlt und die Ultraschallsignale in der Bezugsstation bzw. auf dem Fahrzeug an zwei unterschiedlichen Punkten aufgenommen werden, wobei beideültraschallsignale an einem Punkt und außerdem eines der ültraschallsignale auch an einem anderen Punkt empfangen werden und eine Zeitmessung hinsichtlich des EmpfangsZeitpunktes der Ultraschallsignale bezüglich des Empfangszeitpunktes des elektromagnetischen Signales vorgenommen wird, um daraus drei Abstände zwischen den ersterwähnten Punkten

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und den zweiterwähnten Punkten zu ermitteln, aus denen die Position des Fahrzeuges bestimmbar ist.

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