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Dokumentenidentifikation DE3620402A1 23.12.1987
Titel Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz-(MES) Anlage
Anmelder Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch den Bundesminister der Verteidigung, dieser vertreten durch den Präsidenten des Bundesamtes für Wehrtechnik und Beschaffung, 5400 Koblenz, DE
Erfinder Flecken, Johann, Dipl.-Ing. Dr., 2382 Kropp, DE;
Kock, Rudolf, 2370 Rendsburg, DE
DE-Anmeldedatum 18.06.1986
DE-Aktenzeichen 3620402
Offenlegungstag 23.12.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.12.1987
IPC-Hauptklasse H01F 13/00
IPC-Nebenklasse B63G 9/02   G01R 33/025   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz(MES)-Anlage eines Fahrzeuges, die ein großräumiges dreiachsiges Spulensystem bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in drei orthogonalen Fahrzeugachsen zur Kompensation des magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges aufweist, abhängig vom Erdmagnetfeld am Fahrzeugort und der Fahrzeugbewegung im Erdmagnetfeld (Kurs, Schlinger, etc.).

Schiffe, Boote und andere Fahrzeuge der Bundeswehr, aber auch Handelsschiffe, werden aufgrund ihres magnetischen Eigenfeldes (Störfeld) das sich dem Erdfeld überlagert und dieses verzerrt, von Minen und Torpedos mit magnetischen Sensoren direkt bedroht oder sind durch Ortungssysteme mit magnetischen Sensoren aufzuspüren. Aus diesem Grund sind die zu schützende Fahrzeuge mit einer MES-Anlage ausgerüstet, die die Aufgabe hat, das magnetische Eigenfeld und damit die Gefährdung, herabzusetzen.

Das magnetische Eigenfeld enthält dabei einen sogenannten Permanentanteil und einen Induziertanteil, der auf die dauernde Aufmagnetisierung des Fahrzeuges beim Fahren im Erdfeld zurückzuführen ist, wobei seine Größe je nach dem Kurs und der Lage der Fahrzeugachsen zum Horizont veränderlich ist.

Derartige MES-Anlagen sind in der Literatur hinlänglich beschrieben (z. B. Kosack und Wangerin, "Elektrotechnik auf Handelsschiffen", Springer Verlag 1956, Seite 255-257 (Abb. 234). Sie weisen ein großräumiges, dreiachsiges Spulensystem, bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in drei orthogonalen Achsen zur Kompensation des magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges, auf.

Jedes mit einer MES-Anlage ausgerüstete Fahrzeug erfährt zunächst aufgrund einer sogenannten magnetischen Vermessung eine Grundeinstellung der MES-Anlage (Erstvermessung), bei der durch Einstellen geeigneter Wicklungsströme und geeigneter Spulenschaltzustände (Amperewindungszahlen) ein optimaler Kompensationswert erreicht wird.

Die Einstellung ändert sich jedoch - abgesehen von Langzeitveränderungen, die in gewissen Zeitabständen eine Einstellungskontrolle erfordern - im Fahrbetrieb. Infolge der

  • - Breitenabhängigkeit des Erdmagnetfeldes
  • - Kursabhängigkeit des von der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes erzeugten Induziertanteiles
  • - Abhängigkeit des Induziertfeldes von der Lage der Fahrzeugachsen zum Horizont


weist die MES-Anlage eine Regeleinrichtung bzw. eine Steuerung auf, die die Ströme bzw. durch Schalten von Windungen die Amperewindungszahlen in den einzelnen Spulen im Fahrbetrieb so nachstellt, daß die eingestellte Kompensation des Störfeldes erhalten bleibt.

Es ist bekannt, einen Hand-Breitengradregler und einen sowohl von Hand als auch selbsttätig durch den Kreiselkompaß betätigbaren Kursausgleichsregler vorzusehen (Deutsche Minenräumdienstvorschrift Nr. 16 "Magnetischer Schutz der Minenräumfahrzeuge", 1946 insbesondere S. 14/15).

Die Kreisel-MES-Anlage ist jedoch in der Praxis eine Handsteuerung. Fehler in der Bedienung der Regler werden daher nur durch manuelle Kontrolle erkannt. Zudem werden bei der bekannten Anlage die Eigenfeldänderungen nicht erfaßt. Die bekannte MES-Anlage kann daher im Hinblick auf die gesteigerte Empfindlichkeit der Zünder heutigen Ansprüchen nicht mehr genügen.

Es ist auch bekannt, durch magnetische Fühlorgane (Sensoren) die Änderungen des Schiffs- und Erdfeldes zu erfassen (Kosack und Wangerin v. g. S. 257). Diese vollautomatischen, sondengesteuerten, stromgeregelten MES-Anlagen weisen heute üblicherweise ein schiffsfest montiertes Magnetfeldsondentripel zur Erfassung des Erdfeldes am Schiffsort und der Schiffsbewegungen im Erdfeld (Kurs, Schlingern, Stampfen, Gieren) auf (DE-PS 9 77 846). Es erfolgt dabei eine getrennte Kompensation der Permanent-, Induziert- und Wirbelstrom-Komponenten des Schiffsstörfeldes in allen drei Schiffsachsen (Vertikal-, Horizontal- und Querschiff).

