U-Jagd ist ein hochkomplexes Geschäft. Um an der technischen Spitze zu bleiben, entwickelt die WTD 71 einen Demonstrator für die moderne Sonarleistungsanalyse.
Bei der U-Jagd und bei der Ermittlung der Verratsreichweite eigener U-Boote gegen eine mögliche gegnerische Ortung ist die Sonarleistungsanalyse ein wichtiges Werkzeug. Sie prognostiziert, wie zuverlässig und bis zu welcher Entfernung ein potenzielles Unterwasserziel durch ein aktives oder passives Sonarsystem entdeckt werden kann.
Im Fall eines aktiven Sonarsystems wird ein Sonarping mit einem bestimmten Quellpegel ausgesendet. Er durchläuft das Wasser und verliert dabei aufgrund verschiedener Ausbreitungseffekte an Intensität, es kommt zu einem Ausbreitungsverlust. Nach der Reflexion am Ziel, beschrieben durch[ds_preview] das Zielmaß, und einem weiteren Ausbreitungsverlust auf dem Weg zum Empfänger kommt der Ping dort als Zielecho an. Die Detektion dieses Zielechos wird durch zeitgleich ankommende Reflexionen des Sonarpings von Meeresoberfläche und -boden (Nachhall) sowie durch Umgebungs- und Eigengeräusche erschwert. Die Stärke von Zielecho und Nachhall ist abhängig von der Schallausbreitung in der jeweiligen Umgebung. Sie wird unter anderem durch das Schallgeschwindigkeitsprofil, dem Verlauf der Schallgeschwindigkeit über der Tiefe, und die Eigenschaften von Meeresboden (Wassertiefe, Sedimenttypen) und Meeresoberfläche (Wellenhöhe, Blaseneintrag) beeinflusst. Zur Berechnung der Schallausbreitung existieren verschiedene numerische Modellansätze.
Bistatische U-Jagd mit zwei Fregatten Grafiken: Bw/WTD 71
Für die Sonarleistungsanalyse in der Bundeswehr kommt in der eingeführten Software MOnte CArlo SchallStrahlen INtensitäten (Mocassin) als Hauptrechenkern ein Schallstrahlenmodell, ergänzt durch stochastische und empirische, auf zahlreichen Messungen beruhenden Komponenten, zur Anwendung. Das in über 30-jährigem Einsatz bewährte Mocassin wird auf den Fregatten der Klassen 123 und 124 sowie auf den deutschen U-Booten und dem Seefernaufklärer P-3C Orion verwendet. Daneben wird es für die Planung von Übungen und Einsätzen und auch für die darauf folgende Auswertung genutzt. Es wurde ursprünglich an der Forschungsanstalt der Bundeswehr für Wasserschall und Geophysik entwickelt und wird nach der Zusammenlegung mit der WTD 71 dort kontinuierlich weiter verbessert.
Das Modell arbeitet in den Dimensionen horizontale Entfernung und Tiefe. In dieser Ebene werden ausgehend vom Sonar eine Vielzahl an Schallstrahlen und deren Beiträge zur Schallintensität berechnet. Nicht in Modellparametern erfassbare zeitliche und räumliche Fluktuationen in den Umgebungsdaten werden dabei durch kleine zufällige Änderungen des Schallstrahlverlaufs simuliert. Eine solche Kombination einer sehr großen Anzahl an Einzelrechnungen mit einer Zufallskomponente wird in Anspielung an den durch seine Spielbank bekannten Stadtbezirk von Monaco als Monte-Carlo-Simulation bezeichnet. Zusätzlich kommen noch empirische Komponenten hinzu, beispielsweise für den Einfluss der Luftblasen, die durch die Wellenbewegung nahe der Wasseroberfläche entstehen.
Prinzip der Sonarleistungsanalyse
Moderne U-Jagd findet heutzutage im Verbund statt. Ein oder mehrere Sender kooperieren mit einem oder mehreren Empfängern. Dabei kommen neben Bord- und Schleppsonaren auch Sonobojen und Helikopter mit Tauchsonaren zum Einsatz. Befinden sich Sender und Empfänger an unterschiedlichen Orten, spricht man von einem bistatischen Szenario. Ein Vorteil dabei ist, dass die Position des bistatischen Empfängers dem gegnerischen U-Boot unbekannt ist, und es seine Ausrichtung nicht im Hinblick auf den Empfänger optimieren kann.
Diese neuen Verfahren erfordern umfangreiche Anpassungen und Erweiterungen der bisherigen Sonardatenverarbeitung, sowohl in Bezug auf die Technik als auch bei den verwendeten Algorithmen. Zu dieser Entwicklung hat die WTD 71 entscheidend beigetragen, insbesondere mit dem New National Basis System Low Frequency Active Sonar, das bis heute an Bord des Forschungsschiffs Planet als bistatischer Sonarsender und -empfänger erprobt wird. Diese Funktionalität und die Algorithmen der WTD 71werden in naher Zukunft auf den Fregatten 123B und 126 eingerüstet werden.
