DE3878728T2 - SEEBOJE, serving as a double-directional relay between an underwater capsule with a transmitter-receiver for ultrasound signals and a land station. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meeresboje, die als bidirektionale Relaisstation zwischen einer Ultraschallsignale aussendenden und empfangenden Unterwasserkapsel und einer Bodenstation dient, mit einem akustischen Sender, um Befehle an die Unterwasserkapsel zu übertragen, mit Hydrophonen zum Empfang von akustischen Signalen von der Kapsel, mit Verstärkungs- und Kodiermitteln, die aus den akustischen Signalen Digitalsignale machen und mit einem Hochfrequenzsende/Empfangssystem sowie mit einer elektrischen Stromversorgung.The invention relates to a sea buoy which serves as a bidirectional relay station between an underwater capsule which transmits and receives ultrasonic signals and a ground station, with an acoustic transmitter to transmit commands to the underwater capsule, with hydrophones to receive acoustic signals from the capsule, with amplification and coding means which convert the acoustic signals into digital signals and with a high-frequency transmission/reception system and with an electrical power supply.

Während der letzten Jahre haben Forschungsschiffe ozeanographische Messungen durchgeführt, um die Kenntnis über den Tiefseeboden zu verbessern. Hierzu wurden Meßkapseln auf den Meeresboden abgesenkt und die von der Kapsel empfangenen Daten wurden an das Schiff entweder über ein Kabel oder einen Ultraschallübertragungskanal übermittelt. Die so gesammelten Daten sind aber von beschränktem Wert, da sie einerseits nur ein Momentbild ergeben, denn das Schiff kann nur für eine beschränkte Zeit auf hoher See bleiben, und andererseits die Einrichtungen an Bord des Schiffes oft nur eine Vorauswertung der gesammelten Daten erlauben, während die endgültige Auswertung erst nach dem Ende der Reise mit Hilfe leistungsfähiger Rechner in einem Rechenzentrum an Land erfolgt.Over the last few years, research vessels have been carrying out oceanographic measurements to improve our knowledge of the deep sea floor. For this purpose, measuring capsules were lowered to the sea floor and the data received by the capsule was transmitted to the ship either via a cable or an ultrasonic transmission channel. However, the data collected in this way is of limited value because, on the one hand, it only provides a snapshot, since the ship can only stay at sea for a limited time, and, on the other hand, the facilities on board the ship often only allow a preliminary evaluation of the data collected, while the final evaluation only takes place after the end of the voyage with the help of powerful computers in a data center on land.

Aus der FR-A-1.415.710 ist eine Boje bekannt, die selbst alle Meßsonden besitzt oder die über ein Kabel mit einer Unterwasserkapsel verbunden ist, in der die Sonden liegen. Die Boje kann die empfangenen und kodierten Daten per Funk zu einer Bodenstation aussenden.FR-A-1.415.710 describes a buoy that itself has all the measuring probes or is connected via a cable to an underwater capsule in which the probes are located. The buoy can transmit the received and coded data by radio to a ground station.

Das Dokument US-A-3.570.437 beschreibt eine Boje, die zugleich als Meßkapsel dient. Diese Kapsel kann mehrfach tauchen, um Daten zu sammeln, die dann bis zum nächsten Auftauchen auf Magnetband gespeichert werden. Die Fernsteuerung von einer Bodenstation erfolgt über denselben bidirektionalen Funkweg wie die Übertragung der Daten von den Sonden. Ein Speicher sammelt die Daten bis zum nächsten Auftauchen.The document US-A-3,570,437 describes a buoy that also serves as a measuring capsule. This capsule can dive several times to collect data, which is then stored on magnetic tape until the next time it surfaces. Remote control from a ground station takes place via the same bidirectional radio path as the transmission of data from the probes. A Memory collects the data until the next occurrence.

In der Druckschrift US-A-3.191.202 ist eine Schwimmboje beschrieben, die selbst Sonden besitzt und die erfaßten Daten an einen geostationären Satellit überträgt.The publication US-A-3.191.202 describes a floating buoy that has its own probes and transmits the recorded data to a geostationary satellite.

Schließlich beschreibt die Druckschrift US-A-4.070.671 ein Unterwassernavigationssystem. Verschiedene Bojen oder Tauchkapseln senden Ultraschallnavigationssignale zur Oberfläche und empfangen solche Signale.Finally, the document US-A-4,070,671 describes an underwater navigation system. Various buoys or diving capsules send ultrasonic navigation signals to the surface and receive such signals.

