DE1934960C3

DE1934960C3 - Verfahren und Anordnung zum genauen Orten von Punkten

Info

Publication number: DE1934960C3
Application number: DE1934960A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 3000 Hannover Sender
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1969-07-10
Filing date: 1969-07-10
Publication date: 1979-01-25
Also published as: DE1934960A1; CA950570A; DE1934960B2; US3715758A

Description

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Eine genaue Ortung, bei der das Ergebnis eine Genauigkeit in einer Größenordnung von ±20m und besser aufweist, ist für Bohrinseln und Seezeichen z. Zt. noch mil sehr großen Kosten und Schwierigkeiten verbunden. Dies liegt daran, daß bei Entfernungen, die über die Sichtweite hinausgehen, nur elektromagnetische Wellen mit geeigneten Ausbreitungsbedingungen und entsprechend aufwendigen Einrichtungen zum Aussenden und zum Empfang solcher Wellen infrage kommen. Es gibt zwar Verfahren, die mit quasi-optischen Wellen unter Zuhilfenahme eines hochfliegenden Flugzeuges als Relaisstation arbeiten. Derartige Systeme sind z. B. unter den Namen »Hiran« und »Aerodist« bekanntgeworden. Für diese Verfahren ist jedoch ein erheblicher Aufwand an Einrichtungen für die Ausrüstung des Flugzeugs und ein noch größerer Aufwand für die Bodenstationen erforderlich. Der Einsatz dieser Verfahren ist daher für viele Fälle trotz der erzielbaren, recht hohen Genauigkeit zu kostspielig. Die zuerst genannten Verfahren, die mit der Erdkrümmung folgenden elektromagnetischen Wellen arbeiten, erfordern neben dem recht großen Bordaufwand Trägerfrequenzen in einem bestimmten Bereich, in dem eine große Oberbelegung herrscht, so daß kaum noch neue Lizenzen für die zum Betrieb erforderlichen Trägerfrequenzen zu erhalten sind.

Aus diesen Gründen versuchte man sich bisher an vorhandene, fest installierte Navigationssysteme zu halten, soweit dies noch vertretbar erschien. Diese vorhandenen Navigationssysteme sind jedoch vorwiegend für den Bedarf der normalen See- und Luftfahrt eingerichtet, für die eine Genauigkeit von ca. 1 Seemeile (etwa 135 km) ausreicht Um die eingangs erwähnte Größenordnung von ± 20 m zu erreichen, müßten die bestehenden Systeme .nit einem erheblichen Kostenaufwand verbessert und erweitert werden. Da der Großteil der Benutzer keinen Wert auf größere Genauigkeit legt, sofern damit höhere Kosten verbunden wären, müßten die Verbesserungen und Erweiterungen von den sehr wenigen, daran interessierten Unternehmen getragen werden. Aus diesem Grunde erweist es sich auch heute noch meistens als wirtschaftlicher, zur genauen Ortung in begrenzten Gebieten eigene Navigationsketten als feiste (z. B. Decca) oder teilweise auch nicht fest installierte (z. B. Decca-HiFix) Systeme einzurichten.

Die Systeme arbeiten zwar mit großer Genauigkeit, jedoch überdecken sie wegen ihrer keinen Reichweite jeweils nur einen kleinen Teil der interessierenden Erdoberfläche. Ferner bereitet in diesen Fällen neben der Schwierigkeit, geeignete freie Trägerfrequenzen zu beschaffen, der Betrieb der Sendestationen an der Küste die größten Kosten, wobei die einzelnen Stationen dieser Navigationsketten zur Erzielung der gewünschten Genauigkeit der Ortung synchronisiert sein müssen.

Zu diesem Stand der Technik gehört beispielsweise ein durch die DE-AS 12 14 754 bekanntes Verfahren, bei welchem mit einem eigens installierten Navigationssystem gearbeitet wird. Zur Synchronisation werden dabei entweder jeder Station einzelne, geneue Zeitnormale zugeordnet, oder es werden alle Zeitnormale von einer Zentrale aus synchronisiert Während im ersten Fall sämtliche Stationen mit Atomuhren ausgerüstet sein müssen, werden in zweiten Fall nur bei den Empfängern Atomuhren benötigt, während bei den Sendern quarzgesteuerte Generatoren als Zeitnormale verwendet werden können. Die mit diesem bekannten Verfahren erzielbare Genauigkeit bei der Entfernungsmessung beträgt jedoch selbst dann nur 3 km, wenn bei jedem Sender und jedem Empfänger eine Atomuhr vorgesehen ist

Auch ein durch die DE-AS 12 73 623 bekanntes Funknavigationsgerät arbeitet grundsätzlich nach diesem Verfahren. Ein gewisser Unterschied besteht lediglich darin, daß das bekannte Funknavigationsgerät durch Verbindung mit vier oder mehr bodenfesten

Stationen eine höhere Genauigkeit als das zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht, bei welchem mit höchstens 3 Bodenstationen gearbeitet werden kann. Dieser Vorteil erfordert jedoch einen entsprechend höheren technischen und finanziellen Aufwand.

Bei einem weiteren, durch die GB-PS 8 93 401 bekannten Ortungssystem, welches ebenfalls mit synchronisierten Sendern und Empfängern arbeitet, bestehen im wesentlichen die gleichen Schwierigkeiten und Nachteile. ι ο

Die bei den bekannten Verfahren und Anordnungen mit unterschiedlichen Rechenverfahren ermittelten Korrekturwerte dienen nämlich nur dazu, trotz der vorgesehenen Synchronisierung die Gangunterschiede der in den einzelnen Stationen verwendeten Zeitnorma- ι s Ie zu ermitteln und mit Hilfe dieser Korrekturwerte die Entfernungsfehler der gemessenen scheinbaren Entfernung vorzeichenrichtig zur tatsächlichen Entfernung zu addieren und gegebenenfalls die Synchronisierung nachzuregeln.

