Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die redundante Anbindung von Sensoren eines Unterwasserfahrzeugs.

Sensordaten an Unterwasserfahrzeugen liefern hohe Datenmengen in hohen Datenraten, häufig in getakteten großen Bursts, die zur Auswertung und Nutzung in das Innere des Unterwasserfahrzeugs gelangen müssen. Dies muss zuverlässig und effizient erfolgen, damit die gewonnenen Informationen nicht verloren gehen und die Anzahl der Leitungen (und die damit verbundene Anzahl an Borddurchbrüchen) minimiert wird. Dazu werden die Datenquellen (z.B. die Sensoren im Unterwasserbereich) mit zwei Datenverbindungen zur Datensenke (z.B. Datenverarbeitungsrechner, Signalverarbeitungsrechner, Datenrekorder) angeschlossen, so dass es zwei separate Übertragungswege für die Sensordaten gibt.

Die Datenverbindungen enthalten eine Paketvermittlungseinheit (z.B. eine Netzwerkinfrastruktur umfassend beispielsweise Switches und/oder Router und/oder Firewalls), die bei Ausfall den Datenverkehr einer defekten Leitung auf eine redundante Leitung umschalten kann. Aufgrund der daraus resultierenden deterministischen Umschaltzeiten (Netzwerkkonvergenzzeit, Anwendungskonvergenzzeit) kommt es zu Datenverlusten in der Zeit, die zum Umschalten zwischen den Übertragungswegen vergeht.

Ferner beinhalten alle physikalischen Datenübertragungen inhärent Bitfehlerraten, die zu Paketverlusten führen können. Zudem ist eine Datenhaltung auf den Sensoren (eingebettete Systeme) in größerem Maße technisch nicht sinnvoll realisierbar. Beispielsweise wird bei Verwendung eines Protokolls, dass das Wiederanfordern verlorener Datenpakete zulässt, durch den Protokoll-Overhead zwangsläufig die Bandbreite für die Übertragung der Sensordaten reduziert. Bei einem Protokoll, dass die Wiederanforderung von verlorenen Datenpaketen nicht zulässt, sind die Datenpakete unwiderruflich verloren.

Beides ist nicht erwünscht, da die Signalverarbeitung die Daten innerhalb einer definierten Zeitspanne nach Entstehung der Daten zur Verarbeitung benötigt (Echtzeitfähigkeit im Datentransport zur Datenverarbeitung).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Unterwasserfahrzeuge zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ausführungsbeispiele zeigen ein Wasserfahrzeug mit einer Mehrzahl von Sensoranordnungen, die jeweils eine Vielzahl von Sensoren umfassen, einer ersten und einer zweiten Paketvermittlungseinheit sowie einem Signalempfänger. Die Vielzahl von Sensoren nehmen Sensordaten, insbesondere außerhalb des Wasserfahrzeugs, auf und wandeln diese in ein den Sensordaten entsprechendes elektrisches Signal um. Das elektrische Signal kann von den Sensoren in ein Datentelegramm verpackt werden, um das elektrische Signal zu senden. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit können unabhängig voneinander arbeiten. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit können jeweils eine Netzwerkinfrastruktur aufweisen, die, in beliebiger Anzahl, eine der folgenden Komponenten oder eine beliebige Auswahl folgender Komponenten umfasst: Switches, Router, Firewalls, Intrusion Detection Systeme, Intrusion Prevention System, Domänenübergänge (Cross Domain Security Solutions wie Datendioden, bidirektionales Security Gateway u.a.).

Die Sensoren weisen demnach ein sensorisches Material auf. Bei den Sensoren kann es sich um Wasserschallwandler, auch als Hydrophone bezeichnet, handeln. Hier ist das sensorische Material typischerweise eine Piezokeramik. Als Sensordaten können Wasserschallwandler den Schalldruck aufnehmen. Weitere Sensoren sind z.B. Drucksensoren, die als Sensordaten den hydrostatischen Druck aufnehmen, z.B. um die aktuelle Tauchtiefe zu bestimmen, wenn das Wasserfahrzeug ein Unterwasserfahrzeug ist.

