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WO2023011925A1 - Unterwasserfahrzeug und verfahren zur verbesserung des lagebilds eines unterwasserfahrzeugs - Google Patents

Unterwasserfahrzeug und verfahren zur verbesserung des lagebilds eines unterwasserfahrzeugs Download PDF

Info

Publication number
WO2023011925A1
WO2023011925A1 PCT/EP2022/070387 EP2022070387W WO2023011925A1 WO 2023011925 A1 WO2023011925 A1 WO 2023011925A1 EP 2022070387 W EP2022070387 W EP 2022070387W WO 2023011925 A1 WO2023011925 A1 WO 2023011925A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
underwater vehicle
information
designed
message
knowledge
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/070387
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Till Wiegand
Florian Schulz
Ivor Nissen
Original Assignee
Atlas Elektronik Gmbh
Thyssenkrupp Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Atlas Elektronik Gmbh, Thyssenkrupp Ag filed Critical Atlas Elektronik Gmbh
Priority to EP22754848.4A priority Critical patent/EP4381309A1/de
Publication of WO2023011925A1 publication Critical patent/WO2023011925A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/0009—Transmission of position information to remote stations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/18—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves

Definitions

  • the invention relates to underwater communication with an underwater vehicle.
  • an underwater vehicle in particular a submarine, traditionally acts independently and has not yet benefited from the possible knowledge of other units.
  • the information required to create a tactical situation and operate the sonar system is compiled and managed by the crew of the underwater vehicle itself or by algorithms in autonomous vehicles. However, this information is limited to what the submersible can gather on its own.
  • the information that the underwater vehicle can develop itself, i.e. independently, is referred to below as intrinsic knowledge.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for underwater vehicles.
  • Exemplary embodiments show an underwater vehicle with a plurality of sensors.
  • the sensors are designed to determine measured values in order to generate their own knowledge. Measured values can include any selection of the following variables, for example: sound pressure, the hydrostatic pressure, a speed of the underwater vehicle, etc.
  • At least one sensor of the plurality of sensors is also designed to receive a digital message in order to obtain external knowledge. Such information is referred to as foreign knowledge that is not the underwater vehicle can or should be determined.
  • Information that should not be determined by the underwater vehicle is, for example, information that increases the probability of the underwater vehicle being discovered. For example, there is a high risk of being discovered if the underwater vehicle climbs to periscope depth or operates an active sonar.
  • Information that cannot be determined by the underwater vehicle relates to information that is out of range of the underwater vehicle, for example sound velocity profiles at a greater distance from the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle also includes a guidance system that is designed to generate a situational image of the underwater vehicle based on its own knowledge.
  • the underwater vehicle also includes a signal processing unit which is designed to process the digital message and to adapt the situational image based on the digital message or to output tactical information. Adjusting the situational picture can also be referred to as adjusting the situational picture.
  • the message can be sent to the underwater vehicle by means of acoustic underwater communication from another platform in or on the water, e.g. a ship, a buoy, an offshore wind turbine, an unmanned underwater vehicle, a submarine or a diver.
  • Acoustic underwater communication enables a submerged underwater vehicle to be connected to external platforms over tactically and strategically relevant distances of more than 100 km.
  • the data transmission rates that can be achieved are limited by the physical properties of the hydrostatic channel, but are sufficient for operational applications.
  • the message can be sent using suitable modulation methods.
  • the picture of the situation includes, for example, information about objects in or on the water. These are, for example, watercraft such as ships or underwater vehicles such as submarines or unmanned underwater vehicles. This information can be any of the position, direction, Velocity, type, classification features, etc. that objects have.
  • the situation picture is also referred to as the surrounding situation picture.
  • the idea is to send the underwater vehicle further information from external platforms (foreign knowledge) that it cannot or should not obtain itself, in addition to the information that it can obtain itself (own knowledge).
  • This external information can include data from objects, in particular possible contacts (in particular watercraft), e.g. position, speed, course, classification features, type, etc. of the possible contact, which the underwater vehicle has not yet acquired, not so quickly or not with the precision can.
  • This is relevant insofar as the underwater vehicle typically only works using passive sonar in order not to be discovered.
  • active sonar which can be safely used by other platforms, can locate targets over longer distances and with greater accuracy.
  • Information about objects obtained in this way, which the underwater vehicle cannot or should not determine itself can be transmitted to the underwater vehicle as external knowledge.
  • the picture of the situation can be adjusted based on the information obtained about the objects.
  • the adaptation takes place continuously in a control process, for example.
  • the message ie the foreign knowledge
  • This can include, for example, environmental knowledge such as a sound velocity profile, which covers an area around the underwater vehicle in which the underwater vehicle cannot determine the sound velocity profiles itself.
  • environmental information such as meteorological information (e.g. wind speed, wind direction) or oceanographic information (e.g. ground conditions, obstacles such as reefs, ground elevations, wrecks in the area, etc.) can also represent useful information for the submersible that it cannot obtain independently under water can determine. This would only be possible when the submersible climbs to periscope depth, which, however, massively increases the risk of the submersible being discovered.
  • the situation picture can therefore also be adapted based on the environmental knowledge become.
  • Adapting the situation picture based on the environmental knowledge can include a calibration of the sensors in order to be able to determine the self-knowledge more quickly or with greater accuracy.
  • the update of the situation picture based on environmental knowledge for example, also takes place continuously in a control process.
  • the underwater vehicle can output this information as tactical information. It is also possible to send text messages to the underwater vehicle, for example to send commands or mission-related information to the underwater vehicle. This can also be output as tactical information.
  • the digital message includes the absence of cooperative bi-static sonar information. This means that the message is not suitable for determining the position of the object from a runtime difference between the direct sound and the reflection of the message on an object.
  • the message may include the absence of a position of the platform that sent the message.
  • the message may include a time when the message was sent. However, this point in time is then not used to determine the transit time and thus the distance from the transmitting platform to the underwater vehicle, but rather, for example, to determine whether the information contained in the message is still relevant.
  • the sensor of the plurality of sensors which receives the message is designed to receive further digital messages sequentially, ie for example cyclically, in order to obtain further foreign knowledge.
  • the signal processing unit is designed to process the further digital messages and, based on the further digital messages as part of the adaptation, to optimize the situation picture sequentially, ie for example cyclically, by means of a control.
  • This has the advantage that the picture of the situation is continuously optimized based on external knowledge. So arises with each received Message containing information for the situational picture, a more precise situational picture.
  • the regulation takes place, for example, by providing a corresponding variable (measured value) for the information obtained from the message in a method for iterative estimation of the situation picture, for example a Kalman filter.
  • the plurality of sensors include an array of waterborne sound receivers, each of which converts waterborne sound into an electrical signal corresponding to the sound pressure as a measured value.
  • the signal processing unit receives information about an object as intrinsic knowledge from the electrical signals in order to generate the situational image of the underwater vehicle. This means that the underwater vehicle generates its own picture of the situation.
  • the waterborne sound receiver (or also a plurality of waterborne sound receivers) for receiving the message can be arranged separately from the array and optimized for receiving the message.
  • the sensor for receiving the digital message is one hydronic receiver (or a plurality of hydronic receivers) of the array of hydronic receivers. That is, the array of hydrophones, or at least a portion thereof, is configured to receive the message.
  • the message i.e. the external knowledge
  • the signal processing unit separates the digital message as external knowledge from the measured values for generating the situation picture as internal knowledge.
  • situation image information is transmitted in the digital message.
  • the signal processing unit can then decode the situation image information from the message and, based on the situation image information, validate and/or optimize the information about an object represented in the situation image, in particular a contact.
  • the situation picture information can be compiled by a platform, for example a surface unit or a network, for example by means of radar.
  • individual contacts can be received through the platform using the automatic identification system AIS and the information received can be encoded in the digital message.
  • the information encoded in the message consists, for example, of position data and/or information on the speed and/or course of the recorded contacts.
  • the MMSI number Maritime Mobile Service Identity
  • the MMSI number offers the possibility of an exact identification of the contact.
  • the MMSI number offers the possibility of taking additional information from a target database of the underwater vehicle. Additional information can be, for example, any selection of the following information: picture of the contact, information about the drive train or information from an acoustic database with spectrum and transient noise. Maintaining such (rarely or never changing) information significantly reduces the amount of data to be transmitted.
  • the platform can receive information sent by a third party (for example the AIS information), reduce an information content of the information in order to obtain information with reduced information content and encode the information with reduced information content as a message.
  • a third party for example the AIS information
  • reduce an information content of the information in order to obtain information with reduced information content
  • encode the information with reduced information content as a message.
  • the signal processing unit is designed to optimize direction formation by means of the array of waterborne sound receivers in order to adapt the situation image.
  • a bearing ie the determination of the direction of a contact starting from the underwater vehicle
  • passive sonar knowledge of the speed of sound is essential required for the evaluation of the electrical signals of the array of waterborne sound receivers in the beamformer.
  • An incorrectly assumed speed of sound in the beamformer leads to deviations in the bearing determined from the true bearing of a contact in an array of waterborne sound receivers.
  • the speed of sound is therefore permanently measured locally on the underwater vehicle and taken into account in the sonar system.
  • the measurements may contain errors or may not be representative of the sea area.
  • the value of the speed of sound assumed for the beamformer can be edited manually by the sonar operator in existing systems. In principle, this allows a correction of the bearing results, but supposed systematic deviations in the bearing results must first be recognized.
  • the message received from the underwater vehicle can be used in various ways to support the sonar operator in the event of bearing errors due to incorrect parameterization of the beamformer.
  • the position of the contact can be transmitted. From this externally provided target position and the underwater vehicle's own known position, a theoretically expected bearing to the target can be determined for each piece of data received.
  • a bearing history based on the received positions for the contact is built up from a plurality of position values received one after the other.
  • the course of bearing determined in this way can be displayed as an overlay over the results of the bearing-time record. Deviations between the sonar track in the bearing-time record and the course of the bearing based on the transmitted positions is an indicator of an incorrectly assumed sound velocity in the beamformer and/or incorrect knowledge of the own position.
  • the signal processing unit is also designed to optimize a detection of contacts in the electrical signals of the waterborne sound receivers of the array of waterborne sound receivers in order to adapt the situation image. For example, contacts that are difficult to locate with passive sonar systems due to their great distance from the underwater vehicle and/or a low acoustic signature pose a particular challenge for situational image processing. Information about the position and possibly also the type of a target that is difficult to locate passively can now be transmitted to the underwater vehicle by means of the message. This information can be used as follows.
  • the beamformer is simultaneously controlled in different beams (engl.: viewing directions).
  • the design of the discrete angular grid on which the beams lie is typically such that the drop in level between the main lobes of adjacent beams does not exceed a specific value for the entire frequency range covered. This value is e.g. 3dB.
  • the maximum number of viewing directions that can be recorded at the same time is essentially limited by the available computing capacity, so that the drop in level cannot be arbitrarily reduced over the entire all-round view.
  • Quiet targets whose true bearing is not exactly on the beam grid may not be detected or only with difficulty.
  • the expected bearing to the contact can be determined from the underwater vehicle's own known position.
  • the viewing direction density can then be locally increased in the beamformer. Compared to panorama surveillance, the drop in level is reduced within this sector, which increases the probability of the target being detected.
  • the detection step in both broadband and narrowband processing is designed to ensure that no contact is missed.
  • the exact acoustic signature of a target is initially unknown and is also different for each target. Therefore, detectors evaluate signal properties that are generally valid for all contacts. This means that the existence of a broadband spectrum or the existence of LOFAR lines (LOFAR: LOw Frequency Analysis and Recording) is tested. However, this is more difficult than searching for a specific frequency pattern, for example.
  • the acoustic signature of the contact can be derived from this knowledge, for example from a database.
  • the detection step for the expected bearing range is now optimized for the (putative) acoustic signature of the contact, the detection performance is improved compared to the standard passive detector.
  • a detector can be implemented in parallel with a standard detector. An adjustment of the detection parameters controlled by adaptive algorithms is therefore advisable here.