Durch die US-PS 25 13 319 ist auch ein Ortungsverfahren bekannt, bei welchem mit zwar bereits vorhandenen, jedoch nicht synchronisierten Eündestationen gearbeitet wird. Die fehlende Synchronisation wird dabei durch eine im Ortungsgebiet fest installierte Relaisstation kompensiert, die von ihrem bekannten Standort Phasenkorrekturwerte zur beweglichen Station überträgt

Dieses bekannte Verfahren ist aber nur für eine Ortung nach Hyperbelkoordinaten geeignet, weil dabei nur Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Sendestationen gemessen werden können. Da für die Messung der Phasendifferenzen Schwebungen zwischen jeweils zwei Sendestationen erzeugt werden müssen, kann dieses bekannte Verfahren nur in einem Gebiet eingesetzt werden, in dem wenigsten drei Sendestationen in geeigneter Anordnung vorhanden sind, welche Hochfrequenzschwingungen mit verhältnismäßig nahe beieinander liegenden Frequenzen abstrahlen.

Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, mit der vor allem innerhalb eines Meeresgebietes Punkte, insbesondere Bohrinseln, Seezeichen und dergU mit einer Genauigkeit von mindestens ±20 m geortet werden können. Neben dem bereits genannten Zweck können ein solches Verfahren und eine dazugehörende Anordnung auch als Navigationshilismittel oder zur Ortung von Punkten in Landgebieten benutzt werden. Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung sollen die geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile mit einem möglichst geringen finanziellen Aufwand umgehen.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, weitcstgehend Gebrauch von bereits vorhandenen Einrichtungen zu machen, weiche Trägerfrequenzen abgeben, die auf Grund zusätzlicher Information beim Empfang derart korrigiert werden, daß für die Ortung die gewünschte Genauigkeit erzielt werden kann.

Zu diesem Zweck geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum genauen Orten von Punkten, die im Bereich einer Mehrzahl von Sendestationen liegen, deren von quarznormalen gesteuerte Hochfrequenzschwingungen im wesentlichen ständig gesendet werden, unter Verwendung einer ortsveränderlichen Empfangsstation, in der die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen zur Erzielung von Laufzeitwerte kennzeichnenden Signalen mit solchen von Schwingungen verglichen werden, die von einem Atomfrequenznormal abgeleitet sind.

Ein solches Verfahren ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlender Synchronisation zwischen den Sendeistationen auch an einer zweiten im Empfangsbereich der Sendestationen liegenden, ortsfesten Empfangsstation die von den Sendestationen gesendeten Hochfreq|uenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen mit solchen von entsprechenden Schwingungen verglichen werden und aus den erhaltenen Werten Korrekturwerte ermittelt und an die ortsveränderliche Empfangsstation übertragen werden, in welcher sie mit den in dieser Empfangsstation abgeleiteten Signalen zum Ausgleich des auf der fehlenden Synchronisation der Sendestationen beruhenden Fehlers kombiniert werden, wobei die Vergleichsschwingungen in beiden Empfangsstationen von übereinstimmenden Atomfrequerunormalen abgeleitet werden.

Eine zur Ausführung dieses Verfahrens besonders geeignete, auch für ein Hyperbelsjr'üm vorteilhafte Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch rrekennzeichnet, daß eine mit der als Bezugsstation aufgestellten ortsfesten Empfangsstation zur Übertragung der Korrekturwerte verbundene Sendeeinrichtung mit einer vom Atomfrequenznormal der ortsfesten Empfangsstation gesteuerten Trägerfrequenz arbeitet, die gleichzeitig bezüglich der ortsveränderlichen Empfangsstation die Stelle einer der Sendestationen einnimmt

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Abweichungen der Hochfrequenzschwingungen der einzelnen Sendestationen von einer von einem Atomfrequenznormal bestimmten Schwingung festgestellt und daraus die Laufzeitwerte zu den einzelnen Sendestationen gesondert ermittelt werden. Die von den nicht synchronisierten Sendestationen empfangenen Trägerschwingungen bilden somit unmittelbar ein sehr genaues Maß für die tatsächliche Entfernung zu den jeweiligen Stationen.

Dies wird im wesentlichen dadurch gewährleistet, daß bei ci?r Erfindung für den Meßvorgang eine Bezugsstation im Empfangsbereich der Sendestationen, beispielsweise an einer günstigen Stelle einer ein Mecresgebiet begrenzenden Küste errichtet wird. Diese Bezugsstation empfängt alle in !Frage kommenden Sendestationen und vergleicht ihre jeweilige Trägerfrequenz und Phase mit einer theoretisch gleichen, von dem Atomfrequenznormal abgeleiteten Frequenz. Praktisch wird die Abweichung dieser Werte, die durch die Quarzsteuerung der Trägerfrequenzen verursacht ist, von den durch Atomfrequenznormalsteuerung erzielbaren Werten ermittelt. Die Stabilität von Quarzoszillatoren ist jedoch über kurze Zeiträume, z. B. über einige Minuten, genauso gut, wie die von Atomfrequenznormalen. Daher ist eine Änderung von Frequenz- und Phastndifferenzen nur sehr langsam zu erwarten. Zur Weitergabe dieser Information an die bewegliche Empfangsstation ist deshalb kein großer Nachrichtenfluß erforderlich. V-;n der Bezugsstation zu dem oder den Meßfahrzeugen iiit daher ein einseitiger Nachrichtenkanal mit geringer Bandbreite vollkommen ausreichend, wobei auch die Laufzeit von ume"geordneter Bedeutung ist. Es genügt deshalb auch eine Raumwellenverbindung für diesen Zweck. Vorzugsweise kann die Bandbreite etwa der Größenordnung der Bandbreite eines Kanals zur Übertragung von Sprechfunk entsprechen.

