Wasserfahrzeuge

[01] Die Erfindung betrifft ein Überwachungssystem zum Überwachen eines Wasserfahrzeugs oder mehrerer Wasserfahrzeuge, mit einer Identifikationsvorrichtung und einem ersten Hydrophon, welches derart eingerichtet ist, dass von einem der Wasserfahrzeuge ausgesandte Schallsignale als Unterwasserschallinformation bestimmt werden, wobei die Identifikationsvorrichtung einen ersten Speicher für die Unterwasserschallinformation und einen zweiten Speicher für eine Wasserfahrzeuginformation aufweist, wobei der erste Speicher und der zweite Speicher miteinander verknüpft sind, und ein Verfahren zum Verifizieren einer transmittierten Wasserfahrzeuginformation eines Wasserfahrzeugs sowie eine Vorrichtung, welche das Verfahren ausführt.

[02] Insbesondere große Frachtschiffe senden ein Identifikationssignal aus, welches das Schiff und dessen Position und Geschwindigkeit beispielsweise an eine Küstenüberwachung weiterleitet. Derartige

Informationsysteme werden beispielsweise als AIS (Automatic Identification System) oder UAIS (Universal Automatic Identification System) bezeichnet und basieren zumeist auf Funk. Durch dieses ausgesandte Signal wissen auch andere Schiffe in der Umgebung, welche Schiffe sich auf welchem Kurs befinden. [03] Problematisch ist, dass derartige Systeme leicht gefälscht werden können. Insbesondere im Falle von Piraterie, können derartige Funksignale gänzlich ausgeschaltet werden oder es wird eine Schiffssignatur zu einem gänzlich anderen Schiff ausgesandt, so dass sich das Auffinden des gekaperten Schiffes schwierig gestaltet.

[04] Zusätzlich und ergänzend wird der Schiffsverkehr über Radarsysteme überwacht. Diese Radarsysteme basieren auf zurückgeworfene Funkwellen, aus denen sich Schiffsgröße und Entfernung bestimmen lassen. Durch das zeitliche Verfolgen kann dabei auch der Kurs eines Schiffes abgefragt werden.

[05] Problematisch bei einem Radarüberwachungssystem ist, dass eine sogenannte „Line of Sight" bestehen muss, da im Allgemeinen die Funkwellen nicht über die Erdkrümmung hinweg zurückreflektiert werden. Ein Verfolgen eines Schiffes über den Horizont hinaus (over the horizon) ist mithin nicht möglich. Sowohl das AI-System als auch Radarsysteme werden parallel oder ergänzend zueinander verwendet . [06] Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern .

[07] Gelöst wird die Aufgabe durch ein Überwachungssystem zum Überwachen eines Wasserfahrzeugs oder mehrerer Wasserfahrzeuge mit einer Identifikationsvorrichtung und einem ersten Hydrophon, welches derart eingerichtet ist, dass von einem der Wasserfahrzeuge ausgesandte Schallsignale als Unterwasserschallinformation bestimmt werden, wobei die Identifikationsvorrichtung einen ersten Speicher für die Unterwasserschallmformation und einen zweiten Speicher für eine Wasserfahrzeuginformation aufweist, wobei der erste Speicher und der zweite Speicher miteinander verknüpft sind und das erste Hydrophon stationär und ortsfest angeordnet ist.

[08] Dadurch kann ein Überwachungssystem bereitgestellt werden, welches Schiffsidentifikation und Kursverfolgung auch over the horizon, sprich über den Horizont hinweg, ermöglicht. Zudem können Schiffe identifiziert und wiedererkannt werden. Auch defekten AI- oder UAI-Systeme können durch ein derartiges Überwachungssystem teilredundant kompensiert und ein sicherer Schiffsverkehr gewährleistet werden.

[09] Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[10] „Wasserfahrzeuge" sind sämtliche auf und/oder unter Wasser fortbewegende Fahrzeuge, welche eine charakteristische Unterwasserschallsignatur, beispielsweise aufgrund der Schiffsrotoren, aussendet. Auch Plattformen oder Bojen sind mit umfasst.

