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Die Erfindung betrifft ein Navigationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Navigationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Im Raum bewegliche Gegenstände, wie z.B. Fahrzeuge (Schiffe, Flugzeuge (bemannte und unbemannte) oder Flugkörper) benötigen Navigationsmittel, um ihre jeweilige Position und / oder ihren jeweiligen Kurs zu bestimmen.
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Bevor Ausführungsformen für Navigationssysteme und -verfahren beschrieben werden, wird kurz auf einige bekannte Ansätze eingegangen.
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Bekannt sind z.B. Globale Navigationssatellitensysteme (GNSS), wie NAVSTAR-GPS (Vereinigte Staaten von Amerika), GLONAS (Russische Föderation), GALILEO (Europäische Union), BEIDOU (Volksrepublik China) und Funkortungssysteme auf Basis von Hyperbelnavigation (z.B. OMEGA, LORAN, DECCA).
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Ein GNSS wird heute auch oft für terrestrische Fahrzeuge / Automobile zur Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung verwendet.
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Ein Ausfall des GNSS bedeutet, dass die entsprechend darauf eingestellten Fahrzeuge ohne weitergehende Maßnahmen keine Positions- und / oder Kursbestimmung vornehmen können.
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Negativ betroffen von einem Ausfall des GNSS wären insbesondere See- und Luftfahrzeuge, insbesondere außerhalb der Reichweite landgebundener Funkortungssystemen wie beispielsweise VOR, NDB, RADAR.
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Weiterhin sind seit langem die Prinzipien der astronomischen Navigation bekannt, d.h. die Navigation, die mindestens zum Teil Positionen und / oder Bewegungen der Gestirne (natürliche Himmelskörper, wie Sonne, Mond, Planeten, ausgewählte Fixsterne) und der Kenntnis, dass die Erde näherungsweise eine Kugelform hat, verwendet.
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Das grundsätzliche mathematische Verfahren, aus zwei Höhenmessungen eines Gestirns mittels Sextanten zu unterschiedlichen, genau bekannten Zeitpunkten eine Position zu ermitteln, ist erst seit nach einer Entwicklung von Kapitän Thomas Sumner 1843 bekannt. In der Buchpublikation A New and Accurate Method of Finding a Ship's Position at Sea, von Capt. Thomas Sumner, Thomas Groom & Company, Boston, 1843, wird erstmals das Verfahren der Positionslinie beschrieben.
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Entsprechend zeitgemäße technische Systeme sind beispielsweise aus den Patentanmeldungen
US 2017/0131096 A1 ,
WO 2017/158055 A1 und
US 2018/0080772 A1 bekannt.
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Versuche die Handhabung und Auswertung mit Sextanten für den Navigator zu vereinfachen und zu automatisieren ergeben sich beispielsweise aus
WO 86/04408 A1 .
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Bei Höhenmessungen mit dem Sextanten besteht immer das Problem, dass der Horizont der Erdoberfläche, der eine wichtige Referenzlinie darstellt, in der Realität oft nur schwer erkennbar ist.
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Neben Witterungsbedingungen wie Regen, Nebel und Dunst und bei mondloser Nacht bzw. Neumond, können zusätzlich atmosphärische Effekte, wie thermische Grenzschichten und Refraktion des Lichts eine Messung eines Höhenwinkels eines Gestirns mittels Sextanten relativ zum Horizont unmöglich bzw. ungenau machen.
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Nachts ist der Horizont durch die Optik eines Sextanten normalerweise nicht sichtbar. Bei dunkler Nacht (also nach und vor der sogenannten Nautischen Dämmerung) ist daher eine Höhenwinkelmessung der Himmelkörper kaum möglich.
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Die manuelle Höhenmessung mittels Sextanten wird zudem durch Schiffs- oder Flugzeugbewegungen sehr erschwert, zuweilen unmöglich, und die Genauigkeit der Winkelmessung kann in der Folge der Fahrzeugbewegungen erheblich reduziert werden.
