Verfahren zur Trägheits-Navigation unter Wasser

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trägheits-Navigation unter Wasser, insbesondere für Sport- und Hobbytaucher.

Hintergrund der Erfindung:

Aufgrund der beschränkten Sichtweite unter Wasser, die bei maximal 30-4Om meist jedoch deutlich darunter liegt (2-1Om) ist eine Orientierung unter Wasser häufig recht schwierig. Bei einer üblichen Tauchzeit zwischen 30 und 60 Minuten entfernt sich der Taucher bis zu 500m von seiner Einstiegstelle (z.B. einem Boot). Er muss das Boot trotz schlechter Sicht nachher wieder finden, um nicht unter Umständen sogar in eine lebensbedrohliche Situation zu geraten. Bisher sind Taucher hierbei auf die Nutzung einfacher Kompasse angewiesen, die allerdings nur die Nordrichtung anzeigen, ohne die zurückgelegte Strecke zu registrieren.

Aufgrund dieser Schwierigkeit wurden Systeme zur Bootsortung per Ultraschall entwickelt (so genannte Boatsfinder). Derartige zweiteilige Systeme, bestehend aus Sender und Empfänger sind umständlich in der Handhabung, da der Sender zu Beginn des Tauchgangs am Boot befestigt werden muss.

DE3742423A1 beschreibt einen Boatsfinder per Ultraschall. Auch in den Patenten US 3.944.977, US 3.986.161 und US 5.570.323 sind derartige Systeme beschrieben. Ein weiterer Nachteil derartiger Systeme besteht darin, dass quasi eine direkte „Sichtverbindung " zum Boot bestehen muss, da das Ultraschallsignal hinter Felsvorsprüngen oder anderen Hindernissen nicht empfangen werden kann oder gar eine falsche Richtung angibt.

Viel sinnvoller wäre ein System, das die Position des Tauchers zumindest in Bezug auf die Einstiegsstelle kennt und dem Taucher somit einen Hinweis auf Richtung und Entfernung zur Einstiegsstelle anzeigen kann. Hierzu müsste der Weg, den der Taucher zurückgelegt hat, aufgezeichnet werden.

Navigationssysteme auf GPS-Basis sind allerdings aufgrund der zu geringen Eindringtiefe der Satellitensignale unter die Wasseroberfläche ungeeignet, (s. a. EP 1631830 A2, US 6,972,715, US 6,701 ,252, US 6,791 ,490 und US 6,807,127)

Aus der Luft- und Raumfahrt sind Trägheitsnavigationssysteme bekannt, die jedoch aufgrund der Abmessungen und der Kosten für diese Anwendung nicht in Frage kommen.

Neuartige mikromechanische Beschleunigungssensoren sind jedoch in der Lage, präzise translatorische und rotatorische Beschleunigungen bzw. Winkelgeschwindigkeiten zu messen. Durch Aufintegration dieser Signale lässt sich der zurückgelegte 3-dimensionale Pfad ermitteln und daraus die Richtung und Entfernung zum Ausgangspunkt bestimmen.

In EP 0870172 B1 ist ein System zur Fahrzeugnavigation mittels Beschleunigungssensoren beschrieben, bei dem ein GPS-Signal zur Kalibrierung verwendet wird.

Da jedoch unter Wasser kein GPS Signal zur Kalibrierung zur Verfügung steht, muss die Kalibrierung durch ein anderes Signal erfolgen.

Ein kleiner Offset- oder Empfindlichkeitsfehler können bei einem Trägheitsnavigationssys- tem aufgrund der erforderlichen doppelten Integration der gemessenen Beschleunigungssignale zu einem Fehler von leicht mehreren hundert Metern nach schon einer 10 minüti- gen Tauchzeit führen.

Derartige Fehler der Sensoren können durch Referenzsignale wie den gemessenen Umgebungsdruck (Tiefen information) und ggf. durch einen Magnetkompass und ggf. zusätzlich bei Empfangbarkeit von GPS-Signalen (z.B. an oder nahe der Oberfläche) elektronisch kompensiert werden.

In der US2007/0006472 A1 ist ein derartiges System beschrieben. Allerdings bleibt das Verfahren zur Korrektur unveröffentlicht. Es wird lediglich ausgesagt, dass die zusätzlich gemessenen Werte in das System eingespeist werden, um auf die Inertial- Fehler Vektoren zurückzurechnen. Wie die Ermittelung der Inertial- Fehler Vektoren erfolgt, wird nicht offenbart.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Unterwassernavigation für Gerätetaucher sowie für autonome, bemannte oder ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge bei dem die Signale eines oder mehrerer insbesondere translatorischer Beschleunigungssensoren sowie Drehwinkel- und/oder Winkelbeschleunigungssensoren und/oder Drehratensensoren zur Bestimmung der aktuellen Position integrativ ausgewertet werden und dabei die Genauigkeit durch Verwendung von Referenzmessungen verbessert wird, indem eine Korrektur durch einen Korrekturvektor erfolgt, der aus der Transformation des Vektors der von einem Beschleunigungssensor, insbesondere einem translatorischen Beschleunigungssensor im Tauchcomputerkoordinatensystem gemessenen Beschleunigungen in das Weltkoordinatensystem, Vergleich mit mindestens einer der Referenz-

messwerte, Bestimmung der Abweichung und die Rücktransformation der Abweichung in das Tauchcomputerkoordinatensystem gewonnen wird.

