DE10004017A1

DE10004017A1 - Globale autonome Bestimmung des Standort-Meridians

Info

Publication number: DE10004017A1
Application number: DE10004017A
Authority: DE
Inventors: Manfred Boehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Die driftfreie Bestimmung des genauen Meridians eines Standortes ist bisher nur mittels GPS üblich, weil autonome zeitbasierte Verfahren nicht bekannt sind. Zwar wurden bereits solche Verfahren beschrieben, die jedoch komplizierter sind als die hier vorgeschlagene Lösung. DOLLAR A Die lokale Bestimmung der inertialen Situation erfolgt über lokale Zeitmessungen unter Berücksichtigung der Winkelgeschwindigkeit für Tagesdrehung und (scheinbarer) Jahresdrehung der Erde in Bezug auf die Sonne. Durch simulierte Zeitverschiebungen werden Jahres- und Tageswinkel in Bezug auf einen inertialen Referenzwinkel zur Deckung gebracht. Aus der dafür erforderlichen Zeitverschiebung ergibt sich der lokale Meridian, der auch berechnet werden kann. DOLLAR A Das vorgeschlagene Verfahren bietet auf einfachste Weise die rechnerische Ermittlung der genauen geographischen Länge des Standortmeridians oberhalb, auf und unter der Erdoberfläche mit höchster Integrität und mit potenziell höherer Genauigkeit als bei GPS gegeben.

Description

Zur Navigation ist die Ortbestimmung seit altersher unabdingbar. Klassische Verfahren nutzen den Sextanten und den Chronometer zur Bestimmung von geographischer Breite und Länge in Verbindung mit auf Kompaßnord bezogenen Kursen. Die neuesten Verfahren zur genauen Ortsbestimmung stützen sich auf Satelliten und die Messung von Laufzeitdifferenzen kodierter Funksignale, die von ihnen gesendet werden.

Zur Bestimmung der geographischen Breite eines beliebigen Ortes auf der Erde gibt es unterschiedliche Verfahren Eines davon wurde bereits von Eötvös vorgeschlagen (R. Eötvös: Experimenteller Nachweis der Schwereänderung, die ein auf normal geformter Erdoberfläche in östlicher und westlicher Richtung bewegter Körper durch diese Bewegung erleidet; Annalen der Physik, (4) 59, 1919, 743-752).

Zweckmäßiger sind jedoch moderne optische Drehratensensoren (S. Ezekiel, H. J. Arditty: Fiber-Optic Rotation Sensors, Tutorial Review, 1982, S. 2-8), mit denen sich sowohl die Nordrichtung als auch die geographische Breite bestimmen lassen. Allerdings unterliegen auch diese Sensoren Driften, die zu vergleichsweise großen Meßfehlern führen.

Die Ortung mittels Satelliten ist inzwischen sowohl militärisch als auch zivil weit verbreitet und ihr Einsatz nimmt ständig zu (V. Zerbe, H. Keller, R. Blume: Systeme für die Satellitennavigation; ntz, 71997, S. 66-67). Wegen des großen Aufwandes für Installation und Betrieb eines Satellitennetzes gehören die vorhandenen Netze militärischen Dienststellen. Zivile Nutzer werden toleriert, erhalten aber keine Betriebsgarantie. Daher werden auch zivile Satellitennetze geplant. Bei diesen muß man jedoch davon ausgehen, daß ihre Nutzung nicht mehr kostenlos zugelassen wird. Deshalb ist es sinnvoll, nach Alternativen zur genauen globalen Eigenortung zu suchen, die keine Satelliten oder sonstigen Infrastrukturen benötigen.