Diese bekannte MES-Anlage besitzt folgende Nachteile: Die Sondenanlage, das Sonden-Tripel, kann aus technischen Gründen am Fahrzeug nicht am Ort für die günstigste Messung mit optimalen Meßbedingungen angebracht werden, sondern nur dort, wo es baulich möglich ist.

Das Meßsignal der Sonden im Erdfeld ist das alleinige Regelsignal für die MES-Anlage. Beim Total-Ausfall der Sonden kann die Anlage daher nur von Hand gefahren werden, wobei die sogenannten MES-Kanäle kursabhängig gesteuert werden. Sondenfehler werden nicht leicht bemerkt.

Wird das Meßsignal nicht vom Erdfeld, sondern vom Schiffsfeld erzeugt, ist die Fehlererkennung noch wesentlich schwieriger und führt noch eher zu einer Fehlinterpretation und damit zu einer fehlerhaften MES-Einstellung.

Durch die Weiterentwicklung der Sensortechnik ist dabei eine Situation entstanden, in der nicht ausreichende magnetische Schutzmaßnahmen einerseits eine trügerische Sicherheit vorgaukeln, dem intelligenten Sensor aber andererseits die Möglichkeit geben, genauer "zu treffen".

Es ist also erforderlich, die Wirkung der MES-Anlage der Sensorentwicklung anzupassen. Diese Forderung gilt sowohl für Fahrzeuge in ferromagnetischer Bauweise als auch für Fahrzeuge in amagnetischer Bauweise mit teilweise ferromagnetischen Einbauten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete Vorrichtung so weiterzubilden, daß sie eine wesentlich bessere und zuverlässigere magnetische Kompensation von Fahrzeugen liefert als die Kompensation mit herkömmlichen MES-Steuerungen. Es gilt einen optimalen magnetischen Schutzzustand zu erreichen und die Vermessung und Kontrolle des magnetischen Schutzzustandes von außen auf ein Minimum zu beschränken, um damit gleichzeitig die Betriebssicherheit der Anlage wesentlich zu steigern.

Die Erfindung soll dabei auf hochgeschützten Fahrzeugen mit amagnetischer und elektrisch nicht leitender Außenhaut, auf hochgeschützten Fahrzeugen mit amagnetischer, aber elektrisch leitender Außenhaut und auf Fahrzeugen mit ferromagnetischer Außenhaut eingesetzt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß eine Prozeßsteuerung mit einem digitalen Datenprozessor vorgesehen ist,

dem eine Datenbank zugeordnet ist, in der

  • - fahrzeugspezifische Daten der Erstvermessung am Meßort
  • - standortabhängige Daten über die erdmagnetischen Verhältnisse im Operationsgebiet des Fahrzeuges (geomagnetische Daten)


abgelegt sind,

dem an Bord des Fahrzeuges befindliche Meßgeber für Spulendaten, geomagnetischer Standort, Kurs- und Fahrzeugeigenbewegungen zugeordnet sind, und

der aufgrund einer vorgegebenen Ablaufsteuerung (Algorithmen) die Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer prozeßgesteuerten MES-Anlage werden die magnetischen Gegenfelder zur Kompensation der am oder im Fahrzeug auftretenden magnetischen Wirkungen abhängig vom geographischen Standort, vom Kurs und von der Fahrzeugeigenbewegung gesteuert. Kernstück der prozeßgesteuerten MES-Anlage ist eine intelligente Steueranlage mit einem Daten-Prozessor, der auf eine Datenhaltung (Datenbank) zurückgreift.

In der Datenhaltung sind die Parameter enthalten, die benötigt werden, um eine optimale Steuerung der MES-Anlage zu erreichen. Es sind dies die Daten für die Kompensation

  • - der standortabhängigen magnetischen Effekte
  • - der standort- und kursabhängigen magnetischen Effekte
  • - der von den Eigenbewegungen des Fahrzeuges im Erdfeld abhängigen magnetischen Effekte
  • - der von Betriebszuständen abhängigen magnetischen Effekte.

Die magnetischen Felder von ferromagnetischen Objekten wie Einbauten und Ausrüstungsgegenstände der Fahrzeuge, sowie ihre magnetische Reaktion bei unterschiedlichen Betriebszuständen und bei Bewegung im Erdfeld, lassen sich dabei meßtechnisch genau erfassen. Dieses gilt auch für die ferromagnetische oder amagnetische Außenhaut des Fahrzeuges. Ebenso einfach sind mit bekannten, im Fahrzeuginneren angeordneten Datengebern - unter Verzicht auf Magnetfeldsonden - die Daten über den Kurs, Standort und Eigenbewegung des Fahrzeuges zu ermitteln.