Die fehlerbehafteten Beschleunigungsvektoren wenigstens eines der Beschleunigungssensoren (z.B. eines translatorischen Beschleunigungssensors oder auch eines Winkelbeschleunigungssensors) können z.B. dadurch korrigiert werden, dass ein Korrekturvektor ermittelt wird, der auf den fehlerbehafteten Beschleunigungsvektor angewendet wird, wobei der Korrekturvektor wie folgt ermittelt werden kann:

Es erfolgt eine Transformation des fehlerbehafteten Beschleunigungsvektors in das Weltkoordinatensystem, eine doppelte Integration wenigstens einer ausgewählten fehlerbehafteten Koordinate des transformierten Beschleunigungsvektors, die Bildung der Fehlergröße dieser ausgewählten Koordinate wenigstens mittels eines konkret gemessenen fehlerfreien Referenzwertes, insbesondere durch Subtraktion wenigstens des Referenzwertes von dieser ausgewählten Koordinate, eine Bestimmung der Fehlergrößen der verbleibenden Koordinaten durch die in einem vorherigen Schritt ermittelten fehlerbereinigten Koordinaten (insbesondere durch Differenzbildung), eine doppelte Differenzierung der Fehlergröße der ausgewählten Koordinate und Rücktransformation der Fehlergrößen aller Koordinaten in das Tauchcomputerkoordinatensytem, wobei aus den rücktransformierten Fehlergrößen des Tauchcomputerkoordinatensystems der Korrekturvektor gebildet wird.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein System zur Bestimmung und Aufzeichnung der Positionsinformationen mit Hilfe eines Trägheitsnavigationssystems (INS, Inertial Navigation System).

Fig. 2 zeigt das Prinzip der Umsetzung des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens.

Fig. 3 zeigt den genaueren Ablauf der Korrektur.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine Möglichkeit zur Ermittelung eines Konfidenzfaktors.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für eine Wichtungsfunktion zur Unterdrückung von Korrekturwerten, die nicht ausreichend zuverlässig sind.

Fig. 6 zeigt die Anwendung des hier dargestellten Auswertungsverfahrens auf die x- Achse anhand einer Grafik.

Fig. 7 zeigt eine zur Figur 3 alternative Ausführung. Fig. 8 zeigt eine weitere Alternative.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsform

Im Folgenden soll eine genauere Beschreibung des erfindungsmäßigen Verfahrens erfolgen. Zunächst soll jedoch kurz auf die Begriffe „Tauchcomputerkoordinatensystem" und „Weltkoordinatensystem" eingegangen werden.

Der Taucher führt den Tauchcomputer meist entweder am Arm oder in einer Konsole mit. Dabei ändert sich die Ausrichtung des Computers gegenüber der Umgebung (der Welt) ständig. Somit muss also zur Bestimmung der Bewegung im „Umgebungs-, oder „Weltkoordinatensystem" also die Bewegung bzw. die auf den Tauchcomputer wirkenden Beschleunigungskräfte vom Tauchcomputerkoordinatensystem in das Weltkoordinatensystem umgerechnet werden.

Das Tauchcomputerkoordinatensystem kann im Prinzip willkürlich festgelegt werden, z.B. abhängig von der Einbaulage (bzw. Einbauorientierung) des als Sensor verwendeten Messchips. Der Einfachheit halber kann beispielsweise davon ausgegangen werden, dass das Koordinatensystem des Tauchcomputers so orientiert ist, dass wenn der Betrachter das Display eines horizontal liegenden Tauchcomputers genau von oben betrachtet, die x-Achse nach rechts, die y-Achse bezogen auf die Augen des Betrachters nach „oben" zeigt und die z-Achse genau in das Auge zeigt. Diese Achsen sollen in der folgenden Beschreibung als XT, y _T und zγ bezeichnet werden.

Das Weltkoordinatensystem kann prinzipiell auch vollkommen willkürlich gewählt werden. Hier soll es bezogen werden auf eine beliebige Kartenprojektion, wobei die x-Achse nach Osten zeigt, die y-Achse nach Norden und die z-Achse senkrecht aus der Erdoberfläche herausweist und z = 0 die aktuelle Wasseroberfläche, also beispielsweise den Meeresspiegel darstellen soll. Die Achsen im Weltkoordinatensystem werden im Folgenden mit Xw, yw und Zw bezeichnet.

Fig. 1 zeigt ein System zur Bestimmung und Aufzeichnung der Positionsinformationen mit Hilfe eines Trägheitsnavigationssystems (INS, Inertial Navigation System).

Ein dreiachsiger Beschleunigungssensor 1 (S) sowie ein dreiachsiger Winkelbeschleunigungssensor 2 (RS = Rotationssensor) stellen die Umweltinformationen zur Verfügung. Diese Daten werden in der Wegberechnungseinheit 12a in einen Weg umgerechnet und

der Aufzeichnungseinrichtung 5 zugeleitet. Im Einzelnen erfolgt die Auswertung in folgenden Schritten:

Die Ausgangsdaten des Winkelbeschleunigungssensors 2, die drei Winkelbeschleunigungen φ,. ζ und ψ werden durch zweifache Integration in dem Integratorblock 2a in Raumwinkel umgerechnet und im Winkelkorrekturblock 6 zu den zu den endgültigen Raumwinkeln φ, θ, ψ umgewandelt. Wie diese Korrektur erfolgt wird später noch beschrieben.

Die Ausgangsdaten des dreiachsigen Beschleunigungssensors 1 liegen als Beschleunigungswerte naturgemäß im Koordinatensystem des Tauchcomputers vor. Diese Beschleunigungsdaten sind mit x-r, YT und Zj bezeichnet, wobei der Index T das Tauchcomputerkoordinatensystem kennzeichnet. Die Kleinbuchstaben bedeuten, dass es sich um Beschleunigungen handelt. Großbuchstaben werden hier zur Kenntlichmachung von Positionsinformationen benutzt.