Die Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Meeresboje vorzuschlagen, die als Relaisstation zwischen einer Unterwasserquelle von Ultraschallsignalen und einer Bodenstation dient und jahrelang ohne Wartung in Betrieb bleiben kann. Diese Boje muß also in der Lage sein, in Echtzeit die Meßergebnisse von der Unterwasserkapsel zu einer Auswertestation an Land zu übertragen, die ggfs. mehr als 5000 km entfernt sein kann.The aim of the invention is therefore to propose a sea buoy that serves as a relay station between an underwater source of ultrasound signals and a ground station and can remain in operation for years without maintenance. This buoy must therefore be able to transmit the measurement results from the underwater capsule to an evaluation station on land in real time, which may be more than 5000 km away.

Dieses Ziel wird durch eine Meeresboje erreicht, die im Hauptanspruch definiert ist.This objective is achieved by a sea buoy, which is defined in the main claim.

Bezüglich von bevorzugten Ausführungsformen wird auf die Unteransprüche verwiesen.Regarding preferred embodiments, reference is made to the subclaims.

Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen erläutert.The invention will now be explained in detail using a preferred embodiment and the drawings.

Figur 1 zeigt ein Kommunikationsschema zwischen einer erfindungsgemäßen Boje und einer Bodenstation und zwischen der Boje und einer Unterwasserkapsel.Figure 1 shows a communication scheme between a buoy according to the invention and a ground station and between the buoy and an underwater capsule.

Figur 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Boje.Figure 2 shows schematically a buoy according to the invention.

Figur 3 zeigt ein Schema der Instrumentierung der Boje.Figure 3 shows a diagram of the instrumentation of the buoy.

In Figur 1 sieht man eine instrumentierte Kapsel 1, die in die Sedimente 2 am Meeresgrund eingebracht wurde. Alternativ und in Abhängigkeit von dem Forschungsobjekt kann die Kapsel auch auf dem Meeresgrund abgesetzt sein oder im Wasser in einer gewissen Tiefe schweben.Figure 1 shows an instrumented capsule 1, which has been placed in the sediments 2 on the seabed. Alternatively and depending on the research object, the capsule can also be placed on the seabed or float in the water at a certain depth.

Diese Kapsel enthält einen Sender/Empfänger für Ultraschallsignale, der mit analogen Organen auf einer Boje 3 in Verbindung tritt, nämlich Ultraschallsendern 4 und Ultraschallhydrophonen 5. Die Boje schwimmt an der Meeresoberfläche und ist mechanisch verankert. Die Boje besitzt ungerichtete Antennen, mit denen Meßdaten zu einem Satelliten 6 im Mikrowellenbereich übertragen werden können und mit denen die Boje unmittelbar mit der Bodenstation 7 im Kurzwellenbereich in Verbindung treten kann.This capsule contains a transmitter/receiver for ultrasonic signals, which communicates with analogue organs on a buoy 3, namely ultrasonic transmitters 4 and ultrasonic hydrophones 5. The buoy floats on the sea surface and is mechanically anchored. The buoy has omnidirectional antennas with which measurement data can be transmitted to a satellite 6 in the microwave range and with which the buoy can communicate directly with the ground station 7 in the shortwave range.

In Figur 2 sieht man genauer die mechanische Struktur der Boje 3 in Figur 1. Diese Boje enthält ein Metallrohr 8 einer Länge von 5 Metern und einer Weite von 60 cm. Dieses Rohr enthält ein Gewicht von 1500 kg in seinem unteren Bereich und einen Geräteraum 9 in seinem oberen Bereich. Dieser Raum enthält Akkumulatorbatterien und die Elektronik. Das Rohr 8 ist an einem Schwimmer 10 eines Durchmessers von 2 m und einer Höhe von 2 m befestigt, der mit Polyurethanschaum gefüllt ist. Oberhalb des Wasserspiegels 11 ist ein Mast 12 von 4 m Höhe errichtet, der gelbe Warntafeln 13, Sonnenkollektoren 14, einen Radarreflektor 15 gegen Kollisionen mit Schiffen, eine Lichtquelle 16, eine Antenne 17 für ein passives Navigationssystem über Satelliten, eine ungerichtete Antenne 18 zum Aussenden von Daten zum Satelliten 6 und eine Antenne 19 zum bidirektionalen direkten Nachrichtenaustausch mit der Bodenstation über Kurzwellen trägt.Figure 2 shows in more detail the mechanical structure of the buoy 3 in figure 1. This buoy contains a metal tube 8 with a length of 5 meters and a width of 60 cm. This tube contains a weight of 1500 kg in its lower part and an equipment compartment 9 in its upper part. This compartment contains accumulator batteries and the electronics. The tube 8 is attached to a float 10 with a diameter of 2 m and a height of 2 m, which is filled with polyurethane foam. Above the water surface 11, a mast 12 of 4 m height is erected, which carries yellow warning signs 13, solar panels 14, a radar reflector 15 to prevent collisions with ships, a light source 16, an antenna 17 for a passive navigation system via satellite, an omnidirectional antenna 18 for transmitting data to the satellite 6 and an antenna 19 for bidirectional direct message exchange with the ground station via short waves.