  • the information about a contact can be used for the classification of a contact.
  • This information can be used to secure and complete the classification result developed in the submersible.
  • a plausibility check supported by algorithms can be carried out by comparing the received results with the results of the classification analysis.
  • the information provided externally can be used to enhance the classification results worked out by the underwater vehicle with further properties that have not yet been recorded. These can be, for example, LOFAR lines that have not yet been recorded or also photographs of the contact.
  • the signal processing unit is designed to carry out a target motion analysis (dt.
  • the passive sonars of an underwater vehicle can primarily only be used to determine bearings for a contact. However, the positions and states of motion of the detected targets are of interest for the construction of a sonar situation image. These target parameters are determined in passive sonar systems with the help of the so-called target motion analysis. In doing so, target information such as distance, course and speed are essentially compiled by suitable evaluation of bearing histories. Depending on the method and available sonar antennas, cross bearings and Doppler shifts can also be evaluated.
  • target information from other data sources can already be taken into account in modern target motion analysis methods, such as distance measurements from passive ranging sensors or laser ranging sensors of the periscope.
  • the underwater vehicle no longer needs to determine this information itself and thus run the risk of being discovered, but can instead be transmitted to the underwater vehicle by means of the message. In this way, information about the position and the movement status of the contact can be sent to the underwater vehicle. This knowledge can flow into the target motion analysis as additional information in order to improve its results.
  • the plausibility check can be carried out automatically using suitable data fusion and support the user in the decision-making process.
  • the signal processing unit is designed to estimate a performance of the hydrophones of the array of hydrophones and to optimize the estimate based on the message in order to improve the situation picture.
  • Modern sonar systems of underwater vehicles typically have an integrated sonar performance suite that, based on environmental knowledge, estimates the current sound propagation conditions with the help of sound propagation models. This in turn allows an estimation of both the detection range of the own sonar sensors and the detection range of foreign, threatening sensors against the own underwater vehicle.
  • the prediction of the propagation conditions can be used for tactical positioning of the underwater vehicle in order to remain acoustically undetected and to be able to optimally observe other targets with your own sonar sensors.
  • Input variables for the Sonarperformance Suite can store own boat data (e.g.
  • own position own acoustic signature
  • performance data of own sonar sensors environmental data (e.g. sound propagation profiles, depth profile of the bottom, bottom type, waves) and/or target data (position of the target, acoustic signature of the target, parameters of the target possibly carried acoustic sensors).
  • environmental data e.g. sound propagation profiles, depth profile of the bottom, bottom type, waves
  • target data position of the target, acoustic signature of the target, parameters of the target possibly carried acoustic sensors.
  • the environmental data would either have to be determined by the boat's own measurements or taken from databases. It must be taken into account that both the measured and the assumed environmental data, in particular the sound propagation profiles, can deviate significantly from the actual conditions in individual cases.
  • the required target data would first have to be compiled with the help of the sonar system. Both the environmental data and the target data can now be transmitted to the underwater vehicle in one message.
  • other platforms in the submarine's operational area can measure current sound velocity profiles at various positions and make this information available to the submarine vehicle.
  • the possible consideration of the spatial variability of the sound propagation profiles in the propagation model allows more realistic predictions than when evaluating only locally measured or database-based sound propagation profiles.
  • gliders can be used to continuously record environmental data and forward it by radio.
  • Gliders can operate at different depths in the water and record environmental data. On the water surface, these can then be collected for a dive, for example, sent to an operations center, for example by radio.
  • information about the waves can be used to parameterize models for environmental noise more realistically.
  • Sonarperformance Suite helps improve the picture of the situation in that it is possible to estimate the distance up to which contacts can be expected to be detected. This can be an explanation as to why a contact transmitted by means of the message, for example, has not yet been detected by the underwater vehicle.
  • a system is also disclosed that includes the underwater vehicle. Further, the system includes the platform.
  • the platform is designed, for example by means of a coding unit, to encode information as a message and a waterborne sound receiver, which is designed to convert the message into waterborne sound.
  • the signal processing unit of the underwater vehicle can process this message, in particular decode it, in order to obtain the situation image information and to adjust the situation image of the underwater vehicle based on the situation image information.
  • the platform comprises, for example, an offshore wind turbine (or an offshore wind turbine thereof).
  • wind farms offer a good infrastructure for means of communication and can serve as platforms for acoustic and non-acoustic sensors and actuators (e.g. sound receivers).
  • AIS receivers AIS: automatic identification system
  • radar receivers for reconnaissance of the general situation, both above water and in the air, as well as sensors for recording environmental parameters.
  • environmental sensors environmental parameters relevant to the mission or navigation, such as the speed of sound, wind speed, wind direction, etc., can be measured and made available.
  • offshore wind farms are equipped with sonar transponders (waterborne sound receivers).
  • the transponders can also be used to send the information determined by the sensors and/or actuators and encoded in the message to the underwater vehicle.
  • the platform comprises, for example, a surface unit, for example a ship.
  • Military surface units have a variety of means of communication and sensors. AIS receivers and radar receivers are used to clarify the general situation (overwater and air) and environmental sensors to measure mission and navigation-relevant parameters (wind speed, wind direction, sound speed profile) deployed.
  • special surface units have both active and passive sonar systems or dipping sonars (immersion sonars) to generate the underwater situation and/or echo sounders to record depth profiles and sediment layers.
  • the surface units have a large amount of information, which can be made available to the underwater vehicle in a targeted manner encoded as a message. The information can be acoustically radiated via active sonar transmitters, with underwater telephony transmitters or using a gateway buoy via underwater communication.
  • the platform comprises an (e.g. military or militarily usable) underwater unit.
  • this also includes unmanned underwater vehicles and divers or combat swimmers.
  • unmanned underwater vehicles include autonomous underwater vehicles (AUV) or remotely operated underwater vehicles (ROV) and gliders.
  • unmanned underwater vehicles and other submarines can collect information that is not available to the underwater vehicle in the operation. This is, for example, information about the underwater situation and parameters recorded with environmental sensors such as sound velocity profiles, bottom types and depth profiles. This information can be encoded in the message and acoustically transmitted using underwater communication.
  • the platform includes a gateway buoy.
  • a gateway buoy is a communication buoy that has satellite or radio receivers or transmitters and waterborne receivers, for example. This can thus encode information received via satellite or radio into the message and radiate it acoustically by means of underwater communication. It forms an important element in the networking of surface and underwater units. Gateway buoys are used to enable surface units and aircraft that have no acoustic transmission capacity in the water (ie no waterborne sound receivers) to exchange information with the underwater vehicle. When using satellite communication, the gateway buoy can be reached from almost anywhere in the world, for example from headquarters or an operations center, and received information can be transmitted into the water layer send or relay information from the water layer to surface units.
  • gateway buoys can collect their own information about rain, fog and current conditions, for example, or their own GPS position and encode it in the message and emit it acoustically using underwater communication.
  • the platform can receive information sent by a third party (for example the AIS information), reduce an information content of the information in order to obtain information with reduced information content and encode the information with reduced information content as a message.
  • a third party for example the AIS information
  • reduce an information content of the information in order to obtain information with reduced information content
  • encode the information with reduced information content as a message.
  • a method for improving the situation picture of an underwater vehicle is disclosed with the following steps: a) determining measured values from sensors of the underwater vehicle in order to generate intrinsic knowledge; b) receiving a digital message with the underwater vehicle; c) generating a situational picture of the underwater vehicle based on the self-knowledge; d1) Adjusting the situation picture based on the digital message; or d2) outputting information based on the digital message.
  • the underwater sound signal includes position information, a reference value of a sound propagation value at the position specified by the position information, and differences of the sound propagation value from the reference value at the position for a plurality of predetermined depths.
  • the underwater sound signal can be part of the message that is sent to the underwater vehicle.
  • the position information can be the longitude and latitude of the position.
  • the following example is also disclosed:
  • the example shows an underwater vehicle with a waterborne sound receiver that converts waterborne sound into an electrical signal that corresponds to the sound pressure.
  • a signal processing unit decodes a message from the electrical signal in order to adapt, ie to adjust, a situational image of the underwater vehicle, which contains information on a plurality of objects, based on the message.
  • the adaptation is done with the aim of optimizing the picture of the situation, that is, for example, to include targets that have not yet been discovered or to increase or improve the number or quality of existing information with regard to targets that have already been detected. This can be done in a continuous control process.
  • the adaptation also includes that already existing information is validated based on the message.
  • the adjustment refers to both the manual and the machine (that is, automatic, supported by algorithms) adjustment and readjustment of significant manipulated variables such as sound velocity values.
  • the decision as to whether the adjustment is to be made manually or automatically is less a question of technical feasibility and more based on operational and security-related considerations.
  • Fig. 2 a schematic block diagram of the signal processing process for adapting the picture of the situation of the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle 20 includes a plurality of sensors 24, 24'.
  • the sensor 24 is a waterborne sound receiver, which converts waterborne sound 22 into an electrical signal 26 corresponding to the sound pressure.
  • the other sensors 24' also convert corresponding measured values into electrical signals. The measured values and the associated electrical signals form the intrinsic knowledge of the underwater vehicle.
  • the underwater vehicle 20 also includes a guidance system 27 and a signal processing unit 28.
  • the guidance system 27 is shown as part of the signal processing unit, but can also be a separate unit. Based on its own knowledge, the guidance system 27 generates a situational image of the underwater vehicle.
  • the signal processing unit 28 can process a digital message from the electrical signal 26 and, based on the digital message, adjust the situational image of the underwater vehicle 20 or output tactical information. This means that the picture of the situation is adjusted using the knowledge of others.
  • a ship 30a, a gateway buoy 30b and an operations center 30c are shown here as platforms.
  • the ship 30a can send the message directly to the underwater vehicle using waterborne sound 22 .
  • the gateway buoy then converts the message into waterborne sound 20 and then sends it to the underwater vehicle 20.
  • the gateway buoy 30b can also do the same with a Make message to be sent from operations center 30c.
  • the operations center 30c is shown sending the message via satellite communication 32 to a satellite 34, which also sends the message via satellite communication 32 to the buoy 30b.
  • the buoy 30b can in turn send the message to the underwater vehicle 20 using waterborne sound 22 as underwater communication. It would also be conceivable for the operations center to set up a radio link to an aircraft instead of using satellite communication, which in turn would send the message to the buoy by radio link.
  • the waterborne sound receiver 24 receives the waterborne sound in step 36.
  • the electrical signals 26 representing the waterborne sound form the input signal of the signal processing unit.
  • this step 38 this first separates the message(s) 40 (foreign knowledge) from the environmental information 42 (self-knowledge), i.e. the waterborne noise that is generated, for example, by other objects. This step can already contain beamforming before the separation.
  • the situational image 46 can be created on the basis of the environmental information 42.
  • the situation image 46 is adjusted based on the information that the signal processing unit has decoded from the message 40.
  • the adjusted situational image 50 is created.
  • the adjusted situational image 50 is updated in a next processing cycle in step 44 using the self-knowledge.
  • step 48 the updated adjusted situational picture is adjusted again based on the message.
  • a regulation is implemented in order to cyclically optimize the situation picture 50 .
  • steps 44 and 48 can also take place together. This means that own knowledge and knowledge from others flow simultaneously into the adjustment of the situation picture as soon as the situation picture has been created for the first time.
  • the signal recording (outboard) and the pre-processing steps such as beamforming take place first. Thereafter, signal processing steps for the detection, demodulation and possible decoding of any messages contained in the beam data are carried out.
  • the demodulation including the optional decryption is also called decoding. Furthermore, the information contained in the messages is evaluated and presented.
  • the (water) sound receivers disclosed are designed for use under water, in particular in the sea.
  • the sound receivers are designed to convert waterborne sound into an electrical signal (e.g. voltage or current) corresponding to the sound pressure, the waterborne sound signal.
  • the sound receivers have, for example, a piezoelectric material, for example a piezoceramic, as the sensory material.
  • the sound receivers can be used for (active and/or passive) sonar (sound navigation and ranging).
  • the sound receivers are not suitable for medical applications.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • sensors e.g. waterborne sound receiver