Weiterhin sind die Daten für die Steuerung der MES-Anlage in Ausnahmesituationen abgelegt, so daß auch für eine gestörte Anlage eine möglichst optimale Einstellung gewährleistet ist.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung werden die bislang über Magnetfeldsonden erlangten Daten für die Regelung bzw. Steuerung der Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen über die gespeicherten geometrischen Daten in Verbindung mit Meßwerten über den geographischen Standort und direkte Messung der Fahrzeugeigenbewegung sowie der Betriebszustände durch entsprechende Geber im Fahrzeuginneren gemessen. Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß auf eine mechanisch sehr leicht zu beschädigende Magnetfeldsondenanlage verzichtet werden kann, wodurch die Betriebssicherheit beträchtlich gesteigert werden kann. Der Schwerpunkt liegt nicht mehr in der Messung und komplizierten Kompensation von Sondersignalen sondern in der eigentlichen Regelung/Steuerung, mit einer ständigen digitalen Kontrolle. Es ist die Berücksichtigung von Betriebszuständen ohne den Umweg über die Sondenreaktion gegeben. Die Kompensation ist daher optimal durchzuführen. Die prozeßgesteuerte MES-Anlage hat dabei besonders gute Einsatzmöglichkeiten bzw. Vorteile an Unterwasserfahrzeugen, da es stets problemhaft ist, die Magnetfeldsonden am Außenkörper der UBoote an exponierter Stelle anzubringen.

Weltweite Einsatzmöglichkeit, geringere Störanfälligkeit und besserer Schutz gegen Magnetsensoren zeichnen dabei die Fahrzeuge, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet sind, aus.

Anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Spulensystem einer MES-Anlage in einem Schiffskörper

Fig. 2 die magnetischen Schiffseigenfelder (Störfelder) in den drei Schiffskoordinaten

Fig. 3 die Größen der Induziertanteile beim Schlingern des Schiffes

Fig. 4 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen prozeßgesteuerten MES-Anlage

Fig. 5 die schematische Darstellung des Informationsflusses bei der Kompensation mit vier unterschiedlichen Kompensations-Algorithmen

In Fig. 1 ist das großräumige, dreiachsige Spulensystem einer MES-Anlage eines Schiffes (als Beispiel eines Fahrzeuges als ferromagnetischer Störkörper) dargestellt. Dieses Spulensystem besteht aus Spulen in den drei orthogonalen Achsen. Jede Spule ist üblicherweise in drei - nicht mehr näher dargestellte - Teilspulen aufgeteilt. Die eine Teilspule (Zusatzbezeichnung P) dient zur Kompensation eines permanenten fahrzeugunabhängigen Störfeldanteiles. Eine zweite Teilspule (Zusatzbezeichnung I) dient zur Kompensation eines vom Erdfeld induzierten Störfeldanteiles.

Da als Folge der Eigenbewegung des Schiffes im Erdfeld in metallischen Teilen des Systems Wirbelfelder induziert werden, erfolgt deren Kompensation mit einer dritten Teilspule (Zusatzbezeichnung E).

Die magnetischen Schiffsfelder - die in Fig. 2 dargestellt sind - werden üblicherweise nach den Schiffskoordinaten wie folgt bezeichnet:

Längsschiffkomponente = X-Komponente

Querschiffskomponente = Y-Komponente

Vertikale Komponente = Z-Komponente

Das X-Y-Z-Koordinatensystem wird als objektfest angenommen, d. h. ist auf den Erzeuger des magnetischen Störfeldes - im Ausführungsbeispiel das Schiff - ausgerichtet.

Die Z-Komponente des Schiffsfeldes ist unabhängig vom Kurswinkel. Die X-Komponente ändert sich kursabhängig nach einer Cosinus-Funktion, die ihren Höchstwert bei Nord- und Südkurs hat und bei Ost- und Westkurs Null ist. Die Y-Komponente ändert sich gleichfalls kursabhängig, jedoch nach einer Sinus-Funktion, die ihren Höchstwert bei Ost- und Westkurs hat und bei Nord- und Südkurs Null ist. Alle drei Komponenten verändern ihren Wert zusätzlich noch bei Schlinger- und Stampfbewegungen des Schiffes.

Die Indziert-Störfeldanteile beim Schlingern sind dabei in Fig. 3 näher dargestellt.

Die Spulen wiederum werden entsprechend ihren magnetischen Hauptrichtungswirkungen bezeichnet. Die Spulen nach Fig. 1a, die parallel zur Y-Z-Ebene liegen, sind die L-Spulen (L-MES- Wicklung), deren magnetische Wirkungsachsen in der Schiffslängsrichtung (X) liegen (L entspricht longitudinal).