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Bei Fahrzeugen am Boden und niedrig fliegenden Luftfahrzeugen unterhalb der Wolkenuntergrenze kommt generell die Abdeckung des Gestirns hinzu, die übliche Messungen von Gestirnhöhen mit dem Sextanten unmöglich machen oder mindestens sehr schwer behindern.
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Bei Luftfahrzeugen in großer und Raumfahrzeugen in geringer Höhe, können Wolkendecken den Horizont der Erdoberfläche verdecken.
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Bei allen beschriebenen Situationen ist daher die Bestimmung der Kimmtiefe problematisch, manchmal unmöglich und anfällig für große Ungenauigkeiten in der Positionsbestimmung.
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In der Luftfahrt gelang es bereits relativ frühzeitig, eine Referenzebene durch Anwendung von Dosenlibellen herzustellen. Dabei kann der Blasen-Sextant (engl. Bubble Sextant) entsprechend der Luftblasenposition in der Dosenlibelle so ausgerichtet werden, dass die Höhenwinkelmessung zu dem angepeilten Gestirn relativ zu diesem künstlichen Horizont erfolgt.
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Die Verwendung zum Erreichen einer genauen Winkelmessung setzt allerdings voraus, dass sich das entsprechende Luftfahrzeug in einem Zustand unbeschleunigter Bewegung befindet, da die Luftblase und die Flüssigkeit innerhalb der Dosenlibelle nach dem Erdschwerefeld ausrichten müssen. Gleichwohl besteht mit dem Blasen-Sextanten grundsätzlich die Möglichkeit, Messungen der Höhenwinkel durchzuführen, selbst wenn der Horizont der Erdoberfläche für einen Navigator nicht sichtbar ist, beispielsweise in dunkler Nacht.
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Allerdings sind zuverlässige Messungen bei starken Beschleunigungen aufgrund von typischen Roll-, Neige- und Gierbewegungen von See- und Luftfahrzeugen nicht möglich.
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Ein weiterer Ansatz ist der im Jahr 1983 vorgestellte „Northrop Star Tracker“ (Flight International, Ist October 1983, page 892), dessen Entwicklung über 30 Jahre dauerte. Dieses System hat eine einzige Empfangseinheit, die dazu dient, die Höhenwinkelmessung eines Gestirns vorzunehmen. Um ein Gestirn anzufahren, wird ein SCAN-Pattern, ein SAR-Suchmuster, abgefahren, um Himmelskörper zunächst zu finden und dann zu identifizieren. Es werden so bis zu drei Sterne nacheinander angefahren und ausgewertet, um die Position zu berechnen. Die Datenbank soll 61 Sterne umfassen.
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Es ist notwendig, robuste Navigationssysteme und -verfahren zu entwickeln, die auch dann funktionieren, wenn andere Navigationsmittel (z.B. ein GNSS) nicht zur Verfügung stehen.
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Die Aufgabe wird durch ein Navigationssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das Navigationssystem dient dabei der Positionsbestimmung eines beweglichen Gegenstandes, wie z.B. eines Fahrzeugs.
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Das Navigationssystem verfügt dabei über mindestens zwei Empfängersysteme für elektromagnetische Strahlung.
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Ein erstes Empfängersystem dient der passiven Erfassung elektromagnetischer Strahlung mindestens eines ersten natürlichen und / oder künstlichen Himmelskörpers in einem ersten Wellenlängenbereich.
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Ein zweites Empfängersystem dient der passiven Erfassung elektromagnetischer Strahlung mindestens eines zweiten natürlichen und / oder künstlichen Himmelskörpers in einem zweiten Wellenlängenbereich.
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Dabei überlappen sich der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich nicht.
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Unter einer passiven Erfassung wird hier verstanden, dass die Empfängersysteme nicht selbst Strahlung aussehen, um z.B. mittels Radars eine Abstandsmessung durchzuführen.
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Dabei sind die Empfängersysteme auf einer Plattform des Gegenstandes angeordnet.
