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Verfahren zur Ermittlung der festgelegten Fahrstraße für Schiffe.
Es sind bereits Verfahren zur Ermittlung der festgelegten Fahrstraße für Schiffe
u. dgl. bekannt, bei welchen elektromagnetische Führungskabel, die mit Unterwasserschallsenderii
-,-ersehen sind, dazu dienen, um mittels eil Bord der Schiffe u. dgl. angeordneter
Mikrophonempfänger die Erkennung besonderer, für die Navigation wichtiger Stellen
der Fahrstraß-- dadurch zu ermöglichen, daß durch die genannten Sender die Aufmerksamkeit
des Seefahrers erregt wird. Die vorliegende Erfindung bezweckt eine weitere Ausbildung
dieser bekannten Verfahren, zum Zweck, dem Seefahrer die nähere Bestimmung der vom
Schiff befolgten Fahrstraße zu gestatten. Zu diesem Zweck ist die Einrichtung getroffen,
um die Zeiten zu messen, welche einerseits liegen zwischen -der Ankunft einer Schallwelle
von ein und demselben Schallsender mit sonorer, infra- oder ultrasonorer Frequenz
in zwei an getrennten Stellen des Schiffes angebrachten Wellenempfängern und die
andererseits liegen zwischen der Ankunft der von zwei benachbarten Schallsendern
zu ein und demselben Wellenempfänger gelangenden Schallwellen.
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Die Zeichnung veranschaulicht srhematiscb den Erfindungsgegenstand
in einigen Ausführungsbeispielen.
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Abb. i zeigt eine Fahrlinie, welche eine Richtungsänderung unter rechtem
Winkel erfährt (wobei der die Schallsender betätigende Stromkreis durch das umgebende
Medium geschlossen wird).
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Abb. 2 zeigt ein Diagramm, mittels dessen inan den Standpunkt eines
Fahrzeuges in Bezug auf zwei Sender ermitteln kann.
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Abb.3 zeigt zwei aufeinander senkrechte Lagen eines Fahrzeuges parallel
bzw. senkrecht zur Richtung, welche durch die Schallsender abgesteckt ist.
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Abb.4 ist ein Diagramm, welches zeigt, wie ein Fahrzeug die durch
das Führungskabel und damit verbundene Sender abgesteckte Richtung in möglichster
Nähe des Kabels verfolgen und somit auch seine Entfernung von dein Kabel ermitteln
kann. Das Kabel setzt Schallsender mit sonorer, infrasonorer oder ultrasonorer Frequenz
in Wirksamkeit. Die Reichweite dieser Sender ist gleich oder größer als ihr Abstand.
Das Fahrzeug trägt die entsprechenden Empfänger. Die Wirkungsweise ist folgende:
i. Die Ermittlung des Standortes des Schiffes auf der Fahrlinie.
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In Abb. 2 sind 15 und 16 Schallsender, die in einem Abstande von io
ooo in voneinander liegen; die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen im
Wasser beträgt 1425 m.. Wenn die Sender 15 und 16 des Kabels gleichzeitig senden,
so kann der Standort des Schiffes dadurch bestimmt werden, daß man den Zeitunterschied
zwischen der Ankunft der Schallwelle des Senders 15 und derjenigen des Senders 16
mißt. Befindet sich das Schiff über der Fahrlinie 15, 16, so wird in einer Entfernung
von i o ooo in von dem Sender 15 dieser Unterschied etwa 5,6 Sekunden betragen,
in einer Entfernung von 2ooo m etwa 4,21 Sekunden, in einer Entfernung von
3000 1n etwa 2,81 Sekunden und in einer Entfernung von 4ooo m etwa 1,41 Sekunden,
während in einer Entfernung von 5000 in, d. h. .in der Mitte zwischen 15
und 16, der Unterschied gleich Null sein wird. Bei größerer Entfernung des Schiffs
als Sooo m von denn Sender 15 treten dieselben Zeitunterschiede, jedoch in urngekehrter
Reihenfolge auf.