Der Signalempfänger kann die Sensorsignale verarbeiten. Beispielsweise kann der Signalempfänger die Sensorsignale aufbereiten und an einen Richtungsbildner weiterleiten. Der Richtungsbildner kann Sensorsignale gleicher Sensoren geschickt mit Zeitverzögerungen im Vergleich zu Sensorsignalen anderer Sensoren beaufschlagen, um die Sensoren virtuell in eine Richtung blicken zu lassen. So entstehen gerichtete Sensorsignale, die an den Signalempfänger zurückgegeben werden. Basierend auf diesen gerichteten Sensordaten kann der Signalempfänger Ziele in der Umgebung des Wasserfahrzeugs detektieren und lokalisieren. Der Signalempfänger kann ebenfalls an dieselben Datenvermittlungseinheiten redundant mittels zweier Ethernetleitungen mit dem Richtungsbildner verbunden sein. Die Datenübertragung zwischen Signalempfänger und Richtungsbildner können basierend auf dem gleichen Prinzip übertragen werden wie die Sensordaten von den Sensoren zu dem Signalempfänger.

Die Sensoranordnung fasst nun eine Vielzahl von Sensoren zusammen. Hierfür gibt es verschiedene Optionen.

Eine erste Option besteht darin, dass eine Sensorelektronik die Vielzahl von Sensoren ansteuert. Die Sensorelektronik kann beispielsweise eine beliebige Auswahl folgender Bausteine aufweisen: einen Verstärker um das elektrische Signal zu verstärken, einen Analog/Digital Wandler um das elektrische Signal zu digitalisieren, eine Recheneinheit (z.B. Anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), Field Programmable Gate Array (FPGA) oder Kleinstrechner) um das (digitalisierte) elektrische Signal in ein Datenpaket zu überführen. Diese Aufgaben kann die Sensorelektronik für die Vielzahl der Sensoren übernehmen.

Eine zweite Option besteht darin, dass die Sensorelektronik bereits Teil des Sensors ist. D.h., jeder Sensor weist bereits die Sensorelektronik auf. Um die Sensoranordnung zu bilden, können die Sensoren dann z.B. mittels eines (Ring-) Bussystem miteinander verbunden sein. Ein Busmaster, z.B. Terminaladapter oder ein Switch, können das (Ring-) Bussystem betreiben und z.B. die Datenpakete von den Sensoren abrufen.

Eine dritte Option besteht darin, dass die Sensoranordnung eine rein funktionale Zusammenschau der Sensoren bietet. So sind an einem Wasserfahrzeug typischerweise verschiedene Sonar Antennen angeordnet, beispielsweise ein Hüll Mounted Sonar (dt.: Rumpfmontiertes Sonar), ein Towed Array Sonar (dt.: Schleppantenne), ein Flank Array Sonar (dt.: Seitenantennen Sonar), etc. Die Antennen bilden dann die Sensoranordnung während die einzelnen Wasserschallwandler (bzw. Hydrophone) der Antennen die Sensoren bilden.

Die Sensoranordnungen (z.B. in der ersten und der zweiten Option) oder die Sensoren (z.B. in der dritten Option) stellen das elektrische, insbesondere gewandelte und digitalisierte, Signal jeweils in Form eines Datenpakets bereit. In anderen Worten kann pro sensorischem Material und Messung ein Datenpaket von der zugehörigen Sensoranordnung oder dem entsprechenden Sensor erzeugt werden. Das Datenpaket weist je Sensor eine Identifikationsnummer auf, die die Datenpakete eindeutig charakterisiert. Das heißt, das Datenpaket, das auch das elektrische Signal aufweist, enthält die Identifikationsnummer. Das Datenpaket, das auch das elektrische Signal aufweist, wird demnach nicht in ein neues Datenpaket eingefügt. In anderen Worten enthält das Protokoll zur Datenübertragung der Sensordaten bereits die Identifikationsnummer. Diese muss nicht erst durch ein separates Protokoll, übergeordnetes Protokoll, angefügt werden.