Als Sendestationen sind solche geeignet, deren Trägerfrequenzen ständig vorhanden sind. Das ist normalerweise bei allen nach Ai und /tj amplitudenmodulierten Sendern gegeben. Ein Ausfall der Trägerfrequenz für einige 10 bis 100 ms, wie er bei 100% Modulationsspitzen in Ai auftreten kann, schadet dabei nicht. Funkfeuer mit Ai-Modulation sind jedoch ungeeignet.

Für eine theoretische Betrachtung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird von folgenden in Bezeichnungen Gebrauch gemacht:

Ti = 'He absolute Bezugszeit, auf die die Atomfrequenznormale eingestellt sind;

f., - =-= die auf die absolute Bezugszeit bezogene r,

Trägerfrequenz;

T_x — eine unbekannte Bezugszeit für die jeweilige Trägerfrequenz einer der beteiligten Sender:

fjr = ψ- — die auf die unbekannte Bezugszeit bezöge- >n

ne Trägerfrequenz eines beteiligten Senders;
Af = f_rr=f,; f„ = f₃-Afist die normierte Senderfrequenz, welche gleich /VrSein sollte.

Praktisch kann Af aber nie!'! in beliebig kleinen Schritten synthetisiert werden, so daß sich immer noch eine äußerst geringe zusätzliche Frequen7Hiffercp.z xq ergibt, welche soch durch den Quantisierungsfaktor q. d. h. die kleinstmögliche Frequenzstufung im Synthetisator ergibt. (x< 1).

Die normierte Senderfrequenz f„ weicht also noch um einen sehr geringen Betrag xq von /Vy ab. Da die Schwingungsdauer T_q=\lxq dann sehr groß ist, wird zweckmäßigerweise der Wert TqIT₃ in Zeitabschnitten t, r, welche klein gegen T_q sind, übertragen. Hierzu eignet sich vorzugsweise der momentane Phasendifferenzwert APh zwischen f„ und f_Tr, wie er leicht von einem Goniometer abgelesen, als auch einem Goniometer wieder aufaddiert werden kann. ji>

Zur eindeutigen Synthese der Trägerfrequenz sind also die Werte Af und APh bei einer ortsfesten Empfangsstation zu ermitteln und über eine Telemetriekette zum Fahrzeug zu übertragen, um dort wieder um eine eindeutige Frequenzsynthese zu ermöglichen. ^ >

T, wird von Atomfrequenznormalen abgeleitet, welche untereinander eine Gangdifferenz At₃ haben können, deren zeitliche Änderung df₃ sehr gering ist. Praktisch liegt Ut₁ z.B. bei 18ns/h. was einer Laufzeitänderung von 5 m/h entspricht. >n

Die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen vom Sender zur ortsfesten Empfangsstation ist konstant, so daß die dort ermittelte normierte Trägerfrequenz /„ eine von der jeweiligen Laufzeit abhängige, konstante Zeit, d. h. Phasendifferenz zu /„ hat.

Sofern die Frequenznormale beider Stationen übereinstimmen, also AI₁ Null ist, hat /„ auf der ortsveränderlichen Empfangsstation die gleiche feste Phasendifferenz zu /Vr, wie in der ortsfesten Empfangsstation. Dieser Wert kann rechnerisch oder empirisch für jede Stationsgeometrie ermittelt und als Konstante ins Fahrzeuggoniometer eingegeben werden. Dazu kommt jedoch eine positionsabhängige Laufzeit- bzw. Phasendifferenz für die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen vom Sender zur ortsveränderlichen Empfangsstation. Dieser Wert erscheint, nachdem f_n entsprechend phasenkorrigiert mit /Vr verglichen wird, als Phasendifferenz im ortsveränderlichen Goniometer bzw. als Vielfaches davon im Phasenzählwerk und entspricht der in Wellenlängen von fn ausgedrückten Entfernung ortsveränderliche Empfangsstation—Sender.

Weichen die Bezugszeiten T, der beiden Stationen um Al, voneinander ab, so differieren ebenfalls die Phasenlagen der auf der ortsveränderlichen Station gewonnenen normierten Sendefrequenzen /„ um Phasenwinkel, welche jeweils At, entsprechen. Bei Benutzung mehrerer Sender ist das A t, für alle Trägerfrequenzen /Vr gleich. Würde nun nur in Standlinien gleicher Laufzeitdifferenz geortet, wie es bei Hyperbelnavigation üblich ist, so würde AI₁, wegfallen, da es eine für alle Stationen gleiche Konstante darstellt. Bedingung ist allerdings, daß die Phasenwinkelmessun^en d^t sinze¹ nen Kanäle vor der Differenzbildung in Laufzeiten umgewandelt werden. Die Phasenmessung φ ist mit der Laufzeit t über die inverse Trägerfrequenz verkoppelt.