Die Spulen nach Fig. 1b (nur eine ist dargestellt), die parallel zur X-Y-Ebene liegen, sind die V-Spulen (V-MESWicklung) mit vertikalen magnetischen Achsen (V entspricht vertikal).

Die Spulen nach Fig. 1c, die parallel zu oder in der X-Y- Ebene liegen, sind die A-Spulen (A-MES-Wicklung) magnetischen Wirkungsrichtung in Y-Richtung (A entspricht athwort-ship).

Da, wie erwähnt, jede Spule aus drei Teilspulen mit den Zusatzbezeichnungen P, I, E besteht, weist eine MES-Anlage nachstehend bezeichnete Wicklungen (Teilspulen) auf:

VI vertikalwirkende Induziertfeldwicklung

VP vertikalwirkende Permanentfeldwicklung

VE vertikalwirkende Wirbelstromfeldwicklung

LI längsschiffwirkende Induziertfeldwicklung

LP längsschiffwirkende Permanentfeldwicklung

AI querschiffwirkende Induzierfeldwicklung

AP querschiffwirkende Permanentfeldwicklung

AE querschiffwirkende Wirbelstromfeldwicklung



Die Spulenwicklungen werden mit Gleichströmen in unterschiedlichen Richtungen beschickt. Die positiven Stromrichtungen resultieren dabei aus den positiven Richtungen des in Fig. 1a dargestellten Koordinatensystem.

In der Ersteinstellung und bei Einstellungskontrollen (magnetische Vermessung) werden die Ströme so eingestellt und Wicklungen so geschaltet, daß für das magnetische Eigenfeld des Schiffskörpers, das Störfeld, möglichst optimal kompensiert wird. Im laufenden Betrieb (Fahrt) sorgt ein Regler bzw. eine Steuerung dafür, daß die eingestellte Kompensation erhalten bleibt.

In Fig. 4 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Blockdiagramm schematisch dargestellt. Im Block 1 ist das dreiachsige Spulensystem einer MES-Anlage für ein Fahrzeug 2, das mit Gebern - die keine äußere Magnetfeldsonden sind - für die Erfassung von Fahrzeugbewegungen und des Standortes des Fahrzeuges versehen ist, enthalten.

Bei der erfindungsgemäß prozeßgesteuerten MES-Anlage ist das Hardware-Kernstück eine intelligente Steueranlage, deren Prozessor 3 mit Hilfe eines integrierten Kontroll- und Regelverfahrens und einer Datenhaltung 4 von fest vorgegebenen Parametern und gemessenen Einflußgrößen (Block 5) die Stromeinspeisung in das Fahrzeug-Wicklungssystem 1 aufgrund einer vorgegebenen Ablaufsteuerung (Steueralgorithmen) so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.

Das Kontroll- und Regelverfahren soll dabei auf Fahrzeugen mit amagnetischer Außenhaut, auf Fahrzeugen mit amagnetischer, aber elektrisch leitender Außenhaut und auf Fahrzeugen mit ferromagnetischer Außenhaut seine Anwendung finden.

Alle Daten, die eine prozeßgesteuerte MES-Anlage für die Steuerung zum Erreichen einer optimalen Kompensation benötigt, sind in einer langfristigen Datenhaltung 4 abgespeichert bzw. werden durch Geber am Fahrzeug 2, die keine Magnetfeldsonden sind, im Innern des Fahrzeugs ermittelt.

Die Daten in der Datenhaltung 4 sind in für alle Fahrzeuge gültige Daten und in Daten, die fahrzeug-typisch sind, unterteilt. Für alle Fahrzeuge gültig sind die geographischen Daten. Die spezifischen Daten eines Fahrzeugs werden bei der Erstvermessung ermittelt. Sie ergeben die Abhängigkeit zwischen dem Spulensystem des betreffenden Fahrzeuges und den Einflüssen der Erdfeldkomponenten wieder.

Mit einem dauernd laufenden Meßprogramm werden vom Prozessor 3 die Geber der Einflußgrößen abgefragt und damit den Steuer- Algorithmen diejenigen Daten 5 zugeführt, die zur Ermittlung einer optimalen MES-Einstellung notwendig sind.

Die Daten, die die intelligente Steueranlage der prozeßgesteuerten MES benötigt, sind daher in drei Gruppen unterteilt. Gruppe 1 und 2 sind in der langfristigen Datenhaltung 4 abgelegt. Die Gruppe 3 sind Meßdaten 5.