[11] Die „Identifikationsvorrichtung" ermöglicht zum einen ein Bestimmen der Unterwasserschallsignatur und zum anderen ein Abspeichern dieser Signatur sowie das Zuordnen einer Unterwasserschallsignatur zu genau einem Wasserfahrzeug. Somit umfasst die Identifikationsvorrichtung zumindest einen Rechner mit einem Datenbanksystem. Dabei kann das Datenbanksystem sehr rudimentär aufgebaut sein oder eine relationale Datenbank umfassen. [12] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass jedes Wasserfahrzeug eine ganz eigene signifikante Unterwasserschallsignatur aussendet. Somit ist diese Unterwasserschallsignatur eine Art Fingerprint, welcher es ermöglicht, das Schiff exakt zu identifizieren. Selbst Schiffe gleicher Bauart können unterschieden werden, da geringste Abweichungen im Antriebsstrang zu einer anderen UnterwasserschallSignatur führen .

[13] Ein „Hydrophon" wird teilweise auch als passives Sonar bezeichnet. Da vorliegende Hydrophone ortsfest fixiert sind, können diese auch einen breiten Frequenzbereich abhören. Insbesondere können derartige Hydrophone mehrere 100 Meter Ausdehnung aufweisen, so dass auch tiefe Frequenzen detektierbar sind. Insbesondere diese tiefen Frequenzen können über den Horizont hinweg detektiert werden, so dass das Unterwasserschallsignal eines Wasserfahrzeugs auch über diesen Bereich hinaus verfolgbar ist. Insbesondere können die Hydrophone in einer derartigen Wasserschicht angeordnet sein, welche den Unterwasserschall besonders effektiv, beispielsweise aufgrund ihrer Salinität, leitet.

[14] Die Identifikationsvorrichtung umfasst insbesondere einen Rechner mit einem „ersten Speicher" und einem „zweiten Speicher". In dem ersten Speicher ist insbesondere die zuvor beschriebene Unterwasserschallsignatur zu einem Schiff abgelegt. In dem zweiten Speicher können weitere Schiffsinformationen abgelegt sein. Insbesondere sind der Schiffstyp und die Schiffsbezeichnung hinterlegt. Zusätzlich können weitere Informationen wie Ladung, Flaggung, und/oder Kurs mit umfasst sein. Diese Schiffsinformationen werden insbesondere beim Erstkontakt über das AI-System automatisch gefüllt.

[15] Durch die eindeutige Zuordnung des ersten Speichers und des zweiten Speichers sind Schiffsinformationen und die Unterwasserschallsignatur (vorliegend auch

Unterwasserschallinformation genannt) miteinander verknüpft .

[16] Somit kann, sobald die Unterwasserschallinformation erneut empfangen wird, das Schiff eindeutig identifiziert werden. Auch kann ein Wasserfahrzeug nach erneutem Eintreten in das Überwachungsgebiet erkannt und verfolgt werden .

[17] Vorliegend ist wesentlich, dass das Hydrophon fest mit dem Erdboden verankert ist. Eine derartige Verankerung, im Folgenden wird diese Art der Verankerung auch „stationär" und „ortsfest" genannt, kann direkt am Meeresgrund oder indirekt beispielsweise entlang einer Hafenmauer erfolgen.

[18] Um den genauen Ort und/oder einen Kurs eines Wasserfahrzeug nachzuvollziehen, kann ein zweites Hydrophon vorgesehen sein, welches in einem Mikrofonabstand zum ersten Hydrophon stationär und ortsfest angeordnet ist. Auch hier ist gewährleistet, dass das Hydrophon im Allgemeinen jederzeit vom Wasser bedeckt ist und so mit dem Erdboden verankert ist, dass das Hydrophon im Wesentlichen keine Bewegungen vollzieht. Weiterhin kann dieses Hydrophon sämtliche gleiche Eigenschaften wie das erste Hydrophon aufweisen . [19] In einer weiteren Aus führungs form ist ein drittes und/oder ist ein viertes Hydrophon oder sind weitere Hydrophone vorgesehen, welche jeweils untereinander oder zum ersten Hydrophon oder zum zweiten Hydrophon in einem Hydrophonabstand stationär und ortsfest angeordnet sind.

[20] Somit kann der Ort oder der Kurs besser exakter bestimmt werden. Mithin erhöht sich die Auflösung des Überwachungssystems. Sämtliche Hydrophone können analog zum ersten Hydrophon ausgestaltet sein oder weitere Eigenschaften aufweisen.