Diese Betrachtung zeigt, daß die jeweils an der Empfangsstation gemessene Laufzeit nur noch von dem Fehler der Atomfrequenznormalen abhängt. Dieser Fehler ist jedoch wesentlich geringer als der Fehler, der den Trägerfrequenzen der zur Messung herangezogenen Küstenstationen anhaftet. Unter Verwendung der in der ortsveränderlichen Empfangsstation abgeleiteten Größe at mehrere Küstenstationen ist es deshalb möglich, eine äußerst genaue Ortsbestimmung vorzunehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform beispielsweise dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten ortsfesten Empfangsstation,

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten ortsveränderlicher Empfangsstation,

Fig.4 eine vereinfachte Darstellung einer in der Einrichtungsteilen nach F i g. 2 und F i g. 3 verwendeter dynamischen Teilerkette,

F i g. 5 einen Impulsplan zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Einrichtung nach F i g. 4 und

Fig.6 ein Blockschaltbild eines in den Empfangsstationen der erfindungsgemäßen Einrichtung zu verwendenden Goniometers.

Bei der vereinfachten Darstellung nach F i g. 1 ist eine ortsveränderliche Empfangsstation mit E_v bezeLwnet Die Empfangsstation £Y kann z. B. an Bord eines Schiffe; angeordnet sein, das sich in einem Meeresgebiel befindet, das sich im Sendebereich von Stationen K\, K2 Ki usw. befindet. Es sind mindestens zwei Stationen K, erforderlich. Diese Stationen sind solche, die ihre Trägerfrequenzen ständig senden. Dabei ist ein Ausfal der Trägerfrequenz für einige 10 bis 100 msec, wie er be 100% Modulationsspitzen in A3 auftreten kann, unwesentlich. Außerdem wird im Sendebereich aller Stationen K_n, die für die Messung benutzt werden sollen, eine Empfangsstation Eo an einem Küstenpunkt für die Dauer der Messung fest aufgestellt Die Empfangsstation E₀ enthält sowohl einen Empfänger als auch einer Sender.

F i g. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einei ortsfest aufgestellten Empfangsstation E₀. Die Emp fangsstation E₀ weist ein Atomfrequenznormal 20 auf

welches die Normalfrequenz liefert. Der Teil 20 enthält außerdem einen speziellen Synthetisator, der im dargestellten Beispiel eine Frequenz von 8388608 MHz erzeugt, um eine Frequenzeingabe für eine nachgeschaltete dynamische Teiierkette 22 binär oder oktal direkt in ί 1-Hz-Stufen zu ermöglichen. Eine für die erfindungsgemäße Einrichtung vorzugsweise verwendete Teilerkette wirü .veiter unten anhand einer vereinfachten Darstellung erläutert. In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung besteht die Teilerkette 22 aus einem 31 stufigen binären Teiler. Die Teiierkette 22 weist zwei Ausgänge auf. die entsprechend der Anzahl der Küstcnstationcn K. mit denen die Einrichtung arbeitet, in nne entsprechende Anzahl von Anschlüssen ver zweigt sind, eoenso wie die Antenne 10, ^u da? für jede ι > Küstcnsiation die nachstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Ableitung der Korrekturwerte vorhanden sind.

von einer Frequenzeingabe 24 wird die nomineiie ^T-igerfrequenz digital in 1-Hz-Stufen vorgegeben. An .'< > die Fri-onenzeingabe 24 ist ein Paralleladdierer 26 angeschlossen, in welchem zur vorgewählten Frequenz ein in einem dF-Register 28 gespeicherter Wert addiert bzw. subtrahiert wird. Ein ι requenzwnhler 30 ist mit dem Summenausgang des Paralleladdierers 26 verbun- .'Ί den und erhält von diesem die tatsächlich zu erzeugende Frequenz und schaltet den entsprechenden Ausgang der Teilerkette 22 durch auf eine Vorrichtung 32, die als Teiler und Frequenz- und Phasenvergleicher arbeitet und die die von einem durch Spannung steuerbaren tu Os?.,lator (VCO) 34 erzeugte Frequenz synchronisiert.

Die Station enthält ferner ein Goniometer 36, das weiter unten noch ausführlich beschrieben wird und das eine 8-bit-Auflösung hat. Zwischen einem zum Goniometer 36 gehörenden Steuerregister 38 und einer in dem r. Teil 36 vorgesehenen Phasenschieberlogik ist ein Paralleladdierer 40 geschaltet, welcher gestattet, zu dem Augenblickswert des Steuerregisters 38 Phasenverschiebungswerte zu addieren bzw. zu subtrahieren.

Das Steuerregister 38 des Goniometers kann über w einen dF-Wähler 42, der mit einem Ausgang der Teilerkette 22 verbunden ist, noch Steuerimpulse wählbarer Frequenz erhalten. Das Steuerregister 38 ist ein umsteuerbarer Vor-Rückwärts-Zähler, so daß hiermit kleine Frequenzverschiebungen positiver oder >~> negativer Art vorgenommen werden können. Entsprechend der Auflösung des Goniometers handelt es sich um einen 8-bit-Zähler. Die Frequenzdifferenz beträgt deshalb bei Eingabe von ±256 Impulsen/sec entsprechend 360° /see oder 1 Hz. «ι

Über den dF-Wähler 42 wird die Frequenz in Feinstufung. d.h. z.B. unter 1 Hz in 1/512 Hz-Stufen gewählt. Hierbei schaltet der Wähler 42 vorwählbare Impulsfolgefrequenzen von der Teüerkette 22 auf den Eingang des Steuerregisters 38. ϊ5

An die Antenne 10 ist ein Empfänger 12 angeschlossen, mit dessen Ausgang ein Phasenvergleicher 44 verbunden ist, der außerdem an das Goniometer 36 angeschlossen ist. Der Phasenvergleicher 44 ermittelt eine Richtspannung aus der Phasendifferenz zwischen der über die Antenne 10 ankommenden Trägerwelle und der mittels des Oszillators 34 erzeugten und über das mit dem Oszillator verbundene Goniometer 36 phasengeschobenen, synthetisierten Frequenz. Die im Phasenvergleicher 44 erzeugte Richtspannung wird auf eine Steuerlogik 46 gegeben, welche so lange den Inhalt des dF-Registers 28 und eines dPh-Registers 48 beeinflußt, bis die Richtspannung, d. h. der Phasenfehler, Null wird.