Jede Gruppe enthält wiederum systematisch untergliederte Daten-Teilgruppen. Die Datengruppen lassen sich daher wie folgt darstellen:

1. Gruppe: Geomagnetische Daten (im Block 4)
  • 1.1 Standortbereich 1 des Fahrzeuges
    • 1.1.1 Horizontales Erdfeld
    • 1.1.2 Vertikales Erdfeld
    • 1.1.3 Inklinationswinkel
  • 1.2 Standortbereich 2
2. Gruppe: Daten die bei der Erstvermessung ermittelt wurden (im Block 4)
  • 2.1 Kompensation des Permanentfeldes
    • 2.1.1 Strom und Schaltung aller LP
    • 2.1.2 Strom und Schaltung aller AP
    • 2.1.3 Strom und Schaltung aller VP
  • 2.2 Kompensation des vertikalen Induziertfeldes am Meßort
    • 2.2.1 Strom und Schaltung aller VI
  • 2.3 Kompensation des horizontalen Induziertfeldes am Meßort Nordkurs
    • 2.3.1 Strom und Schaltung aller LI
    • 2.3.2 Strom und Schaltung aller AI
  • 2.4 Kompensation des horizontalen Induziertfeldes am Meßort auf Ostkurs
    • 2.4.1 Strom und Schaltung aller LI
    • 2.4.2 Strom und Schaltung aller AI
  • 2.5 Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Schlingern am Meßort auf Ostkurs
    • 2.5.1 Strom und Schaltung aller AE
    • 2.5.2 Strom und Schaltung aller VE
  • 2.6 Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Stampfen am Meßort auf Nordkurs
    • 2.6.1 Strom und Schaltung aller LE
3. Gruppe: Daten die an Bord des Fahrzeuges gemessen werden (im Block 5)
  • 3.1 Kontrolldaten aus der Spulenanlage
    • 3.1.1 Spulenströme
    • 3.1.2 Spulenwärme
    • 3.1.3 Spulenwiderstandswerte
  • 3.2 Bewegungsdaten
    • 3.2.1 Geographischer Standort
    • 3.2.2 Kurs
    • 3.2.3 Schlingerbewegung
    • 3.2.4 Stampfbewegung


In der Prozeßsteuerung der intelligenten Regelanlage läuft ein ständiges Meßprogramm ab, welches die Kontrolldaten aus dem Wicklungssystem und die Bewegungsdaten des Fahrzeugs (in Block 5) erfaßt. Die Bewegungsdaten haben gegenüber den Kontrolldaten im Auslösen einer Reaktion der Prozeßsteuerung eine vorrangige Priorität.

Innerhalb der Bewegungsdatenliste herrscht folgende Rangfolge:

  • - Kurs
  • - Schlingern
  • - Stampfen
  • - geographischer Standort


In der Ablaufsteuerung des Prozessors wird daher auf eine Kursänderung sofort reagiert, dann auf Schlingern und Stampfen und dann erst auf das Erreichen eines anderen geographischen Standortes.

Für die Ermittlung der Kompensationen der einzelnen magnetischen Wirkungen laufen quasi parallele Prozesse mit unterschiedlichen Regelalgorithmen ab, die in Fig. 5 dargestellt sind.

Die einzelnen Teilwicklungen und ihre Stromeinspeisungen werden danach gemäß folgenden Kriterien behandelt:

  • 1) Bei der Kompensation der Permanentanteile sind gemäß Fig. 5a nur die Daten der Gruppe 2.1 der Erstvermessung maßgebend.

    Die eingestellte Kompensation gilt weltweit.