Für die autonome Bestimmung des Meridians eines unbekannten eigenen Standortes sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Es gibt seit etlichen Jahrzehnten leistungsfähige Verfahren zur Trägheitsnavigation. Diese weisen jedoch infolge von Kreiseldriften Fehler auf, deren Größe mit der Dauer eines Einsatzes zunimmt. Durch Stützung der Plattformen mit genauen Ortungswerten anderer Systeme wie etwa GPS ist es möglich, Driftfehler zu kompensieren. Aber für den Regeleinsatz solcher Methoden etwa in der zivilen Luftfahrt reicht die Integrität der Satellitenverfahren bisher nicht aus. Zusätzlich werden damit auch die Kosten z. B. für die Luftfahrtgesellschaften gesteigert.

Daher ist ein Verfahren zur autonomen Präzisionsortung, das genügend genau und kostengünstig ist sowie eine ausreichend hohe Integrität aufweist, d. h. nicht von zentralen Infrastrukturen mit unüberschaubarer Verfügbarkeit abhängt, dringend erforderlich. Ein solches Verfahren wurde in der Deutschten Patentanmeldung 199 44 632.6 vorgeschlagen, das sich auf die Verwendung lediglich eines Lotsensors in Verbindung mit hochgenauen Zeitmessungen stützt. Die Abstützung auf einen Lotsensor ist jedoch nachteilig, wenn der Standort einer hochdynamischen Plattform unabhängig von deren Lage festgestellt werden soll, so wie das bei der Ortung mit GPS möglich ist. Denn die Feststellung des jeweiligen Lotes erfordert bei solchen Plattformen einen vergleichsweise hohen Aufwand. Daher ist ein Verfahren notwendig, das ohne Raumvektoren wie Lot- oder Nordvektor auskommt. Ein solches Verfahren, das auf Zeitmessungen basiert wurde bereits in den Deutschen Patentanmeldungen 100 01 645.6 beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch vergleichsweise komplex und beruht auf der Auswertung inertialer Streckendifferenzen, womit ein hoher Speicher- und Prozessoraufwand verbunden ist.

Das hier vorgeschlagene Verfahren erlaubt, mittels der lokalen genauen Zeit und bekannter, lokal gespeicherter Winkel- und Orte-Daten den Standortmeridian auf einfachste Weise und im Prinzip beliebig genau zu bestimmen. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen in der Autonomie der Standortbestimmung, ihrer hohen Genauigkeit und ihrer herausragenden Integrität, bei gleichzeitiger Aufwandsenkung. Die Erfindung kann vorteilhaft ausgestaltet werden, wie es in den Patentansprüchen 2-7 angegeben ist. Grundlagen und Aus führungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Das Verfahren wird anhand der folgenden Bilder erläutert:

Bild 1: Zur Ortszeit des Erdmittelpunktes

Bild 2: Zusammenhang zwischen Ortszeit und Bahnkurve

Bild 3: Pulsdiagramm

Bild 4: Verfahren zur Meridian-Bestimmung

Bild 5: Blockdiagramm

In Bild 1 ist verdeutlicht der Unterschied zwischen Zeit und Ortszeit auf der Erde. Unabhängig vom Zeitpunkt t_x ist die Ortszeit des Mittelpunktes der Erde immer 12.00, während sich die Ortzeit der Meridiane mit der Drehung der Erde ändert. Für jeden Zeitpunkt t_x innerhalb der Periode T_j eines Jahresumlaufs läßt sich die Ortszeit jedes Meridians der Erde präzise angeben. Es ist also auch bekannt, welche Meridiane zu diesem Zeitpunkt auf der Bahnkurve liegen und welcher Meridian in Richtung Sonne zeigt, also praktisch orthogonal zur Bahnkurve liegt. In dieser inertialen Sicht ist auch der Standortmeridian des Punktes P bekannt. Am Standort P, in der lokalen Sicht, gilt das jedoch zunächst nicht, da dort zwar der Zeitpunkt t_x bekannt ist, nicht aber die Lage der Bahnkurve oder der Verbindungslinie Erde-Sonne in Bezug auf den Standortmeridian.