Mit Hilfe einer Transformationsmatrix 3 (T) werden die Beschleunigungswerte aus dem Tauchcomputerkoordinatensystem in das Weltkoordinatensystem transformiert. Man erhält dann die Beschleunigungswerte im Weltkoordinatensystem Xw, yw und zw- Die Z- Achse des Weltkoordinatensystems weise in Richtung des Erdmittelpunktes, also nach „unten". Aus diesem Grund muss zur Auswertung der Bewegung in Z-Richtung zunächst die Erdbeschleunigung 10 abgezogen werden. Diese beträgt etwa 9,81 m/s ² .

Im Anschluss kann nun mit Hilfe einer zweifachen Integration im Integratorblock 1a die Beschleunigung in einen Weg umgerechnet werden (Koordinaten X _w , Yw, Z _w ,)- Dieser wird einer Aufzeichnungseinrichtung 5 (Log) für den (dreidimensionalen) Pfad zugeführt wird. Dort steht die Pfadinformation dann zur Aufzeichnung und weiteren Verwendung für Informationen über den Rückweg usw. zur Verfügung.

Insgesamt führt die Matrix 3 (T) die Operation

durch.

Die Transformationsmatrix 3 (T) kann aus einzelnen Matrizen für die einzelnen Drehungen zusammengesetzt werden. Dann ergeben sich etwas übersichtlichere Verhältnisse, die leichter verständlich sind.

Die Matrix T kann aus den einzelnen Transformationen um die jeweiligen Achsen gebildet werden: mit:

1 0 0 cos θ 0 sin θ cosψ -sinψ 0 ^λ

T ¹ X - ~ 0 cosφ -sinφ T - 0 1 0 T ¹ V. = sinψ cosψ 0

V 0 sinφ cosφ -sinθ 0 cosθ 0 0 1

wobei φ den Drehwinkel um die x-Achse, θ den Drehwinkel um die y-Achse, und ψ den Drehwinkel um die x-Achse darstellt.

Das Verfahren nach Fig. 1 ist soweit vorbekannt. Fig. 2 zeigt das Prinzip der Umsetzung des erfindungsgemäßen Korrekturverfahrens. Diese Figur wurde eingefügt zum besseren Verständnis der folgenden Figur 3, bei der der Ablauf der Korrektur genauer dargelegt wird. Zur Vereinfachung wurde gegenüber Figur 1 die Ermittelung der Raumwinkel nicht dargestellt. Lediglich Block 6 wird zur Einspeisung der Winkel in die Transformationsmatrix 3 (T) dargestellt. Die Wegberechnungseinheit 12b wird gegenüber der Wegberechnungseinheit 12a aus Fig. 1 wie folgt erweitert: Zwischen den Beschleunigungssensor 1 und die Transformationsmatrix 3 ist ein Korrekturblock 11 geschaltet, der Fehler der Beschleunigungswerte der Sensoreinheit 1 hinsichtlich Offset und Linearität auskorrigiert.

Diese Fehler sind für die drei Achsen als δx, δy und δz bezeichnet. Die Sensoreinheit 1 liefert also die fehlerbehafteten Signale Xτ+δx, yτ+δy und Zτ+δz. Im Korrekturblock 11 werden diese Signale von ihren Fehlern befreit. Auch wenn hier die Darstellung suggeriert, dass lediglich Offsetfehler beseitigt werden und keine Linearitätsfehler, so werden diese sehr wohl korrigiert, da in der Auswerteeinheit 9 (Fig. 3) beide Fehlerarten ermittelt werden und in der Korrektureinheit Berücksichtigung finden. Der übersichtlichkeit halber wurde die Darstellung in Fig. 2 jedoch möglichst einfach gehalten.

Fig. 3 zeigt die Ermittlung der Korrekturwerte. Die Wegberechnungseinheit 12 der Fig. 3 entspricht nahezu der Wegberechnungseinheit 12b aus Figur 2. Allerdings wird hier die Z- Koordinate nicht aus den Beschleunigungssensorsignalen ermittelt sondern direkt aus einer Tiefeninformation 7 genommen, die aus der Druckauswertung des Tauchcomputers zur Ermittlung der Tauchtiefe stammt.

Diese als korrekt anzusehende „Drucktiefe" 7 wird nun ebenso verwendet, um in einem Korrekturwertberechnungsblock 13 die Fehler der Sensorsignale zu ermitteln.

Die Funktion des Korrekturwertberechnungsblocks 13 ist wie folgt:

Die fehlerbehafteten Sensordaten Xτ+δx, yτ+δy und Zτ+δz werden zunächst aus dem Tauchcomputerkoordinatensystem mittels der Transformationsmatrix 3a in das Weltkoordinatensystem umgesetzt. Diese Transformationsmatrix ist identisch zur Transformationsmatrix 3. Am Ausgang der Transformationsmatrix 3a stehen nun die fehlerbehafteten Beschleunigungswerte Xw+δx', yw+δy' und Zw+δz' im Weltkoordinatensystem zur Verfügung. Die Kennzeichnung der Fehlervariablen δx', δy', δz' mit dem Strich soll klarmachen, dass es sich nicht um die ursprünglichen Fehlerwerte δx, δy und δz handelt.