    Bei der Kompensation des P-Anteils bleibt für die Regelanlage des MES die Aufgabe, den eingestellten Spulenstrom und die elektrischen Werte des Spulensystems zur P-Kompensation zu kontrollieren.
  • 2) Die erdmagnetischen Einflüsse auf das Fahrzeug, das Induziertfeld, muß in seine Komponenten zerlegt werden; da die vertikale und horizontale Komponente des Induziertfeldes unterschiedliche Auswirkungen auf den magnetischen Zustand des Fahrzeuges haben, ist ihre Kompensation völlig getrennt vorzunehmen. Das durch die vertikale Komponente des Erdfeldes im Fahrzeug erzeugte Induziertfeld IV ist zwar standortabhängig, aber kursunabhängig. Das durch die horizontale Komponente des Erdfeldes im Fahrzeug erzeugte Induziertfeld IH dagegen ist standort- und kursabhängig.
    • a) Bei der Kompensation des vertikalen Induziertanteils gemäß Fig. 5b greift der Regelalgorithmus daher nur ein, wenn eine Veränderung im geographischen Standort gemessen worden ist. Der Regelalgorithmus benötigt dazu auch den Zugriff zur langfristigen Datenhaltung 4.
    • b) Bei der Kompensation des horizontalen Induziertanteiles nach Fig. 5c dagegen greift der Regelalgorithmus ein, wenn eine Kursänderung und/oder eine Veränderung im geographischen Standort gemessen worden ist. Der Regelalgorithmus benötigt dazu auch den Zugriff zur langfristigen Datenhaltung. Der Regelalgorithmus für die Horizontalkompensation soll auch das Gieren mit abfangen.
  • Zur Ermittlung der gegenmagnetischen Maßnahmen gemäß vorstehendem Regelalgorithmus benötigt daher die Prozeßsteuerung der MES-Anlage den Standort und den Kurs des Fahrzeugs. Diese Information erhält die Prozeßsteuerung durch Kopplungen an die den Standort bestimmenden Geräte und den Kreiselkompaß oder im Notfall durch eine manuelle Eingabe. Der Inklinationswinkel und die Horizontalintensität des Erdfeldes und damit auch die Vertikalintensität ändern sich auf der Erde von Ort zu Ort. Im Rahmen der zugelassenen Abweichung von der Idealkompensation durch das Kompensationssystem ist es möglich, die Navigationskarte in Standortbereiche einzuteilen, wobei Isoklinen und Isodynamen bei der Flächeneinteilung zu berücksichtigen sind.
  • Für diesen Standortbereich ist ein gültiger Horizontalwert und Vertikalwert und der Inklinationswinkel festgelegt. Gleichzeitig sollten auch die geographischen magnetischen Anomalien berücksichtigt werden. Die Standortflächenkarte ist als Datei in der langfristigen Datenhaltung des MES-Prozessors abgelegt. Die Standortflächen brauchen nicht gleich groß zu sein, aber rechtwinklig unter Berücksichtigung der Längen- und Breitengrade der Navigationskarte eines bestimmten Maßstabes, um die rechnerische Standortflächenbestimmung zu beschleunigen.
  • Jede Standortfläche mit seinen Eckdaten stellt ein "File" dar. In dieses File werden die Horizontalkomponenten und Vertikalkomponenten des Erdfeldes eingetragen; außerdem die Ströme zur Einspeisung in die Vertikalkompensationsspulen, da die Vertikalkompensation nicht kursabhängig ist.
  • Für die Horizontalkompensation wird der Strom für eine Nordkurskompensation und eine Ostkurskompensation eingetragen. Aus diesen Werten kann der Strom für die Horizontalkompensation auf jedem Kurswinkel rechnerisch bestimmt werden.
  • 3. Die bisher angeführten Kompensationsmaßnahmen gegen das Induziertfeld gelten für ein Fahrzeug, welches sich auf einer Ebene bewegt.

    Bewegt sich das Fahrzeug nicht auf ebenem Kiel, sondern macht das Fahrzeug Bewegungen, die bei einem Schiff mit Schlingern, Stampfen und Gieren bezeichnet werden, so muß die MES auf diese Bewegung reagieren.


Es sind zwei getrennt zu behandelnde Reaktionen auf die Bewegung zu berücksichtigen. Dazu ist es erforderlich, die Fahrzeugbewegungen aufzunehmen. Die Bewegungen des Schlingerns oder Stampfens können entweder durch Rollkugelgeber oder Kreiselgeber aufgenommen werden. Das Gieren wird durch einen Kreiselgeber erfaßt und wie eine Kursänderung behandelt.

Durch die dauernd sich verändernde Lage des Fahrzeuges im Erdfeld ändert sich auch ständig das Induziertfeld. Das macht auch eine Änderung der gegenmagnetischen Maßnahmen erforderlich. Die Reaktionen des Fahrzeugs sind durch elektrisch simulierte Bewegungen bei der Erstvermessung unter den magnetischen Verhältnissen des Meßortes festgestellt worden. Mit Hilfe der ermittelten Reaktionsparameter und der Erdfeldkomponenten des Standortes wird die bewegungsrichtige magnetische Reaktion des Induziertfeldes- MES zu einem linearen Steuerungsproblem.

Die zweite Reaktion auf Bewegungen wie Schlingern, Stampfen und Gieren ist die Erzeugung von Wirbelfeldern bei Fahrzeugen mit großflächigen Einbauten aus leitendem Material oder Fahrzeugen, die ganz oder teilweise aus leitendem Material gefertigt sind. In den leitenden Materialien entstehen durch die Bewegung im Erdfeld Induktionsströme, sogenannte Wirbelströme, die ihrerseits Magnetfelder erzeugen. Die Wirbelfelder treten nahezu 90° phasenverschoben auf und sind abhängig von der Schlinger- und Stampffrequenz.

Von den Magnetfeldkomponenten X, Y und Z befinden sich die Teilkomponenten P = Permanentanteil, IV = der durch die vertikale Erdfeldkomponente erzeugte Induziertanteil, IHN = der durch die horizontale Erdfeldkomponente auf Nordkurs erzeugte Induziertanteil und IHO = der durch die horizontale Erdfeldkomponente auf Ostkurs erzeugte Induziertanteil in der langfristigen Datenhaltung.