Die Instrumentation der Boje ist in Figur 3 gezeigt. Sie ist um einen Rechner 20 herum gruppiert, der den Datenfluß zu einer gewissen Anzahl von peripheren Einheiten und umgekehrt überwacht, nämlichThe instrumentation of the buoy is shown in Figure 3. It is grouped around a computer 20 which monitors the data flow to a certain number of peripheral units and vice versa, namely

- einen Sendekreis 21, der eine Antenne 19 zur Verbindung mit dem Satelliten 6 speist,- a transmission circuit 21 which feeds an antenna 19 for connection to the satellite 6,

- einen Sende/Empfangskreis 22, der über die Antenne 18 die bidirektionale Verbindung mit der Bodenstation 7 im Kurzwellenband herstellt,- a transmitting/receiving circuit 22 which establishes the bidirectional connection with the ground station 7 in the shortwave band via the antenna 18,

- Sonden 23, die direkt auf der Boje angeordnet sind und beispielsweise meteorologische oder geochemische Wasserdaten aufnehmen,- probes 23, which are placed directly on the buoy and record, for example, meteorological or geochemical water data,

- ein Sende- oder Empfangssystem 24 für Hochfrequenz- oder Mikrowellenlokalisationssignale, das der Ortung der Boje und ihrer eventuellen Bergung dient,- a transmitting or receiving system 24 for high frequency or Microwave localization signals used to locate the buoy and its possible recovery,

- einen Speicher 25, wie z.B. ein Endlos-Magnetbandgerät oder eine Scheibe, der die jüngsten von der Kapsel in einer gewissen Zeit, wie z.B. einige Tage oder Wochen, kommenden Signale oder ihre digitalen Äquivalente speichert,- a memory 25, such as an endless magnetic tape recorder or a disk, which stores the most recent signals coming from the capsule in a certain period of time, such as a few days or weeks, or their digital equivalents,

- einen Generator 26 für Steuersignale, der über den Ultraschallsender 4 Signale zur Unterwasserkapsel aussendet, um ihr Steuersignale zu übermitteln,- a generator 26 for control signals, which sends signals to the underwater capsule via the ultrasound transmitter 4 in order to transmit control signals to it,

- Verstärkungs- und Kodiermittel 27, die die von den Hydrophonen 5 kommenden Signale zum Rechner 20 übertragen,- amplification and coding means 27 which transmit the signals coming from the hydrophones 5 to the computer 20,

- und Stromversorgungsmittel, die aus einer Akkumulatorbatterie 28 und aus Sonnenpaneelen 14 zum Wiederaufladen des Akkumulators bestehen.- and power supply means consisting of an accumulator battery 28 and solar panels 14 for recharging the accumulator.

Der Rechner ist so programmiert, daß er automatisch die von den Hydrophonen 4 und den Sonden 23 kommenden Daten sammelt und sie automatisch zum Sendekreis 21 und zur Antenne 19 übermittelt. Die Übermittlung von unvollständig an der Basisstation 7 über den Satelliten empfangenen Datenfolgen löst ein Diagnostikprogramm aus. Je nach dem Ablauf dieses Programms werden Steuersignale auf direkten Weg im Kurzwellenbereich zur Boje gesandt, um die fragliche Datenfolge zu wiederholen. Wenn der Fehler andauert, kann man auf demselben Nachrichtenkanal die Diagnostikprozedur auf den Rechner 20 und selbst auf die Kapsel 1 ausdehnen.The computer is programmed to automatically collect the data coming from the hydrophones 4 and the probes 23 and to automatically transmit them to the transmitter circuit 21 and to the antenna 19. The transmission of incomplete data sequences received by the base station 7 via the satellite triggers a diagnostic program. Depending on the sequence of this program, control signals are sent directly to the buoy in the shortwave range in order to repeat the data sequence in question. If the error persists, the diagnostic procedure can be extended to the computer 20 and even to the capsule 1 on the same communication channel.

Unter Verwendung dieses Nachrichtenkanals ist es auch möglich, Sonden 23 oder über den Sender 4 die Kapsel abzufragen, um zusätzliche Informationen zu erhalten oder um die Betriebsweise der Sonden zu ändern.Using this communication channel, it is also possible to interrogate probes 23 or, via transmitter 4, the capsule to obtain additional information or to change the operation of the probes.