Die dF- und dPh-Register 28 bzw. 48 sind ebenfalls umsteuerbare Vor-Rückwärts-Zähler. Das Register 28 enthält die Frequenzdifferenz zur nominellen, d. h. zur vorgewählten Frequenz und hat in einer praktischen Ausfuhrungsform eine Auflösung von 16 bit. Das dPh-Register 48 enthält die momentane Phasendifferenz zwischen der empfangenen Trägerfrequenz und der synthetisierten Frequenz und hat in einer praktischen Ausfuhrungsform mit 8 bit die gleiche Auflösung wie das Goniometer.

Die Steuerlogik 46 gibt zunächst bei vorhandener Fehlerspannung vom Phasenvergleicher 44 Impulse und Richtungsinformationen auf das dPh-Register 48, bis der Fehler Null wird. Überschreitet die Impulsfolge zur Korrektur der Phase einen gewissen Schwellenwert, welcher der kleinsten wählbaren Frequenzänderung in Grad/sec entspricht, im Beispiel 360/512 = ca. 0,7 Grad/ see, so erhält das dF-Register 28 so lange impulse entsprechender Zählrichtung, bis die Phasenlagenänderung pro Zeit durch entsprechende Frequenzkorrektur diesen Schwellenwert wieder unterschreitet.

Das Register 48 gibt die Phasendifferenzwerte über den Paralleladdierer 40 unmittelbar in das Goniometer ein. Das Register 28 gibt die Grobwerte, im Beispiel ab I Hz, über den Paralleladdierer 26 in den Frequenzwähler 30 und die Feinwerte unter 1 Hz in den dF-Wähler 42 ein, welcher eine entsprechende, von der Teilerkette 22 abgeleitete Taktfrequenz an das Steuerregister 38 durchschaltet.

Die in den Registern 28 und 48 vorhandenen Augenblickswerte stellen die momentane Phasen- und Frequenzabweichung der gewählten Trägerwelle der jeweiligen Küstenstation K dar und werden über einen Telemetriesender 72 an die ortsveränderliche Empfangsstation E, weitergegeben. Die eingerahmten Teile 20 und 22 sowie die Antenne und der Telemetriesender 72 werden bei Benutzung mehrerer Träger gemeinsam verwendet, während alle übrigen Teile in der gleichen Zahl, wie Trägerfrequenzen kontrolliert werden, vorhanden sein müssen. Dem Telemetriesender 72 ist eine Multiplexschaltung 70 vorgeschaltet, die mit den Ausgängen aller Register 28 und 48 in der Weise verbunden ist, daß diese Ausgänge in vorgegebener Reihenfolge abgefragt werden.

Fig. 3 zeigt die ortsveränderliche Empfangsstation, die zusammen mit einer Station nach F i g. 2 verwendet wird. Die Bestandteile der ortsveränderlichen Empfangsstation, die denjenigen der ortsfesten Station im wesentlichen gleichen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen unter Beifügung eines Apostrophs gekennzeichnet. Die in F i g. 3 eingerahmten Teile werden bei Benutzung mehrerer Träger gemeinsam verwendet, während alle übrigen Teile in der gleichen Zahl wie die zur Ortung verwendeten Trägerfrequenzen vorhanden sein müssen.

In Abänderung der ortsfesten Station ist zwischen dem Atomfrequenznormal 20' und der dynamischen Teilerkette 22' eine Aufdatierungseinheit 50 geschaltet, für die eine Eingabevorrichtung 52 vorgesehen ist Die Vorrichtungen 50 und 52 gestatten, die dynamische Teiierkette so zu beeinflussen, daß diese absolut synchron mit der Teilerkette 22 der ortsfesten Empfangsstation arbeitet. Die Eingabevorrichtung 52 kann entweder von Hand oder durch einen Navigationsrechner, der nicht dargestellt ist, eingestellt werden.

Arbeiten beide Teilerketten 22, 22' synchron, so ist eine Navigation odei Ortsbestimmung mittels direkter Entfernungen zu den gewählten Sendern möglich. Dabei

werden die Ortskoordinaten durch den Schnittpunkt zweier Radien bestimmt, welche die Entfernungen zu zwei Küstenstationen K darstellen. Dies ist die vorteilhafteste Art der Ortung oder Navigation; hierfür ist jedoch erforderlich, daß mindestens von einer zusätzlichen Küstenstation K eine Trägerwelle empfangen wird, um a'is der Redundanz die notwendige Information zur Aufdatierung der Teilerkette zu erhalten.

Mit mindestens drei Küstenstationen K könnte auch nach Hyperbelkoordinaten geortet werden, wobei nur die Laufzeitdifferenzen der einzelnen Stationen zueinander als Information benötigt werden, so daß in diesem Fall keine Aufdatierung der dynamischen Teilerkette erforderlich wäre. i>

Ein weiterer Unterschied der ortsveränderlichen Empfangsstation gegenüber der ortsfesten Empfangsstation besteht darin, daß die Register 28' und 48' nicht von einer Steuerlogik, sondern über die Telemetriekette mit den von der ortsfesten F.mnfanpsstalion ahae.aehenen Werten gesetzt werden. Hierzu dient ein Telemetrieempfänger 72, der mit einer Multiplexeinrichtung 70' verbunden ist, die ebenso wie die Teilerkette 22' entsprechend der Anzahl η der Küstenstationen K_n Ausgangspaare aufweist, wobei von jedem Ausgangs- .>·"> paar der eine Ausgang mit dem Register 28' und der andere mit dem Register 48' verbunden ist. Entsprechend sind die Ausgänge der Teilerkette 22' mit dem jeder Küstenstation zugeordneten Frequenzwähler 30' und df-Wähler 42' verbunden. in

Ferner ist in der ortsveränderlichen Empfangsstation zwischen dem Paralleladdierer 40' und dem Goniometer 36' ein weiterer Paralleladdierer 54 angeordnet. Dieser wird über die vom Phasenvergleicher 44' des Empfängers 12' kontrollierte Steuerlogik 56 und dem als r-Vor-Rückwärts-Zähler aufgebauten Phasenregister 58 so angesteuert, daß die Phasendifferenz im Phasenvergleicher 44' Null wird.