In Bild 2 ist skizziert, wie sich die Lage der Meridiane zur Bahnkurve von t_x nach t_y verändert. Die Meridiane drehen sich um einen genau als Funktion der Zeitdifferenz (t_y - t_x) bekannten Winkel, nämlich dem Produkt dieser Zeitdifferenz und der Winkelgeschwindigkeit ω_e der Tagesdrehung der Erde, also ω_e(t_y - t_x) = ϕ. Damit ändern sich auch die Ortszeiten aller Meridiane wie skizziert

In Bild 3 ist skizziert, wie aus lokaler Sicht mit der lokalen Zeit t_x die Lage der Bahnkurve ermittelt wird. Der lokale Ortstakt A und die lokale Uhrzeit sind am noch unbekannten Standort als lokaler Bezug angegeben, während der Impuls C die Lage der inertialen Referenz, d. h. der Bahnkurve oder der Richtung zur Sonne markiert. Diese inertiale Referenz ist zunächst lokal nicht bekannt. Das Verfahren zu seiner Auffindung besteht darin, mittels einer simulierten Zeitverschiebung des Impulses A, der mit einer simulierten Winkel geschwindigkeit ω_m, die einem möglichst hohen Vielfachen der Winkelgeschwindigkeit ω_e der Erde entspricht, multipliziert ist, solange verschoben wird (Impuls B), bis er mit der bekannten Lage des Pulses C koinzidiert. Aus der Zahl der Δt-Inkremente bis zur Koinzidenz, multipliziert mit ω_m, ergibt sich der Winkel ε bzw. (je nach Drehrichtung) der Winkel 2π - ε, der unter Berücksichtigung der Lage des Nullmeridians zum Meridian auf der Verbindungslinie Erde-Sonne zum Zeitpunkt t_x + nΔt die geographische Länge des Punktes P ergibt. Man kann das Verfahren auch umkehren, indem man zunächst für t_x die Lage des Pulses C berechnet und den Impuls B von dort bis zur Koinzidenz mit Impuls A "laufen" läßt

Bild 4 verdeutlicht das vorgeschlagene Verfahren zur globalen autonomen Meridianbestimmung in inertialer Sicht. Es zeigt die Erde E mit der Bahngeschwindigkeit v (30 km/s) und der Winkelgeschwindigkeit ω_e/365 auf ihrer Bahnkurve B um die Sonne S, den inertialen Bezugswinkel R, den zu einem beliebigen Zeitpunkt t_x innerhalb der Jahresperiode T_j zurückgelegten Jahreswinkel η, den Tageswinkel ε, der auf die Verbindungslinie Erde-Sonne bezogen ist, den Punkt P, dessen Meridian gesucht wird, und die Winkelgeschwindigkeit ω_e, mit der sich die Erde täglich um ihre Achse dreht. Für die Bestimmung der Länge muß folgende Gleichung erfüllt sein:

η + ω_mnΔt/365 = (2π - ε) + ω_mnΔt + (1)

Daraus ergibt sich

η + ε - 2π = (1 - 1/365)ω_mnΔt (2)

Darin ist η bekannt, während ε bestimmt werden soll. Mittels der Zeitinkremente nΔt, die mit der Simulationswinkelgeschwindigkeit ω_m multipliziert werden, ergibt sich ein Koinzidenzzeitpunkt (gleiche Winkel) für t_x + nΔt. Mathematisch ist die Gleichung (2) zwar für unendlich viele Werte von ε erfüllt, denen entsprechend viele Werte für Δt entsprechen würden. Tatsächlich ist aber die Lage des lokal noch unbekannten Standortmeridians inertial eine vorhandene und völlig eindeutige physikalische Größe, die über den Zeitpunkt t_x inertial klar definiert ist. Ihre lokale Kenntnis verschafft man sich über das vorgeschlagene Winkelvariations- und -koinzidenzverfahren, das zu einer eindeutigen Verknüpfung der lokalen Situation mit der inertialen führt. Das Koinzidenzverfahren macht also aus der vieldeutigen eine eindeutige Gleichung (2).