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Das Diagrainin i;-18 und 18 -l kann vc.n dein Schiffskapitän, welchem
:lie Schallgeschwindigkeit und die Entfernung zwischen den beiden Schwingungsquellen
15, 16 bekannt sind, unmittelbar aufgezeichnet werden, indem man auf in bestimmtem
Maßstab an den Endpunkten 15, 16 aufgerichtete Ordinaten ;,01; Einheiten (= 10 000
:142S) aufträgt und die so erhaltenen Punkte 17, i9 mit dein Mittelpunkt
18 der Linie i5-16 verbindet. Es wird dabei angenommen, daß das Schiff in Richtung
des Schallkabels, unmittelbar über demselben oder dasselbe genügend nahe links oder
rechts befolgend, fährt.
2. Ermittlung desSchiffsstandortes in bezug
auf die Lage des Kabels.
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Uni zu ermitteln, iii welcher Entfernung sich das Schiff rechts von
dem Kabel befindet, kann das Schallkabel nach Art eines elektromagnetischen Kabels
benutzt werden, indem man Empfänger verwendet, welche, sei es nur durch Induktion
oder durch Induktion und Leitung (Unterseeleiter), wirksam sind.
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Im Zeitpunkt, wo der Strom das Kabel durchströmt, werden die Empfänger
(von den Rahmenspulen abgezweigte oder in die Leiter eingeschaltete Telephone mit
oder ohne Verstärker) beeinflußt. Man mißt den Zeitunterschied, welcher zwischen
dieser Beeinflussung und der Beeinflussung durch die von den Sencler n 15 und 16
kommenden Wellen verstreicht. Wenn an Bord festgestellt wird, daß z. B. einerseits
ein Zeitunterschied von 2,1 Sekunden zwischen dein Empfang der ersten Schallwelle
und der elektrischen Welle und andererseits ein Zeitunterschied von -.,g1 Sekunden
zwischen dem Empfang der zweiten Schallwelle und der elektrischen Welle verstreicht,
so ist damit ermittelt, daß sich das Schiff in einem Standort befindet, welcher
dem Punkt 20 (Abb. 2) benachbart ist. Betragen diese Zahlen z. B. 2,1 und 5,25 Sekunden,
so ist damit gesagt, daß sich das Schiff in dein Standort 21 oder 22 rechts oder
links ,-cm Kabel l:efiliden kann, ohne daß man die Seite kennt. Diese Unsicherheit
kann jedoch unmittelbar, sei es durch Seitenrahmen nach dem el,#ktromagnetische-i
Verfahren, sei es, wenn man über dieselben nicht verfügt oder wenn im Falle der
Abb. 2 die Entfernung zum Kabel zu beträchtlich ist, damit die Rahmen beeinflußt
werden, dadurch behoben werden, daß man einfach die Schallempfänger am Backbord
und am Steuerbord zu Hilfe nimmt. 3. Die Richtung der Fahrlinie Man kann unter Anwendung
eines zweiten ebenfalls links am Schiff angeordneten Empfängers auch die Richtung
des Schallkabels < itin Standort des Schiffes ermitteln. Der eine Empfänger
befindet sich links vorn und der andere in der -litte oder hinten. Man kann auch
den einen Empfänger in der -Titte und den zweiten hinten anordnen, was lediglich
von der Länge des .Schiffes abhängt. Dieselbe Anordnulig wird auf der rechten Seite
des Schiffes getroffen. In Abb.3 befindet sich das Schiff beispielsweise im Standort
23. Die ton der Schwiligungsduelle 24. herrührende Welle gelangt nach dein Standort23;
da jedoch das Schiff sich rechts vom Schallkabel und parallel zu demselben befindet,
so wird die Schallwelle zunächst den hinteren Empfänger 25 und dann den vorderen
Empfänger 26 beeinflussen. Bei diesem Beispiel ist der Fall angenommen, daß das
Schiff an Backbord und an Steuerbord je einen vorderen und hinteren Empfänger besitzt.
