Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Koordinate des geographischen Ortes eines Fahrzeuges.
Es ist bekannt, für Navigationszwecke zwei räumlich getrennt angeordnete Radiosender zu verwenden, mit denen Schwingungen von gleichen Frequenzen als unmodulierte Träger- wellen oder als Amplituden-bzw. Frequenzmodulation von Trägerwellen mit einem be stimmten Phasenzusammenhang zum Beispiel isochron ausgesandt werden. Der geometrische Ort von Punkten, wo die ausgesandten Schwingungen mit von dem Laufzeitunterschied der Schwingungen zwischen den beiden Sendern und einem auf dem Fahrzeug befindlichen Empfänger gegebenem konstantem Phasenuntersehied empfangen werden, ist eine Hyperbel, für versehiedene konstante Phasenunterschiede also eine Hyperbelsehar mit den Brennpunkten in den Sendern.
Durch Messung dieses Phasenunterschiedes kann man somit eine hyperbolisehe Koordinate des geographischen Ortes des Fahrzeuges bestimmen.
Durch Verwendung zweier Senderpaare, die sich schneidende Hyperbelscharen definieren, kann die Lage eines Empfängers in bezug auf die Senderpaare in einem umfang- reichen Navigationsgebiet genau bestimmt werden.
In dieser Beziehung sei darauf hingewiesen, dass im vorangehenden und im folgenden nur von Sendern und Empfängern für Radiowellen die Rede ist, die Erfindung jedoch ebenfalls bei Verwendung anderer Schwingungen, insbesondere Schall-oder ultraakustische Schwingungen, Anwendung finden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mit den Sendern aus einer gemeinsamen Schwingungsquelle abgeleitete Vergleichsschwingungen von verschiedenen Frequenzen ausgesandt werden, welche verschiedene Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sind.
Es können nunmehr die in der Phase zu vergleichenden Schwingungen an der Empfangsseite vermöge ihrer grmdsätzlich verschiedenen Frequenz in der Frequenz getrennt werden, und es entfällt zum Beispiel die bei bekannten entsprechenden Anlagen bestehende Notwendigkeit, die Vergleichssehwingungen mit verschiedenen Trägerwellenfrequenzen auszusenden, um sie an der Empfangsseite trennen zu können.
Die Erfindung betrifft auch eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens. Dieselbe zeichnet sich dadurch aus, dass dieselbe mindestens zwei Sender zum Aussenden von aus einer gemeinsamen Schwingungsquelle abgeleiteten Schwingungen versehiedener Fre quenz, die verschiedene Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sind, und ferner mindestens einen Empfänger mit Mitteln zum Vergleich der Phasen der empfangenen Schwingungen aufweist.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise näher er läutert.
Fig. 1 zeigt schematisch eine günstige Ausführungsform für die Bestimmung einer einzigen Ortskoordinate.
Die Fig. 2 und 3 zeigen sehematisch eine Ausführungsform für die Bestimmung beider Ortskoordinaten und die entsprechenden Hyperbelscharen.
Fig. 4 zeigt zwei der bei Verwendung von drei Sendern auftretenden Hyperbelseharen.
Fig. 5 zeigt eine besonders günstige Anordnung von zwei Senderpaaren mit entsprechenden Hyperbelscharen für den Haupt- teil des bestrichenen Navigationsgebiet.
In den Fig. 6 und 7 ist schliesslieh ein im Empfänger verwendbarer vorteilhafter Ortsanzeiger dargestellt.
In Fig. 1 ist eine einfache Ausführungs- form der erfindungsgemässen Anlage dargestellt. Die Sendeanlage enthält die Radiosender 21 und 24 mit den räumlich voneinander getrennt angeordneten Antennen 22,25.