Landscapes

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Abstract

Es ist ein Unterwasserfahrzeug (20) mit einer Mehrzahl von Sensoren (24, 24'), einem Führungssystem (27) und einer Signalverarbeitungseinheit (28) gezeigt. Die Sensoren sind ausgebildet, Messwerte (26) zu ermitteln um Eigenwissen zu generieren, wobei ein Sensor (24') der Mehrzahl von Sensoren ausgebildet ist, eine digitale Nachricht (40) zu empfangen, um Fremdwissen zu erhalten. Das Führungssystem (27), ist ausgebildet, basierend auf dem Eigenwissen ein Lagebild (46) des Unterwasserfahrzeugs (20) zu erzeugen. Die Signalverarbeitungseinheit (28) ist ausgebildet, die digitale Nachricht (40) zu verarbeiten und basierend auf der digitalen Nachricht (40) das Lagebild (46) anzupassen oder eine taktische Information auszugeben.

Description

Unterwasserfahrzeug und Verfahren zur Verbesserung des Lagebilds eines Unterwasserfahrzeugs
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Unterwasserkommunikation mit einem Unterwasserfahrzeug.
In der Rolle als allein operierende, auf sich gestellte Plattform, agiert ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, klassischerweise eigenständig und partizipiert bislang nicht von möglichem Wissen weiterer Einheiten. Die für die Erstellung einer taktischen Lage und den Betrieb der Sonaranlage erforderlichen Informationen (Zielsituation, Umweltbedingungen) werden von der Besatzung des Unterwasserfahrzeugs oder durch Algorithmen in autonomen Fahrzeugen selbst erarbeitet und verwaltet. Diese Informationen sind jedoch auf das limitiert, was das Unterwasserfahrzeug selbst erarbeiten kann. Die Informationen, die das Unterwasserfahrzeug selbst, d.h. eigenständig, erarbeiten kann werden nachfolgend als Eigenwissen bezeichnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Unterwasserfahrzeuge zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ausführungsbeispiele zeigen ein Unterwasserfahrzeug mit einer Mehrzahl von Sensoren. Die Sensoren sind ausgebildet, Messwerte zu ermitteln um Eigenwissen zu generieren. Messwerte können beispielsweise eine beliebige Auswahl folgender Größen umfassen: Schalldrücke, den hydrostatischen Druck, eine Geschwindigkeit des Unterwasserfahrzeugs, etc. Zumindest ein Sensor der Mehrzahl von Sensoren ist ferner ausgebildet, eine digitale Nachricht zu empfangen, um Fremdwissen zu erhalten. Als Fremdwissen werden solche Informationen bezeichnet, die nicht durch das Unterwasserfahrzeug ermittelt werden können oder sollen. Informationen die nicht durch das Unterwasserfahrzeug ermittelt werden sollen sind beispielsweise solche Informationen, die die Entdeckungswahrscheinlichkeit des Unterwasserfahrzeugs erhöhen. So ist beispielsweise die Gefahr entdeckt zu werden groß, wenn das Unterwasserfahrzeug auf Periskoptiefe steigt oder ein Aktivsonar betreibt. Informationen, die durch das Unterwasserfahrzeug nicht ermittelt werden können betreffen Informationen, die außer Reichweite des Unterwasserfahrzeugs liegen, beispielsweise Schallgeschwindigkeitsprofile in größerem Abstand zu dem Unterwasserfahrzeug.
Das Unterwasserfahrzeug umfasst ferner ein Führungssystem, das ausgebildet ist, basierend auf dem Eigenwissen ein Lagebild des Unterwasserfahrzeugs zu erzeugen. Weiter umfasst das Unterwasserfahrzeug eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgebildet ist, die digitale Nachricht zu verarbeiten und basierend auf der digitalen Nachricht das Lagebild anzupassen oder eine taktische Information auszugeben. Das Anpassen des Lagebilds kann auch als Justierung des Lagebilds bezeichnet werden.
Die Nachricht kann mittels akustischer Unterwasserkommunikation von einer anderen Plattform im oder auf dem Wasser, z.B. einem Schiff, einer Boje, einer Offshore Windenergieanlage, einem unbemannten Unterwasserfahrzeug, einem U- Boot oder einem Taucher an das Unterwasserfahrzeug gesendet werden. Die akustische Unterwasserkommunikation ermöglicht die Anbindung eines getauchten Unterwasserfahrzeugs an externe Plattformen über taktisch-strategisch relevante Distanzen von bereits mehr als 100km. Die dabei erreichbaren Datenübertragungsraten sind allerdings durch die physikalischen Eigenschaften des Wasserschallkanals limitiert, für operationelle Anwendungen aber ausreichend. Die Nachricht kann mittels geeigneter Modulationsverfahren gesendet werden.
Das Lagebild umfasst beispielsweise Informationen zu Objekten im oder auf dem Wasser. Dies sind beispielsweise Wasserfahrzeuge, wie z.B. Schiffe oder Unterwasserfahrzeuge, wie z.B. U-Boote oder unbemannte Unterwasserfahrzeuge. Diese Informationen können eine beliebige Auswahl aus der Position, Richtung, Geschwindigkeit, Typ, Klassifizierungsmerkmale, etc., der Objekte aufweisen. Das Lagebild wird auch als Umgebungslagebild bezeichnet.
Idee ist es, dem Unterwasserfahrzeug neben den Informationen, die es selbst erlangen kann (Eigenwissen), noch weitere Informationen von externen Plattformen (Fremdwissen) zuzusenden, die es selbst nicht erlangen kann oder soll. Diese externen Informationen können Daten von Objekten, insbesondere möglichen Kontakten (insbesondere Wasserfahrzeugen), z.B. Position, Geschwindigkeit, Kurs, Klassifizierungsmerkmale, Typ, etc des möglichen Kontakts umfassen, die von dem Unterwasserfahrzeug noch nicht, nicht so schnell oder nicht mit der Präzision gewonnen werden können. Dies ist insoweit relevant, als dass das Unterwasserfahrzeug typischerweise nur mittels Passivsonar arbeitet um nicht entdeckt zu werden. Mittels Aktivsonar, das von anderen Plattformen bedenkenlos verwendet werden kann, können Ziele jedoch über größere Entfernungen und mit höherer Genauigkeit geortet werden. So gewonnene Informationen zu Objekten, die das Unterwasserfahrzeug nicht selbst ermitteln kann oder soll, können als Fremdwissen dem Unterwasserfahrzeug übermittelt werden. Das Lagebild kann basierend auf den gewonnenen Informationen zu den Objekten angepasst werden. Die Anpassung erfolgt beispielsweise kontinuierlich in einem Regelprozess.
Weiterhin kann die Nachricht, d.h. das Fremdwissen, zielunabhängige Informationen enthalten, die zur Anpassung des Lagebilds verwendet werden können. Dies kann beispielsweise Umweltwissen wie z.B. ein Schallgeschwindigkeitsprofil umfassen, die einen Bereich um das Unterwasserfahrzeug abdecken, in denen das Unterwasserfahrzeug die Schallgeschwindigkeitsprofile nicht selbst ermitteln kann. Neben der Schallgeschwindigkeit kann auch weiteres Umweltwissen wie meteorologische Informationen (z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung) oder ozeanographische Informationen (z.B. Bodenbeschaffenheit, Hindernisse wie Riffe, Bodenerhebungen, Wracks in der Umgebung, etc.) nützliche Informationen für das Unterwasserfahrzeug darstellen, die es unter Wasser nicht eigenständig ermitteln kann. Dies wäre erst möglich, wenn das Unterwasserfahrzeug auf Periskoptiefe steigt, wodurch allerdings die Gefahr massiv erhöht wird, dass das Unterwasserfahrzeug entdeckt wird. Das Lagebild kann demnach ergänzend oder alternativ zu den Informationen auch basierend auf dem Umweltwissen angepasst werden. Das Anpassen des Lagebilds basierend auf dem Umweltwissen kann eine Kalibrierung der Sensoren umfassen, um das Eigenwissen schneller oder mit einer größeren Genauigkeit ermitteln zu können. Auch die Anpassung des Lagebilds basierend auf dem Umweltwissen erfolgt beispielsweise kontinuierlich in einem Regelprozess.
Ferner ist es beispielsweise möglich, eine Lautstärke des Unterwasserfahrzeugs zu bestimmen und das Unterwasserfahrzeug mittels der Nachricht zu warnen, wenn dieses zu laut ist und die Gefahr der Erkennung durch Dritte besteht. Diese Information kann das Unterwasserfahrzeug als taktische Information ausgeben. Ebenfalls ist es möglich, Textnachrichten an das Unterwasserfahrzeug zu schicken, beispielsweise um Kommandos oder missionsbegleitende Informationen an das Unterwasserfahrzeug zu senden. Diese können ebenfalls als taktische Information ausgegeben werden.