Es wird vorausgesetzt, daß die Register 28' und 48' sowie die Frequenzeingabe 24' auf der ortsverändcxli· Eichen Empfangsstation die gleichen Eingabewerte wie die entsprechenden Teile der ortsfesten Empfangsstation erhalten. Dann kann, wenn auch die dynamischen Teilerketten 22 und 22' nach aus einem Navigationsrechner gewonnenen Informationen synchron arbeiten, ■>> über das Phasenregister 58 und einen Standlinienzähler 60 eine direkte Entfernungsinformation zur jeweiligen Küstenstation gewonnen werden. Fehlt eine Aufdatierungsinformation für die dynamischen Teilerketten, so kann lediglich die Laufzeitdifferenz der ortsveränderli- >:> chen und der ortsfesten Empfangsstation untereinander ermittelt werden unter der Voraussetzung, daß die Teilerketten 22 bzw. 22' in der ortsfesten und der ortsveränderlichen Empfangsstation für alle Träger die gleichen sind. «

Zur Erläuterung der Funktion der Teile 20 und 22 bzw. 20' und 22' wird auf die Fig.4 und 5 bezug genommen. Übliche Atomfrequenznormale liefern im allgemeinen nur Standardfrequenzen von 0,1, t,0 und 5 MHz. Hiervon müssen die in der erfindungsgemäßen t>o Einrichtung benötigten Frequenzen kohärent abgeleitet werden. Dies wird mittels Frequenzsynthese erreicht Es gibt zu diesem Zweck bekannte Synthesetechniken und handelsübliche Geräte dazu. Diese bekannten Geräte sind verhältnismäßig aufwendig, besonders mit Bezug auf Resonanz- und Filterkreise, welche noch nicht der integrierten Technik genügend zugänglich sind. Aus diesem Grund wird in der erfindungsgemäßen Einrichtung ein neues, weitgehend in integrierten Schaltelementen zu verwirklichendes und damit sehr raumsparendes System verwendet, welches besonders den Erfordernissen einer Ortungs- und Navigationseinrichtuing gerecht wird.

Einen wesentlichen Teil dieses Systems bildet eine in Fig.4 schematisch dargestellte Vorrichtung, die als digitaler dynamischer Multiplizierer angesehen werden kann. In dieser Vorrichtung wird eine Normalfrequenz /o durch eine Kette von Flip-Flop-Teilerstufen Fl > FS jeweils halbiert. Die Vorrichtung nach Fig.5 zeigt nur fünf Teilerstufen, um die Erläuterung zu vereinfachen. Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 2 und 3 in einer praktischen Ausführungsform 31 stufige binäre Teiler aufweist. Die Teilerstufen Fi-FS liefern an die Schalterausgänge 5Il >55 über die Differenzglieder D1-D5 Impulsfolgen von k/2; /0/4; /Ö/8; /0/16; /b/32. Bei richtiger Auskopplung stehen, wie aus F i g. 4 ersichtlich, niemals zwei Impulse gleichzeitig am Summierglied. selbst wenn alle Schalter 51 — 55 geschlossen wären. Die Impulsfol ge am Ausgang des Summiergliedes besteht jeweils aus der Summe der von den geschlossenen Schaltern gelieferten l/2"-Anteilen von io. wobei π der jeweiligen Ordnungszahl der Teilerstufe entspricht. Sind z. B. Schalter 51 und 52 geschlossen, so steht am Ausgang eine Impulsfolge von fo/2 + /Ό/4 = 3/4/0. Sind Schalter S 1, S'A und 54 geschlossen, so ergibt sich 13/16Ao. und bei geschlossenen Schaltern 5 2, 53 und 55 entsprechend 13'32/o. Durch geeignete Kombination der Schalterstellungen und bei genügend langer Teilerkette kann man einen beliebigen Bruchteil von /ö als Impulsfolge wählen. Der Multiplikationsfakior ist allerdings stets kleiner als 1.

Die oberste Reihe der F i g. 5 zeigt die Frequenz f_lt; die darunterliegenden Reihen 1 —V zeigen Frequenzen, die jeweils durch Teilen mit einer der Randziffer entsprechenden Potenz von 2 aus der Grundfrequenz /J₁ abgeleitet worden sind. Ii bis \=, in den darunterliegenden fünf Zeilen sind die Darstellungen der Frequenzen der Reihen I —V als Impulsfolgen, die an den Schaltern 5 Ii — 55 auftreten. Die darunterliegenden drei Reihen zeigen spezielle Impulsfolgen bei Schließung Destimmter, in den Reihen jeweils angegebener Schalter entsprechend den vorstehend besprochenen Beispielen.