Bild 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens in einem Gerät als Blockschaltbild. Es besteht aus der Jahresuhr 1, dem Taktgeber 2, der Tagesuhr 3, dem Jahreswinkel- Multiplikator 4, dem Winkelvergleicher 5, dem Tageswinkel-Multiplikator 6, der Winkel- und Orte- Datenbank 7, dem Steuerprozessor 8 und dem Bedien- und Anzeigeteil 9.

Claims

1. Verfahren zur globalen autonomen Bestimmung des Standort-Meridians, dadurch gekennzeichnet daß
der Meridian durch lokale Darstellung der inertialen Sicht ermittelt wird, indem der Jahreswinkel η = ω_et_x/365 mit dem Tageswinkel ε = ω_et_x verglichen wird und daß durch Verschiebung der beiden Winkel, die auf denselben inertialen Referenzwinkel R bezogen sind, durch Veränderung um kleine Zeitabschnitte Δt, multipliziert mit der sehr hohen Simulations-Winkelgeschwindigkeit ω_m solange, bis beide Winkel deckungsgleich sind,
der Meridian des unbekannten Standortes P in der Weise ermittelt wird, daß der zum Zeitpunkt t_x + nΔt mit der Sonnenrichtung deckungsgleiche bekannte Meridian um den Winkel ω_mnΔt verändert wird und daß außerdem die bekannte Lage des Nullmeridians zum Mittagsmeridian zum Zeitpunkt t_x bzw. t_x + nΔt berücksichtigt wird, um die geographische Länge des Standortes anzugeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß eine quasistationär Ermittlung des Standortmeridians des Punktes P dadurch erzielt wird, daß die Bahnkurve und die dazu orthogonale Richtung zur Sonne durch simulierte schnelle Veränderung des Zeitpunktes t_x um sehr kleine Zeitinkremente Δt solange gedreht werden, bis Winkel der Sonnenrichtung und der Meridian von P deckungsgleich sind und dass der gesuchte Meridian des Punktes P sich aus dem Drehwinkel ω_mnΔt ergibt, indem der bekannte mit der Sonnenrichtung zum Zeitpunkt t_x deckungsgleiche Meridian um diesen Drehwinkel verändert wird und daß zusätzlich der Winkel zwischen Nullmeridian und Sonnenrichtung zum Zeitpunkt t_x dabei berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet daß daß als gemeinsamer Referenzwinkel 0° zum Zeitpunkt t₀ für Tageswinkel und Jahreswinkel der inertiale Winkel gewählt wird, der sich aus der Schnittlinie zwischen Bahnkurve und der durch Sonne und Polarstern gehenden Himmelsmeridianebene gebildet wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet daß die Meridiane fester und beweglicher Meßträger in gleicher Weise bestimmt werden, indem durch die Wahl einer sehr hohen Taktfrequenz eine quasistationäre Situation hergestellt wird, in der durch Blitzsimulation der Standortmeridian unabhängig vom eigenen Bewegungszustand ermittelbar ist.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet daß daß die Meridianbestimmung mit einem Computer erfolgt, der mit einem der gewünschten Ortungsgenauigkeit und -auflösung anpepassten genauen Taktgeber hoher Taktfrequenz ausgestattet ist.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet daß die zeitabhängigen Winkel- und Orte-Datensätze für Bahnkurve und Meridiane der Erde einer lokalen Datenbank entnommen werden.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet daß die Lage eines Objektes im Raum oder bezüglich der Erdoberfläche durch vier zueinander orthogonale Ortungseinheiten bestimmt wird, die geeignete Abstände voneinander haben und zusätzlich zu den genauen Längen auch in bekannter Weise die genauen Breiten bestimmen, also hochpräzise Standorte liefern.