Die digitale Nachricht umfasst jedoch die Abwesenheit einer Information für kooperatives Bi-statisches Sonar. D.h., dass die Nachricht nicht geeignet ist, um aus einem Laufzeitunterschied zwischen Direktschall und Reflexion der Nachricht an einem Objekt die Position des Objekts zu bestimmen. Ferner kann die Nachricht die Abwesenheit einer Position der Plattform aufweisen, die die Nachricht gesendet hat. Die Nachricht kann allerdings einen Zeitpunkt aufweisen, an dem die Nachricht gesendet worden ist. Dieser Zeitpunkt wird dann allerdings nicht zur Bestimmung der Laufzeit und somit der Entfernung der sendenden Plattform zu dem Unterwasserfahrzeug verwendet, sondern beispielsweise zur Ermittlung, ob die in der Nachricht enthaltene Information noch relevant ist.
In Ausführungsbeispielen ist der Sensor der Mehrzahl von Sensoren, der die Nachricht empfängt, ausgebildet, sequentiell, d.h. beispielsweise zyklisch, weitere digitale Nachrichten zu erhalten, um weiteres Fremdwissen zu erhalten. Die Signalverarbeitungseinheit ist ausgebildet, die weiteren digitalen Nachrichten zu verarbeiten und basierend auf den weiteren digitalen Nachrichten als Teil der Anpassung das Lagebild mittels einer Regelung sequentiell, d.h. beispielsweise zyklisch, zu optimieren. Dies hat den Vorteil, dass das Lagebild kontinuierlich basierend auf dem Fremdwissen optimiert wird. So entsteht mit jeder empfangenen Nachricht, die Informationen für das Lagebild enthält, ein präziseres Lagebild. Die Regelung erfolgt beispielsweise durch Vorsehen einer entsprechenden Variable (Messwert) für die aus der Nachricht erhaltenen Informationen in einem Verfahren zur iterativen Schätzung des Lagebilds, beispielsweise einem Kalman Filter.
In Ausführungsbeispielen umfassen die Mehrzahl von Sensoren ein Array von Wasserschallempfängern, die jeweils Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal als Messwert umwandeln. Die Signalverarbeitungseinheit erhält eine Informationen zu einem Objekt als Eigenwissen aus den elektrischen Signalen, um das Lagebild des Unterwasserfahrzeugs zu erzeugen. Das heißt, das Unterwasserfahrzeug erzeugt sich sein Lagebild eigenständig. Der Wasserschallempfänger (oder auch eine Mehrzahl von Wasserschallempfängern) zum Empfang der Nachricht kann separat von dem Array angeordnet sein und für den Empfang der Nachricht optimiert sein.
In Ausführungsbeispielen ist der Sensor zum Empfang der digitalen Nachricht ein Wasserschallempfänger (oder eine Mehrzahl von Wasserschallempfängern) des Arrays von Wasserschallempfängern. D.h., das Array von Wasserschallempfängern oder zumindest ein Teil hiervon ist ausgebildet, die Nachricht zu empfangen. Mittels des Arrays von Wasserschallempfängern wird demnach sowohl die Nachricht (d.h. das Fremdwissen) empfangen als auch das Eigenwissen generiert.. Die Signalverarbeitungseinheit separiert die digitale Nachricht als Fremdwissen von den Messwerten zur Erzeugung des Lagebilds als Eigenwissen.
Dies ist vorteilhaft, da typischerweise für den Empfang und die Auswertung von Wasserschall bereits eine Sonaranlage auf dem Unterwasserfahrzeug angeordnet ist, die über ein großes Array von Wasserschallempfängern mit Richtwirkung sowie ausreichend Rechenleistung in den Signalverarbeitungssystemen verfügt. Somit ist es nicht notwendig, einen weiteren Wasserschallempfänger nur für den Zweck des Empfangs der Nachricht an dem Unterwasserfahrzeug anzuordnen. Bestehende Unterwasserfahrzeuge können somit durch Nachrüsten der Signalverarbeitungssoftware angepasst werden. In Ausführungsbeispielen wird in der digitalen Nachricht eine Lagebildinformation übertragen. Die Signalverarbeitungseinheit kann dann aus der Nachricht die Lagebildinformation dekodieren und basierend auf der Lagebildinformation, die Informationen zu einem in dem Lagebild dargestellten Objekt, insbesondere einen Kontakt, validieren und/oder optimieren. Die Lagebildinformationen können dabei durch eine Plattform, beispielsweise eine Überwassereinheit oder einen Verbund, z.B. mittels Radar, erarbeitet werden. Ferner können durch die Plattform einzelne Kontakte mittels des automatischen Identifikationssystems AIS empfangen und die erhaltenen Informationen in der digitalen Nachricht kodiert werden. Die in der Nachricht kodierte Information besteht bei dieser Anwendung beispielsweise aus Positionsdaten und/oder Informationen zu Geschwindigkeit und/oder Kurs der erfassten Kontakte. Bei Kontakten, die über AIS erfasst werden, bietet die MMSI- Nummer (Maritime Mobile Service Identity) die Möglichkeit einer exakten Identifikation des Kontakts. Ferner bietet die MMSI-Nummer die Möglichkeit Zusatzinformationen aus einer Zieldatenbank des Unterwasserfahrzeugs zu entnehmen. Zusatzinformationen können beispielsweise eine beliebige Auswahl folgender Informationen sein: Bild des Kontakts, Informationen über Antriebsstrang oder Informationen aus einer Akustikdatenbank mit Spektrum und Transienten- Geräuschen. Das Vorhalten solcher (sich selten oder nie ändernder) Informationen reduziert signifikant die Menge der zu übertragenden Daten.
In anderen Worten kann die Plattform eine von einem Dritten ausgesendete Information (beispielsweise die AIS Informationen) empfangen, einen Informationsgehalt der Information reduzieren um eine Information mit reduziertem Informationsgehalt zu erhalten und die Information mit reduziertem Informationsgehalt als Nachricht kodieren. Somit brauchen nicht alle in der von dem Dritten erhaltenen Informationen gesendet werden, sondern nur die für das Unterwasserfahrzeug relevanten Informationen.
In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, zur Anpassung des Lagebilds, eine Richtungsbildung mittels des Arrays von Wasserschallempfängern zu optimieren. Für die korrekte Ermittlung einer Peilung (also der Bestimmung der Richtung eines Kontakts ausgehend von dem Unterwasserfahrzeug) mittels Passivsonar ist die Kenntnis der Schallgeschwindigkeit für die Auswertung der elektrischen Signale des Arrays von Wasserschallempfängern im Beamformer (dt. Richtungsbildner) erforderlich. Eine im Beamformer fehlerhaft angenommene Schallgeschwindigkeit führt bei einem Array von Wasserschallempfängern zu Abweichungen der ermittelten Peilung von der wahren Peilung eines Kontakts. Die Schallgeschwindigkeit wird daher permanent lokal am Unterwasserfahrzeug gemessen und in der Sonaranlage berücksichtigt. Die Messungen können jedoch im ungünstigen Fall fehlerbehaftet sein oder sind evtl, nicht repräsentativ für das Seegebiet. Der für den Beamformer angenommene Wert der Schallgeschwindigkeit kann in bestehenden Systemen vom Sonarbediener manuell editiert werden. Dies erlaubt prinzipiell eine Korrektur der Peilergebnisse, jedoch müssen vermeintliche systematische Abweichungen in den Peilungsergebnissen zunächst erstmal erkannt werden.
Die von dem Unterwasserfahrzeug empfangene Nachricht lässt sich auf verschiedene Weise nutzen, um den Sonarbediener bei Peilfehlern aufgrund von fehlerhaften Parametrisierungen des Beamformers zu unterstützen. Zum einen kann die Position des Kontakts übermittelt werden. Aus dieser extern zur Verfügung gestellten Zielposition und der bekannten eigenen Position des Unterwasserfahrzeugs, kann pro empfangenen Datum eine theoretisch erwartete Peilung zu dem Ziel bestimmt werden. Aus mehreren zeitlich aufeinanderfolgend empfangenen Positionswerten baut sich eine Peilhistorie basierend auf den empfangenen Positionen zu dem Kontakt auf. Der so ermittelte Peilungsverlauf kann als Overlay über die Ergebnisse des Peilungs-Zeit-Schriebs dargestellt werden. Abweichungen zwischen der Sonarspur im Peilungs-Zeit-Schrieb und dem Peilungsverlauf basierend auf den übermittelten Positionen ist ein Indikator für eine falsch angenommene Schallgeschwindigkeit im Beamformer und/oder fehlerbehaftetes Wissen der Eigenposition.