[21] Um gegebenenfalls einzelne Küstenabschnitte besser zu überwachen, können die Hydrophonabstände der einzelnen Hydrophone unterschiedlich ausgestaltet sein. Zudem können beispielsweise in einem Kanal die Hydrophone auch gegenüberliegen angeordnet sein.

[22] Um ein großes Seegebiet optimal abdecken zu können, kann ein Wert des Hydrophonabstandes zwischen 100m und 100km, insbesondere zwischen 500m und 50km oder zwischen lkm und 20km, liegen. [23] In einer weiteren Ausgestaltung weist das

Überwachungssystem eine Klassifikationsvorrichtung auf, welche Wasserfahrzeuginformationen eines der Wasserfahrzeuge ermittelt.

[24] Eine derartige Klassifikationsvorrichtung kann beispielsweise ein AIS oder ein UAIS sein. [25] Grundsätzlich gilt, dass das Klassifikationssystem unabhängig von der Unterwasserschallinformation eine Schiffsinformation erhält. Insbesondere durch den Abgleich dieser unabhängigen Informationen kann beispielweise eine Gefahrenlage erkannt werden.

[26] Insbesondere erkennt die Klassifikationsvorrichtung autonom von dem Wasserfahrzeug aus gesandte Informationen.

[27] Um Alternativen bei der Identifikation der Wasserfahrzeuge bereit stellen zu können, kann die Klassifikationsvorrichtung derart eingerichtet sein, dass optische Informationen und/oder Funkinformationen (z.B. Radar) zum Ermitteln der Wasserfahrzeuginformation verwendet werden.

[28] Insbesondere bei den optischen Informationen können Kameras mit nachgelagerten automatischen

Erkennungssystemen, die analog zu einem OCR-System Schiffe erkennen können, eingesetzt werden. Auch kann beispielsweise durch eine Kamera ein auf dem Schiff aufgebrachter Schriftzug mittels OCR erkannt werden, so dass auch diesbezüglich eine Schiffsinformation vorliegt.

[29] Um zusätzlich eine Schiffsidentifikation zu gewährleisten oder alternativ eine Schiffsidentifikation vorzunehmen, kann die Klassifikationsvorrichtung oder können Teile der Klassifikationsvorrichtung in einem unbemannten Fahrzeug, insbesondere einer Drohne, in einem Satellit, in einem autonomen Wasserfahrzeug oder in einem autonomen Unterwasserfahrzeug angeordnet sein. [30] Insbesondere wenn Abweichungen zwischen der AIS- Fahrzeuginformation und der mit der

UnterwasserschallInformation hinterlegten Schiffsinformation vorliegen, kann ein separates Verifizieren durch ein derartiges unbemanntes Fahrzeug erfolgen .

[31] Auch kann an dem unbemannten Fahrzeug unabhängig von einem etwaigen AIS, welches nicht unbedingt bei jedem Wasserfahrzeug vorgesehen ist, eine Identifikation vorgenommen werden, welche insbesondere in diesem Fall ein Wasserfahrzeuginformation in dem zweiten Speicher der Identifikationsvorrichtung hinterlegt .

[32] Zudem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Verifizieren einer transmittierten

Wasserfahrzeuginformation eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines AIS-Signals, wobei das Verfahren insbesondere mit einem zuvor beschriebenen

Überwachungssystem durchgeführt wird und folgende Schritte aufweist :

[33] Ermitteln der transmittierten

Wasserfahrzeuginformation des Wasserfahrzeugs und Identifizieren des Wasserfahrzeugs,

Ermitteln einer Mess-Unterwasserschallinformation des Wasserfahrzeugs ,

Vergleichen der Mess-Unterwasserschallinformation mit einer Referenz-Unterwasserschallinformation des identifizierten Wasserfahrzeug und Anzeigen einer Abweichinformation, falls die Mess- Unterwasserschallinformation von der Referenz-

Unterwasserschallinformation abweicht .

[34] Insbesondere kann somit eine gefälschte AIS- Information erkannt werden. Auch können so gekaperte Schiffe, welche eine gefälschte AIS-Information aussenden, erkannt und verfolgt werden. Somit kann vorliegend ein effektives Werkzeug zur Terrorbekämpfung bereitgestellt werden . [35] Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[36] Eine „transmittierte Wasserfahrzeuginformation" umfasst sämtliche ausgesandte aktive und passive Wasserfahrzeuginformation, welche nicht unterwasserschallbasiert sind. Insbesondere sind Informationen der AI-Systeme und UAI-Systeme hiervon umfasst .