Zur Unterstützung dieser modernen bistatischen U-Jagd müssen auch die Sonarvorhersagemodelle bistatisch arbeiten können. In Mocassin können jedoch nur monostatische Szenarien simuliert werden, bei denen der Empfänger am Ort des Senders ist. Im Rahmen des Forschungsprogramms der WTD 71 wird daher untersucht, wie die Zukunft der Sonarleistungsanalyse in der Bundeswehr aussehen kann.
Für eine Kombination aus Sender, Ziel und Empfänger muss in einem bistatischen Szenario die Schallausbreitung in zwei unterschiedlichen Ebenen berechnet werden, vom Sender zum Ziel und vom Ziel zum Empfänger. Im Allgemeinen ist die Position des Ziels jedoch nicht bekannt, und Ergebnisse für alle möglichen Zielpositionen (und -tiefen) in einem Gebiet sind gesucht. Deshalb wird eine Vielzahl von 2D-Rechnungen fächerförmig um den Sender und um den Empfänger ausgeführt. Dabei nutzt man das Prinzip der Reziprozität, das besagt, dass man statt vom Ziel zum Empfänger auch vom Empfänger zum Ziel rechnen kann. Diese beiden Fächer aus 2D-Rechnungen müssen dann auf ein gemeinsames Ergebnisgitter interpoliert und – unter Berücksichtigung des Zielmaßes – miteinander verknüpft werden.
An diesem Prinzip lässt sich bereits erkennen, dass vieles aus der monostatischen Modellierung übernommen werden kann. Neben der eigentlichen Simulation der Schallausbreitung in den 2D-Rechenebenen sind das auch Elemente wie die Aufbereitung der Eingabe- und Umgebungsparameter oder teilweise auch die Weiterverarbeitung der Ergebnisse gemäß den Sonargleichungen. Daher war der erste Schritt hin zu einem bistatischen Modell die Modernisierung und Modularisierung des alten, erprobten Modellkerns. Aus einem Bandwurmcode in der Programmiersprache Fortran wurde moderner objektorientierter Code in C++. Dieser modernisierte Rechenkern wird Extended Modularized Mocassin Implementation (Emmi) genannt.
Die Modularität bietet weitere Vorteile wie ein einfaches Update einzelner Komponenten oder die Verwendung von verschiedenen Alternativen für eine Komponente. Auch die Realisierung von Schnittstellen zu anderer Software oder zu Netzwerken wird erleichtert. Durch Parallelisierung beim Raytracing und bei der Berechnung mehrerer 2D-Ebenen konnte zudem die Rechenzeit verkürzt werden.
Neben der Modularisierung und Modernisierung des Simulationscodes sind auch Erweiterungen der bisherigen Modelle um neue physikalische Ansätze erforderlich. Insbesondere betrifft das die Streumodelle, und zwar sowohl die Streuung am Ziel – also das Zielmaß – als auch die Streuung an Grenzflächen beim Nachhall. In den bisherigen monostatischen Szenarien waren Modelle nur für die Rückstreuung ausreichend. Diese kann vereinfachend bereits direkt in den 2D-Rechnungen berücksichtigt werden. In einem bistatischen Szenario hängt die relevante Streurichtung von der Position des Ziels, also des Grenzflächenelements ab. Daher wird jetzt der volle Streukern benötigt. Er kann erst nachträglich mit den Ergebnissen der 2D-Rechnungen verknüpft werden. Um das zu ermöglichen, können daher in Emmi winkelabhängige differentielle Ausbreitungsfaktoren gespeichert und verarbeitet werden.
Prinzip der Berechnung des Schallausbreitungsverlusts in fächerförmig um Sender und Empfänger angeordneten 2D-Rechenebenen
Es geht aber nicht nur um die numerische Modellierung mit Emmi. Für die Sonarleistungsanalyse müssen die Ergebnisse einem Benutzer zugänglich gemacht werden. Die bisherige Mocassin-Bedienoberfläche ist nicht mehr erweiter- oder anpassbar. Eine Nutzung von Emmi wäre hier nur mittels der vorhandenen Schnittstellen über Ein- und Ausgabedateien möglich. Zudem sind multistatische Szenarien in der Mocassin-Oberfläche ohnehin nicht vorgesehen. Deshalb wurde entschieden, den komplett neuen Demonstrator Emmi for Sonar Performance Prediction (EMMI4SPP) für eine Anwendung zur Analyse und Planung multistatischer Szenarien aufzusetzen. Das erlaubt zudem, verschiedene Konzepte zur grafischen Darstellung und zur Anbindung an unterschiedliche Datenbanken zu untersuchen.