Die erste Paketvermittlungseinheit unterhält eine erste Sensor-Ethernetverbindung pro Sensor oder pro Sensoranordnung, um von den Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete zu erhalten. Die zweite Paketvermittlungseinheit unterhält eine zweite Sensor-Ethernetverbindung pro Sensor oder pro Sensoranordnung, um von den Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Datenpakete zu erhalten. Ob die Sensor-Ethernetverbindung zu der Sensoranordnung oder dem Sensor unterhalten wird, hängt davon ab, welche Einheit die Datenpakete bereitstellt. Als (erste und/oder zweite) Paketvermittlungseinheit kann ein Switch, Router, Firewall, Intrusion Detection, Intrusion Prevention, Cross Domain Security Solutions oder einer beliebigen Kombination der vorgenannten Netzwerkkomponenten (in beliebiger Anzahl) verwendet werden.

Der Signalempfänger verarbeitet die Sensordaten. Der Signalempfänger ist mittels einer ersten Empfänger-Ethernetverbindungen mit der ersten Paketvermittlungseinheit und mit einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung mit der zweiten Paketvermittlungseinheit verbunden. Die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit puffern jeweils die eintreffenden Datenpakete der Sensoren. Ferner übermitteln die Paketvermittlungsseinheiten die Datenpakete jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung an den Signalempfänger. Die Datenübertragung kann sequentiell pro Übertragungskanal erfolgen. D.h. es erfolgt eine (quasi) parallele Übertragung der Datenpakete über zwei separate Kanäle bis zu dem Signalempfänger. Die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts wird somit deutlich minimiert. Insbesondere übermitteln die beiden Paketvermittlungseinheiten die Datenpakete in der Reihenfolge des Eintreffens jeweils über die erste bzw. die zweite Empfänger-Ethernetverbindung an den Signalempfänger.

Die verschiedenen Datenpakete die aufgrund der Verbindung der Paketvermittlungseinheiten jeweils zu der Mehrzahl von Sensoranordnungen bzw. zu der Vielzahl von Sensoren (quasi) parallel bei den Paketvermittlungseinheiten ankommen können, werden dann sequentiell, also nacheinander, an den Signalempfänger weitergeleitet.

Der Signalempfänger verwirft nunmehr, wenn zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer eintreffen, insbesondere regelbasiert, eines der beiden Datenpakete.

Idee ist es, eine parallele Datenübertragung zwischen den Sensoren und dem Signalempfänger aufzubauen. Die Sensoren senden die Messdaten jeweils (parallel) über zwei unterschiedliche Datenübertragungsstrecken zu dem Signalempfänger. D.h. es befinden sich in dem Gesamtsystem zwei gleiche Datenpakete. Die Hardware mit den zwei Datenübertragungsstrecken ist häufig bereits vorhanden. In dieser vorhandenen Architektur werden die beiden Datenübertragungsstrecken jedoch nicht parallel betrieben, sondern nur als Backup, damit bei dem Ausfall einer Datenübertragungsstrecke auf die andere Datenübertragungsstrecke umgeschaltet werden kann. Im Normalfall empfängt der Signalempfänger dann zwei identisch Datenpakete. Damit der Signalempfänger die Sensordaten dann nicht doppelt verarbeitet, weisen die Datenpakete mit den Sensordaten eine Identifikationsnummer auf, z.B. einen Zeitstempel oder einen Zähler. D.h. die beiden gleichen Datenpakete weisen die gleiche Identifikationsnummer auf. Anhand der Identifikationsnummer verwirft der Signalempfänger dann ein Datenpaket, typischerweise das Datenpaket, das als letztes eintrifft.

In Ausführungsbeispielen verwenden die Sensoren der Vielzahl von Sensoren oder die Sensoranordnungen der Mehrzahl von Sensoranordnungen einen Zähler auf. Der Zählerstand des Zählers wird als Identifikationsnummer verwendet, um die Datenpakete eindeutig zu charakterisieren. Der Zähler wird zyklisch zurückgesetzt, ist jedoch zumindest so groß gewählt, dass ein Datenpaket mit einem beliebigen Zählerstand nicht von einem anderen Datenpaket mit dem gleichen Zählerstand überholt werden kann. D.h., für die Paketlaufzeit der Datenpakete ist der Zählerstand eindeutig. In anderen Worten kann die Größe des Zählers so gewählt werden, dass sich auf der Übertragungsstrecke immer maximal die beiden gleichen Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer befinden können, nicht jedoch ein anderes Datenpaket mit der gleichen Identifikationsnummer.