Einem den beiden Sendern gemeinsamen Generator 20 werden zur Modulierung der beiden Sender dienende Schwingungen entnommen. Der Modulationsgenerator 20, der zum Beispiel Schwingungen mit einer Fre quenz von 500 Hz liefert, ist mit dem Modulator des Senders 21 über ein phasenverdrehendes Netzwerk 21a und mit dem Modulator des Senders 24 über einen Frequenzmultiplikator 23 verbunden. Der Frequenzmultiplikator 23 ka. nn zum Beispiel eine Frequenzverdopplung der ihm zugeführten Schwingungen herbeiführen, wodurch dem Modulator des Senders 24 Schwingungen mit einer Frequenz von 1000 Hz zugeführt werden. Auf diese Weise wird mit dem Sender 21,22 eine mit 500 Iiz modulierte Trägerwelle und vom Sender 24, 25 eine mit 1000 Hz modulierte Trägerwelle ausgesandt.
Vermöge der nunmehr verschiedenen Fre quenzen der modulierenden Vergleichs- schwingungen kann für die beiden Sender die gleiche Trägerwellenfrequenz verwendet werden. Vorzugsweise wird der Abstand zwischen den Sendern 22 und 25 derart gewählt, dass die Vergleiehssehwingung von 100Q Hz beim Durehlaufen dieses Abstandes eine Phasenverdrehung von 90 erfährt. Die gegenseitige Phasenbeziehung der modulierenden Ver gleichsschwingungen der ausgesandtenTrägerwellen liegt fest, da die beiden modulierenden Schwingungen von dem gemeinsamen Modulationsgenerator 20 abgeleitet werden.
Gewünschtenfalls kann die Phasenbeziehung der modulierenden Schwingungen mittels des phasenverdrehenden Netzwerkes 21a eingestellt werden.
Wenn nun in einem Flugzeug ein Empfänger untergebracht ist, der auf die ver wendete Trägerwellenfrequenz der Sender 22 ? und 25 abgestimmt ist, können die durch Demodulation der empfangenen Schwingungen erzielten Vergleichsschwingungen verschiede- ner Frequenz mittels der Filter 27 und 28 getrennt werden. Das Filter 27 hat zum Beispiel einen solehen Durchlassbereich, dass die Vergleichsschwingung mit der Frequenz von 1000 Hz durch dasselbe hindurchgeht, die Vergleichsschwingung von 500 Hz hingegen nicht, während das Filter ? 8 nnr fiir die Ver gleichsschwingung mit der Frequenz von 500 Hz durchlässig ist.
Die dem Filter 27 entnommene Vergleichssehwingung von 1000 Hz wird einem Phasenanzeiger 30 zugeführt, während die dem Filter 28 entnommene Ver gleichsspannung von 500 Hz demselben über einen Frequenzmultiplikator 29 zugeführt wird zur Multiplikation der zugeführten Fre quenz mit einem Faktor, der gleich ist dem Multiplikationsfaktor des Frequenzmultipli- kators 23, im vorliegenden Falle also zwei Auf diese Weise werden den empfangenen Vergleiehsschwingungen Messspannungen von gleicher Frequenz entnommen, die dem Phasenunterschiedsanzeiger 30 zugeführt werden,
der demnach die Phase zwischen den von der Antenne 25 ausgesandten Vergleichs- Schwingungen mit der Phase der von der Antenne 22. stammenden Vergleichssehwin- gungen anzeigt. Eine bestimmte Phase zwi sehen zwei Vergleichsschwingungen versehie- dener Frequenz besteht immer dann, wenn heide Frequenzen versehiedene Vielfaehe einer gemeinsamen Grundfrequenz, im vorliegenden Falle 500 Hz, sind. Man kann diese Phase auch Vielfachphase nennen, um anzudeuten, dass bei ihrer Bestimmung ein oder zwei Multiplikationsfaktoren wichtig sind.
Wenn sich der Empfänger 26 auf der Verbindungslinie zwischen den Antennen 22 und 24 befindet, ist die Lage des Flugzeuges sofort aus dem gemessenen Phasenunterschied der Messspannungen ermittelbar.