Es empfiehlt sich, die Phaseninformation in Gestalt digitaler Ausgangswerte abzuleiten. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine digitale Phasenvergleichsmethode angewendet. Es sind eine Reihe von Einrichtungen für diesen Zweck bekannt, jedoch erweisen sich alle bei hohen Anforderungen an Störsicherheit als ungeeignet. In der Praxis hat sich deshalb trotz vieler Nachteile bislang ein servogetriebenes Goniometer am besten bewährt zumal es bei plötzlichen Störspitzen, z. B. in Gewittern, durch seine Schwungmassen so leicht keine Information verliert oder verfälscht Um die Nachteile eines Servogoniometers, wie hohes Gewicht, Leistungsverbrauch, Wartungsaufwand und verhältnismäßig kurze Lebensdauer der Mechanik sowie den zusätzlichen Aufwand für einen digitalen Winkelkodierer zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein ganz in Festkörpe.rtechnik aufgebautes elektronisches Goniometer in dijjiital-analoger Hybridtechnik mit digitalem Ausgang vei-wendet

Die Arbeitsweise eines digitalen Goniometers ent-SDincht weitgehend einem elektronischen Analogon zum mechanischen Resolver. Betrachtet man die Gleichung für die Ausgangsspannung eines als Phasen-

schieber geschalteten Goniometers mit den Eingangsspannungen

Uci — A sin ωί :-.\d

so ist die Ausgangsspannung

U,- Ue\ sin φ+ Uti cos φ.

10

Könnte beispielsweise mit einem geeigneten D/A-Wnndler die Amplitudenfunktion sin φ von U_e \ und cos φ von U_ei erzeugt und beide Ausgänge summiert werden, so hätte man schon eine elektronische Lösung. Jedoch ist ein derartiger Analogwandler ι s sehr aufwendig. Einfacher wird die Lösung, wenn man anstelle der sinusförmigen dreieckförmigen Eingangsspannungen, wie man sie bei der Integration einer Rechteckspannung erhält, anwendet Dann sind U_e\ üifii Ue 2 aiicrnicrcnde Dreiecksfunktionen, die um π 12 gegeneinander verschoben sind Es läßt sich beweisen, daß dann die Funktion für U, ebenfalls eine alternierende Dreiecksfunktion H<p)U_ei + Ucj ist Die summierte Ausgangnpannung ist dann allerdings nur noch in den Fällen go«0; λ/2; n; 3nr/2 eine lineare alternierende Dreiecksfunktion, während sich sonst eine ungerade alternierende Funktion ausbildet Die Verschiebung der Nulldurchgänge ist jedoch linear mit φ. Erzeugt man mittels eines empfindlichen Schmitt-Triggers oder Differenzenkompensators Ober der Nulldurchgängen wiederum eine Rechteckspannung, so erhält man einen linearen digitalen Phasenschieber für rechteckige Ein- und Ausgangsspannungen, wie sie in der Digitaltechnik gebräuchlich sind.

Anhand von F i g. 6 wird ein digitales Goniometer ausführlich beschrieben, wobei in der Figur die Teile 36, 40,38,44 und 46 der F i g. 2 enthalten sind. Der Eingang links oben kommt von dem spannungsgesteuerten Oszillator 34. Der Eingang rechts oben kommt von dem Empfänger 12, Da die Eingangsfrequenzen, die vom Oszillator 34 kommen, teilweise auch mit negativem Vorzeichen vorhanden sein müssen, was bei Wechselspannung einfach einer Umpolung oder Verschiebung um η entspricht sind in den Eingängen Inverter 78,80 in Verbindung mit Torschaltungen vorgesehen, welche über eine Steuerzählkette 76 entsprechend geschaltet werden. Die Steuerzählkette 76 entspricht in F i g. 2 den über Paralleladdierer 40 zusammengeführten Registern 38 und 48. Der Paralleladdierer 40 ist ein aus der Rechentechnik bekanntes Netzwerk, das vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt ist und je Bit-Stelle zwei Eingänge A und B und einen Ausgang 5 mit der binären Übertragungsfunktion A +B-S hat Der /l-Eingang ist mit dem Steuer-Register 38 und der 5-Eingang mit dem Phasendifferenz-Register 48 verbunden. Der Summenausgang entspricht der Steuerzählkette 76 und geht an die Teile 78,80 sowie an die digitalen Abschwächer 86 und 88.

Demnach geht die von 34 kommende Eingangsfrequenz einmal direkt über einen solchen sogenannten ±-Schalter 78 und einen Begrenzungsverstärker 82 auf den digitalen Abschwächer 86, während sie zur Nachbildung einer zweiten Phase mittels eines Verzögerungsgliedes 79 vorher um n/2 geschoben wird und ebenfalls Ober einen ±-Schalter 80, Begrenzungsverstärker 84 auf den digitalen Abschwächer 88 geht Die Teile 78,80,86,88 sind als die eigentlichen Stellglieder des Goniometers 36 anzusehen.

Die beiden Abschwächer-Ausgangsspannungen werden gemeinsam mittels eines Integrationskondensators 90 zu einer altenierenden Dreiecksfunktion integriert Um klare Nulldurchgllnge zu erhalten, wird diese Spannung im Verstärker Vi verstärkt und mittels eines Differenzkomparators 92 in eine Rechteckspannung verwandelt. Diese Spannung wird in einem Phasenvergleicher 94 mit der (Rechteck)-Frequenz verglichen, die vom Empfänger 12 kommt Am Ausgang des Phasenvergleichers 94 steht wiederum eine Rechtecksspannung mit Phasendiffere.iüzabhängiger Unsymmetrie. In einem dynamischen Analogwandler 96 wird diese in eine phasendifferenzabhängige Gleichspannung umgewandelt wobei die Spannung Null einer Phasenverschiebung von 90" entspricht Die Teile 94 und % entsprechen dem Phasenvergleicher 44 in F i g. 2.

