DE4041590A1

DE4041590A1 - Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE4041590A1
Application number: DE19904041590
Authority: DE
Inventors: Egidius Dipl Ing Arens
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1990-12-22
Filing date: 1990-12-22
Publication date: 1997-08-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines Sonarsignale abstrahlenden Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Einsatz von U-Jagdtorpedos gegen Sonarsignale abstrahlende Fahrzeuge muß die Tiefe dieser unter Wasser operierenden Fahrzeuge ungefähr bekannt sein, da die U-Jagdtorpedos nur einen eingeschränkten Vertikalwinkelbereich zur Auffassung der Sonarsignale aufweisen. Die auf den Unterwasserfahrzeugen als Einsatzfahrzeuge für derartige U-Jagdtorpedos verwendeten zylindrischen Sonaranlagen mit hinreichender Vertikalwinkelauflösung arbeiten im allgemeinen in einem hohen Frequenzbereich und sind deshalb zur Entdeckung moderner und im verstärktem Maße tieffrequente Schallsignale abstrahlender Fahrzeuge nicht geeignet. Aber auch die zur tief frequenten Signalverarbeitung bekannten langgestreckten, linienförmigen Wandleranordnungen weisen keine Möglichkeit zur vertikalen Bündelung von Schallsignalen auf und werden deshalb zur Vertikalwinkelmessung nicht eingesetzt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines Schallsignale abstrahlenden Fahrzeugs anzugeben und die Tiefe aufgrund eines Tiefenwinkels mit einer im wesentlichen horizontal ausgerichteten linienförmigen Längsantenne zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei modernen Unterwasserfahrzeugen werden linienförmige Wandleranordnungen längs der Bordwand eingesetzt, die aufgrund ihrer Länge von 30 m und mehr eine sehr gute Bündelung zur Horizontalwinkelmessung aufweisen. In vertikaler Richtung ist die Bündelung dieser Antennen sehr gering bzw. gar nicht vorhanden. Mit diesen auch als "Flank-Array-Systeme" bezeichneten Sonarantennen werden deshalb nur scheinbare Einfallswinkel von Sonarsignalen anderer, fremder Fahrzeuge gemessen, wobei die scheinbaren Einfallswinkel in einer Ebene liegen, die durch die linienförmige Antenne und die entfernte Sonarsignale erzeugende Schallquelle definiert ist. Dieser Einfallswinkel ϑ stellt eine scheinbare Seitenpeilung dar, die sich aus einem wahren Horizontalwinkel ϑ_H und einem wahren Vertikalwinkel, dem Tiefenwinkel ϑ_V′ zusammensetzt, wobei der Zusammenhang durch die Beziehung

sin ϑ = sin ϑ_H · cos ϑ_V

gegeben ist.

Mindestens eine zweite Messung des scheinbaren Einfallswinkels wird gewonnen, wenn das Unterwasserfahrzeug in eine andere Ausrichtung seiner Längsachse gesteuert worden ist. Mit der geänderten Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs ergeben sich eine geänderte scheinbare Einfallsrichtung der Schallwellen und als deren Komponenten somit auch geänderte Horizontal- und Vertikalwinkel. Aus zumindest zwei Messungen können dann Vertikal- und Horizontalwinkel eindeutig bestimmt werden. Dabei ist der Vertikalwinkel bereits ein Maß für die Tiefe des zu ortenden Zielfahrzeugs, d. h. eines von einem U-Jagdtorpedo anzugreifenden Fahrzeugs.

Das Verfahren benutzt vorteilhaft die bereits an Bord eines Unterwasserfahrzeugs vorhandenen Meßeinrichtungen, wie FAS-Antenne sowie deren Richtungsbildung und Signalverarbeitungseinrichtungen. Lediglich eine Modifizierung der Signalverarbeitung zur formelmäßigen Ermittlung der scheinbaren Einfallsrichtung und Bestimmung des Tiefen- bzw. Vertikalwinkels bezüglich eines Raumkoordinatensystems und die Umrechnung auf ein fahrzeugunabhängiges, d. h. im allgemeinen raumfestes Koordinatensystem, und die Auswertung der zusätzlichen Messungen müssen durchgeführt werden.

Das Verfahren arbeitet passiv und ist deshalb von geringer Verratswahrscheinlichkeit. Es nutzt, insbesondere wegen seiner großen Antennenlänge, die tiefen Frequenzen der Schallsignale von unter Wasser operierenden anderen, fremden Fahrzeugen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3. Kursänderung und Änderung der Trimmlage, d. h. das Abkippen des Unterwasserfahrzeugs um seine horizontale Querachse sind im Bordbetrieb übliche Manöver und einfach sowie weitgehend geräuschlos durchführbar.

Weitere Vorteile ergeben sich auch aus Anspruch 4. Dabei ermöglicht die gleichzeitige Auswertung mehrerer Messungen durch Ausgleichs- oder Regressionsrechnungen eine Genauigkeitssteigerung des Tiefenwinkels bzw. der daraus ermittelten Tiefe.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird auch durch Anspruch 5 vorteilhaft weitergebildet. Die nichtlinearen Ausbreitungseigenschaften des Wassers bei großen Entfernungen erfordern die Einbeziehung der Schallstrahlverlaufsrechnung. Sie berücksichtigt die Eigenschaften des Schallkanals bei der Zielortung und Entfernungsbestimmung und ermöglicht somit die genaue und bessere Bestimmung der Tiefe des Ziels.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 eine Meßanordnung für die Komponenten des Schalleinfallswinkels.