Screenshot des Demonstrators EMMI4SPP mit einer Vorhersage der bistatischen Entdeckungswahrscheinlichkeit
in einem fiktiven Szenario
Die Wahl fiel auf einen webbasierten Ansatz mit einer Client-Server-Architektur. Die Anwenderoberfläche läuft dabei in einem Webbrowser, der auf einem einfachen Client verwendet werden kann, auch auf einem Tablet oder Smartphone. Die eigentlichen Rechnungen finden auf einem leistungsstarken Modellserver statt. Ein Datenbankserver stellt die Umgebungsdatenbank zur Verfügung, und ein Tileserver ermöglicht die Darstellung von Karten und Overlays, ohne dass eine Internetverbindung erforderlich ist. Die Umgebungsdatenbank und die Kartendarstellung wurden zunächst mit Hilfe von frei verfügbaren Daten von EMODnet, Copernicus und OpenStreetMap als PostgreSQL/PostGIS-Datenbank realisiert. Alternativ kann hier auch die umfangreiche Datenbank OceanAccess der Bundeswehr zum Einsatz kommen.
Die derzeitige erste Basisversion des Demonstrators startet in einer Kartendarstellung mit verschiedenen auswählbaren Optionen für die Basiskarte und die zusätzlich angezeigten Overlays. Der Nutzer platziert durch Rechtsklick eine Einheit in der Karte und konfiguriert dabei die gewünschten Sonarparameter. Automatisch werden die Bathymetrie (Tiefe und Verlauf des Meeresbodens), der Bodentyp und das Schallgeschwindigkeitsprofil aus der Datenbank gelesen und angezeigt und die Berechnung der fächerförmig angeordneten 2D-Schallausbreitungsfaktoren gestartet. Das Ergebnis wird in der Kartendarstellung als Farbverlauf aus der Vogelperspektive angezeigt. Dabei wird die dargestellte Tiefe über einen Slider ausgewählt. Weitere Optionen, wie die Anzahl der berechneten Ausbreitungsrichtungen und das Zielmaß, können in einem separaten Tab konfiguriert werden. Es kann zwischen einer Darstellung von Ausbreitungsverlust, monostatischem Signalüberschuss und monostatischer Entdeckungswahrscheinlichkeit gewählt werden. Auf einem zusätzlichen Tab erfolgt eine Darstellung über Entfernung und Tiefe für eine auswählbare Zielrichtung. Nachdem mehrere Einheiten auf diese Weise platziert wurden, können zwei davon zu einem bistatischen Paar verknüpft werden, was im Hintergrund die Berechnung der bistatischen Ergebnisse für Ausbreitungsverlust, Signalüberschuss und Entdeckungswahrscheinlichkeit anstößt. Auch dieses Ergebnis wird im Überlappbereich der monostatischen Ergebnisse in der Karte farbig dargestellt. Die einzelnen Ergebnisse lassen sich über Slider ein- und ausblenden. Es gibt keine grundsätzliche Limitierung für die Anzahl an Einheiten oder bistatischen Paaren.
Der Demonstrator EMMI4SPP zeigt, wie eine bistatische Sonarleistungsanalyse auf Basis von Emmi prinzipiell bedient und dargestellt werden kann. Dies kann als Grundlage für einen Nachfolger von Mocassin dienen. Darauf aufbauend sollen mit Emmi als modularem, leistungsfähigem Rechenkern auch weitere Anwendungsfälle zunächst als Demonstrator oder Studie realisiert werden. Ein Beispiel dafür ist ein Missionsplaner für den Unterwasserseekrieg, der dann auch Entdeckungswahrscheinlichkeiten in dynamischen Szenarien darstellen und kontinuierlich neu berechnen kann und bei der optimalen Platzierung der Ressourcen unterstützt. Ein anderes Beispiel ist die Integration von kontinuierlich erzeugten Emmi-Ergebnissen in eine Darstellung direkt im Führungs- und Waffeneinsatzsystem, die es erlaubt zu beurteilen, ob ein gefundener Zielkontakt aufgrund der zu erwartenden Entdeckungswahrscheinlichkeiten überhaupt gültig sein kann.
Durch diese und andere Arbeiten im Rahmen des Forschungsprogramms leistet die WTD 71 einen Beitrag zum Aufbau, Ausbau und Erhalt einer erforderlichen Analyse- und Bewertungsfähigkeit und zur technologischen Vorbereitung erforderlicher, geplanter Fähigkeiten der Bundeswehr im maritimen Themenbereich.
Technische Oberregierungsrätin Dr. rer. nat. Alexandra Schäfke ist Mitarbeiterin der Wehrtechnischen Dienststelle 71.
Alexandra Schäfke
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