DE10128973C1 - U-Boot - Google Patents

Abstract

Es wird ein U-Boot mit einer Einrichtung zur Erkennung von aktiv ortenden Torpedos angegeben, die eine Vielzahl von omnidirektional empfangenden Hydrofonen (16) sowie eine Signalverarbeitungseinheit (17) zur Bestimmung von Torpedodaten aus den Ausgangssignalen der Hydrofone (16) aufweist. Zur kostengünstigen Gestaltung der von den Hydrofonen (16) gebildeten Empfangsbasis, die auch brauchbare Daten von aus großen Elevationswinkeln angreifenden Torpedos liefert, sind die Hydrofone (16) über die Oberfläche des U-Boots beliebig verteilt und direkt auf der Außenhaut (12) des U-Boots befestigt und die Signalverarbeitungseinheit (17) so ausgebildet, daß sie zur Bestimmung der Torpedodaten Peilung der Torpedos aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den Ausgangssignalen ausgewählter Hydrofone (16) ermittelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein U-Boot mit einer Einrichtung zur Erkennung von Schallimpulse aussendenden Torpedos gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der moderne, schnellaufende, aktiv ortende Torpedo stellt für U-Boote die größte Gefährdung dar. Dies gilt insbesondere für luftverbrachte Torpedos, die von Oberflächenschiffen in einer ballistischen Schußbahn abgeschossen oder von Hubschraubern oder Flugzeugen auf kurze Distanz zum Ziel ins Wasser abgeworfen werden. Für ein U-Boot ist es daher überlebensnotwendig solche Torpedos sehr schnell auch auf kurzer Distanz zu detektieren und die Torpedodaten, wie Peilung und/oder Entfernung, zu bestimmen, um sofort Abwehrmanöver einleiten und Abwehrwaffen effektiv einsetzten zu können.

Ein bekanntes U-Boot dieser Art (L. Kühnle "Classification and Identification - CAI - by Submarine Sonars" Naval Forces No VII 1987, Seite 28) weist hierzu ein sog. Intercept- Panorama-Sonar (IPS) mit einer Interceptbasis auf, das neben der Detektion und Peilung der Schallimpulse abstrahlenden Ziele, z. B. Torpedos, auch die Schallimpulse bezüglich ihres Frequenzbereichs, ihrer Modulationsart, der Pulslänge und Pulswiederholrate analysiert, um ein anlaufendes Ziel zu klassifizieren und zu identifizieren. Die Interceptbasis ist im Bugbereich des U-Boots auf der Oberseite des Bootskörpers und der Außenhaut angeordnet.

Ein Beispiele für den Aufbau der Interceptbasis ist in der DE 196 12 503 C2 beschrieben. Dort besitzt die Interceptbasis z. B. eine äußere Kontur in Form einer Tonne oder eines Fasses, die oder das im Innern durch sternförmig angeordnete Trennwände aus gummibeschichtetem Metallblech in z. B. sechs Sektoren mit jeweils 60° Öffnungswinkel unterteilt ist. In jedem Sektor ist eine Vielzahl von Hydrofonen angeordnet, die in Reihen und Spalten in eine Matrix aus Polyurethan- Hartschaum eingeklebt sind. Die einzelnen, für den hochfrequenten Sendefrequenzbereich von Torpedosonaren ausgelegten Hydrofone werden durch Signalleitungen, die in einem mittig angeordneten, rohrförmigen Durchgang verlegt sind, mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden.