In Fig. 1 ist ein Unterwasserfahrzeug 10 dargestellt, das mit einer Wandleranordnung 12 längs seiner Bordwand ausgerüstet ist. Die Wandleranordnung 12, auch als Längsantenne oder Flank-Array-System (FAS) bezeichnet, besteht aus einer Vielzahl von Hydrophonen, die auf die gesamte Antennenlänge von beispielsweise 30 m verteilt sind. Die Empfangssignale der Hydrophone werden in einer ihnen nachgeschalteten Signalverarbeitungseinrichtung u. a. einem Richtungsbildner zugeführt, um die Einfallsrichtung empfangener Signale zu bestimmen. Aufgrund ihrer großen Länge hat die Wandleranordnung 12 eine sehr gute Auflösung für Sonarsignale aus azimutalen Winkelbereichen, jedoch wegen ihrer geringen vertikalen Ausdehnung nicht für vertikale Winkelbereiche.

In dem Mittelpunkt der Wandleranordnung 12 befindet sich der Ursprung O eines dreidimensionalen kartesischen, nach den Schiffsachsen ausgerichteten XYZ-Koordinatensystems zur Verdeutlichung der Meßanordnung, wobei die Koordinate X in Schiffsvorausrichtung, Y in Vertikalrichtung und Z in Schiffsquerrichtung weisen. Diese Meßanordnung ist auf eine Schallquelle S ausgerichtet, die sich in einer Tiefe T unterhalb der Wasseroberfläche 20 befindet. Die Schallquelle S ist als Punktquelle dargestellt und repräsentiert den akustischen Schwerpunkt eines Fahrzeugs unter Wasser, also z. B. eines anderen U-Boots, das von einem von dem Unterwasserfahrzeug abzusetzenden U-Jagd-Torpedo aufgefaßt und angegriffen werden soll.

Die Schallquelle S befindet sich in einer Entfernung R vom Ursprung O des XYZ-Koordinatensystems am Eckpunkt eines Quaders 15, dessen eine Raumdiagonale die Entfernung R bildet. Der Ort der Schallquelle S ist in dem Koordinatensystem durch Koordinatenwerte beschrieben, die für die Minus-x-Richtung gleich B, für die y-Richtung gleich A, und die z-Richtung gleich C sind. Ferner sind die Flächendiagonalen des Quaders 15 in der xz-Ebene mit D und in der yz-Ebene mit E bezeichnet. Die Signalverarbeitungseinrichtung des Flank-Array-Systems mißt nun als Winkel des vom Fahrzeug, d. h. der Schallquelle S, abgestrahlten und von der Wandleranordnung 12 empfangenen Schallsignals dessen scheinbaren Einfallswinkel ϑ, der durch die Entfernung R und die Diagonale E eingeschlossen wird. Die durch R und E aufgespannte Ebene bildet dabei die gemeinsame Schnittebene zwischen der Längsantenne, Wandleranordnung 12, und der Schallquelle S. Bezogen auf das nach den Schiffsachsen ausgerichtete XYZ-Koordinatensystem des Unterwasserfahrzeugs 10 in normaler, horizontaler Lage hat dieser scheinbare Einfallswinkel ϑ als Komponenten einen Vertikalwinkel ϑ_V und einen Horizontalwinkel ϑ_H. Dabei ist der Vertikalwinkel ϑ_V durch die Raumdiagonale, d. h. die Entfernung R, sowie die Diagonale D und der Horizontalwinkel ϑ_H durch die Diagonale D und die Quaderseite c eingeschlossen. In dem dargestellten XYZ-Koordinatensystem lassen sich die geometrischen Beziehungen zwischen dem Einfallswinkel ϑ und seinen Komponenten ϑ_H, ϑ_V leicht ableiten, sie ergeben sich zu

sin ϑ = sin ϑ_H · cos ϑ_V (1)

bzw. für den Vertikal- oder Tiefenwinkel

Die Gl. (1) weist die beiden unbekannten Komponenten ϑ_V und ϑ_H des Einfallswinkels ϑ auf, die nur bestimmt werden können, wenn in einer zweiten unabhängigen Messung bei bekannter Veränderung der Meßanordnung ein weiterer Wert für den Einfallswinkel ϑ bestimmt wird.