An Hand der Fig. 2 und 3 wird eine Anlage erläutert, mit deren Hilfe beide Koor (linaten der Lage eines Flugzeuges ermittelbar ist, das heisst der Abstand und Azimut des Flugzeuges in bezug auf einen geographischen bestimmten Punkt. Dargestellt ist eine erste Station mit einem Modulationsgenerator 35a zur Lieferung einer die Trägerwelle eines Senders 35b mit einer Antenne 35c modulierenden Schwingung. In einer zweiten Station, die in einem beträchtlichen Abstand von der ersten Station liegt, ist ein Radioempfänger 36a zum Empfang der von der ersten Station ausgesandten Schwingungen angeordnet, aus denen eine modulierende Schwingung abgeleitet wird für eine mit einem Sender 36b und einer diesem zugeordneten Antenne 36c auszusendende Trägerwelle.
Die beiden Stationen sollen wiederum Vergleichsschwingungen ver schiedener Frequenzen, die Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sind, aussenden.
Da beide Modulationsschwingungen letzten Endes vom Modulationsgenerator 35a herrühren, besteht zwischen denselben eine feste Sendephase. Infolgedessen besteht für jeden Punkt auf der Verbindungslinie der beiden Stationen eine der Lage dieses Punktes ent sprechende Phasenbeziehung zwischen den empfangenen Vergleichsschwingungen. Ausser in einem gegebenen beliebigen Punkt der Verbindungslinie A-A (Fig. 3) zwischen den Stationen 35 und 36 tritt die gleiche Phasenbeziehung in andern Punkten beidseitig dieser Verbindungslinie auf. Der geometrische Ort von Punkten gleicher Empfangsphase ist eine Hyperbel, und versehiedenen Empfangsphasen entspricht eine Hyperbelschar, von der einige Hyperbeln bei 39,39a und 39b dar gestellt sind.
Zwischen je zwei aufeinander- folgenden der dargestellten Hyperbeln treten gleiche Phasenuntersehiede auf.
Jede der angegebenen Linien kann als eine von einem Flugzeug zu befolgende Kurslinie betrachtet werden, wobei es zum Be ! folgen einer bestimmten Linie bloss erforderlich ist, derart zu fliegen, dass eine bestimmte, mit der zu befolgenden Linie übereinstimmende Pha senbeziehung zwischen den empfangenen Vergleichsschwingungen beibehalten wird. Eine Abweichung von einer zu befolgenden Kurslinie nach links oder rechts verursacht eine entsprechende Vor-respektive Nacheilung von einer der Vergleichsschwingungen, also eine Abweichung von der erwünschten Phasenbeziehung dieser Schwingungen. Diese Abweichung von der erwünschten Phasenbeziehung kann zur Steuerung eines im Flug zeug untergebrachten Steuerautomaten von an sich bekannter Art benutzt werden.
Einem geradlinigen Kurs kann entsprechend der Phasenunterschiedslinie 39a gefolgt werden, die durch die Mittelsenkrechte auf der Verbindungslinie A-A zwischen den Stationen 35 und 36 gebildet wird. Die anderen Kurs- 'linien sind gekrümmt, und zwar um so stärker, je näher sie an einer der Sendestationen vor beiführen. Diese Krümmung ist am grössten in der Nähe der Verbindungslinie A-A,wäh- rend die von dieser Verbindungslinie entfern- ten Teile der gekrümmten Kurslinien wieder als praktisch geradlinig zu betrachten sind.
Wenn ein Flugzeug einen gegebenen, zum Beispiel mit der Verbindungslinie AA zusammenfallenden Kurs fliegt, ist die Lage des Flugzeuges genau ermittelbar durch Bestimmung der Phasenbeziehung der empfangenen Vergleichsschwingungen bzw. der diesen entnommenen Messspannungen von glei cher Frequenz. Um diese Ortsbestimmung zu vereinfachen, kann der Pilot mit einer Karte versehen werden, in der die zu befliegende Kurslinie angedeutet ist sowie die Linien 39, die bestimmten Phasenbeziehungen der empfangenen Vergleichsschwingungen entsprechen.