Der Zeitunterschied zwischen der Ankunft der Welle zum Empfänger 25 und 26 hängt
von der Entfernung der beiden Punkte 25 und 26 ab, welche bekannt ist. Wein man
das eine Gehörorgan mit dem Empfänger 25 und das andere mit dem il_mpfänger 26 verbindet,
wirrt das mit dem Empfänger 25 verbundene Gehörorgan vor dem Gehörorgan beeinflußt,
welches mit dein Empfänger 26 in Verbindung steht. Wenige Athenblicke danach wird
die vom Sender 27 ausgeströmte Welle nach dem Durchgang des Weges 27, 23
ebenfalls zu diesem letzteren Sta:idort gelangen, wird jedoch im Gegensatz zunächst
den vorderen Empfänger 26 und dann den hinteren Empfänger 25 beeinflussen. Wenn
sich daher das Schiff zwischen 24 und 28 (wobei dieser letztere Punkt genau in der
Mitte zwischen den Sendern 24 und 2; liegt) befindet, so wird der hintere Empfänger
zuerst beeinflußt, während, falls sich das Schiff zwischen dein Punkt 28 und dein
Sender 27 befindet, der vordere Empfänger als erster beeinflußt werden wird. hie
Zeit, welche zwischen der Ankunft der beiden Wellen verstreicht, von denen die eine
vom Sender 24 und die andere vom Sender 2T herrührt, isst eine Funktion des Verhältnisses
der Entf:rnung der beiden Sen3°_r von dem Schiff, so daß es möglich wird, die Lage
des Schiffes den Strezken 2.I-28 oder 28-2,7 zwischen zwei aufeinanderfol,geaden
Sendern anzuordnen. Schließlich ist der Zeitunterschied, welcher zwische _ der Ankunft
der Welle von ein und demselben Sender 2.4 oder 2; zu den Empfängern, z. B. 25 und
alsdaiir 26, gelangt, eine Funktion (wenn das Schift ,genau über dem Kabel oder
sich ganz nahe an dessen rechter oder linker Seifte hält) lediglich der Neigung
der Schiffsachse zu der Richtung des Kabels, nämlich dem Cosinus des Neigungswinkels
proportional. Diese letztere Regel hört für den Sender, an welchem das Schiff gerade
vorbeigeht, für einen Augenblick auf, gültig zu sein, während sie im gleichen Augenblick
für alle anderen Sender in Kraft bleibt.
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Es ist aus der Abb. 3 ersichtlich, daß die beiden Empfänger 25, 26
im gleichen Augenblick von (-lern Sender 24 beeinflußt werden, wenn die Achse des
Schiffes iln wesentlichen senkrecht zur Richtung des Kabels gerichtet ist. Einige
Augenblicke später, nach einem Zeitverlauf, welcher lediglich von dein Standcrt
des Schiffes auf der Fahrlinie abhängt und somit diesen Standort bestimmt, gelangt
die von dein Sender 27 herrührende Welle
ihrerseits zu der rechten
Schiffsseite und im gleichen Augenblick zu den beiden an Steuerbord befindlichen
Empfängern 29, 30. Bei umgekehrter Schiffsstellung wechseln lediglich die betreffenden
Seitenbeeinflussungen. Es ist somit möglich, aus dem Unterschied der Ankunftzeiten
der Wellen von den Sendern vorn und achtern des Schiffes zu ein und demselben Empfänger
an Bord den Standort des Schiffes zu bestimmen und andererseits die Neigung des
Schiffes zu der Fahrlinie aus dem Unterschied der Ankunftzeiten einer von einem
einzelnen Sender herrührenden Welle zu zwei an Bord befindlichen Empfängern zu ermitteln.
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Es bleibt noch übrig, den Sinn der Neigung zu ermitteln.
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In dem Augenblick, wo die Schiffsachse sich zur Fahrlinie neigt, vermindert
sich die Unstimmigkeit oder Phasenverschiebung zwischen der Ankunft der Welle vom
Sender 2,1 zu den Empfängern 25 und dann zum Empfänger 26. Sie erreicht den hlaximumwert,
wenn das Schiff die richtige Fahrtrichtung befolgt. Ebenfalls vermindert sich in
diesem Zeitpunkt die Phasenverschiebung zwischen der Ankunft der Welle von dem Sender
27 zu den Empfängern 26 und 25. Wenn das Schiff entlang dem Kabel an Backbordseite
fährt, so beginnen in dem Moment, wo die Neigung eintrifft, die Steuerbordempfänger
beeinflußt zu werden, während sie nicht oder nur wenig beeinflußt werden, wenn die
Fahrlinie parallel zum Kabel ist. Die Aufnahme dieser Empfänger steigt in dem Maße
wie die Neigung der Fahrlinie zur Richtung des Kabels. Man kann somit auch den Sinn
der Neigung der Längsachse des Schiffes zu der abgesteckten Fahrlinie ermitteln.