Besondere Beachtung ist nun dem Wert in der Z-Richtung, also der „Tiefenrichtung" zu schenken. Dieser Wert wird zunächst wieder um den Wert der Erdbeschleunigung 10 durch Subtraktion bereinigt. Als nächstes erfolgt im Integrator 1b durch zweifache Integration des Beschleunigungswertes eine Berechnung der (fehlerbehafteten) Tiefe. Es wird nun die Differenz zur aus der Druckmessung ermittelten Tiefe 7 bestimmt. Der so erhaltene Fehlerwert für die Tiefe wird durch zweimalige Differenzierung im Differenziator 8 in einen Fehlerwert für die Beschleunigung in z-Richtung δz' umgewandelt.

Die beiden anderen Kanäle für die x- und y-Beschleunigung werden mit Hilfe der aktuell ermittelten fehlerbereinigten Werte für x und y im Weltkoordinatensystem auf ihre reinen Fehlergrößen reduziert. Hierzu wird die Größe Xw von x _w +δx' und die Größe yw von yw+δy' subtrahiert und übrig bleiben δx' und δy'. Diese werden zusammen mit dem Fehlerwert δz' einer zur Transformationsmatrix 3a (T) inversen Transformationsmatrix 4 (T ^"1 ) zugeführt. An deren Ausgang ergeben sich nun die Fehlergrößen δx", δy" und δz", die durch die Rücktransformation nun im Koordinatensystem des Tauchcomputers vorliegen. Diese Werte werden einer Auswerteeinheit 9 zur Bestimmung der Korrekturfaktoren zugeführt.

Diese Auswerteeinheit 9 muss nun die Korrekturwerte δx«, δyK und δZK ermitteln.

Diese Auswertung ist für die x-Komponente in den Figuren 4 bis 6 dargestellt, gilt aber für die anderen Komponenten genau gleichartig. Bei der Bestimmung der Korrekturwerte ist es wichtig, dass jeweils die Relevanz einer Korrekturgröße bestimmt wird, denn lediglich der aus der Tiefeninformation stammende Anteil stellt eine wirkliche Korrekturmöglichkeit bereit. Je nach Winkel zwischen dem Tauchcomputerkoordinatensystem und dem Weltkoordinatensystem stammt die Tiefeninformation jedoch von unterschiedlichen Sensoren.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass nur ein Sensor, der in hohem Maße an der Bereitstellung der Tiefeninformation beteiligt ist, korrigiert wird. Daher wird ein „Relevanz"- oder „Konfidenz"-faktor cc, der für jeden einzelnen Sensor aus dem aktuellen Raumwinkel bestimmt wird, eingeführt.

Ein entsprechender Wichtungsvektor für die Tiefeninformation kann beispielsweise aus der Transformation eines Vektors, der nur eine Komponente in Z-Richtung besitzt, ermittelt werden.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine solche Möglichkeit zur Ermittelung eines Konfidenzfaktors. Ein Vektor, der nur in der Z-Richtung mit ,1' besetzt ist, wird an den Eingang einer inver- sen Transformationsmatrix 4a angelegt und somit vom Weltkoordinatensystem in das des Tauchcomputers transformiert. Am Ausgang der inversen Transformationsmatrix 4a ergeben sich nun Faktoren, die aussagen, zu welchem Anteil der jeweilige Sensor (des Tauchkoordinatensystems) an der Bildung des Tiefenwertes (Z-Achse Welt) beteiligt war (Beteilungungswert CB).

War ein Sensor überhaupt nicht beteiligt ist der Wert von CB ,0'. War ein Sensor alleine beteiligt, so ist dieser Wert ,1' oder auch minus ,1' (bei 180° Winkeldrehung). Bei Zwischenwinkeln ergeben sich entsprechende Zwischenwerte. In einer optionalen Weiterbildung kann es vorgesehen sein, hinter der inversen Transformationsmatrix 4a noch einen „Wichter" 14 zu schalten bzw. auf die erhaltenen Werte c _B anzuwenden, der einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen Ausgang und Eingang bildet. So kann es vorgesehen sein, im Bereich niedriger Beteiligungswerte CB, insbesondere im Bereich von Beteiligungswerten unterhalb eines jeweiligen vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes die Konfidenzfaktoren c _c zu Null zu setzen, um den Einfluss anderer Fehlerwerte zu minimieren.

Ein Beispiel für eine derartige Wichtungsfunktion ist in Fig. 5 dargestellt. Die entsprechende Rechenvorschrift lautet:

Wenn |c _B | < 0,5 dann: c _c = 0 , hier bildet also der Wert 0,5 den genannten Grenzwert.

Wenn |c _B | > 0,5 dann: c _c = 2 • (|c _B | - 0,5)

Es kann also vorgesehen sein, für Beteiligungswerte c _B oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes den jeweiligen Konfidenzfaktor durch eine Rechenvorschrift festzulegen, insbesondere in Abhängigkeit des Beteiligungswertes.

Bei dieser vorgeschlagenen Wichtungsfunktion handelt es sich nur um ein Beispiel, das in der Praxis gute Ergebnisse gezeigt hat. Alternative Funktionen, wie z.B. eine Quadratfunktion sind allerdings ebenso möglich und im Sinne der Patentansprüche mit eingeschlossen.

So kann auch eine ganz einfache Funktion, die unterhalb eines gewissen Wertes für c _B ,0' und oberhalb ,1 ' ist, verwendet werden. Dies entspricht dann einer Entscheidung, die Korrektur nur dann wirksam werden zu lassen, wenn die Richtung des entsprechenden Beschleunigungssensors ausreichend übereinstimmt mit der entsprechenden Richtung, in der die Erfassungsrichtung der Korrektureinrichtung (also meist der Tiefe, der z- Richtung) liegt.