Des Weiteren können mit der Übertragung von Umweltwissen dem Unterwasserfahrzeug aktuelle Messungen der Schallgeschwindigkeit aus dem Seegebiet zur Verfügung gestellt werden. Der Sonarbediener kann diese Daten mit den im Unterwasserfahrzeug vorliegenden Werten vergleichen und die Schallgeschwindigkeit im Beamformer entsprechend anpassen. In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ferner ausgebildet, zur Anpassung des Lagebilds eine Detektion von Kontakten in den elektrischen Signalen der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern zu optimieren. So stellen Kontakte eine besondere Herausforderung für die Lagebildbearbeitung dar, die aufgrund ihrer großen Entfernung zum Unterwasserfahrzeug und/oder einer geringen akustischen Signatur mit passiven Sonarsystemen nur schwer zu orten sind. Mittels der Nachricht können dem Unterwasserfahrzeug nun Informationen über Position und ggf. auch Typ eines passiv schwer zu ortenden Ziels übermittelt werden. Diese Information lässt sich wie folgt nutzen.
Zum einen erfolgt für eine permanente 360° rundum Überwachung eine gleichzeitige Steuerung des Beamformers in verschiedene Beams (dt.: Blickrichtungen). Die Auslegung des diskreten Winkelrasters, auf dem die Beams liegen, erfolgt typischerweise so, dass der Pegeleinbruch zwischen den Hauptkeulen von benachbarten Beams für den jeweils gesamten abgedeckten Frequenzbereich einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dieser Wert liegt z.B. bei 3dB. Die maximale Anzahl an gleichzeitig erfassbaren Blickrichtungen wird im Wesentlichen durch die verfügbare Rechenkapazität begrenzt, so dass sich der Pegeleinbruch nicht über die gesamte Rundumsicht beliebig reduzieren lässt. Leise Ziele, deren wahre Peilung nicht exakt auf dem Beamraster liegt, werden dann ggf. nicht oder nur schwer detektiert.
Wenn die Position des Kontakts jedoch mit der Nachricht übermittelt worden ist, lässt sich aus der bekannten eigenen Position des Unterwasserfahrzeugs die erwartete Peilung zu dem Kontakt bestimmen. Innerhalb eines begrenzten Sektors um die vermeintliche Zielpeilung kann dann im Beamformer die Blickrichtungsdichte lokal erhöht werden. Im Vergleich zur Panorama Überwachung wird damit innerhalb dieses Sektors der Pegeleinbruch reduziert, was die Wahrscheinlichkeit zur Detektion des Ziels erhöht.
Des Weiteren ist der Detektionsschritt sowohl in der Breitband- als auch der Schmalbandverarbeitung darauf ausgelegt, möglichst keinen Kontakt zu verpassen. Die genaue akustische Signatur eines Ziels ist jedoch zunächst unbekannt und ist zudem für jedes Ziel verschieden. Daher werten Detektoren Signaleigenschaften aus, die für alle Kontakte allgemein gültig sind. D.h., es wird auf die Existenz eines Breitbandspektrums oder die Existenz von LOFAR Linien (LOFAR: LOw Frequency Analysis and Recording) getestet. Dies ist jedoch schwieriger, als die Suche nach z.B. einem bestimmten Frequenzmuster. Kennt das Unterwasserfahrzeug jedoch den Kontakt, d.h., Informationen zum Typ des Ziels sind in der Nachricht enthalten, kann mit Hilfe dieses Wissens die akustische Signatur des Kontakts, z.B. aus einer Datenbank, abgeleitet werden. Wird nun der Detektionsschritt für den erwarteten Peilungsbereich auf die (vermeintliche) akustische Signatur des Kontakts optimiert, so wird die Detektionsleistung gegenüber dem Standard-Passivdetektor verbessert. Ein solcher Detektor kann parallel zu einem Standarddetektor implementiert sein. Daher bietet sich hier eine durch adaptive Algorithmen gesteuerte Justierung der Detektionsparameter an.
Unabhängig von der Verbesserung des Detektionsschritts kann die Information über einen Kontakt für die Klassifikation eines Kontakts verwendet werden. Diese Informationen können zum Absichern und Vervollständigen des im Unterwasserfahrzeug erarbeiteten Klassifizierungsergebnisses genutzt werden. So lässt sich zum einen eine durch Algorithmen gestützte Plausibilitätsprüfung durch Vergleich der empfangenen Ergebnisse mit den Ergebnissen der Klassifizierungsanalyse durchführen. Zum anderen können die von extern zur Verfügung gestellten Informationen genutzt werden, um die von dem Unterwasserfahrzeug erarbeiteten Klassifizierungsergebnisse um weitere, noch nicht erfasste Eigenschaften anzureichern. Dies können z.B. noch nicht erfasste LOFAR- Linien oder aber auch fotografische Aufnahmen des Kontakts sein.
In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, basierend auf den elektrischen Signalen der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern eine Target Motion Analyse (dt.
Kontaktverfolgungsanalyse) durchzuführen, um das Lagebild des Unterwasserfahrzeugs zu erzeugen und basierend auf der Nachricht die Target Motion Analyse zu optimieren. Neben der Extraktion von Klassifizierungsmerkmalen lassen sich mit Hilfe der Passiv-Sonare eines Unterwasserfahrzeugs primär nur Peilungen zu einem Kontakt ermitteln. Für den Aufbau eines Sonarlagebilds sind jedoch die Positionen und Bewegungszustände der erfassten Ziele von Interesse. Diese Zielparameter werden in Passiv-Sonaranlagen mit Hilfe der sogenannten Target Motion Analyse ermittelt. Dabei werden Zielinformationen wie Entfernung, Kurs und Geschwindigkeit im Wesentlichen durch geeignete Auswertung von Peilungshistorien erarbeitet. Je nach Verfahren und verfügbarer Sonarantennen können zusätzlich Kreuzpeilungen und Dopplerverschiebungen ausgewertet werden. Des Weiteren können in modernen Target Motion Analysis Verfahren bereits auch Ziel-Informationen aus anderen Datenquellen berücksichtigt werden, wie beispielsweise Entfernungsmessungen von Passive-Ranging Sensoren oder Laser- Ranging Sensoren des Periskops. Diese Informationen braucht das Unterwasserfahrzeug nun nicht mehr selber zu ermitteln und sich so in die Gefahr zu begeben, entdeckt zu werden, sondern können mittels der Nachricht an das Unterwasserfahrzeug übermittelt werden. So können Informationen über die Position und den Bewegungszustand des Kontakts an das Unterwasserfahrzeug gesendet werden. Dieses Wissen kann als Zusatzinformation in die Target Motion Analyse einfließen, um dessen Ergebnisse zu verbessern. Des Weiteren ist eine
Plausibilitätsprüfung zwischen der von dem Unterwasserfahrzeug erarbeiteten Ziellösung und den von Extern zur Verfügung gestellten Informationen möglich. Die Plausibilitätsprüfung kann mittels geeigneter Datenfusion maschinell gestützt erfolgen und den Anwender im Entscheidungsprozess unterstützen.
In Ausführungsbeispielen ist die Signalverarbeitungseinheit ausgebildet, eine Performance der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern zu schätzen und die Schätzung basierend auf der Nachricht zu optimieren um das Lagebild zu verbessern. Moderne Sonaranlagen von Unterwasserfahrzeugen verfügen typischerweise über eine integrierte Sonarperformance Suite, die basierend auf Umweltwissen mit Hilfe von Schallausbreitungsmodellen die jeweils vermeintlich aktuell vorliegenden Schallausbreitungsbedingungen schätzt. Dies erlaubt wiederum eine Abschätzung von sowohl der Detektionsreichweite der eigenen Sonarsensoren als auch der Detektionsreichweite von fremder, bedrohender Sensorik gegen das eigene Unterwasserfahrzeug. Die Vorhersage der Ausbreitungsbedingungen kann zur taktischen Positionierung des Unterwasserfahrzeugs genutzt werden, um zum einen akustisch unentdeckt zu bleiben und zum anderen weitere Ziele optimal mit den eigenen Sonarsensoren observieren zu können. Eingangsgrößen für die Sonarperformance Suite können Eigenbootsdaten (z.B. eigene Position, eigene akustische Signatur, Leistungsdaten der eigenen Sonarsensorik), Umweltdaten (z.B. Schallausbreitungsprofile, Tiefenverlauf des Bodens, Bodentyp, Wellengang) und/oder Zieldaten (Position des Ziels, akustische Signatur des Ziels, Parameter der vom Ziel ggf. getragenen akustischen Sensorik) sein.