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Folgende Fälle sind möglich: i. Das Schiff fährt in der Richtung aus
2.1 gegen 27 entlang dem Kabel an Backbordseite, was dadurch ermittelt wird, daß
die Backbordempfänger stark und die Steuerbordempfänger nicht oder schwach beeinflußt
werden. Wenn sich das Schiff auf der Fahrt neigt und gegen das Kabel zu läuft, so
sind zwei Fäll:. zu unterscheiden: a) Ist das Schiff zwischen 2,l und 28, so wird
die erste Sendung (vom Sender 24) durch die an Backbord befindlichen Empfänger empfangen,
@sährend die zweite Sendung (vom Sender 27) durch die Empfänger ein Steuerbord empfangen
wird.
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b) Befindet sich das Schiff zwischen 28 und 27, so wird die erste
Sendung (von 27) durch die an Steuerbord befindlichen Empfänger und die zweite Sendung
(vom Sender 2.1) durch die an Backbord befindlichen Empfänger empfangen.
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2. Das Schaff be«-egt sich in der Richtung von 2.a. nach 27 und neigt
sich auf der Fahr-Linie in der Richtung von dem Kabel weg. Es sind hier ebenfalls
zwei Fälle zu unterscheiden a) Ist das Schiff zwischen 2.1 und 28, so wird die erste
Sendung (vom Sender 24) durch die an Steuerbord befindlichen Empfänger empfangen,
während die zweite Sendung (vom Sender 27) durch die Empfänger an Backbord empfangen
wird.
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b) Befindet sich das Schiff zwischen 28 und 27, so wird die erste
Sendung (von 27) durch die an Backbord befindlichen Empfänger und die zweite Sendung
(vom Sender 24) durch die an Steuerbord befindlichen Empfänger empfangen.
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Wenn die Neigungen in bezug auf die zu befolgende Fahrtrichtung 9o°
erreicht haben, so tritt bei den an ein und derselben Schiffsseite befindlichen
Empfängern Phastngleichheit in der Ankunft der Schwingungen von ein und demselben
Sender ein.
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Die seitlichen Apparate vermögen somit nicht nur die Seite anzugeben,
an welcher sich das Schiff in bezug auf das Kabel befindet, sondern auch den Sinn
der genannten Neigung, wenn sich die Fahrlinie des Schiffes, in bezug auf die Richtung
des Kabels zu neigen beginnt. Das Problem ist für den Fall von kurzen, gleichen
und gleichzeitigen Sendungen der Sendequellen angenommen worden. Bei Verwendung
von in das Kabel eingeschalteten Sendequellen mit unterschiedlichen Schalltönen
ist ersichtlich, daß das Problem der Ermittlung der Achsenneigung des Schiffes in
bezug auf die Kabelrichtung noch vereinfacht wird.
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Die Unstimmigkeit zwischen den Ankünften einer von ein und demselben
Schallsender (z. B. 27) zu zwei Mikrophonempfängern gelangenden Schallwelle kann
durch Änderung der Länge des das Gehörorgan des Beobachters von dem einen der Empfänger
trennenden Luftweges (einer Lufttrompete) nach der binauralen IIörrnethode ausgeglichen
werden. Beispielsweise könnte diese Einrichtung folgendermaßen ausgebildet werden.
Bei normaler Fahrt, d. h. wenn das Schiff parallel zum Kabel fährt, kann man die
Länge der Lufttrompete, d. h. die Länge der Luftsäule zwischen dein zuerst beeinflußteu
Empfänger und dem Ohr des Beobachters regeln, um eine Verzögerung in der Schallübertragung
zu bewirken. Wenn somit je ein (vorderer und hinterer) Empfänger an je ein Ohr angeschlossen
ist, bewirken, daß die Töne gleichzeitig und mit gleicher Stärke an den Beobachter
gelangen, obwohl die Empfänger nacheinander und ungleich beeinflußt worden sind.