Zur Bestimmung der Korrekturwerte δXK, δy« und δz« muss nun noch ein Algorithmus zur Berechnung aus den gefundenen Konfidenzfaktoren Cc _x , c _Cy , cc _z und den Fehlergrößen δx", δy" und δz" Verwendung finden. Dabei wird es als bevorzugt angesehen,, wenn die Zeit, über die ein Fehler ansteht, mit in die Bewertung eingeht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird eine digitale gleitende Mittelwertbildung verwendet, bei der der Algorithmus dem Prinzip folgt, einen neuen Mittelwert zu berechnen, indem man den neuen Eingangswert nur zu einem bestimmten Prozentsatz P und den alten Mittelwert zu dem restlichen Prozentsatz 100%-P in den neuen Mittelwert einfließen lässt.

Bezeichnet man den aktuellen Eingangswert als a", den alten Mittelwert als a(k-1) und den neuen als a(k), so ergibt sich die Rechenvorschrift: α(k) = α' ' P + α(k - 1) • (100% - P)

Der zeitliche Verlauf einer solchen Mittelwertbildung hängt zum einen von der Häufigkeit der Ausführung (Abtastrate) dieser Operation ab und zum anderen von der Höhe des Faktors P. Bei hoher Abtastrate und bei hohem Prozentsatz erfolgt eine sehr schnelle Anpassung des Mittelwertes an den neuen Eingangswert. Diesem Zusammenhang kann man Rechnung tragen, indem man eine „Mittelwertkonstante" c _M einführt, die sich aus der Abtastrate bzw. dem Abtastintervall T _A und dem Prozentsatz P ergibt:

In die Mittelwertbildung für die Korrekturwerte sollte - wie vorher schon beschrieben - der Konfidenzfaktor eingehen. Dies erreicht man ganz einfach, indem auch dieser Faktor bei

der Mittelwertbildung gleichermaßen wie der Mittelwertfaktor eingeht. Man erhält dann also: α(k) = α"-c _M -c _c +α(k-l)-(l-c _M -c _c )

Bei direkter Anwendung dieses Algorithmus direkt auf die Fehlergrößen δx", δy" und δz" ergeben sich die Korrekturwerte δx«, δy _κ und δZK wie folgt:

δx _κ (k) = δx"-c _M -c _Cx +δx _κ (k-l)-(l-c _M -c _Cx )

δy _κ (k) = δy"-c _M -c _Cy + δy _κ (k-l)-(l-c _M -c _Cy )

δz _κ (k) = δz"-c _M -c _Cz +δz _κ (k-l)-(l-c _M -c _Cz )

Fig. 6 zeigt die Anwendung des hier dargestellten Auswertungsverfahrens auf die x- Achse anhand einer Grafik. In der Auswerteeinheit 9a für die x-Achse (im Tauchcomputerkoordinatensystem) gelangt die Fehlergröße δx" (18) zunächst auf einen Multiplizierer 15a in dem sie mit dem Produkt aus der Mittelwertkonstante CM (21) und dem Konfidenz- faktor Cc _x (16) (gebildet im Multiplizierer 15b) multipliziert wird. Die zweite Komponente für den im Summierer 19 neu gebildeten Korrekturwert δx« (18) ergibt sich aus dem im Multiplizierer 15c gebildeten Produkt aus dem über das Verzögerungsglied 20 verzögerten Ausgangswert 18 und dem von 1 abgezogenen Produkt aus CM und Cc.

Der Korrekturfaktor kann seinerseits in einem iterativen Verfahren noch zerlegt werden in einen Offsetanteil und einen Produktanteil. Ausgehend von der Tatsache, dass der Offset sich hauptsächlich im Bereich kleiner Beschleunigungswerte und der Produktanteil sich hauptsächlich im Bereich hoher Beschleunigungswerte auswirkt, kann der fehlerbehaftete Wert für x _τ , hier als x-r' bezeichnet, wie folgt ausgedrückt werden: x-p' = δo _x + (1 + δm _x )-x _τ

wobei δo _x den Offset und δm _x den Produktanteil (Steigungsanteil) darstellt.

Das iterative Berechnungsverfahren für die Offset und Produktkorrekturwerte kann mit den Gleichungen

. δo _x - δx _κ δm _γ = — * -S-.

^X T

δo _x = δx _jζ - δm _x • x-j- erfolgen.

Verarbeitung anderer Referenzsignale

Falls andere Referenzsignale als die Tiefen information verfügbar sind, können diese in gleichartiger Weise verarbeitet werden. Der Konfidenzfaktor wird dann separat für jede einzelne zu korrigierende Komponente berechnet. Hierzu wird dann jeweils der Eingangsvektor für die inverse Transformationsmatrix in Fig. 4a mit ,1 ' nicht in der z-Richtung sondern in der jeweils relevanten Raumrichtung mit ,1' besetzt und in den nicht relevanten Raumrichtungen mit ,0'.

Begrenzung und Alarmierung bei zu hohen Sensorausgangswerten

Sollten die gemessenen Beschleunigungswerte (oder bei den Winkelsensoren die entsprechend gemessenen Winkelgeschwingigkeiten) oberhalb von einem vorgebbaren Schwellwert liegen, muss eine Fehlmessung vermutet werden. In diesem Fall sollte im Display des Tauchcomputers oder in anderer geeigneter Weise dies dem Taucher zur Kenntnis gebracht werden, damit er weiß, dass die Bestimmung der weiteren Positionen evtl fehlerhaft ist. Weiterhin kann der Tauicher auch aufgefordert werden (z.B. über ein akustisches Alarmsignal), für einen kurzen Zeitraum in Ruhe zu bleiben, damit der Sensor die Integratoren zurücksetzen kann und damit nicht eine fehlerhafte Geschwindigkeitsinformation zu Fehlern in der weiteren Positionsberechnung führt.