Ferner verwirft der Signalempfänger nur dann eines der beiden Datenpakete, wenn beide Datenpakete mit dem gleichen Zählerstand innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters eintreffen. Dieses Zeitfenster ist kleiner als die (minimale) Zeit, in der zwei unterschiedliche Datenpakete mit dem gleichen Zählerstand bei dem Signalempfänger eintreffen können. In Ausführungsbeispielen weist der Zähler eine Größe von zumindest 16 Bit, insbesondere zumindest 32 Bit, auf. Somit sind auch die Sensordaten einer großen Anzahl von Sensoren übertragbar, ohne dass es Probleme durch das Zurücksetzen des Zählers geben kann. Insbesondere können zumindest 128 Sensoren, bevorzugt zumindest 256 Sensoren, besonders bevorzugt zumindest 512 Sensoren des Wasserfahrzeugs ihre Sensordaten an den Signalempfänger senden. Die Sensoren können zumindest 256, bevorzugt zumindest 512, besonders bevorzugt zumindest 1024 mal pro Sekunde Sensordaten aufnehmen.

Die Identifikationsnummer, insbesondere der Zähler, ist beispielsweise ein Synccounter. Der Synccounter ist beispielsweise eine Schaltung oder ein Software Baustein, der mit jedem Takt inkrementiert, also hochgezählt, wird. Läuft der Synccounter über, fängt er wieder an von vorne zu zählen. Der Synccounter kann beispielsweise mit einem nicht akustischen Telegramm (z.B. UDP) synchronisiert werden. Das nicht akustische Telegramm kann das Telegramm sein, mit dem die Datenpakete der Sensoren versendet werden. Mittels des Takts, beispielsweise von den nicht akustischen Telegrammen, kann z.B. auch gesteuert werden, wann die Sensoren Sensordaten aufnehmen. Alternativ kann mittels des Takts gesteuert werden, wann die Sensoren bzw. die Sensoranordnung Datenpakete an die Paketvermittlungseinheiten senden dürfen. Der Takt kann aus einem elektrischen Taktsignal, einem Zeitsignal (z.B. Absolutzeit aus dem precision time protocol) oder einem synchronen Ethernet Takt (synchrones Ethernet - SyncE) gewonnen werden.

In Ausführungsbeispielen sind die Sensoranordnungen oder die Sensoren ausgebildet, Datenpakete von Sensordaten, die zum gleichen Messzeitpunkt (d.h. des gleichen Abtastzeitpunkts) erhalten worden sind, an unterschiedlichen Zeitpunkten zu verschicken. Die Zeitpunkte können beispielsweise durch ein vorgegebenes Zeitintervall, in dem die Datenpakete verschickt werden sollen, definiert werden. Das vorbestimmte Zeitintervall kann die Zeitdauer eines Takts in kleinere Zeiteinheiten unterteilen. Somit ist es möglich, das Versenden der in etwa zeitgleich von den Sensoren bereitgestellten Datenpaketen zu strecken, so dass die Gefahr einer Überlastung der beiden Paketvermittlungseinheiten durch die Menge der gleichzeitig eintreffenden Datenpakete reduziert wird. In anderen Worten kann durch ein Zeitslotverfahren das Senden der Datenpakete (die Bursts), die durch dieses Verfahren entstehen, zeitlich gestreckt werden. Dies reduziert die Interruptlast. In weiteren Ausführungsbeispielen werden die Datenpakete, die von den Sensoren zum gleichen Messzeitpunkt erhalten bzw. erzeugt worden sind von der ersten Paketvermittlungseinheit vollständig ausgesendet, bevor ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts ausgesendet wird. Ergänzend oder alternativ werden die Datenpakete, die von den Sensoren zum gleichen Messzeitpunkt erhalten bzw. erzeugt worden sind von der zweiten Paketvermittlungseinheit vollständig ausgesendet, bevor ein erstes Datenpaket eines folgenden Messzeitpunkts ausgesendet wird.