Eine solche aus einem einzelnen Modul mit einer Vielzahl von Hydrofonen bestehende Empfangsbasis ist fertigungstechnisch sehr aufwendig und entsprechend teuer. Ein anlaufender Torpedo kann mit dieser Empfangsbasis zudem nur dann ausreichend genau gepeilt werden, wenn er sich etwa in der Ebene bewegt, in der die Empfangsbasis angeordnet ist. Ein größerer Versatz der Anlaufebene des Torpedos in Elevation führt dagegen zu ungenauen Peilwinkeln. Zudem ist die Empfangsbasis "blind" gegen steil von oben das U-Boot anlaufende Torpedos.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem mit einer Einrichtung zur Torpedoerkennung ausgerüsteten U-Boot die erforderliche Empfangsbasis kostengünstig und so zu gestalten, daß auch aus großen Elevationswinkeln angreifende Torpedos detektiert und die Torpedodaten ausreichend genau erfaßt werden können.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße U-Boot hat den Vorteil, daß die erforderlichen Hydrofone zur Bildung einer Empfangsbasis, die für den Sendefrequenzbereich von Torpedosonaren ausgelegt ist, im Handel erhältlich sind und selbst mit integrierten Verstärkern noch ein sehr kleines Bauvolumen besitzen. Diese baukleinen Hydrofone können beliebig auf der Oberfläche des U-Boots verteilt an dafür besonders geeigneten Orten direkt auf der Außenhaut befestigt werden. Dabei werden die Hydrofone sowohl im Bug- und Heckbereich des Bootskörpers als auch im Turmbereich angeordnet, so daß durch eine geeignete Auswahl von räumlich günstig plazierten Hydrofonen wahlweise eine lineare oder flächige Empfangsbasis gebildet werden kann. Anders als bei bekannten Empfangsbasen ist dabei die Einhaltung vorgegebener Abstände zwischen den Hydrofonen oder Hydrofongruppen und eine hochgenaue Ausrichtung nicht erforderlich. Die Montage der Hydrofone am Bootskörper und Turm ist sehr einfach und kann mit geringem Zeitaufwand ausgeführt werden. Die notwendige Vermessung der Orte der angebrachten Hydrofone wird akustisch durchgeführt und kann mit einer geeigneten Software in kurzer Zeit bewerkstelligt werden.

Durch die angegebene Art der Ausgestaltung der Signalverarbeitungseinheit ist nicht nur eine willkürliche Verteilung der Hydrofone über die Oberfläche des U-Boots unter Einbeziehung ortungstechnisch besonders günstiger Oberflächenbereiche möglich, sondern es werden bereits mit einer zweidimensionalen Anordnung von Hydrofonen auf der gekrümmten Oberfläche des U-Boots genaue Peilwinkel sowohl im Azimut als auch in Elevation erhalten. Je mehr Hydrofone dabei herangezogen werden, desto genauer fällt das Peilergebnis aus. Sind mehr Hydrofone einbezogen als Freiheitsgrade zu messen sind, so ist zur Bestimmung der Peilwinkel die Anwendung eines Least-Square-Schätzverfahrens erforderlich. Entfernungsmessungen lassen sich durch Kreuzpeilung mit Hydrofonen oder Hydrofongruppen realisieren, die möglichst weit voneinander entfernt sind, z. B. vorn und hinten am Bootskörper angeordnet sind.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen U-Boots mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Anzahl von Hydrofonen zu einem Gürtel aus voneinander beabstandeten Hydrofonen aneinandergereiht und sind mehrere solcher Hydrofongürtel auf der Oberfläche des U-Boots verteilt. Durch diese geordnete Anordnung der Hydrofone wird der Rechenaufwand zur Bestimmung der Torpedodaten in Azimut und Elevation reduziert, insbesondere dann, wenn die gürtelartige Aneinanderreihung der Hydrofone äquidistant vorgenommen wird. Die in Vertikalrichtung ausgerichteten geschlossenen Hydrofongürtel im Bug- und Heckbereich werden zur Gewinnung der Torpedodaten in Elevation und die horizontal ausgerichteten offenen Hydrofongürtel an den Flanken des Bootskörpers zur Gewinnung der Torpedodaten im Azimut ausgewählt.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung illustrierten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung eine perspektivische Darstellung eines U- Boots, schematisiert, in Verbindung mit einer Einrichtung zur Erkennung aktiv ortender Torpedos.

Das in der Zeichnung schematisiert dargestellte U-Boot weist einen mit einem Einstiegsturm 11 und einer Außenhaut 12 versehenen, langgestreckten, zylinderähnlichen Bootskörper 10 auf, an dessen Heck ein Propeller 13 zum Antrieb des U-Boots angeordnet ist. Am Heck und seitlich am Einstiegsturm 11 sind Ruder 14, 15 angeordnet.