Die Stromversorgungsmittel für die Boje enthalten die Paneele 14 und eine Akkumulatorbatterie 28 von je 12 V und 105 Ah. Sie können die Boje länger als einen Monat ohne Nachladung mit Energie versorgen. Die Sonnenpaneele 14 liefern 30 W, was ausreicht, um die Akkumulatoren regelmäßig zu laden.The power supply for the buoy includes the panels 14 and a battery 28 of 12 V and 105 Ah each. They can power the buoy for more than a month without recharging. The solar panels 14 provide 30 W, which is enough to regularly charge the batteries.

Eine solche Boje kann als Relaisstation während Jahren zwischen einer oder mehreren instrumentierten Kapseln am tiefen Meeresboden und einer entfernten Bodenstation dienen, um Daten über Langzeiterscheinungen in der Tiefsee und sogar Erscheinungen in den Meeresbodensedimenten zu liefern, sofern die Kapsel oder ein Teil davon in diese Sedimente eingedrungen ist.Such a buoy can serve as a relay station for years between one or more instrumented capsules on the deep seafloor and a remote ground station to provide data on long-term phenomena in the deep sea and even phenomena in the seafloor sediments, provided that the capsule or part of it has penetrated these sediments.

Claims (3)

1. Meeresboje (3), die als Relaisstation zwischen einer Bodenstation (7) und einer Signale aussendenden Unterwasserkapsel (1) dient, mit Mitteln, um Signale von der Kapsel zu empfangen und zu kodieren, Funksendemitteln (21) zum Aussenden der Signale zur Bodenstation (7), Stromversorgungsmitteln, die von Sonnenpaneelen (14) aufladbare Akkumulatoren (28) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Boje außerdem aufweist1. Sea buoy (3) which serves as a relay station between a ground station (7) and an underwater capsule (1) which transmits signals, with means for receiving and encoding signals from the capsule, radio transmission means (21) for transmitting the signals to the ground station (7), power supply means which contain accumulators (28) which can be charged by solar panels (14), characterized in that the buoy also has - einen Ultraschallsender (4) zur Übertragung von Befehlen an die Unterwasserkapsel,- an ultrasonic transmitter (4) for transmitting commands to the underwater capsule, -- Hydrophone (5) zum Empfang von Ultraschallsignalen von der Kapsel,-- Hydrophones (5) for receiving ultrasonic signals from the capsule, - Verstärkungs- und Kodiermittel (27), die aus diesen Signalen digitale Signale erzeugen,- amplification and coding means (27) which generate digital signals from these signals, - einen Speicher (25), der die jüngsten Signale oder ihre digitalen Äquivalente während mindestens einiger Wochen unter Kontrolle durch einen Rechner (20) speichern kann,- a memory (25) capable of storing the most recent signals or their digital equivalents for at least several weeks under control by a computer (20), - einen Hochfrequenzsender/empfänger (22) für eine bidirektionale direkte Verbindung zwischen der Bodenstation (7) und der Boje (3), wodurch es möglich wird, von der Bodenstation aus die erneute Übertragung von fehlerhaft empfangenen Daten zu veranlassen oder eine Diagnostikprozedur in Höhe der Boje auszulösen, und daß die Funksendemittel (21) eine ungerichtete Antenne (19) zur Verbindung mit einem geostationären Satelliten (6) aufweisen.- a high frequency transmitter/receiver (22) for a bidirectional direct connection between the ground station (7) and the buoy (3), whereby it is possible to initiate the retransmission of erroneously received data from the ground station or to initiate a diagnostic procedure at the level of the buoy, and that the radio transmission means (21) have an omnidirectional antenna (19) for connection to a geostationary satellite (6). 2. Boje nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen Sender (4) für Ultraschallsignale aufweist, der unter Kontrolle durch den Rechner (20) mit einem entsprechenden Empfänger in der Unterwasserkapsel (1) zusammenwirkt, um letzerem Steuersignale zu übermitteln, und daß außerdem Hydrophone (5) vorgesehen sind, die zum Empfang von Ultraschallsignalen dienen, die von der Unterwasserkapsel kommen.2. Buoy according to claim 1, characterized in that it also comprises a transmitter (4) for ultrasonic signals which, under the control of the computer (20), interacts with a corresponding receiver in the underwater capsule (1) in order to transmit control signals to the latter, and in that hydrophones (5) are also provided which serve to receive ultrasonic signals coming from the underwater capsule. 3. Boje nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem ein Ortungssystem (24) über Satelliten aufweist.3. Buoy according to one of claims 1 and 2, characterized in that it also comprises a satellite positioning system (24).