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Das Navigationssystem verfügt ferner über ein Rechenmittel für die Berechnung der Position der Himmelskörper aus den erfassten Daten der elektromagnetischen Strahlung und zur Umrechnung der Position der Himmelskörper in einen Koordinatendatensatz des Gegenstandes.
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Damit kann das Navigationssystem aus der Auswertung von Beobachtungen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, die Koordinaten des Gegenstandes sicher bestimmen. Insbesondere ermöglicht diese Lösung auch die Einbeziehung von Daten mindestens eines künstlichen Himmelskörpers, z.B. einem Satelliten. Diese senden Signale aus, die insbesondere nicht im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts liegen.
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In einer Ausführungsform umfasst der erste Wellenlängenbereich den Bereich zwischen 380 und 740 nm. Dies ist der Bereich des sichtbaren Lichts, mit dem sich z.B. Beobachtungen von Fixsternen durchführen lassen.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der zweite Wellenlängenbereich den Bereich von 1 mm bis 100 km, insbesondere von 10 bis 100 m, von 1 bis 10 m, 1 bis 10 cm und / oder 1 mm bis 1 cm. Damit liegt dieser Wellenlängenbereich außerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichts. Damit können z.B. gezielt Signale erfasst werden, die von künstlichen Himmelskörpern abgestrahlt werden.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass der erste und zweite Himmelkörper identisch sind. Wenn derselbe Himmelkörper zu unterschiedlichen Zeiten beobachtet wird, können die Koordinaten des Gegenstandes ebenfalls ermittelt werden.
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Das erste Empfängersystem kann z.B. ein optisches Teleskopsystem aufweisen, mit dem der erste und / oder der zweite Himmelkörper automatisch erfassbar sind, insbesondere über einen vorbestimmten Zeitraum.
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Das Navigationssystem kann z.B. auch dazu ausgebildet sein, dass der künstliche Himmelskörper ein Satellit, insbesondere ein geostationärer Satellit, ist.
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Eine weitere Ausführungsform weist Empfängersysteme auf, die für eine horizontfreie Beobachtung ausgebildet sind.
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Dabei kann die Plattform insbesondere auf einen künstlichen Horizont ausrichtbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Bezugsebene der Plattform nach dem Prinzip des Kreiselkompasses stabilisierbar sein, insbesondere mittels eines Gyroskops und mittels Aktuatoren.
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Zur Verbesserung der Genauigkeit der der Koordinatenbestimmung des Gegenstandes ist mindestens eines der Empfängersysteme mit einem Mittel zur Kompensation der astronomischen Aberration, der optischen Aberration, der atmosphärischen Refraktion, einer Parallaxe und / oder der Kimmtiefe gekoppelt.
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Der bewegte Gegenstand kann ein Flugzeug, ein Schiff, ein Auto oder ein unbemannter Flugkörper sein.
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Der Koordinatendatensatz für den bewegten Gegenstand kann dabei eine terrestrische Koordinate aufweisen.
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Zur Verbesserung der Redundanz kann das Navigationssystem in einer Ausführungsform mehr als zwei Empfängersysteme aufweisen, wobei mindestens zwei der Empfängersysteme in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen arbeiten.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Navigationsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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In einer Ausführungsform wird die elektromagnetische Strahlung kontinuierlich von den Empfängersystemen erfasst, so dass insbesondere zeitabhängige Positionsbestimmungen vorgenommen werden können.
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Im Zusammenhang mit den in der Figur dargestellten Ausführungsformen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Navigationssystems.
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In 1 ist ein beweglicher Gegenstand 1 dargestellt, für den mittels eines Navigationssystems und / oder -verfahrens eine Position und / oder eine Richtung bestimmt wird.
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Der Gegenstand 1 kann dabei ein terrestrisches Fahrzeug, wie z.B. ein Schiff, ein Auto, ein bemanntes Flugzeug oder ein unbemanntes Flugzeug sein.