Es leuchtet ein, dass für die Luftnavi gation bereits bestehende Sendestationen benutzt werden können zum Aussenden der Ver gleichsschwingungen mit Frequenzen, die Vielfache einer gemeinsamen Grundfrequenz sind, wobei an der Empfangsseite natürlich besondere Mittel, zum Beispiel frequenzselek- tive Netzwerke, verwendet werden müssen zum Trennen der ausgesandten Vergleichs- signale und der andern gleichzeitig ausgesandten Signale.
Bei der in den Fig. 2 und 3 schematiseh dargestellten Anlage kann, um den Piloten eines Flugzeuges in den Stand Zll setzen, seine Lage zu bestimmen, auch beim Fliegen auf einem nicht mit einer der dargestellten Hyperbeln übereinstimmenden Kurse, ein zweites Stationspaar 37,38 angeordnet sein.
Die Stationen 37 und 38 sind in Fig. 3 ein fachheitshalber symmetrisch zu den Stationen 35 und 36 dargestellt worden. Die Stationen 37 und 38 sind auf die für die Station 36 oben geschilderte Art und Weise ausgebildet. Die Station 37 besitzt einen Empfänger, der auf die von der Station 35 ausgesandte Träger- wellenfrequenz abgestimmt ist, so dass am Empfänger 37a die dem Modulationsgenerator 35a entnommene modulierende Schwingung auftritt, von der die modulierende Schwin gung für den Sender 37b mit Antenne 37c durch Frequenzmultiplikation abgeleitet wird.
Die Station 38 ist auf die gleiche Weise mit einem Empfänger 38c, einem Sender 38b und einer Antenne 38c ausgerüstet, wobei aber der Empfänger 38a zum Empfang der vom Sender 37b ausgesandten Trägerschwingungen dient, zur Erzielung einer mit ihrer Modulation auf die gewünschte Weise zusammenhangenden modulierenden Schwingung für den Sender 38b. Wie aus dem Obengesehilderten hervor- geht, kann jedem Stationspaar 35,36 bzw. 37, 38 eine eigene Trägerwellenfirequenz zugeordnet werden.
ZweekmäRig sind alle modu- lierenden Vergleichsschwingungen voneinander versehieden, damit man jede Station mit Hilfe ihrer Modulationsfrequenz identifizieren kann. Da die günstigsten Navigationsbedin- gungen erzielt werden, wenn der Abstand zwischen zusammengehörigen Stationen eines Stationspaares etwa einer Viertelwellenlänge der ausgesandten Vergleichssehwingungen mit der höchsten Frequenz entspricht, wird es günstig sein, die Abstände zwischen den beiden Stationen eines gegebenen Paares verschieden zu wählen.
Die zur Ortsbestimmung in bezug auf die Senderpaare im Flugzeug zu verwendende Anlage 41 ist schematisch dargestellt und besteht aus einem Empfänger 41a, mit dem die Trägerwellenfrequenzen der beiden Stationspaare 35,36 bzw. 37,38 empfangen werden können ; die erhaltenen Messspannungen werden einem Phasenanzeiger 41b zugeführt. Die erhaltene Anzeige ändert sich, wie oben auseinandergesetzt, entsprechend der sich mit dem Empfängerort ändernden Phasenbeziehung der modulierenden Vergleichssehwingungen.
In Fig. 3 sind die den Stationen 37 lad 38 zugeordneten Hyperbeln gleicher Phase mit 40 bezeichnet. Wenn die Empfangsanlage 41 auf die Stationen 35 und 36 abgestimmt ist und der vom Phasenanzeiger 41b abgelesene Phasenunterschied der gestrichelten Linie 39b entspricht, so befindet sich das Flugzeug irgendwo auf dieser Linie. Wenn die Empfängeranlage darauf auf die Stationen 37 und 38 abgestimmt wird und der Phasenanzeiger 41b einen der Linie 40a entspreehenden Phasenunterschied anzeigt, ist die Lage des Flugzeuges durch den Schnittpunkt B der beiden erwähnten Linien gegeben.