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Wenn unter diesen Umständen in einem bestimmten Zeitpunkt eine jähe
Änderung des Empfanges (z. B. :daß man zuerst mit dem
Ohr des hinteren
Empfängers und dann mit dem Ohr des vorderen Empfängers hört) erfolgt, so ist daraus
zu schließen, daß sich das Schiff in bezug auf das Kabel geneigt hat. Wird nun die
Lufttrompete in ihrer Länge derart eingestellt, daß die Empfangsstärken wieder gleich
werden, so kann man, wenn die Trompete mit SkAlateilungen versehen ist, aus der
Längenänderung annähernd bestimmen, wieviel Grade der Neigungswinkel enthält.
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Man kann auch das Führungskabel aus getrennten Leitern ausbilden,
welche verschiedene Gruppen von Unterwasserschallsendern derart speisen, daß die
Schallwellen jeder Gruppe eine andere Periode und andere Reichweite haben. -Man
bestimmt alsdann lediglich die Seite des befolgten Kabels, während das Schiff z.
B. oherhalb des Kabels fährt, was leicht bewerkstelligt werden kann, `nenn man derart
die Steuerrichtung einhält, daß die Empfänger an Backbord- und an Steuerbordseite
gleich stark beeinflußt werden. Wenn das Schiff sich in bezug auf die zu befolgende
Fahrlinie neigt, so ist ersichtlich, daß z. B. nach Abb. 4, wenn das Schiff die
Lage 37, 38 annimmt, der Steuerbordempfänger allein die vom Sender 39 kommenden
Sendungen empfängt, während der Backbordempfänger allein die vom Sender 4o kommenden
Sendungen aufnimmt, welche die gleiche oder auch andere Schwingungsperioden besitzen
können. Gleichzeitig vermindern sich die Unstimmigkeiten zwischen der Ankunft ein
und derselben WeUe zu den Empfängern an der gleichen Seite, was durch Mithilfe der
bereits beschriebenen Einrichtungen festgestellt werden kann. Dies gestattet zu
erkennen, ob sich das Schiff gegen 39 oder gegen 4o neigt. Die beiden Kabel können
somit unabhängig sein, wobei der Rücklauf durch die See erfolgt.
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Man kann ferner das iMehrleiterkabel zickzackförnvig derart auslegen,
daß die Unterwasserschallsender die Scheitel der gebildeten Winkel einnehmen, wobei
die Sender der gleichgerichteten Winkel an ein und demselben Leiter angeschloseen
sind, so daß zwei parallele oder konvergente Fahrlinien abgesteckt sind (Abb. 4).
In diesem Falle arbeiten (lie Sender 41-.12-.1-3 mit einer anderen Frequenz als
die Sender 44-45-46. Die Sendungen von 41-42-43 helfen außerdem Schiffen, welche
die durch die akustische Fluchtlinie 44-45-46 bestimmte Fahrlinie befolgen, sich
in noch genauerer Weise einzustellen. Die Sendungen 41-42-43 sollen von Schiffen,
welche die Fahrlinie 44-45-46 befolgen, stets links, gehört «-erden, d. h. durch
Backbordapparate. Wie vorher liefern die Unstimmigkeiten zwischen der Ankunft der
aufeinanderfolgenden Sendungen von zwei oder mehreren Sendern (Hinlauf und Rücklauf)
zu ein und demselben Empfänger den genauen Standort auf der zu befolgenden Fahrlinie.
Die Unstimmigkeiten bzw. Phasenverschiebungen zwischen der Ankunft ein und derselben
Sendung zu den unterschiedlichen Empfängern an Bord des Schiffes, z. B. vorderen
und hinteren Empfängern, liefern andererseits die Neigung in bezug auf die zu befolgende
Fahrlinie sowie auch den Sinn der Neigung.
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Das Kabel kann auch ununterbrochen sein und eine Schleife bilden (4bb.4).
Die auf den beiden Linien angeordneten Sender können ähnlich sein oder nicht, unterschiedliche
oder gleiche Töne besitzen sowie Sendungen von gleicher oder unterschiedlicher Dauer
bewirken.