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In jedem Fall ist es die Aufgabe des Navigationssystems, zu einer bestimmten Zeit oder auch kontinuierlich die Position und / oder die Richtung der Bewegung des Gegenstandes 1 zu bestimmen.
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Im Folgenden wird beispielhaft angenommen, dass der Gegenstand 1 ein Flugzeug sei. Damit genügen zur Positionsbestimmung bereits eine geographische Länge (θ), eine geographische Breite (φ) und eine Höhe (H). Die Bewegungsrichtung würde sich dann entsprechend durch einen Vektor für den Gegenstand 1 in einem solchen sphärischen Koordinatensystem ergeben.
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Mit dem Gegenstand 1, hier also dem Flugzeug, ist eine Plattform 30 gekoppelt, die relativ zu dem Koordinatensystem ausrichtbar ist. Die Plattform 30 ist - mit hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Aktuatoren (z.B. Schrittmotoren) - auf einen künstlichen Horizont ausrichtbar. Dazu weist die Plattform 30 Beschleunigungssensoren und / oder Gyroskope auf, die die räumliche Lage der Plattform 30 im Erdschwerefeld ermitteln können, auch wenn der optische Horizont z.B. aus Witterungsgründen nicht erkennbar ist. Die im Folgenden dargestellten Messvorrichtungen können damit horizontfrei betrieben werden.
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Auf und / oder an der Plattform 30 sind ein erstes Empfängersystem 10 und ein zweites Empfängersystem 20 angeordnet, mit dem jeweils elektromagnetische Strahlung L, S von Himmelskörpern 11, 12 erfassbar sind.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist der erste Himmelskörper 11 ein Fixstern, dessen Position P1 in einem geeigneten Koordinatensystem (z.B. Rektaszension - Deklination; Höhe - Azimut) durch ein Rechenmittel 40 in Abhängigkeit von der Zeit bestimmbar ist. Dazu müssen in einem Rechenmittel 40 entweder einschlägige Tabellen oder die einschlägigen Algorithmen vorgehalten werden.
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Das erste Empfängersystem 10 ist hier als ein optisches Teleskopsystem ausgebildet, das Lichtstrahlung mit der Wellenlänge λ1 im sichtbaren Bereich, also im Wellenlängenbereich W1 von 380 bis 740 nm erfassen kann. Es ist bekannt, dass sich optische Teleskope anhand von Positionsvorgaben und / oder Sternmustern selbständig ausrichten können und so gezielt Beobachtungen an Fixsternen vornehmen können. Das Licht L wird dabei durch eine an sich bekannte CDD-Kamera erfasst.
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Auch ist es möglich, dass das erste Empfängersystem 10 Licht L von mehr als einem Fixstern 11 gleichzeitig empfängt, da es über mehr als ein Teleskop verfügt, die jeweils auf einen Fixstern 11 ausgerichtet sind.
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Des Weiteren weist die Ausführungsform des Navigationssystems ein zweites Empfängersystem 20 für elektromagnetische Strahlung S auf, die von mindestens einem zweiten natürlichen und / oder künstlichen Himmelskörper 12 stammt.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist der zweite Himmelskörper 12 ein künstlicher Himmelskörper, nämlich ein Satellit in einer geostationären Bahn (d.h. ca. 36000 km über dem Erdboden). Ein solcher Satellit 12 strahlt in der Regel elektromagnetische Strahlung S in einem Wellenlängenbereich W2 aus, der sich vom ersten Wellenlängenbereich W1 deutlich unterscheidet, d.h. es gibt keine Überlappung. Grundsätzlich kann der zweite Wellenlängenbereich W2 den Bereich von 1 mm bis 100 km umfassen.
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In diesem Wellenlängenbereich liegen insbesondere auch die Bänder, die von Satelliten und Radarsystemen genutzt werden, nämlich die Wellenlängenbereiche von 10 bis 100 m, von 1 bis 10 m, 1 bis 10 cm und / oder 1 mm bis 1 cm. Diese Wellenlängen sind z.B. mit einem Parabolspiegel des zweiten Empfängersystems 20 empfangbar.