Winkelkorrektur

Die Winkelkorrektur erfolgt im Prinzip in der gleichen Art und Weise wie bisher für die translatorischen Beschleunigungen beschrieben. Dabei kann als Referenzsignal ein auf dem Erdmagnetfeld basierender Magnetsensor (elektronischer Kompass) verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Nutzung der Richtung des Erdschwerkraftvektors, der immer in Richtung der Erdachse mit einer Abweichung der Lotrichtung von lediglich maximal 0,01° zeigt. Hierzu kann der mittlere Richtungsvektor der maximalen Beschleunigungen herangezogen werden. Dies kann insbesondere auch geschehen, wenn der Tauchcomputer sich in Ruhe befindet, also nicht bewegt wird, was aus den sich nicht ändernden Signalen für translatorische und rotatorische Beschleunigungen abgeleitet werden kann. Evtl. kann eine genaue Rekalibrierung der Winkelsensoren von Zeit zu Zeit erfolgen, indem man den Tauchcomputer erst verzögert ausschaltet oder gar von Zeit

zu Zeit automatisiert einschaltet bzw. aus einem Ruhezustand automatisiert aufweckt. Auch heutige Tauchcomputer laufen im Ruhezustand weiter, um eine überwachung des Umgebungsdruckes oder eine Berechnung von so genannten Entsättigungszeiten vorzunehmen. Auch die Rekalibherung der translatorischen Sensoren kann in diesem Modus erfolgen.

Abweichend von der in Fig. 1 ff gezeigten Verwendung von Winkelbeschleunigungssensoren lassen sich besondere Vorteile durch eine Verwendung von Drehratensensoren erzielen, da das Verfahren dann mit jeweils einer einzigen Integration pro Winkelrichtung auskommt, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens verbessert wird.

Auch andere Realisierungsmöglichkeiten als im vorhergehenden dargestellt, können gleichwertig sein und je nach Art der technischen Ausführung (verwendeter Integrationsalgorithmus etc.) von Vorteil sein. Als ein Beispiel hierzu sei auf Fig. 3 verwiesen. Dabei könnte auch die Integration und Differenziation an anderer Stelle erfolgen, es könnte der komplette Integratorblock 1b entfallen, wenn gleichzeitig der Differenziatorblock 8 an den negativen Eingang des entsprechenden Summationspunktes verschoben würde (siehe Fig. 7). Auch könnte nur einer der Integratoren entfallen und nur einer der Differentiatoren aus Block 8 entsprechend verschoben werden (s. Fig. 8).

Aussetzung der Kalibrierung

Unter bestimmten Umständen wird der Kalibrierprozess für eine bestimmte Sensorgruppe ausgesetzt. So liegt beispielsweise außerhalb des Wasser (erkennbar am Wasserkontaktschalter, wie zuvor bereits erwähnt oder auch bei Vorliegen einer Tiefeninformation aus dem Drucksignal von etwa Null), keine geeignete Tiefeninformation aus dem Drucksensor vor. Hierfür wird dann die Kalibrierung der translatorischen Beschleunigungssensoren ausgesetzt, indem z.B. die Konfidenzfaktoren alle zu Null gesetzt werden. Die Kalibrierung der Winkelsensoren kann jedoch in diesem weiter betrieben werden. Diese wiederum sollte ausgesetzt werden, wenn offenbar unplausible Ergebnisse aus der Auswertung der Magnetfeldsensoren vorliegen (also beispielsweise starke änderung der gemessenen Magnetfeldrichtung bei nur kleinen Werten der Winkelgeschwindigkeit, die mit Hilfe der Winkelgeschwindigkeitssensoren ermittelt werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen

Der unter Wasser zurückgelegte Weg kann mit Hilfe von Positionsinformationen aus Beschleunigungssensoren, Winkelsensoren insbesondere Winkelbeschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Magnetfeldsensoren und/oder Drucksensoren zum Abspeichern der Positionsinformation in Abhängigkeit der Zeit und/oder eines Zählerstandes aufgezeichnet werden.

Die Referenzmessung für die Koordinaten X und Y im Weltkoordinatensystem sowie eine Sensorkalibrierung kann solange z.B. in Oberflächennähe ein GPS-Signal verfügbar ist, über das GPS-System erfolgen. Bei Empfang von GPS-Signalen unter der Oberfläche kann zur Erhöhung der Genauigkeit eine Korrektur der Laufzeit der GPS-Daten hinsichtlich der Ausbreitungseigenschaften der GPS-Signale unter Wasser erfolgen. Aufgrund der hohen relativen Dielektrizitätszahl des Wassers von etwa 80 ergeben sich andere Ausbreitungsgeschwindigkeiten der GPS-Signale unter Wasser. Insbesondere die Tiefeninformation aus den GPS-Signalen muss hierbei korrigiert werden. Im einfachsten Fall wird hierzu die Tiefe um den Faktor des Quotienten zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Freiraum und derjenigen unter Wasser korrigiert.

Die meisten heutigen Tauchcomputer verfügen über eine Funktion, dass sie sich automatisch einschalten, sobald sie Wasserkontakt haben. Bevorzugt kann diese Funktion genutzt werden, um beispielsweise in Kombination mit einem an der Oberfläche noch empfangbaren GPS-Signal einen Referenzpunkt an der Eintauchposition zu setzen. Ein weiterer Referenzpunkt kann dann unmittelbar beim Abtauchen gesetzt werden (Start des Tauchganges).