Während Eigenbootsdaten praktisch uneingeschränkt verfügbar sind, müssten die Umweltdaten entweder durch bootseigene Messungen ermittelt oder aus Datenbanken übernommen werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sowohl die gemessenen als auch die angenommenen Umweltdaten, insbesondere die Schallausbreitungsprofile, im Einzelfall deutlich von den tatsächlich vorliegenden Bedingungen abweichen können. Die erforderlichen Zieldaten müssten mit Hilfe der Sonaranlage erst noch erarbeitet werden. Sowohl die Umweltdaten als auch die Zieldaten können nun dem Unterwasserfahrzeug in einer Nachricht übermittelt werden. So können beispielsweise andere Plattformen im Operationsgebiet des U- Boots aktuelle Schallgeschwindigkeitsprofile an verschiedenen Positionen messen und diese Information dem Unterwasserfahrzeug zur Verfügung stellen. Die damit mögliche Berücksichtigung der räumlichen Variabilität der Schallausbreitungsprofile im Ausbreitungsmodell erlaubt realistischere Vorhersagen als bei Auswertung von nur lokal gemessenen oder datenbank-basierten Schallausbreitungsprofilen. Weiterhin können Glider eingesetzt werden, um kontinuierlich Umweltdaten zu erfassen und per Funk weiterzuleiten. Glider können in verschiedenen Tiefen im Wasser operieren und Umweltdaten aufnehmen. An der Wasseroberfläche können diese dann für einen Tauchgang gesammelt z.B. an eine Operationszentrale, beispielsweise per Funk, gesendet werden. Informationen hinsichtlich des Wellengangs können z.B. verwendet werden, um Modelle für Umgebungsrauschen realitätsnaher zu parametrisieren. Somit kann durch die Nutzung von zusätzlichem Wissen aus der Nachricht über die Umwelt- und Zielbedingungen eine realitätsnähere Abschätzung von Detektionsreichweiten mit Hilfe der Sonarperformance Suite erhalten werden. Auch dies verbessert das Lagebild dahingehend, dass abgeschätzt werden kann bis in welcher Entfernung die Detektion von Kontakten zu erwarten ist. Dies kann eine Erklärung sein, warum ein beispielsweise mittels der Nachricht übermittelter Kontakt von dem Unterwasserfahrzeug noch nicht detektiert worden ist. Ferner ist ein System offenbart, dass das Unterwasserfahrzeug umfasst. Weiter weist das System die Plattform auf. Die Plattform ist ausgebildet, beispielsweise mittels einer Kodiereinheit, eine Information als Nachricht zu kodieren und einen Wasserschallempfänger, der ausgebildet ist, die Nachricht in Wasserschall umzuwandeln. Diese Nachricht kann die Signalverarbeitungseinheit des Unterwasserfahrzeugs verarbeiten, insbesondere dekodieren, um die Lagebildinformation zu erhalten und das Lagebild des Unterwasserfahrzeugs basierend auf der Lagebildinformation anzupassen.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform z.B. eine Offshore Windenergieanlage (bzw. ein Offshore Windrad davon). Neben ihrer primären Aufgabe, der Energieerzeugung, bieten Windparks eine gute Infrastruktur für Kommunikationsmittel und können als Plattformen für akustische als auch nichtakustische Sensorik und Aktorik (z.B. Schallempfänger) dienen. Hierzu zählen beispielsweise AIS Empfänger (AIS: automatisches Identifikationssystem) und Radarempfänger zur Aufklärung der allgemeinen Lage, sowohl Überwasser als auch in der Luft sowie Sensoren zur Erfassung von Umweltparametern. Mit den Umweltsensoren können missions- bzw. navigationsrelevante Umweltparameter wie Schallgeschwindigkeit, Windgeschwindigkeit, Windrichtung, usw. gemessen und zur Verfügung gestellt werden. Zusätzlich zur Funkkommunikation und/oder Satellitenkommunikation bzw. eine Glasfaseranbindung zum Senden und Empfangen von Daten und zur allgemeinen Kommunikation sind Offshore Windparks mit Sonar-Transpondern (Wasserschallempfängern) ausgestattet. Neben den akustischen Warnungen, können die Transponder auch eingesetzt werden, um die von der Sensorik und/oder Aktorik ermittelten, in der Nachricht kodierten, Informationen an das Unterwasserfahrzeug zu senden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform z.B. eine Überwassereinheit, z.B. ein Schiff. Militärische Überwassereinheiten verfügen über eine Vielzahl an Kommunikationsmitteln und Sensorik. AIS Empfänger und Radarempfänger werden zur Aufklärung der allgemeinen Lage (Überwasser und Luft) und Umweltsensoren zur Messung missions- bzw. navigationsrelevanter Parameter (Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Schallgeschwindigkeitsprofil) eingesetzt. Darüber hinaus besitzen spezielle Überwassereinheiten sowohl Aktiv- als auch Passiv Sonarsysteme oder Dipping Sonare (Eintauchsonare) zur Erzeugung der Unterwasserlage und/oder Echosounder zur Erfassung von Tiefenprofilen und Sedimentschichten. Somit liegen den Überwassereinheiten eine Vielzahl an Informationen vor, die als Nachricht kodiert dem Unterwasserfahrzeug gezielt zur Verfügung gestellt werden können. Die Informationen können über Aktiv- Sonarsender, mit Sendern der Unterwasser Telefonie oder unter Verwendung einer Gateway-Boje mittels Unterwasserkommunikation akustisch abgestrahlt werden.
In einem nächsten Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform eine (z.B. militärische bzw. militärisch nutzbare) Unterwassereinheit. Diese umfasst neben U-Booten auch unbemannte Unterwasserfahrzeuge und Taucher bzw. Kampfschwimmer. Zu den unbemannten Unterwasserfahrzeugen zählen z.B. autonome Unterwasserfahrzeuge (AUV) oder ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROV) und Glider. Insbesondere unbemannte Unterwasserfahrzeuge und weitere U-Boote können Informationen sammeln, die dem in der Operation befindlichen Unterwasserfahrzug nicht zur Verfügung stehen. Hierbei handelt es sich z.B. um Informationen über die Unterwasserlage und mit Umweltsensoren erfasste Parameter wie Schallgeschwindigkeitsprofile, Bodentypen und Tiefenverläufe. Diese Informationen könne in der Nachricht kodiert mittels Unterwasserkommunikation akustisch abgestrahlt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Plattform eine Gatewayboje. Eine Gatewayboje ist eine Kommunikationsboje, die z.B. über Satelliten- oder Funkempfänger bzw -sender und Wasserschallempfänger verfügt. Diese kann somit z.B. per Satellit oder Funk empfangene Informationen in die Nachricht kodieren und mittels Unterwasserkommunikation akustisch abstrahlen. Sie bildet ein wichtiges Element bei der Vernetzung von Überwasser und Unterwassereinheiten. Mittels Gatewaybojen werden Überwassereinheiten und Luftfahrzeuge, die über keine akustische Sendekapazität im Wasser verfügen (d.h. keine Wasserschallempfänger aufweisen), befähigt, Informationen mit dem Unterwasserfahrzeug auszutauschen. Bei Verwendung von Satellitenkommunikation ist die Gatewayboje nahezu von jedem Ort auf der Welt erreichbar, beispielsweise auch aus dem Hauptquartier bzw. einer Operationszentrale und kann empfangene Informationen in die Wasserschicht senden oder Informationen aus der Wasserschicht an Überwassereinheiten weiterleiten. Der so gebildete Kommunikationskanal ist sowohl unidirektional aus auch bidirektional nutzbar. Darüber hinaus können Gatewaybojen eigene Informationen zu beispielsweise Regen, Nebel und Strömungsverhältnissen oder auch die eigene GPS-Position erheben und in der Nachricht kodiert akustisch mittels Unterwasserkommunikation abstrahlen.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Plattform eine von einem Dritten ausgesendete Information (beispielsweise die AIS Informationen) empfangen, einen Informationsgehalt der Information reduzieren um eine Information mit reduziertem Informationsgehalt zu erhalten und die Information mit reduziertem Informationsgehalt als Nachricht kodieren. Somit brauchen nicht alle in der von dem Dritten erhaltenen Informationen gesendet werden, sondern nur die für das Unterwasserfahrzeug relevanten Informationen.
Analog ist ein Verfahren zur Verbesserung des Lagebilds eines Unterwasserfahrzeugs mit folgenden Schritten offenbart: a) Ermitteln von Messwerten von Sensoren des Unterwasserfahrzeugs um Eigenwissen zu generieren; b) Empfangen einer digitalen Nachricht mit dem Unterwasserfahrzeug; c) Erzeugen eines Lagebilds des Unterwasserfahrzeugs basierend auf dem Eigenwissen; d1 ) Anpassen des Lagebilds basierend auf der digitalen Nachricht; oder d2) Ausgeben einer Information basierend auf der digitalen Nachricht.