Das U-Boot ist mit einer Einrichtung zur Detektion und Ortung von sog. aktiv ortenden Torpedos ausgerüstet, die mittels eines sog. Torpedosonars hochfrequente Schallimpulse aussenden. Die Einrichtung weist eine Vielzahl von omnidirektional empfangenden Hydrofonen 16 sowie eine Signalverarbeitungseinheit 17 auf, die aus den Ausgangssignalen der Hydrofone 16 zur Gewinnung von Torpedodaten zumindest deren Peilung bestimmt. Die Hydrofone 16 sind für den typischen Sendefrequenzbereich von Torpedosonaren ausgelegt und weisen vorzugsweise integrierte Verstärker auf. Solche Hydrofone 16 sind im Markt erhältlich und zeichnen sich durch eine recht volumenkleine Bauform aus. Die Hydrofone 16 sind über die Oberfläche des U-Boots beliebig verteilt und direkt auf der Außenhaut 12 des U-Boots körperschallentkoppelt befestigt. Die elektrischen Ausgangssignale der Hydrofone 16 sind durch hier nur symbolisch angedeutete Signalleitungen 18, die durch die Außenhaut 12 in das U-Boot-Innere hindurchtreten, mit der im Innern des Bootskörpers 10 installierten Signalverarbeitungseinheit 17 verbunden. Nur der vereinfachten Darstellung halber ist in der Zeichnung die Signalverarbeitungseinheit 17 außerhalb des U-Boots dargestellt.

In der Zeichnung sind die Hydrofone 16 und ihre Anordnung nur schematisch dargestellt. Wie dort ersichtlich ist, ist eine Anzahl von Hydrofonen 16 zu einem Gürtel aus voneinander beabstandeten Hydrofonen 16 aneinandergereiht und sind mehrerer solcher Hydrofongürtel auf der Oberfläche verteilt. Dabei sind zwei geschlossene Hydrofongürtel 19 im Bugbereich und zwei geschlossene Hydrofongürtel 19 im Heckbereich des Bootskörpers 10 angeordnet, wobei die Hydrofongürtel 19 den Bootskörper 10 quer zur Bootslängsachse vollständig umlaufen. Weiterhin ist ein offener Hydrofongürtel 20 jeweils auf der Steuer- und Backbordseite des Bootskörpers 10 parallel zur Bootslängsachse angeordnet. Von diesen beiden Hydrofongürteln 20 ist in der Zeichnung nur der steuerbordseitige Hydrofongürtel 20 zu sehen. Dabei kann jeder Hydrofongürtel 20 so angeordnet werden, daß Hydrofone 16 aus den vier geschlossenen Hydrofongürteln 19 den Hydrofongürtel 20 endseitig verlängern. Weitere zwei offene Hydrofongürtel 21 sind an den Seitenwänden des Einstiegturms 11 parallel zur Bootslängsachse angeordnet. In der Zeichnung sind wiederum nur die beiden an der Steuerbordwand des Einstiegturms 11 angeordnete Hydrofongürtel 21, die im Parallelabstand zueinander ausgerichtet sind, zu sehen. Zwischen den Hydrofongürteln 21 können noch einzelne Hydrofone 16 so angeordnet werden, daß sie mit ausgewählten Hydrofonen 16 aus den Hydrofongürteln 21 eine vertikale Reihung bilden.

Wie bereits erwähnt, ist die geordnete, gürtelartige Reihung der Hydrofone 16 mit vorzugsweise konstantem Abstand zwischen den Hydrofonen 16 nur eine von möglichen Ausführungen der Hydrofonbestückung der Außenhaut 12 des U-Boots.

Grundsätzlich und für die Montage vorteilhaft kann die Hydrofonbestückung beliebig erfolgen, wobei solche Bereiche des U-Boots ausgewählt werden, die nicht im Begehungsbereich liegen, so daß die Hydrofone 16 nicht mechanisch beschädigt werden können. Die Abstände der Hydrofone 16 voneinander müssen weder periodisch noch regelmäßig sein und unterliegen auch keinen Bedingungen, wie z. B. kleiner λ/2, wobei λ die Wellenlänge der empfangenen Signale ist.

Auf der Stirnseite 22 des Bugs des Bootskörpers 10 können ebenfalls Hydrofone 16 vorgesehen werden, so daß insgesamt eine lineare Hydrofonanordnung durch die Hydrofongürtel 20 und 21, eine zweidimensionale Hydrofonanordnung durch die Hydrofongürtel 19 auf der zylindrisch gewölbten Oberfläche des Bootskörpers 10 und eine Hydrofonanordnung an der Frontseite des Bugs vorhanden sind.

Nach Bestückung der Außenhaut 12 des U-Boots mit den Hydrofonen 16 wird der Ort der einzelnen Hydrofone 16 bezogen auf ein bootsfestes Koordinatensystem akustisch vermessen, und die Ortskoordinaten werden in der Signalverarbeitungseinheit 17 abgespeichert.