[37] Zuvor getroffene Definitionen werden hier analog übernommen .

[38] Ein Ermitteln der transmittierten Wasserfahrzeuginformation ist beispielsweise das Auswerten eines AI-Systems und somit das Bestimmten der ausgesandten Informationen. Anhand dieser Informationen wird das spezielle Wasserfahrzeug identifiziert.

[39] Eine Mess-Unterwasserschallinformation ist insbesondere eine Schallinformation, welche mit fest verorteten und insbesondere verankerten Hydrophonen bestimmt wird. Auch hier liegt der Kerngedanke der Erfindung darin, dass jedes Schiff anhand seiner UnterwasserschallInformation (UnterwasserschallSignatur) erkennbar ist.

[40] Eine Referenz-Unterwasserschallinformation ist eine Unterwasserschallinformation, welche für das identifizierte Wasserfahrzeug zuvor in den Speichern hinterlegt wurde.

[41] Ein Vergleich der Mess-Unterwasserschallinformation und der Referenz-Unterwasserschallinformation erfolgt beispielsweise durch Autokorrelation, so dass gewisse Änderungen in einer Unterwasserschallsignatur unschädlich sind. Fällt der bestimmte Autokorrelationswert unterhalb eines Grenzwertes, so wird der Vergleich als nicht bestanden klassifiziert und es liegt eine

Abweichinformation vor. Diese „Abweichinformation" kann beispielsweise in Form eines Alarms auf einem Bildschirm dargestellt werden.

[42] Somit können Hafenbehörden oder

Küstenüberwachungsbehörden entsprechende Maßnahmen ergreifen, um etwaige Bedrohungen im Vorfeld abwenden zu können .

[43] In einer weiteren Aus führungs form wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass ein zuvor beschriebenes Verfahren durchführbar ist .

[44] Im Weiteren wird die Erfindung anhand

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines

Überwachungssystems, welches an einer Küste angeordnet ist mit zwei überwachten Schiffen . [45] Ein Küstenüberwachungssystem umfasst drei Hydrophone 101, 103, 105, welche entlang einer Küstenlinie 131 unterhalb der Wasseroberfläche fest im Erdboden verankert sind. Die längste Ausdehnung der Hydrophone 101, 103, 105 ist entlang der Küstenlinie beträgt ca. 450 Meter. Jedes der Hydrophone 101, 103, 105 weist piezo-elektrischen Keramiken auf, welche ein Unterwasserschallsignal in Spannungen umwandelt, welche durch eine Elektronik (nicht dargestellt) aufbereitet werden.

[46] Sämtlichen Hydrophonen 101, 103, 105 ist eine Auswerteeinheit 107 zugeordnet, die an den Hydrophonen 101, 103, 105 anliegenden Unterwasserschallsignalen in Intensität und Wellenlänge aufbereitet. Die Funktion von Intensität und Wellenlänge (Ι(λ)) können in einem Speicher 113 eines Rechners abgelegt werden. [47] Der Rechner weist zusätzlich einen Speicher 115 auf, in welchem Schiffsinformation abgelegt sind. Zusätzlich weist das Überwachungssystem eine Funkantenne 109 auf, welche ausgesandte AIS-Signale auffangen kann. Diese AIS- Signale werden ausgewertet und die Sendespeicherinformationen im Speicher 117 und die zugehörige Schiffsinformation in dem Speicher 119 abgelegt.

[48] Der Datenbankrechner 111 weist eine Vergleichseinheit 121 auf. Diese Vergleichseinheit 121 vergleicht die Referenz-Schiffsinformation, welche im Sendeschiffspeiche 119 abgelegt ist, mit dem SignaturschiffSpeicher 115, welcher eine gemessene Schiffssignatur aufweist.

[49] Zusätzlich weist der Rechner einen Bildschirm 123 auf, in welchem die Informationen der Speicher 113, 115, 117, 119 und die Vergleichsinformation 121 dargestellt werden.