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Damit verfügt das Navigationssystem über zwei vollkommen unabhängige passive Bestimmungsmittel zur Positionsbestimmung, so dass es nicht vom Empfang von GPS-Signalen abhängig ist.
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Der Gegenstand 1 ist mit einem Rechenmittel 40 koppelbar, in dem die Daten der erfassten Strahlungen L, S ausgewertet werden. Das Rechenmittel 40 kann dabei in dem Gegenstand 1 - hier dem Flugzeug - angeordnet sein, so dass die Auswertung der erfassten Strahlungsdaten an Bord erfolgen kann. Es ist aber auch möglich, dass das Rechenmittel 40 sich an einem anderen Ort befindet, so dass die Auswertung der Daten nicht direkt am Gegenstand 1 erfolgt. Und es ist auch denkbar, dass das Rechenmittel 40 als verteiltes System ausgebildet ist, wobei ein Teil der Ressourcen am oder auf dem Gegenstand 1 liegt, ein anderer Teil der Ressourcen an einem von dem Gegenstand 1 getrennten Ort.
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Das Rechenmittel 40 ist hier ein Computersystem, der die Positionen P1, P2 der beiden Himmelskörper 11, 12 aus den erfassten Daten der elektromagnetischen Strahlung L, S berechnet.
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Dazu sind die Ephemeriden des ersten Himmelskörpers 11 und die Bahndaten des zweiten Himmelskörpers 12, hier also des Satelliten (z.B. alternativ auch die Sonne, der Mond, ein Planet und / oder ein Kleinplanet), gespeichert. Auf Grund der Bahndaten und einer genau gehenden Uhr kann das Rechenmittel 40 die jeweiligen Positionen P1, P2 der Himmelskörper 11, 12 genau berechnen.
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In jedem Fall benötigt das Navigationssystem Informationen darüber, wo die Himmelskörper 11, 12 relativ zur Erde stehen. Es liegt somit quasi ein synthetisches Bild des Himmels mit den Himmelskörpern 11, 12 vor.
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Für den Fall, dass keine Wolken vorhanden sind, kann das optische System (Refraktor, Reflektor) des ersten Empfängersystems 11 verwendet werden. Eine Froschaugenlinse kann damit im Wesentlichen eine Himmelshälfte komplett abdecken, wie dies aus Meteoritenbeobachtungen bekannt ist, um Suchmuster zu vermeiden.
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Wenn auf Grund von Witterungsbedingungen keine optischen Messungen möglich sind, könnten beide Empfangssysteme 10, 20 Wellenlängenbereiche W1, W2 außerhalb des sichtbaren Bereiches nutzen. So könnten dann z.B. Positionen P1, P2 von zwei künstlichen Himmelskörpern 11, 12 verwendet werden.
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Des Weiteren ist in dem Rechenmittel 40 ein Modell des Erdkörpers gespeichert, der insbesondere die Abweichung von der Kugelform, ggf. auch Ungleichverteilungen des Schwerfeldes, berücksichtigt. Beispiele für solche Modelle sind das WGS 84 (World Geodetic System) und das EGM (Earth Gravitational Model).
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Gerade für die optischen Daten im Bereich des sichtbaren Lichts weist das Rechenmittel 40 entsprechende Programme auf, mit denen z.B. die atmosphärische Refraktion, die optische Aberration, die astronomische Aberration, die Parallaxe und / oder die Kimmtiefe berücksichtigt werden. Die entsprechenden Einflüsse können für die Positionsbestimmung herausgerechnet werden.
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Wenn mehr Beobachtungen von Himmelskörpern 11, 12 auch zu unterschiedlichen Zeiten vorliegen, kann die Genauigkeit der Positionsberechnung verbessert werden.