In Ausführungsbeispielen verwenden die Sensoren der Vielzahl von Sensoren bzw. die Sensoranordnungen der Mehrzahl von Sensoranordnungen UDP (User Datagram Protocol) als Protokoll zum Transport der Datenpakete. UDP hat den Vorteil, dass es nur einen geringen Overhead (dt.: Verwaltungsdaten) aufweist. D.h. die zur Datenübertragung der Sensorsignale notwendigen Steuer- und Protokollinformationen nehmen nur einen geringen Teil des Datenpakets ein. Somit wird die Übertragungsstrecke, hier insbesondere die Empfänger- Ethernetverbindungen, effizient für die Übertragung der Sensordaten genutzt und nicht unnötig durch zusätzliche Daten, die für anderen Protokolle notwendig wären, belegt. Ferner entfällt die Quittung des Erhalts der Datenpakete durch den Signalempfänger, wie sie bei anderen Protokollen zur Datenübertragung, z.B. TCP, notwendig ist. Auch hierdurch wird die für die Sensordaten zur Verfügung stehende Bandbreite der Empfänger-Ethernetverbindung erhöht. Zur Vermittlung der durch UDP erzeugten Datagramme wird z.B. das IP Protokoll verwendet. Sensordaten und Identifikationsnummer sind jedoch bevorzugt in dem UDP Datagramm enthalten.

In weiteren Ausführungsbeispielen fügen die Sensoren der Vielzahl von Sensoren die Identifikationsnummer, beispielsweise den Zählerstand, mittels des gleichen Protokolls in das Datenpaket ein. Dies geschieht bevorzugt direkt in der Anwendungsschicht, d.h. der siebten Schicht des ISO/OSI Referenzmodells. Das heißt, die Sensordaten und die Identifikationsnummer werden auf dergleichen Schicht in das Datenpaket eingefügt und nicht separat gekapselt, d.h. mit einem eigenen Header bzw. Trailer versehen. Somit werden die Verwaltungsdaten von zumindest einem Protokoll eingespart.

In weiteren Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem Wasserfahrzeug um ein Unterwasserfahrzeug. Die Vielzahl von Sensoren sowie die erste und die zweite Paketvermittlungseinheit sind außerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet während der Signalempfänger innerhalb des Unterwasserfahrzeugs angeordnet ist. Durch einen Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs werden demnach die erste und die zweite Empfänger-Ethernetleitung geführt, um die Sensordaten zu dem Signalempfänger zu leiten. Die vorgenannten Ausführungsbeispiele zur Reduzierung der zu übertragenen Daten werden im Hinblick auf die Notwendigkeit, die Daten durch den Druckkörper des Unterwasserfahrzeugs in das Innere des Unterwasserfahrzeugs zu bringen, nochmals wichtiger. Die Anzahl der Durchführungen durch den Druckkörper muss so gering wie möglich und die Größe der einzelnen Durchführungen so klein wie möglich gehalten werden, um die Stabilität des Druckkörpers nicht negativ zu beeinträchtigen.

Analog ist in Verfahren zur Übertragung von Sensordaten eines Wasserfahrzeugs zu einem Signalempfänger des Wasserfahrzeugs mit folgenden Schritten gezeigt: a) aufnehmen von einer Vielzahl von Sensordaten mit einer Vielzahl von Sensoren; b) Umwandeln der Sensordaten in ein den Sensordaten entsprechendes elektrisches Signal; c) Bereitstellen der elektrischen Signale jeweils in Form eines Datenpakets mit einer Identifikationsnummer, die die Datenpakete eindeutig charakterisiert; d) Senden der Datenpakete über eine erste Sensor-Ethernetverbindung zu einer ersten Paketvermittlungseinheit und über eine zweite Sensor-Ethernetverbindung zu einer zweiten Paketvermittlungseinheit; e) Puffern der Datenpakete in der ersten und der zweiten Paketvermittlungseinheit; f) Senden der Datenpakete von der ersten Paketvermittlungseinheit mittels einer ersten Empfänger-Ethernetverbindung zu dem Signalempfänger; g) Senden der Datenpakete von der zweiten Paketvermittlungseinheit mittels einer zweiten Empfänger-Ethernetverbindung zu dem Signalempfänger; h) Verwerfen eines der beiden Datenpakete, wenn zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer bei dem Signalempfänger eintreffen.