Ferner ist ein Unterwasserschallsignal offenbart. Das Unterwasserschallsignal umfasst eine Positionsinformation, einen Referenzwert eines Schallausbreitungswerts an der durch die Positionsinformation spezifizierten Position sowie Unterschiede des Schallausbreitungswerts zu dem Referenzwert an der Position für eine Mehrzahl von vorbestimmte Tiefen. Das Unterwasserschallsignal kann ein Teil der Nachricht sein, die an das Unterwasserfahrzeug gesendet wird. Die Positionsinformation kann der Längen- und Breitengrad der Position sein.
Ferner ist folgendes Beispiel offenbart: Das Beispiel zeigt ein Unterwasserfahrzeug mit einem Wasserschallempfänger, der Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal umwandelt. Eine Signalverarbeitungseinheit dekodiert eine Nachricht aus dem elektrischen Signal um ein Lagebild des Unterwasserfahrzeugs, das Informationen zu einer Mehrzahl von Objekten enthält, basierend auf der Nachricht anzupassen, d.h. zu justieren. Das Anpassen geschieht mit dem Ziel, das Lagebild zu optimieren, also z.B. bisher nicht entdeckte Ziele aufzunehmen oder Anzahl bzw. Qualität von vorhandenen Informationen hinsichtlich der bereits detektieren Ziele zu erhöhen bzw. zu verbessern. Die kann in einem kontinuierlichen Regelprozess erfolgen. Ferner beinhaltet das Anpassen auch, dass bereits vorhandene Informationen basierend auf der Nachricht validiert werden. In diesem Fall wird z.B. die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Objekt auch tatsächlich an einer bereits von dem Unterwasserfahrzeug ermittelten Position befindet, erhöht. Dies verringert die Unsicherheit, dass sich das Objekt doch an einer anderen Position befindet bzw. verkleinert den Radius, in dem sich das Objekt statistisch gesehen aufhalten kann. In anderen Worten bezeichnet das Anpassen sowohl das manuelle als auch das maschinelle (also durch Algorithmen gestützte automatische) Abgleichen und Nachsteuern von signifikanten Stellgrößen wie z.B. Schallgeschwindigkeitswerte. Die Entscheidung, ob das Anpassen manuell oder maschinell erfolgt, ist weniger eine Frage der technischen Umsetzbarkeit und basiert vielmehr auf operativen und sicherheitsrelevanten Überlegungen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Unterwasserfahrzeugs, das Nachrichten von verschiedenen Plattformen erhält;
Fig. 2: ein schematisches Blockdiagramm des Signalverarbeitungsprozesses zur Anpassung des Lagebildes des Unterwasserfahrzeugs.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems 10 in einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein Unterwasserfahrzeug 20 Nachrichten mittels Wasserschall 22 in Form einer Unterwasserkommunikation von verschiedenen Plattformen erhält. Es ist jedoch auch möglich, dass nur eine der gezeigten Plattformen Teil des Systems ist. Das Unterwasserfahrzeug 20 umfasst eine Mehrzahl von Sensoren 24, 24‘. Der Sensor 24 ist ein Wasserschallempfänger, der Wasserschall 22 in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal 26 umwandelt. Ebenso wandeln die weiteren Sensoren 24‘ entsprechende Messwerte in elektrische Signale um. Die Messwerte bzw. die zugehörigen elektrischen Signale bilden das Eigenwissen des Unterwasserfahrzeugs.
Das Unterwasserfahrzeug 20 umfasst ferner ein Führungssystem 27 und eine Signalverarbeitungseinheit 28. Das Führungssystem 27 ist als Teil der Signalverarbeitungseinheit dargestellt, kann aber auch eine separate Einheit sein. Das Führungssystem 27 erzeugt, basierend auf dem Eigenwissen, ein Lagebild des Unterwasserfahrzeugs.
Die Signalverarbeitungseinheit 28 kann eine digitale Nachricht aus dem elektrischen Signal 26 verarbeiten und basierend auf der digitalen Nachricht das Lagebild des Unterwasserfahrzeugs 20 anpassen oder eine taktische Information ausgeben. Das heißt, mittels des Fremdwissens wird das Lagebild justiert.
Als Plattformen sind hier ein Schiff 30a, eine Gatewayboje 30b und eine Operationszentrale 30c dargestellt. Das Schiff 30a kann die Nachricht direkt mittels Wasserschall 22 an das Unterwasserfahrzeug senden. Alternativ ist es auch möglich (aber aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt), die Nachricht zunächst durch die Luft, also z.B. per Funk, an die Gatewayboje 30b zu senden. Die Gatewayboje setzt die Nachricht dann in Wasserschall 20 um und sendet diese dann an das Unterwasserfahrzeug 20. Gleiches kann die Gatewayboje 30b auch mit einer Nachricht machen, die von der Operationszentrale 30c gesendet wird. Gezeigt ist, dass die Operationszentrale 30c die Nachricht mittels Satellitenkommunikation 32 an einen Satelliten 34 sendet, der die Nachricht gleichfalls per Satellitenkommunikation 32 an die Boje 30b sendet. Die Boje 30b kann die Nachricht wiederum mittels Wasserschall 22 als Unterwasserkommunikation an das Unterwasserfahrzeug 20 senden. Es wäre ebenfalls denkbar, dass die Operationszentrale statt der Nutzung der Satellitenkommunikation eine Funkverbindung zu einem Luftfahrzeug aufbaut, das die Nachricht wiederum per Funkverbindung an die Boje sendet.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm des Signalverarbeitungsprozesses in einem Ausführungsbeispiel. Der Wasserschallempfänger 24, in Ausführungsbeispielen ein Array von Wasserschallempfängern, empfängt den Wasserschall in Schritt 36. Die den Wasserschall repräsentierenden elektrischen Signale 26 bilden das Eingangssignal der Signalverarbeitungseinheit. Diese separiert in Schritt 38 zunächst die Nachricht(en) 40 (Fremdwissen) von den Umgebungsinformationen 42 (Eigenwissen), also dem Wasserschall der z.B. von anderen Objekten erzeugt wird. Dieser Schritt kann vor der Separation bereits ein Beamforming enthalten. Basierend auf den Umgebungsinformationen 42 kann in Schritt 44 das Lagebild 46 erstellt werden. In Schritt 48 wird das Lagebild 46 basierend auf den Informationen, die die Signalverarbeitungseinheit aus der Nachricht 40 dekodiert hat, angepasst. Es entsteht das angepasste Lagebild 50. Das angepasste Lagebild 50 wird in einem nächsten Verarbeitungszyklus in Schritt 44 mittels des Eigenwissens aktualisiert. In Schritt 48 wird das aktualisierte angepasste Lagebild basierend auf der Nachricht erneut angepasst. So wird eine Regelung implementiert, um das Lagebild 50 zyklisch zu optimieren. In der praktischen Umsetzung des Verfahrens können die Schritte 44 und 48 auch gemeinsam ablaufen. D.h., Eigenwissen und Fremdwissen fließen zeitgleich in die Anpassung des Lagebilds ein, sobald das Lagebild erstmalig erzeugt worden ist.
In anderen Worten findet zunächst die Signalaufnahme (außenbords) und die vorverarbeitenden Verarbeitungsschritte wie das Beamforming statt. Danach werden Signalverarbeitungsschritte für die Detektion, Demodulation und etwaiger Entschlüsselung von etwaigen, in den Beamdaten enthaltenen Nachrichten ausgeführt. Die Demodulation inkl. der optionalen Entschlüsselung wird auch als Dekodierung bezeichnet. Weiter werden die in den Nachrichten enthaltenen Informationen ausgewertet und dargestellt.
Die offenbarten (Wasser-) Schallempfänger sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallempfänger sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Als sensorisches Material weisen die Schallempfänger beispielsweise ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallempfänger können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und - Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallempfänger sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Bezugszeichenliste:
10 System
20 Unterwasserfahrzeug
22 Wasserschall
24 Sensoren (z.B. Wasserschallempfänger)
26 elektrisches Signal
27 Führungssystem
28 Signalverarbeitungseinheit
30 Plattform
32 Satellitenkommunikation
34 Satellit
36 Schritt der Signalverarbeitung
38 Schritt der Signalverarbeitung
40 digitale Nachricht
42 Umgebungsinformation
44 Schritt der Signalverarbeitung
46 Lagebild
48 Schritt der Signalverarbeitung
50 angepasstes Lagebild