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Wenn die Positionen P1, P2 bekannt sind, kann das Rechenmittel 40 daraus eine terrestrische Koordinate (geographische Breite, geographische Länge) bestimmen und das Ergebnis in einem Koordinatendatensatz K speichern. Damit liegt ein automatisches oder automatisierbares Navigationssystem vor, das unabhängig von dem häufig ohnehin schwer bestimmbaren natürlichen Horizont ist.
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Wenn die Position in Abhängigkeit von der Zeit, d.h. als Bewegungsrichtung oder Kurs, bestimmt werden soll, so kann das hier beispielhaft dargestellte Navigationssystem in kurzen zeitlichen Abständen oder gar kontinuierlich Strahlungsdaten L, S der mindestens zwei Himmelskörper 11, 12 empfangen und verarbeiten.
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Bei nur einem (ausgewertetem) stationären Himmelskörper 11 (z.B. Polaris oder einem geostationärer Satellit) kann man nur die geographische Breite zu dem Bildpunkt berechnen. Man erhält also nur einen Kreis auf der Erdoberfläche, von dem man dann weiß, dass man sich darauf befindet.
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Nur im Fall, dass sich ein (ausgewerteter) Himmelkörper 11 vergleichsweise schnell bewegt und er somit einen wandernden Bildpunkt erzeugt, ergeben zwei, kurz nacheinander ausgeführte Messungen zwei Kreise, die sich im flachen Winkel an zwei Schnittpunkten schneiden.
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Bei drei kurz nacheinander ausgeführten Messungen, werden nur an einer Stelle alle drei Kreise einen Schnittpunkt bilden. Die flachen Schnittwinkel können gewisse numerische Schwierigkeiten mitbringen. Weil man dann aber eindeutig weiß, wo man ist, kann man von der Position weiter rechnen.
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Sobald man zwei Himmelskörper 11, 12 auswerten kann, hat man die sehr gute Grundlagen für die Positionsbestimmung. Die Kreislinien schneiden sich im stumpfen Winkel, wodurch sich sofort eine bessere Genauigkeit ergibt, ohne, dass man die Messung hintereinander widerholen müsste.
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In den beiden letzteren Fällen, kann man durch die Positionsänderungen bei bekanntem Zeitpunkt Geschwindigkeiten (und deren Ableitungen), Kursrichtungen und deren Ableitungen wie Rotationsgeschwindigkeit, berechnen.
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Man könnte die Beobachtungen z.B. mit einer Aktualisierungsrate von 1/10 Hz Schritten auswerten (so heute beispielsweise bei dem öffentlich nutzbaren GPS). Bei hoher Rechenleistung auch viel schneller (1/1000 Hz), so dass man sehr schnell bewegende Systeme präzise astronomisch navigieren könnte.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben.
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Plattform
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Dabei weisen Ausführungsformen des astronomischen Navigationssystems eine Plattform 30 auf, auf der die Empfängersysteme 10, 20 für die Erfassung der elektromagnetischen Strahlung installiert sind. Die empfangenen Daten dienen dann der Bestimmung von Höhenwinkeln zwischen einem künstlichen Horizont und dem Himmelskörper 11, 12.
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Zum Durchführen hochgenauer Winkelmessungen ist es notwendig, dass die bezeichnete Plattform genau nach dem künstlichen Horizont ausgerichtet und stabilisiert wird.
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Der heute übliche künstliche Horizont (engl. artificial horizon, gyro horizon, attitude indicator) im Cockpit eines Luftfahrzeuges zeigt die Lage des Luftfahrzeugs relativ zur Erdoberfläche an. Dies basiert auf der Trägheit eines mit sehr hoher Drehzahl rotierenden, vollkardanisch aufgehängten Kreisels (ungefähr 20.000 Umdrehungen pro Minute). Er zeigt die Lage des Luftfahrzeugs um die Längsachse (Querneigungswinkel) und um die Querachse (Steigwinkel) an. Diese Horizontkreisel sind mit einer Lotnachführung ausgerüstet.