Die veränderte Meßanordnung wird z. B. dadurch erreicht, daß das Unterwasserfahrzeug die Ausrichtung seiner Längsachse durch Kursänderung verändert. Unterstellt man, das Unterwasserfahrzeug könne auf der Stelle um die Vertikalkoordinate Y gedreht werden, so ändert sich außer dem zu messenden Einfallswinkel ϑ des Schallsignals nur noch seine horizontale Komponente ϑ_H um den Kursänderungswinkel ϑ. Die vertikale Komponente bleibt unverändert. Werden die ursprünglichen Winkel mit 1 und die Winkel nach der Kursänderung mit 2 indiziert, so sind die Meßgleichungen mit

sin ϑ₁ = sin ϑ_H1 · cos ϑ_V1
und sin ϑ₂ = sin ϑ_H2 · cos ϑ_V2

anzugeben. Dabei gilt ϑ_V1 = ϑ_V und ϑ_H2 = ϑ_H1 + ϕ₂. Dieses Gleichungssystem ist nach bekannten Regeln nach ϑ_H1 auflösbar, so daß der Tiefenwinkel ϑ_V = ϑ_V1 = ϑ_V2 bestimmt werden kann. Aus dem Tiefenwinkel ϑ_V und der Entfernung R, die durch bekannte passive Entfernungsmeßverfahren gewonnen wird, wird dann aufgrund des ebenfalls aus den Eigendaten des Unterwasserfahrzeugs 10 bekannten Abstands des Koordinatenursprungs O von der Wasseroberfläche 20 die Tiefe T der Schallquelle S errechnet.

In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Unterwasserfahrzeug um einen bekannten Winkel um die z-Achse gedreht, d. h. die Trimmlage aus der Horizontalen in eine geneigte Lage, wie z. B. bei der Tiefensteuerung üblich, verändert. Diese Veränderung der Ausrichtung der Längsachse kann bei einem Unterwasserfahrzeug 10 durch Änderung der Ballastverteilung erreicht werden, ohne daß dabei eine Fahrstrecke zurückgelegt wird. Dabei ergeben sich außer einem geänderten Meßwert für den Einfallswinkel ϑ auch veränderte horizontale und vertikale Komponenten ϑ_H und ϑ_V durch die neue Lage des mit dem Unterwasserfahrzeugs 10 gedrehten xyz-Koordinatensystems. Auch hierbei hängen die Komponenten ϑ_H2 und ϑ_V2 nach geänderter Trimmlage in bekannter Weise von den ursprünglichen Komponenten ϑ_H1 und ϑ_V1 ab und die Tiefe T bzw. zunächst der Tiefenwinkel ϑ_V = ϑ_V1 kann aufgrund der bekannten Gesetzmäßigkeiten der Koordinatentransformation bestimmt werden.

Bei der Änderung der Ausrichtung des Unterwasserfahrzeugs, also bei Kurs oder Trimmlageänderungen lassen sich nacheinander mehrere Einfallswinkel ϑ messen. Diese Messungen werden dann einem Ausgleichsrechenverfahren, Regressionsverfahren, unterzogen, um verbesserte Winkelwerte für die vertikale ϑ_V- oder horizontale ϑ_H-Komponente des Einfallswinkels ϑ zu bestimmen. Dabei liegt diesem Regressionsverfahren die Gl. (1) als Meßgleichung zugrunde.

Ferner ist es dem Fachmann der Sonartechnik geläufig, daß die Schallausbreitung nicht geradlinig erfolgt. Die Ausbreitungsbedingungen des Wassers bewirken aufgrund von Temperaturverläufen und Salzgehalt einen teilweise mehrfach gekrümmten Schallstrahlverlauf. Diese Ausbreitungsbedingungen werden bei der Ermittlung der wirklichen Tiefe T des Ziels, d. h. der Schallquelle S, mit berücksichtigt, indem der ermittelte Tiefenwinkel ϑ_V in einen Schallstrahlverlaufsrechner eingegeben wird, der einen verbesserten, genauen Wert für die Tiefe T des Ziels bestimmt, auf die der U-Jagdtorpedo eingestellt wird.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines Sonarsignale abstrahlenden Fahrzeugs mit einer auf einem Unterwasserfahrzeug installierten Wandleranordnung zum Messen der Einfallsrichtung der Sonarsignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandleranordnung (12) aus längs einer Bordwand des Unterwasserfahrzeugs (10) angeordneten Hydrophonen aufgebaut ist, daß das Unterwasserfahrzeug (10) auf mindestens zwei verschiedene Ausrichtungen seiner Längsachse eingestellt wird, daß in jeder Ausrichtung der Längsachse des Unterwasserfahrzeugs der Einfallswinkel ϑ der vom Fahrzeug (Schallquelle S) abgestrahlten Sonarsignale gemessen wird, und daß aus den gemessenen Einfallswinkeln ϑ ein Horizontalwinkel ϑ_H und als Maß für die Tiefe (T) ein Tiefenwinkel ϑ_V bestimmt wird, wobei der Zusammenhang zwischen den Winkeln durch sin ϑ = sin ϑ_H · cos ϑ_Vgegeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Längsachse durch Kursänderungen des Unterwasserfahrzeugs (10) geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Längsachse durch Trimmlagenänderung des Unterwasserfahrzeugs (10) geändert wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Vielzahl von Messungen des Einfallswinkels ϑ der Horizontalwinkel ϑ_H und der Tiefenwinkel ϑ_V durch Regressionsrechnung bestimmt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) aus dem Tiefenwinkel ϑ_V durch Schallstrahlverlaufsrechnung bestimmt wird.