Besonders sinnvoll einsetzbar ist das erfindungsgemäße Verfahren in Kombination mit einem grafischen Display, auf dem die Richtung und die Entfernung zu Referenzpunkten dargestellt wird. Auch kann die Lage der Referenzpunkte sowie der bisher betauchte Pfad auf einer kartenähnlichen Darstellung angezeigt werden. Auch können entsprechende Tiefenangaben zu den Referenzpunkten oder zu dem Pfad dargestellt werden. Der Pfad oder die Referenzpunkte können dabei auch je nach Tiefe in unterschiedlichen Farben dargestellt werden, so dass das Display übersichtlich bleibt, dem Taucher aber dennoch eine zusätzliche Navigationsinformation zur Verfügung steht.

Der Taucher kann auch Referenzpunkte während des Tauchgangs z.B. durch Druck auf eine Taste selber setzen. Auch kann der Taucher bereits vor dem Tauchgang Referenzpunkte oder Zielpunke setzen. Weiterhin kann er vorab Wegpunkte (POIs = Points of Inte- rest) aus Quellen wie z.B. dem Internet auf den Tauchcomputer laden und so einem vor-

gegebenen Pfad nachtauchen um z.B. Wracks zu finden oder den Unterschlupf bestimmter Meerestiere.

Ebenfalls kann vorher bereitgestelltes Kartenmaterial auf den Computer des Tauchers geladen werden und die Navigation und Orientierung so erleichtern. Hierzu kann auch die Nordausrichtung des Systems per Magnetkompass zu Beginn festgelegt und ggf. durch langfristige Mittelung korrigiert werden. Zur Bestimmung der Nordausrichtung können auch die Bewegungen des Tauchers bei (noch-)Verfügbarkeit eines GPS-Signals verwendet werden.

Der getauchte Pfad sowie die gesetzten Referenzpunkte können nach Beendigung des Tauchgangs ausgelesen werden und mit oder ohne Karte dargestellt werden.

Per Funk kann auch die Position eines Tauchers eventuell zusammen mit anderen Daten an einen anderen Taucher weitergegeben werden. Dies ist insbesondere bei der Führung größerer Gruppen hilfreich. Auch an das Tauchboot oder auch die Tauchbasis können derartige Informationen gesendet werden. Ein Vorteil besteht darin, dass ein verantwortlicher Tauchführer an Land überprüfen kann, wo sich der Taucher befindet um evtl. das Boot dorthin zu dirigieren, Rettungsmaßnahmen einzuleiten oder auch neue Referenzpunkte bzw. Zielpunkte (z.B. eine neu Bootsposition) an den Taucher zu übermitteln.

Mit Funk ist nicht nur elektromagnetische Hochfrequenzkommunikation gemeint, vielmehr soll darunter jegliche Art drahtloser Kommunikation verstanden werden wie z.B. Ultraschall oder Licht.

Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit kann die aus dem Umgebungsdruck gemessene Tiefe über den Salzgehalt des Wassers und somit die Wasserdichte korrigiert werden. Eine entsprechende Messung des Salzgehaltes kann durch eine Messung der Leitfähigkeit des Wassers z.B. über Elektroden erfolgen, die zur Aktivierung des Tauchcomputers bei Wasserkontakt bereits vorhanden sind. Umgekehrt kann bei Vorliegen einer Tiefeninformation aus anderen Quellen (kalibrierte Beschleunigungssensoren, GPS-Signal o.a. eine Bestimmung des Salzgehaltes aus dem Vergleich dieser Information mit der des Umgebungsdrucksensors erfolgen. Ebenso kann eine manuelle Eingabe z.B. des Breitengrades erfolgen.

Eine vorbekannte Temperaturabhängigkeit der Sensoren kann durch Einbeziehung der Signale eines im Tauchcomputer üblicherweise vorhandenen Temperatursensors kompensiert werden. Auch können weitere Temperatursensoren verwendet werden, die jeweils in der Nähe der Sensoren untergebracht sind.

Eine Erhöhung der Genauigkeit der Kalibrierung des Sensors lässt sich erreichen, wenn der Einfluss der Wellenbewegung auf die Druckmessung beispielsweise durch Mittelwertbildung der Tiefe reduziert wird. Hierzu kann auch durch Frequenzanalyse die Periodendauer der Wellenbewegung erfasst und so ein günstiges Maß für die Zeitkonstante bzw. den Zeitraum der Mittelwertbildung ermittelt werden (Einfaches oder ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz). Auch kann ein Maß für die Welligkeit ermittelt werden indem die Größe der Druckschwankung ausgewertet wird. Diese Auswertung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. In einer Ausgestaltung wird in einem Frequenzbereich, in dem üblicherweise Wellenfrequenzen im Uferbereich auftreten, die Amplitude der Druckschwankung bestimmt und hieraus auf die Schwankungen der Wassersäule über dem Taucher umgerechnet. Hierzu wird die gleiche, bekannte Formel verwendet wie für die Umrechnung des Wasserdruckes in die Tiefe. Als Umrechnungsfaktor ist 10m/bar vollkommen geeignet. Im Logbuch des Tauchcomputers kann dann auch eine Aufzeichnung der Welligkeit erfolgen. Diese Aufzeichnung kann als einzelner Wert für einen Tauchgang erfolgen oder aber in einer Folge von Werten, die den Verlauf der Welligkeit abbildet.

Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit erzielt man durch die Korrektur der Gravitationskonstante aus dem Breitengrad. Die Gravitationskonstante 10 (s. Fig. 1) ist nicht überall exakt gleich, sondern abhängig von diversen Gegebenheiten, insbesondere dem Breitengrad. Die Gravitation am äquator beträgt 9,7803m/s ² , am Nordpol 9,8322 m/s ² , und am 45. Breitengrad:9, 80665 m/s ² . Steht eine Information über den Breitengrad bereits zur Verfügung (GPS-Messung oder Handeingabe) so kann dieses Signal unmittelbar verwendet werden. Dabei kann beispielsweise eine lineare Interpolation zwischen den bereits genannten Werten erfolgen. Auch andere Interpolationsverfahren oder Verfahren mit mehreren Stützstellen können verwendet werden.

Steht eine Information über den Breitengrad nicht zur Verfügung, so kann aus der Wassertemperatur eine Abschätzung über den Breitengrad durchgeführt werden, da die Wassertemperatur naturgemäß in tropischen Gewässern höher liegt als in europäischen Breitengraden. Hierbei kann der Salzgehalt zusätzlich verwendet werden, um bei den Rückschlüssen aus der Temperatur auf den Breitengrad den üblicherweise vorhandene Unterschied zwischen Süßwasser und Salzwasser mit einzubeziehen. Auch die geografische Höhe, die aus dem Umgebungsdruck vor dem Tauchgang ermittelt werden kann, ist eine Einflussgröße, die mit einfließen kann. Die Mitberücksichtigung von Einflussgrößen auf

die Ermittelung des Breitengrades ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Weitere Informationen wie Jahreszeit, abgespeicherte Klimazonen etc. können mitberücksichtigt werden.

Selbst die Messung von Magnetfeldern kann zur Bestimmung des Breitengrades verwendet werden. Bei einem Tauchcomputer bietet sich aufgrund der sehr unterschiedlichen Orientierungen im Weltkoordinatensystem der Einsatz von Magnetsensoren in drei Dimensionen an. Aus der z-Komponente des Magnetfeldes lassen sich Rückschlüsse auf den Breitengrad ziehen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht in der Aufspaltung der Messeinheit und der Anzeigeeinheit. Während die Anzeigeeinheit am Arm des Tauchers oder in einer Konsole untergebracht ist oder als Head-Up- Display in der Tauchermaske integriert ist, kann die Mess- und oder Aufzeichnungseinheit anderweitig platziert werden. Beispielsweise bietet sich eine Anbringung an der Tarierweste des Tauchers, an der Pressluftflasche oder anderswo am Körper des Tauchers an. Dies hat den Vorteil, dass die Bewegungen nicht so rasch erfolgen, hierdurch die Winkelgenauigkeit verbessert wird und auch die Beschleunigungswerte in translatorischer Richtung reduziert werden.

Eine weitere Anwendung ergibt sich bei Ausrüstung eines Unterwasservortriebgerätes (z.B. Unterwasser- Scooter) mit Steuerorganen, die in Abhängigkeit der gewonnenen Positionsinformation und der daraus ermittelten Richtung auf ein vorgebbares Ziel (Referenzpunkt) oder einen vorgebbaren Pfad gesteuert werden.

Abweichend von den der in den Figuren gezeigten Verwendung von Winkelbeschleunigungssensoren kann auch eine Verwendung von Drehratensensoren vorgenommen werden, da man dann mit jeweils einer einzigen Integration pro Winkelrichtung auskommt, wodurch die Genauigkeit des Verfahrens verbessert werden kann.

Liste der Bezugszeichen:

1 S Beschleunigungssensor (3 Achsen)

1a J Integratoren zur Bestimmung des Weges aus der Beschleunigung in z-

Richtung

1b J Integratoren zur Bestimmung der Tiefe aus der Beschleunigung

2 RS (Rotationssensor) Winkelbeschleunigungssensor (3 Achsen)

2a J Integratoren zur Bestimmung des Winkels aus der Winkelbeschleunigung

3 T Transformationsmatrix

3a Transformationsmatrik

4 T ¹ inverse Transformationsmatrix

4a r ¹ inverse Transformationsmatrix

5 Log Aufzeichnungseinrichtung für 3 dimensionalen Weg

6 θ,φ,ψ Bestimmungseinheit für die Raumwinkel θ,φ,ψ

7 Tiefe Tiefenwert, z.B. aus Druckmessung d

8 Differenziatoren zur Bestimmung der Beschleunigung in z-Richtung dt

9 A Auswerteeinheit zur Bestimmung der Korrekturfaktoren

9a Auswerteeinheit zur Bestimmung des x-Korrekturfaktors

10 9,81 Wert für die aktuelle Erdbeschleunigung

1111 KKoorrrreekkttu! r Korrektureinheit zur Korrektur der Fehler der Beschleunigungssensoren

12 Wegberechnungseinheit, korrigierend

12a Wegberechnungseinheit, ohne Korektur

12b Wegberechnungseinheit, mit einfacher Korektur

13 Korrekturwertberechnungsblock

14 Wichter

15a X Multiplizierer 1

15b X Multiplizierer 2

15c X Multiplizierer 3

16 CCx Konfidenzfaktor x-Achse

17 δx" Fehlergröße x-Achse

18 δXK Korrekturwert für die x-Achse

19 σ Summierer

20 Ts Zeitverzögerung (um Sample-Intervall)

CM Mittelwertfaktor CM CC _X Produkt aus Konfidenzfaktor x-Achse und Mittelwertfaktor