Die Ausführungsbeispiele schließen, wenn beispielsweise auf eine Ethernetverbindung Bezug genommen wird, auch Industrial Ethernet, z.B. Ethercat, ein.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Blockdarstellung eines Wasserfahrzeugs, in dem Sensordaten an einen Signalempfänger übermittelt werden;

Fig. 2: eine schematische Darstellung der Protokolle für die Übertragung der Sensordaten anhand des ISO/OSI Schichtenmodells; und

Fig. 3: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms für die Übertragung der Sensordaten. Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Wasserfahrzeugs 20. Das Wasserfahrzeug 20 umfasst eine erste Sensoranordnung 22a und einer zweiten Sensoranordnung 22b, die jeweils eine Vielzahl (hier drei), Sensoren 24 aufweisen. Das Wasserfahrzeug 24 umfasst ferner eine erste Paketvermittlungseinheit 26a und eine zweite Paketvermittlungseinheit 26b sowie einen Signalempfänger 28.

Die Sensoren 24 nehmen jeweils Sensordaten, z.B. Wasserschall oder den hydrostatischen Druck, auf und geben ein entsprechendes elektrisches Signal aus. Im dargestellten Fall stellen die Sensoranordnungen 22a, 22b die elektrischen Signale, d.h. die Sensordaten, pro Sensor in Form eines Datenpakets 29a, 29b bereit. D.h. die Umsetzung der elektrischen Signale auf das Ethernet Protokoll, also z.B. das Bilden des Datenpakets als IP-Paket, erfolgt außerhalb der einzelnen Sensoren in der Sensoranordnung. Beispielsweise weist die Sensoranordnung hierfür ein Paketformungsmodul auf, das das Bilden des Datenpakets für mehrere Sensoren der Sensoranordnung, insbesondere alle Sensoren der Sensoranordnung, übernimmt. Alternativ können die Sensoren das Datenpaket 29a, 29b auch selbst bereitstellen. D.h., die Digitalisierung und Umsetzung der Signale auf das Ethernet Protokoll, z.B. in ein IP-Paket, erfolgt bereits im Sensor.

Die Datenpakete 29a der Sensoren der ersten Sensoranordnung 22a werden von der ersten Sensoranordnung 22a mittels einer ersten Sensor-Ethernetverbindung 30a an die erste Paketvermittlungseinheit 26a gesendet.

Die gleichen Datenpakete 29a werden von der ersten Sensoranordnung 22a mittels einer zweiten Sensor-Ethernetverbindung 30b an die zweite Paketvermittlungseinheit 26b gesendet. Beide Datenpakete 29a weisen eine gleiche Identifikationsnummer auf. Die Datenpakete 29b der Sensoren der zweiten Sensoranordnung 22b werden von der zweiten Sensoranordnung 22b mittels einer weiteren ersten Sensor- Ethernetverbindung 30c an die erste Paketvermittlungseinheit 26a gesendet. Die gleichen Datenpakete 29b werden von der zweiten Sensoranordnung 22b mittels einer weiteren zweiten Sensor-Ethernetverbindung 30d an die zweite Paketvermittlungseinheit 26b gesendet. Auch diese beiden Datenpakete 29b weisen eine gleiche Identifikationsnummer auf, die sich aber von der Identifikationsnummer der beiden Datenpakete 29a unterscheidet, die über die erste Sensor- Ethernetverbindung gesendet werden. Aufeinanderfolgende Datenpakete unterschiedlicher Sensoren oder der gleichen Sensoren mit unterschiedlichen Sensordaten weisen ebenfalls unterschiedliche Identifikationsnummern auf.