Für die Berechnung eines Störfeldes eines ferromagnetischen Objektes auf jedem beliebigen Kurs und an jeden Punkt der Erde sind außer den Teilkomponenten P, IV, IHN, und IHO noch folgende Angaben notwendig:

  • - der Kurswinkel FI
  • - der vertikale Erdfeldanteil am Meßort EVM
  • - der vertikale Erdfeldanteil am "Rechnerort" EVR
  • - der horizontale Erdfeldanteil am Meßort EHM
  • - der horizontale Erdfeldanteil am "Rechnerort" EHR

Die Erdfeldkomponenten sind in einer einheitlichen Maßeinheit anzugeben. Welche Einheit bei der Angabe der Erdfeldkomponenten benutzt wird ist ohne Bedeutung. Aus den Angaben wird ein Vertikalfaktor und ein Horizontalfaktor bestimmt und dieser wird dimensionslos.

EVM = Erdfeld vertikal am Meßort

EVR = Erdfeld vertikal am Ort des zu berechnenden Störfeldes

VF = Vertikalfaktor

VF = EVR/EVW

EHM = Erdfeld horizontal am Meßort

EHR = Erdfeld horizontal am Ort des zu berechnenden Störfeldes

HF = Horizontalfaktor

HF = EHR/EHM

Die Wirbelfelder benötigen ein eigenes Kompensationsprogramm, deren Reaktionsparameter wiederum bei der Erstvermessung mit elektrisch simulierter Bewegung ermittelt worden sind. Zur Vereinfachung sollte die Wirbelfeldkompensation mit einem zweiten Prozessor im Master-Slave-Betrieb betrieben werden.

Bei der Kompensation der Wirbelstromfelder gemäß "Fig. 5d" greift daher der Regelalgorithmus ein, wenn Bewegungsgeber eine Bewegung des Fahrzeuges um seine Längsachse und Querachse anzeigt. Der Regelalgorithmus benötigt dazu ebenfalls den Zugriff zur langfristigen Datenhaltung.

Die Wirksamkeit der Regelalgorithmen, die Effekte nach Fig. 3 in die prozeßgesteuerte MES-Anlage mit einbezieht, ist abhängig von der Qualität der bei der Erstvermessung insoweit ermittelten Einstelldaten (Datenuntergruppen 2.5 und 2.6).

In welcher Weise die Regelalgorithmen aus einem Verfahren zur Berechnung des Störfeldes eines ferromagnetischen Objektes auf jeden beliebigen Kurs an jedem Punkt der Erde abgeleitet werden, soll nachstehendes Beispiel zeigen:

Bei der magnetischen Vermessung von ferromagnetischen Objekten werden die Komponenten X, Y und Z des Eigen- Magnetfeldes gemessen und abgespeichert.

Das Koordinatensystem ist zur leichteren Handhabung objektfest. In diesem objektfesten Koordinatensystem zeigt auf Nordkurs die X-Komponente zum Bug des Objektes und damit zur Oberkante der Matrix, die Y-Komponente zur rechten Seite von Objekt und Matrix und die Z-Komponente nach unten. Bei der Datenablage im Rechner von Matrixen der anderen Hauptkurse ist unabhängig von der Art der Meßwertaufnahme dafür zu sorgen, daß durch Klappen oder Stürzen oder durch Umkehr der Vorzeichen der Meßwertmatrix der Bug des Objektes, und damit die X-Komponente zur Oberkante der Matrix, die Y-Komponente zur rechten Seite und die Z-Komponente nach unten zeigt.

Der erste Teilschritt zur Lösung der weltweiten Störfeldberechnung eines Objektes ist die Berechnung des Störfeldes auf jedem Kurs am Meßort.

Der Permanentanteil P, der vertikale Induziertanteil IV und die horizontalen Induziertanteile auf Nord- bzw. Ostkurs IHN und IHV sind Parameter der Rechnung. Dabei verhält sich in der Rechnung der horizontale Induziertanteil auf Nordkurs wie der cos des Kurswinkels FI, der horizontale Induziertanteil auf Ostkurs wie der sin des Kurswinkels FI.



Das Störfeld für die Komponenten X, Y und Z wird jeweils mit dieser für die Programmierung aufbereiteten Formel

HSF = P + IHN × COS FI + SIN FI + IV

berechnet.

Bei der Berechnung eines Störfeldes eines Objektes am Meßort auf unterschiedlichen Kursen bleibt der Permanentanteil P und der durch die vertikale Erdfeldkomponente induzierte Anteil IV immer gleich. Soll das Störfeld eines Objektes für einen Ort mit anderen erdmagnetischen Verhältnissen wie am Meßort berechnet werden, so sind der Horizontalfaktor HF und der Vertikalfaktor VF in die Rechenvorschrift einzufügen.

In eine für die Programmierung günstigen Form aufbereitet ergibt sich folgende Rechenvorschrift:

HST = P + (IHN × COS FI) × HF + (IHO × SIN FI) × HF + IV × VF

Wie schon angedeutet werden die Teilkomponenten der langfristigen Datenhaltung entnommen.