Claims

Patentansprüche Unterwasserfahrzeug (20) mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von Sensoren (24, 24‘), die ausgebildet sind, Messwerte (26) zu ermitteln um Eigenwissen zu generieren, wobei ein Sensor (24‘) der Mehrzahl von Sensoren ausgebildet ist, eine digitale Nachricht (40) zu empfangen, um Fremdwissen zu erhalten; einem Führungssystem (27), das ausgebildet ist, basierend auf dem Eigenwissen ein Lagebild (46) des Unterwasserfahrzeugs (20) zu erzeugen; einer Signalverarbeitungseinheit (28), die ausgebildet ist, die digitale Nachricht (40) zu verarbeiten und basierend auf der digitalen Nachricht (40) das Lagebild (46) anzupassen oder eine taktische Information auszugeben. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die digitale Nachricht (40) die Abwesenheit einer Information für kooperatives Bi-statisches Sonar umfasst. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (24‘) der Mehrzahl von Sensoren ausgebildet ist, sequentiell weitere digitale Nachrichten zu erhalten, um weiteres Fremdwissen zu erhalten; wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, die weiteren digitalen Nachrichten zu verarbeiten und basierend auf den weiteren digitalen Nachrichten zur Anpassung des Lagebilds, das Lagebild mittels einer Regelung sequentiell zu optimieren. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mehrzahl der Sensoren ein Array von Wasserschallempfängern umfassen, die ausgebildet sind, jeweils Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal (26) als Messwert umzuwandeln; wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, eine Information zu einem Objekt als Eigenwissen aus den elektrischen Signalen zu erhalten, um das Lagebild (46) des Unterwasserfahrzeugs zu erzeugen. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß Anspruch 4, wobei der Sensor zum Empfang der digitalen Nachricht ein Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern ist; wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, die digitale Nachricht (40) als Fremdwissen von den Messwerten als Eigenwissen zu separieren. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, aus der digitalen Nachricht (40) eine Lagebildinformation zu dekodieren und basierend auf der Lagebildinformation, die Informationen zu einem in dem Lagebild dargestellten Objekt zu validieren und/oder zu optimieren. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, aus der digitalen Nachricht (40) ein Umweltwissen, insbesondere ein Schallgeschwindigkeitsprofil, zu dekodieren und das Lagebild (46) in Kenntnis des Umweltwissens anzupassen. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, zur Anpassung des Lagebilds basierend auf der digitalen Nachricht (40) eine Richtungsbildung mittels des Arrays von Wasserschallempfängern zu optimieren.
9. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, zur Anpassung des Lagebilds basierend auf der digitalen Nachricht (40) eine Detektion von Kontakten in den elektrischen Signalen der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern zu optimieren.
10. Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, basierend auf den elektrischen Signalen der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern eine Target Motion Analyse durchzuführen um das Lagebild (46) des Unterwasserfahrzeugs zu erzeugen und basierend auf der Nachricht (40) die Target Motion Analyse zu optimieren.
11 . Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) ausgebildet ist, eine Performance der Wasserschallempfänger des Arrays von Wasserschallempfängern zu schätzen und die Schätzung basierend auf der digitalen Nachricht (40) zu optimieren um das Lagebild (46) zu verbessern.
12. System (10) umfassend, das Unterwasserfahrzeug (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche; einer Plattform (30) die ausgebildet ist, eine Information als Nachricht (40) zu kodieren und einen Wasserschallwandler, der ausgebildet ist, die Nachricht (40) in Wasserschall umzuwandeln, wobei die Signalverarbeitungseinheit (28) des Unterwasserfahrzeugs ausgebildet ist, die Nachricht (40) zu verarbeiten, um die Lagebildinformation zu erhalten und das Lagebild (46) des Unterwasserfahrzeugs basierend auf der Lagebildinformation anzupassen.
13. System (10) gemäß Anspruch 12, wobei die Plattform (30) eine beliebige Auswahl folgender Merkmale umfasst: einer Überwassereinheit, einer Unterwassereinheit, eine Offshore Windenergieanlage oder einer Gatewayboje.
14. System (10) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Plattform (30) ausgebildet ist, eine von einem Dritten ausgesendete Information zu empfangen, einen Informationsgehalt der Information zu reduzieren um eine Information mit reduziertem Informationsgehalt zu erhalten und die Information mit reduziertem Informationsgehalt als Nachricht (40) zu kodieren.
15. Unterwassersignal umfassend, eine Positionsinformation; einen Referenzwert eines Schallausbreitungswerts an der durch die Positionsinformation spezifizierten Position;
Unterschiede des Schallausbreitungswerts zu dem Referenzwert an der Position für eine Mehrzahl von vorbestimmten Tiefen.
16. Verfahren zur Verbesserung der Informationslage in einem Unterwasserfahrzeugs mit folgenden Schritten: a) Ermitteln von Messwerten von Sensoren des Unterwasserfahrzeugs um Eigenwissen zu generieren; b) Empfangen einer digitalen Nachricht mit dem Unterwasserfahrzeug; c) Erzeugen eines Lagebilds des Unterwasserfahrzeugs basierend auf dem Eigenwissen; d1 ) Anpassen des Lagebilds basierend auf der digitalen Nachricht; oder d2) Ausgeben einer Information basierend auf der digitalen Nachricht.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116954137A (zh) * 2023-09-20 2023-10-27 北京大学 跨介质航行器的运动控制方法、系统、装置、设备及介质
CN117949935A (zh) * 2024-03-27 2024-04-30 中国电子科技集团公司第十五研究所 一种基于人工智能的自适应水声模型组件

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200042020A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 National Deep Sea Center Integrated Method and System for Communication, Positioning, Navigation, and Timing of Deep-Sea Vehicle

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011018278B4 (de) 2011-04-20 2014-12-11 Atlas Elektronik Gmbh Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen von Zielparametern
US9817116B1 (en) 2016-04-29 2017-11-14 R2Sonic, Llc Acoustic doppler system and method
US10578709B1 (en) 2017-04-20 2020-03-03 Tm Ip Holdings, Llc Transpositional modulation for defensive measures
CN111366962A (zh) 2020-03-12 2020-07-03 国家深海基地管理中心 一种深远海低成本长航时协同导航定位系统

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200042020A1 (en) * 2018-08-03 2020-02-06 National Deep Sea Center Integrated Method and System for Communication, Positioning, Navigation, and Timing of Deep-Sea Vehicle

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DJAPIC VLADIMIR ET AL: "Novel method for underwater navigation aiding using a companion underwater robot as a guiding platforms", 2013 MTS/IEEE OCEANS - BERGEN, IEEE, 10 June 2013 (2013-06-10), pages 1 - 10, XP032487918, DOI: 10.1109/OCEANS-BERGEN.2013.6608153 *
WU YU ET AL: "Cooperative Path Planning for Heterogeneous Unmanned Vehicles in a Search-and-Track Mission Aiming at an Underwater Target", IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, IEEE, USA, vol. 69, no. 6, 2 May 2020 (2020-05-02), pages 6782 - 6787, XP011794297, ISSN: 0018-9545, [retrieved on 20200617], DOI: 10.1109/TVT.2020.2991983 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116954137A (zh) * 2023-09-20 2023-10-27 北京大学 跨介质航行器的运动控制方法、系统、装置、设备及介质
CN116954137B (zh) * 2023-09-20 2023-12-08 北京大学 跨介质航行器的运动控制方法、系统、装置、设备及介质
CN117949935A (zh) * 2024-03-27 2024-04-30 中国电子科技集团公司第十五研究所 一种基于人工智能的自适应水声模型组件
CN117949935B (zh) * 2024-03-27 2024-06-07 中国电子科技集团公司第十五研究所 一种基于人工智能的自适应水声模型组件

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