D.h., für einen Zeitpunkt, in dem die Sensoren Sensordaten erfassen, werden pro Sensor-Ethernetverbindung drei Datenpakete übertragen. Die in Summe sechs Datenpakete weisen jeweils unterschiedliche Identifikationsnummern auf. Stellen die Sensoren 24 die Datenpakete selbst bereit, wird jeder der Sensoren mit einer ersten Sensor-Ethernetverbindung an die erste Paketvermittlungseinheit und mit einer zweiten Sensor-Ethernetverbindung an die zweite Paketvermittlungseinheit angeschlossen.

Die beiden Paketvermittlungseinheiten 26 puffern die Datenpakete. Die erste Paketvermittlungseinheit 26a sendet die empfangenen Datenpakete 29a, 29b, typischerweise sequentiell, also nacheinander, übereine erste Empfänger- Ethernetverbindung 32a an den Signalempfänger 28. Die zweite Paketvermittlungseinheit 26b sendet die empfangenen Datenpakete 29a, 29b, typischerweise sequentiell, also nacheinander, über eine zweite Empfänger- Ethernetverbindung 32b an den Signalempfänger 28. Treffen zwei Datenpakete mit der gleichen Identifikationsnummer bei dem Signalempfänger 28 ein, verwirft der Signalempfänger 28 eines dieser beiden Datenpakete, typischerweise das zuletzt eingetroffene Datenpaket.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der zur Datenübertragung verwendeten Protokolle anhand des ISO/OSI Schichtenmodells. Die Protokolle können in dem Sensor oder in der Sensoranordnung ablaufen bzw. auf Sensor und Sensoranordnung aufgeteilt sein. Auf der linken Seite ist der Sender, also der Sensor 24 bzw. die Sensoranordnung 22, dargestellt. Auf der rechten Seite der Signalempfänger 28.

In Schicht 7 (Applikationsschicht) des Senders, Block 34, werden die Sensordaten erhalten und digitalisiert. Hier wird ebenfalls, z.B. in einer zusätzlichen Instanz, das Datenpaket erzeugt. Hierzu wird ein (z.B. proprietäres) Protokoll verwendet, das sowohl die Sensordaten (d.h. das entsprechende elektrische Signal), als auch die Identifikationsnummer in das Datenpaket verpackt. Die Schichten 5 und 6 existieren bei IP-basierten Netzwerkprotokollen nicht. Bei Verwendung von UDP wird in Schicht 4 (Block 38) das Datenpaket in ein UDP Datagramm verpackt. Das UDP Datagramm wird in Schicht 3 (Block 40) in ein IP Paket verpackt. In Schicht 1 und 2 (Block 42a, 42b) wird das IP Paket mittels des Ethernet Protokolls zur Datenübertragung vorbereitet. Da das Datenpaket parallel über zwei verschiedene Leitungen gesendet wird, kann das IP Paket in Schicht 1 oder 2 dupliziert werden.

In anderen Systemen können aber basierend auf den Sensordaten bereits zwei Datenpakete erzeugt werden, so dass in Schicht 3 und 4 die beiden Datenpakete bereits parallel verarbeitet werden. Dies wird durch die gestrichelte Linie dargestellt, die die Blöcke 38 und 40 teilt. Dies wird hinsichtlich Fig. 3 nochmals erläutert. Das Ethernetpaket aus Block 42a wird über die erste Sensor-Ethernetverbindung und erste Empfänger-Ethernetverbindung 44 zu dem Signalempfänger 28 gesendet. Das Ethernetpaket aus Block 42b wird über die zweite Sensor-Ethernetverbindung und zweite Empfänger-Ethernetverbindung 46 zu dem Signalempfänger 28 gesendet. Innerhalb der Datenübertragungsstrecke sind die Paketvermittlungseinheiten angeordnet, aber hier nicht dargestellt.