Die Erdfeldwerte des horizontalen und vertikalen Erdfeldes für den Meßort können im Rechnerprogramm fest vereinbart werden. Die Erdfeldkomponenten der Orte, für die das Störfeld des Objektes berechnet werden soll, können bei häufiger Benutzung in einer langfristigen Datenhaltung vorhanden sein. Eine Eingabe für nicht vorhandene Daten sollte vorgesehen werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Steuern einer magnetischen Eigenschutz (MES)-Anlage eines Fahrzeuges, die ein großräumiges, dreiachsiges Spulensystem bestehend aus stromdurchflossenen Spulen in den drei orthogonalen Fahrzeugachsen zur Kompensation des magnetischen Eigenfeldes des Fahrzeuges, abhängig vom Erdmagnetfeld am Fahrzeugort und der Fahrzeugbewegung im Erdmagnetfeld (Kurs, Schlingern, etc., dadurch gekennzeichnet, daß eine Prozeßsteuerung mit einem digitalen Datenprozessor (3) vorgesehen ist,

    dem eine Datenbank (4) zugeordnet ist, in der

    1. - fahrzeugspezifische Daten der Erstvermessung am Meßort
    2. - standortabhängige Daten über die erdmagnetischen Verhältnisse im Operationsgebiet des Fahrzeuges (geomagnetische Daten)


  2. abgelegt sind,

    dem an Bort des Fahrzeuges (2) befindliche Meßgeber für Spulendaten, geographischer Standort, Kurs- und Fahrzeugeigenbewegungen zugeordnet sind, und

    der aufgrund einer vorgegebenen Auflaufsteuerung (Algorithmen) die Amperewindungszahlen der Kompensationsspulen (1) so steuert, daß eine optimale Kompensation gewährleistet ist.
  3. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Daten der Erstvermessung Daten zur Kompensation des Permanentfeldes (Strom und Schaltung der die Kompensation des Permanentanteiles zugeordneten Teilspulen), des vertikalen Induziertfeldes sowie des horizontalen Induziertfeldes auf Nord- und Ostkurs sowie zur Kompensation des Wirbelstromfeldes beim Schlingern auf Ost- und beim Stampfen auf Nordkurs, jeweils bezogen auf den Meßort, sind.
  4. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Daten, die an Bord des Fahrzeuges gewonnen werden, Kontrolldaten aus der Spulenanlage (Spulenstrom, -wärme, -widerstandswerte) und Bewegungsdaten (geographischer Standort, Kurs, Schlinger- und Stampfbewegungen) sind.
  5. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ablaufsteuerung eine Prioritätsschaltung aufweist, derart, daß im Auslösen einer Reaktion der Prozeßsteuerung die Bewegungsdaten gegenüber den Kontrolldaten Vorrang haben und innerhalb der Bewegungsdatenliste folgende Rangfolgen besteht

    1. - Kurs
    2. - Schlingern
    3. - Stampfen
    4. - geographischer Standort.


  6. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Prozeßsteuerung unterschiedliche Ablaufsteuerungen (Algorithmen) zur Ermittlung der Stellgrößen für die Amperewindungszahleinstellung der Spulen zur Kompensation

    1. - des magnetischen Permanentfeldes,
    2. - des horizontalen magnetischen Induziertfeldes,
    3. - des vertikalen magnetischen Induziertfeldes und
    4. - des magnetischen Wirbelstromfeldes vorgesehen sind.


  7. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaufsteuerungen so ausgebildet sind, daß

    1. - bei der Kompensation des Permanentanteiles ein erster Algorithmus aufgrund der Daten der Erstvermessung die Stellgröße bildet,
    2. - bei der Kompensation des vertikalen Induziertanteiles ein zweiter Regelalgorithmus vorgesehen ist, der eine Veränderung im geographischen Standort berücksichtigt,
    3. - bei der Kompensation des horizontalen Induziertanteiles ein dritter Regelalgorithmus vorgesehen ist, der bei Messung einer Kursänderung und/oder einer Veränderung im geographischen Standort die Kompensation veranlaßt.
    4. - für die Kompensation der Wirbelstromfelder ein vierter Regelalgorithmus vorgesehen ist, der aufgrund von Signalen zugeordneter Bewegungsgeber für Bewegungen des Fahrzeuges um seine Achsen die Stellgröße für die Kompensation bildet.


  8. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wirbelfeldkompensation ein zweiter Prozessor vorgesehen ist, der mit dem ersten, dem Hauptprozessor im Master-Slave-Betrieb geschaltet ist.
  9. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelalgorithmus für die Horizontalkompensation so ausgebildet ist, daß er auch die Kompensation der Fahrzeugbewegung "Gieren" mit umfaßt.
  10. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geomagnetischen Daten auf vorgegebene rechtwinklige Flächen der Erdoberfläche bezogen sind unter Berücksichtigung von geographischen magnetischen Anomalien.
  11. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Fahrzeugeigenbewegungen (Schlingern, Stampfen, Gieren) Rollkugel- oder Kreiselgeber vorgesehen sind.






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