[50] Vorliegend sollen zwei Schiffe 141, 143 entlang eines Kurses auf der Wasseroberfläche fahren. Jedes der Schiffe 141, 143 weist eine rotierende Schiffsschraube 145 auf. Zusätzlich weisen die Schiffe 141, 143 jeweils einen AIS- Sender auf, welcher AIS-Informationen insbesondere an den Funkempfänger 109 sendet. Zusätzlich kann das Überwachungssystem mit einer Flugdrohne 151 verbunden sein, wobei die Flugdrohne ein Kamerasystem 153 aufweist. [51] Vorliegend sendet das Schiff 141 sein korrektes AIS- Signal aus. Dieses AIS-Signal wird von dem AIS-Sender 147 ausgesandt. Diese Funksignale werden von dem Funkempfänger 109 aufgefangen und die entsprechenden Informationen extrahiert. Diese Informationen werden in den Speicher 117, 119 hineingeschrieben.

[52] Anschließend wird in dem Datenbankrechner 111 abgefragt, ob zudem ermitteltem Schiff 141 bereits eine Unterwasserschallinformation als Referenz vorliegt.

[53] Zusätzlich wird von den Hydrophonen 101, 103, 105 das Unterwasserschallsignal des Schiffs 141, welches von der Schiffsschraube 145 ausgesandt wird, aufgezeichnet, sodass eine Mess-Unterwasserschallsignatur des Schiffs 141 vorliegt. Das Bestimmen des Schiffssignatur erfolgt mittels der Auswerteeinheit 107. Diese SchiffSignatur (Messwert) wird mit sämtlichen in der Datenbank hinterlegten Schiffssignaturen (Referenzwerte) durch Autokorrelation verglichen.

[54] Da vorliegend der Autokorrelationsgrad oberhalb von 0,9 liegt, wird das Schiff identifiziert.

[55] Dadurch, dass die Hydrophone 101, 103, 105 einen Abstand von ca. 10 Kilometer aufweisen, kann zu jedem Zeitpunkt der Ort des Schiffs 141 über die Zeit und somit der Kurs des Schiffes 141 bestimmt werden. Sobald das Schiff 141 hinter dem Horizont verschwunden ist, sendet es dennoch weiterhin Unterwasserschallsignale aus, welche ein Lokalisieren und ein Bestimmen der Schiffsroute ermöglichen .

[56] Das Schiff 143 sei bisher dem Küstenüberwachungssystem noch nicht bekannt. Das Schiff 143 sendet über seine AIS- Antenne 147 ein Funksignal an den Funkempfänger 109, welcher die ausgesandten Informationen auswertet. Gleichzeitig werden die Positionsinformationen, welche übermittelt wurden und welche mittels der Hydrophone 101, 103, 105 bestimmt und verglichen wurden zu dem dann gefundenen Schiff 143 mit der durch die Hydrophone gemessenen Schallsignatur durch Ablegen in den Speichern verknüpft .

[57] Das Schiff wird weiterhin bei seinem Kurs auch hinter den Horizont hinweg verfolgt. Nachdem es die Reichweite des Überwachungssystems verlassen hat, soll es vorliegend wieder in den Überwachungsbereich des Überwachungssystems hinein fahren, wobei es diesmal von Terroristen gekapert ist, welche das AIS derart manipuliert haben, dass eine gefälschte AlS-Signatur ausgesandt wird.

[58] Wiederrum werden die AIS-Sendeinformationen über die Antenne 109 empfangen und die durch die Schiffsschraube 145 ausgesandten Schallsignaturen mittels der Hydrophone 101, 103, 105 ermittelt.

[59] Diese Schallinformationen werden mit sämtlichen bekannten Schallinformationen autokorreliert und erkannt, dass es sich um ein anderes Schiff handeln müsste, als es sich gemäß der AIS-Sendeinformationen auszeichnet.

[60] Daraufhin wird eine Flugdrohne 151 gestartet, welche den Kurs des Schiffs 143 abfliegt. Dabei weist die Flugdrohne 151 ein Kamerasystem auf, welches die automatischen Bilder des Schiffs 143 aufzeichnet. Diese Kamera-Informationen werden wiederrum mittels Funk an die Funkempfänger übermittelt. Dabei kann eine automatische Software bereits den Schiffstyp erkennen oder aufgezeichnete Schriftzüge an den Bordwänden des Schiffes mittels OCR ermitteln.

[61] Sollten die Informationen immer noch nicht zur Aufklärung dienen können, wird die Küstenwache oder das Militär verständigt, um das Schiff durch Personenkontrolle zu überprüfen.