Die Spannung wird mittels eines Verstärkers V 2 nochmals verstärkt und über einen Begrenzer 98, welcher nur feststellt o>b eine positive oder negative Abweichung besteht ails Vor-Rückwärts-Steuerinformation der Steuerzählkette 76 zugeführt Ein zweiter Weg führt von dem Verstärker V2 über zwei, als Präzisionsvollweggleichrichter geschaltete Verstärker V3 und V4 an einen Impulsgenerator 100. Am Ausgang von VA liegt sowohl bei positiver als auch bei negativer Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 94 eine positive Spannung, welche mittels eines Doppelbasistransistors 101 Impulse mit einer Frequenz erzeugt, die von der Spannungs-Phiisenabweichung abhängig ist. Diese Impulse triggern die Steuerzählkette 76 so lange, bis die Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 94 zu Null wird. Das heißt, das Phasenverhältnis der Eingangsfrequenzen von 34 und 12 wird immer auf 90 Grad gehalten, wobei die Zahl der Steuerimpulse für einen 360°-Umlauf durch die Länge der Steuerzählkette bedingt ist Zum Beispiel können 32 Impulse einem Umlauf entsprechen. Es lassen sich noch wesentlich höhere Auflösungen verwirklichen; jedoch ist die im Beispiel erreichte Schrittweite vollkommen ausreichend.

Der Steuerlogik 46 in F i g. 2 entsprechen hinsichtlich des an das Register 48 gehenden Ausganges die aus V2. 98, V3, VA, 100 und 101 bestehenden Netzwerke. Dabei gehen die von 101 gelieferten Impulse und die vor 98 gelieferte Vor-Rückwärts-Information an das Phasendifferenzregister 48. Bezüglich der Verbindung der Steuerlogik mit dem df-Register 28 wird auf die weiter oben gegebenen Erläuteinungen verwiesen.

Für die ortsveränderliche Empfangsstation, siehe F i g. 3, sind die zum Goniometer 36' gehörenden Teile, im wesentlichen in gleicher Weise angeordnet. Zwischen dem Paralleladdierer 40' und dem Goniometer 36' liegt bei der ortsveränderlichen Empfangsstation ein weiterer Paralleladdierer 54, welcher zu der Summe, die vom 5-Ausgang des Paralleladdierers 40' geliefert wird. den Stand des Phasenregisters 58 addiert. Am Goniometer 36' liegt also die Summe der Registerstände aus den Teilen 38', 48' und 58. Der Phasenvergleicher 44' setzt sich wie bei der ortsfesten Empfangsstation aus den Netzwerken 94 und EI6 zusammen. Die Steuerlogik 56 entspricht den Teilen V2,98, V3, VA, 100 und »01 in Fig.6, wobei der Impulsausgang von 100 und die Vor-Rückwärts-Information von 98 an das Phasenregister 58 gehen, welches über den Paralleladdierer 54 den Regelkreis schließt

Die Zählkette 76 ist in der praktischen Ausführungsform aus mehreren 2Iählketten zusammengesetzt, welche Über die Paralleladdierer zusammenfresrhaltpt

werden. Die Ausgänge zu den digitalen Abschwächern 86, 88 bilden logische Verknüpfungen, die von der Summe der Register 38 und 48 bei der ortsfesten bzw. 38', 48' und 58 bei der ortsveränderlichen Empfangsstation angesteuert ferden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum genauen Orten von Punkten, die im Bereich einer Mehrzahl von Sendestationen liegen, deren von Quarznormalen gesteuerte Hochfrequenzschwingungen im wesentlichen ständig gesendet werden, unter Verwendung einer ortsveränderlichen Empfangsstation, in der die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen zur Erzielung von Laufzeitwerte kennzeichnenden Signalen mit solchen von Schwingungen verglichen werden, die von einem Atomfrequenznormal abgeleitet sind, dadurch gekenn- zeichnet, daß bei fehlender Synchronisation zwischen den Sendestationen (Kt, K% Ki) auch an einer zweiten im Empfangsbereich der Sendestationen liegenden, ortsfesten Empfangsstation (E₀) die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen mit solchen von entsprechenden Schwingungen verglichen werden und aus den erhaltenen Werten Korrekturwerte ermittelt und an die ortsveränderliche Empfangsstation (E,) übertragen werden, in welcher sie mit den in dieser Empfangsstation abgeleiteten Signalen zum Ausgleich des auf der fehlenden Synchronisation der Sendestationen beruhenden Fehlers kombiniert werden, wobei die Vergleichsschwingungen in beiden Empfangsstationen (E₀, E_v) von übereinstimmenden Atoir ^r'equenznormalen (20,20') abgeleitet werden.

2. Anordnung zur Durchführung eines Ortungsverfahrens insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der als Bezugsstation aufgestellten ortsfesten Empfangsstation (E₀) zur Übertragung der Korrekturwerte verbundene Sendeeinrichtung (72) mit einer vom Atomfrequenznormal (20) der ortsfesten Empfangsstation gesteuerten Trägerfrequenz arbeitet, die gleichzeitig bezüglich der ortsveränderlichen Empfangsstation (E,) die Stelle einer der Sendestationen (Kt, Ki, Kj) einnimmt

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung von der ortsfesten zur ortsveränderlichen Empfangsstation ein einseitiger Nachrichtenkanal vorgesehen ist, dessen Bandbreite etwa der Größenordnung der Bandbreite eines Kanals zur Übertragung von Sprechfunk entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeverbindung zur Übertragung von der ortsfesten zur ortsveränderlichen Empfangsstation mit Raumwellen arbeitet