Im Signalempfänger 28 durchlaufen die übertragenen Datenpakete die Schichten 1 bis 4 parallel (vgl. Blöcke 48a, 48b, 50a, 50b, 52a, 52b). In Schicht 7 (Block 56) werden die Sensordaten und die Identifikationsnummer unter Kenntnis des (proprietäre) Protokolls erhalten. Eintreffende Pakete, dessen Identifikationsnummer bereits in einem Datenpaket enthalten war, können dort verworfen werden, bevor die Signalverarbeitung Zugriff auf die Sensordaten erhält.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des Sendevorgangs von dem Sender, also dem Sensor 24 oder der Sensoranordnung 22, zu dem Signalempfänger 28. Das sensorische Material des Sensors nimmt die Sensordaten 58 auf. Diese werden, zusammen mit der Identifikationsnummer, in einem UDP Datagramm 60 gekapselt und weiter zu einem IP-Stapel verpackt. Der IP-Stapel wird dupliziert und der (erste) IP-Stapel 61a einer ersten Netzwerkkarte 62a und der (zweite) IP-Stapel 61b einer zweiten Netzwerkkarte 62b übergeben. Eine Alternative ist in Fig. 3 gestrichelt dargestellt. Hier wird nicht erst der IP-Stapel dupliziert sondern bereits die Sensordaten. So können die Sensordaten z.B. direkt im Sensor oder einer entsprechenden nachgelagerten Recheneinheit digitalisiert und dupliziert werden. Es liegen dann (insbesondere digitalisierte) Sensordaten 58, 58' vor, die jeweils in ein UDP-Datagramm 60, 60' gekapselt und zu einem IP-Stapel 61a, 61' verpackt werden. Der (erste) IP-Stapel 61a wird an die erste Netzwerkkarte 62a und der (zweite) IP-Stapel 61' an die zweite Netzwerkkarte 62b übergeben.

Der erste IP Stapel 61a, in dem das Datenpaket enthalten ist, wird mittels einer ersten Netzwerkkarte 62a über die erste Sensor-Ethernetverbindung 30a sowie die erste Empfänger-Ethernetverbindung 32a zu einer ersten Netzwerkkarte 64a des Signalempfängers geleitet. Auf dieser Strecke findet eine physikalische Datenübertragung statt, in der z.B. auch die erste Paketvermittlungseinheit die Datenpakete puffert und weiterleitet (hier nicht gezeigt).

Analog wird der zweite IP Stapel (61b, 61‘), in dem das Datenpaket enthalten ist, mittels einer zweiten Netzwerkkarte 62b über die zweite Sensor-Ethernetverbindung 30b sowie die zweite Empfänger-Ethernetverbindung 32b zu einer zweiten Netzwerkkarte 64b des Signalempfängers geleitet. Diese Strecke ist ebenso eine physikalische Datenübertragungsstrecke, in derz.B. auch die zweite Paketvermittlungseinheit die Datenpakete puffert und weiterleitet (hier nicht gezeigt).

Der empfangene erste IP-Stapel 61a und der empfangene zweite IP-Stapel 62a werden entpackt um an das erste und das zweite UDP-Diagramm 60a, 60b zu gelangen. Wird bei der Paketverarbeitung festgestellt, dass ein empfangenes Datenpaket 29b eine Identifikation aufweist, zu der bereits ein Datenpaket 29a eingetroffen ist, wird dieses redundante Paket 29b verworfen (angedeutet durch das „X“ in Fig. 3). Die Sensordaten 58 aus dem zuerst eingetroffenen Datenpaket 29a werden der Signalverarbeitung des Empfängers 28 zugeführt.

Die offenbarten Sensoren können (Wasser-) Schallwandler sein. Diese sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln.

Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und - Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Bezugszeichenliste:

20 Wasserfahrzeug 22 Sensoranordnung 24 Sensor

26 Paketvermittlungseinheit

28 Signalempfänger

29 Datenpakete

30 Sensor-Ethernetverbindung 32 Empfänger-Ethernetverbindung

34-56 Blöcke 58 Sensordaten

60 UDP Datagramm

61 IP-Stapel 62 Netzwerkkarte des Senders

64 Netzwerkkarte des Empfängers