Zur Ver einfachung der Ortsbestimmung des Flugzeuges können die Stationen, ebenso wie die Hyperbelscharen 39 und 40, auf einer geo- graphischen Karte angegeben werden, um den Piloten in den Stand zu setzen, seine Lage auf der Karte zu bestimmen. Die Empfängeranlage 41 kann gewünsehtenfalls derart ausgebildet werden, dass die versehiedenen, von den beiden Senderpaaren empfangenen Ver gleichsschwingungen gleiehzeitig empfangen werden, also der Phasenanzeiger 31b mit zwei Messwerken zur gleichzeitigen Anzeige beider Phasen ausgerüstet ist, so dass die beiden zur Ortsbestimmung erforderlichen Koordinaten immer zur Verfügung stehen.
Es ist ferner möglich, Mittel anzuwenden zur selbsttätigen und stetigen Anzeige der Flugzeuglage auf einer Karte, wie im folgen- den an Hand der Fig. 6 und 7 näher erläutert wird.
Im Gegensatz zu der in Fig. 3 schematisch dargestellten Senderanlage ist es nieht erforderlich, zwei getrennte Stationspaare zur Ortsbestimmung zu verwenden. Nach Fig. 4 ge nngen drei Stationen 35,36,37, die in den Ecken eines Dreieeks angeordnet sind. Bei einer solchen Aufstellung kann die Phasenbeziehung der modulierenden Vergleiehsschwingungen zweier beliebiger Stationen ermittelt werden, zum Beispiel diejenige der Stationen 35 und 37 und diejenige der Stationen 35 und 36. Die gleichen Phasenunter- schieden entsprechenden Hyperbelscharen sind in Fig. 4 mit 39 bzw. 41 bezeichnet.
Die Frequenzen der modulierenden Vergleichs- sehwingungen sind für die Stationen 35, 36, 37 alle versehieden gewählt. Auch im Falle von Fig. 4 können die modulierenden Ver gleichsschwingungen als zusätzliehe Modulation von bereits bestehenden Sendestationen ausgesandt werden.
Das mit den beschriebenen Sendeanlagen bestriehene Navigationsgebiet braueht in bezug auf seine Bemessung keineswegs mit dem Abstand zweier zusammengehöriger Stationen vergleiehbar zu sein. Im Gegensatz dazu kön- nen die beschriebenen Navigationsanlagen zur Erteilung von Navigationsdaten auf Kursen benutzt werden, die beträchtlich länger sind als der Abstand zwischen zusammengehörigen Sendern. In Fig. 5 ist eine für diesen Fall besonders günstige Anordnungsart zweier Sendepaare dargestellt.
Die Stationen 35 und 36 in Fig. 5 liegen in einem verhältnismässig kurzen Abstand voneinander, zum Beispiel etwa 10 Aleilen, wahrend das bestriehene Navi gationsgebiet einen Kurs mit einer Länge von mehreren hundert Meilen enthält. Ein Flug zeug kann einen geraden oder gekrümmten Kurs fliegen, entsprechend einer der Phasen unterschiedslinien 39, indem die entsprechende Phasenbeziehung zwischen den ausgesandten Vergleiehssehwingungen, zum Beispiel 45", eingehalten wird.