Die in der Zeichnung durch ein Blockschaltbild symbolisierte Signalverarbeitungseinheit 17 ist so ausgebildet, daß sie die Bestimmung von Torpedodaten, nämlich der Peilwinkel, aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den Ausgangssignalen entsprechend ausgewählter Hydrofone 16 vornimmt. Je nach Anordnung der ausgewählten Hydrofone 16 werden dabei die Peilwinkel nur im Azimut, nur in Elevation oder sowohl im Azimut als auch in Elevation ermittelt. Ein Signalverarbeitungsverfahren, das die Peilung in Azimut und Elevation aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den Ausgangssignalen eines Multisensor-Array ermittelt ist in Berdugo, Doron Rosenhouse, Azhari "On direction finding of an emitting source from time delays", The Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 105, No. 6, June 1999, Seite 3355-3363, beschrieben. Kurzgefaßt basiert der dort beschriebene Algorithmus auf einer Erweiterung eines Maximum Likelihood Estimators 24 durch einen Algorithmus zur Bestimmung der Signallaufzeiten (Time Delay Estimator) zwischen je nach Geometrie zu wählenden Kombinationen der Hydrofone 16. Der Time Delay Estimator 23 berechnet aus den elektrischen Ausgangssignalen S_i der Hydrofone 16 den Vektor der Signallaufzeiten und der Maximum Likelihood Estimator 24 bestimmt daraus einen Schätzwert für den Einfallsvektor und somit den Azimutwinkel ϑ und den Elevationswinkel ε der einfallenden Wellenfront, die als Peilung des Torpedos in einer Anzeigeeinheit 25 dargestellt werden. Mit von verschiedenen Hydrofongruppen, die vorzugsweise weit am Bootskörper 10 voneinander entfernt liegen, ermittelten Peilwinkeln kann durch geometrische Berechnung die Entfernung des Torpedos ermittelt werden, was allgemein unter dem Begriff "Kreuzpeilung" bekannt ist.

Claims (9)

1. U-Boot mit einem eine Außenhaut (12) aufweisenden Bootskörper (10) und mit einer Einrichtung zur Erkennung von Schallimpulse aussendenden Torpedos, die eine Vielzahl von omnidirektional empfangenden Hydrofonen (16) sowie eine Signalverarbeitungseinheit (17) zur Bestimmung von Torpedodaten aus den Ausgangssignalen der Hydrofone (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrofone (16) über die Oberfläche des Bootskörpers (10) beliebig verteilt und direkt auf dessen Außenhaut (12) befestigt sind und daß die Signalverarbeitungseinheit (17) so ausgebildet ist, daß sie zur Bestimmung von Torpedodaten die Peilung der Torpedos aus den Laufzeitdifferenzen zwischen den Ausgangssignalen ausgewählter Hydrofone (16) ermittelt.

2. U-Boot nach Anspruch 1 mit einem auf dem Bootskörper (10) aufgesetzten Einstiegsturm (11), dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Hydrofonen (16) am Einstiegsturm (11) beliebig verteilt und unmittelbar an der Turmwand befestigt ist.

3. U-Boot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Anzahl von Hydrofonen (16) zu Gürteln (19-21) von voneinander beabstandeten Hydrofonen (16) aneinandergereiht ist.

4. U-Boot nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein geschlossener Hydrofongürtel (19) im Bugbereich und mindestens ein geschlossener Hydrofongürtel (19) im Heckbereich des Bootskörpers (10), den Bootskörper (10) quer zur Bootslängsachse umlaufend, angeordnet ist.

5. U-Boot nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein offener Hydrofongürtel (21) jeweils auf der Steuer- und Backbordseite des Einstiegturms (11) in etwa parallel zur Bootslängsachse angeordnet ist.

6. U-Boot nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein offener Hydrofongürtel (20) auf der Steuer- und Backbordseite des Bootskörpers (10) parallel zur Bootslängsachse angeordnet ist.

7. U-Boot nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von Hydrofonen (16) auf der Stirnseite (22) des Bugs des Bootskörpers (10) angeordnet ist.

8. U-Boot nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der Hydrofone (16) körperschallentkoppelt ausgeführt ist.

9. U-Boot nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich eines fahrzeugfesten Koordinatensystems vorzugsweise akustisch vermessenen Orte der auf der Oberfläche des U-Boots verteilten Hydrofone (16) in der Signalverarbeitungseinheit (17) abgespeichert sind.