Die Lage des Flugzeuges auf einer solchen Kurslinie ist sofort ermittelbar an Hand der vom zweiten Stationspaar 37, 38 definierten Linien konstanter Phasenbeziehung zwischen den von ihnen ausgesandten Vergleichsschwingungen. Die Senderpaare 35, 36 bzw. 37,38 sind in einem in bezug auf den Abstand der Sender eines Senderpaares grossen gegenseitigen Abstand angeordnet, und zwar derart, dass die Verbindungslinien zusammengehöriger Sender nicht parallel sind und dass die Mittelsenkrechte auf der Basis des einen Senderpaares zwischen den beiden Sendern des andern Senderpaares hindureh- geht.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dal. im beabsichtigten Navigationsgebiet die abgelesenen Phasenuntersehiede den Ort des Emp fängers in bezug auf die Senderpaare ein deutig anzeigen.
In Fig. 6 ist eine Einrichtung zur selbst tätigen und stetigen Anzeige oder Aufzeich- nung des Ortes eines Empfängers in bezug auf entsprechend der Fig. 3 angeordnete Senderpaare dargestellt. Die Anzeigeapparatur ent- hält einen durchscheinenden Bildschirm, auf dem eine ebenfalls durchscheinende Karte des betreffenden Navigationsgebietes befestigt ist.
Auf dieser Karte sind die Stationen 35, 36, 37,38 von Fig. 3 verzeichnet. In der Mitte des Bildsehirmes ist an seiner Unterseite eine Lichtquelle 58 in einer mit einer Linse ver sehenen Hülle angeordnet, mit der ein Lieht- strahl auf einen Spiegel 57 geworfen wird, der naeh Reflexion auf den durchscheinenden Bildsehirm mit der Karte fällt, wie durch die Linien 59a und den Bildfleck 60 angedeutet ist. Der Spiegel 57 sitzt auf einer Welle 52, die ihrerseits von einer senkrecht dazu stehenden Welle 51 getragen wird.
Die Wellen 51 und 52 sind beide drehbar, und es wird angenommen, dass sie je entsprechend den Phasenbe ziehungen der von den beiden Senderpaaren 35, 36 und 37, 38 empfangenen Vergleichsschwingungen gedreht werden. In Fig. 7 ist schematisch dargestellt, wie jede der Wellen von den einem Empfänger entnommenen Mess- spannungen von gleicher Frequenz gesteuert werden kann. Zu diesem Zweck wird die eine der in der Phase zu vergleichenden Messspah- nungen den mit einer Feldspule 54 verbundenen Anschlussklemmen 72,73 zugeführt ; diese Spule ist an einer Stelle aufgeschnitten, damit die Spule 66 besser sichtbar ist.
Die andere Messspannung wird den Anschlussklemmen 74, 75 zugeführt, die je über eine Spule 68 und einen Widerstand 69 mit zwei sich kreuzenden Spulen 65 und 66 verbunden sind, die auf der zu drehenden Welle 52 sitzen. Nuf diese Weise werden der den Klemmen 74,75 zugeführten Messspannung zwei um 90 in der Phase versehobene Komponenten entnommen und werden die Kreuzspulen eine vom Phasenuntersehied der beiden Messspannungen bestimmte Lage einnehmen.
Zurüekkommend auf Fig. 6, wird also der kardanisch aufgehängte Spiegel 57 in zwei gegenseitig senkrechten Richtungen entspre chend den gemessenen Phasenuntersehieden gedreht und der Lichtstrahl dementsprechend abgelenkt, wodurch der Bildfleck 60 bei gegebenem Phasenunterschied zweier Messspannungen und sich änderndem Phasenuntersehied der beiden andern Messspan nungen auf dem Bildschirm eine bestimmte Hyperbel wie zum Beispiel 40 oder 50 beschreibt.
Die im vorangehenden beschriebenen Apparaturen können nicht nur für Flugzeugnavigation, sondern auch für Seenavigation oder für Navigation von Landfahrzeugen verwendet werden. Unter Umständen kann es im Zusammenhang mit der Navigation vorteilhaft sein, die das Navigationsgebiet bestreichenden Karten mit Navigationskoordinaten zu versehen und/oder geographische Karten von bestimmter Verzerrung anzu- wenden.