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Moderne künstliche Horizontsysteme basieren auf optischen Ringlaser-Kreiseln oder interferometrisch-faseroptischen Kreiseln, die den Vorteil haben, dass sie keine beweglichen Teile haben und keinem Verschleiß ausgesetzt sind. Zu Bestimmung der Lage benötigt man drei Ringlaser-Kreisel.
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Für alle Arten von Gyroskopen sind Fehler bei den Messungen bekannt, weshalb sie immer wieder kalibriert werden müssen. Ihre Verwendbarkeit richtet sich nach ihrer Drift. Ein gyroskopisches System, dass für die astronomische Navigation verwendet wird, darf daher nur eine sehr geringe Drift aufweisen.
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Große Fortschritte weisen mikroelektromechanische Sensoren (MEMS) auf, sie messen Rotationsraten/Winkelgeschwindigkeiten um die Achsen und lineare Beschleunigungen.
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Höhenmessung der Himmelskörper
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Auf der Plattform 30 sind die Empfängersysteme 10, 20 aufgebaut, die dazu dienen, die Höhenwinkel der Himmelsköroper (astronomischer Objekte) zu messen.
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Dabei dient das erste Empfängersystem 10 der Erfassung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere im Wellenlängenbereich W1 des sichtbaren Lichts, mindestens eines natürlichen (Gestirn) und / oder künstlichen Himmelskörpers (Satelliten).
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Daneben dient das zweite Empfängersystem 20 für elektromagnetische Strahlung mindestens eines natürlichen und / oder künstlichen Himmelskörpers in einem zweiten nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich W2. Zum Anpeilen geostationärer Funk- und Fernsehsatelliten wird der Empfangsbereich an deren Downlink-Sendefrequenzen orientieren.
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Die beiden Empfängersysteme 10, 20 verwenden dabei eine passive Sensorik, d.h. kein aktives Radar, bei dem z.B. Satelliten Radarstrahlen getrackt werden. Wohl ist es möglich, dass die Empfängersysteme 10, 20 Radar/Funkstrahlung auswerten können, die von dem Satelliten ausgesandt werden.
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Damit weist das Navigationssystem mindestens zwei Empfängersysteme 10, 20 für elektromagnetische Strahlung auf, wobei sich die Wellenlängenbereiche W1, W2 nicht überlappen.
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Zur Bestimmung der Position stehen somit Informationen aus zwei unterschiedlichen Wellenlängen zur Verfügung. So können z.B. Informationen aus erfassten Daten im sichtbaren Lichtbereich und dem Funkbereich verwendet werden, die ganz unterschiedliche Eigenschaften haben. Durch diese Festlegung wird eine erhöhte Redundanz erreicht. Grundsätzlich können in einer anderen Ausführungsform auch mehr als zwei Empfängersysteme verwendet werden, bei denen mindestens zwei in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen arbeiten.
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Rechenmittel
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Ferner weist das Navigationssystem das Rechenmittel 40 für die Berechnung der Position der Himmelskörper aus den erfassten Daten auf.
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Dazu weist das Rechenmittel 40 entsprechende Ephemeriden und / oder Bahndaten für die Himmelskörper auf, so dass für alle in die Auswertung einbezogenen Himmelskörper (also Gestirne oder Satelliten) die Bildpunkte auf der Erdoberfläche mit hoher Genauigkeit bekannt sind bzw. durch das Rechenmittel selbständig aus den vorliegenden Ephemeriden/Bahndaten in Abhängigkeit der Zeit berechnet werden können.
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Typischerweise haben einige Himmelskörper Bildpunkte auf der Erdoberfläche, die sich nur gering im Tagesverlauf verlagern, beispielsweise Polaris (Nordstern) und sämtliche geostationäre Satelliten.
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Das Rechenmittel 40 kann dazu ebenfalls eine Zeitangabe entweder selber aus den Messungen ableiten oder auf ein Zeitsignal einer hochpräzisen Uhr zurückgreifen.
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Aus den Messungen kann das Rechenmittel 40 dann die geodätische Position, Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung und Kursrichtung bzw. Rotationsgeschwindigkeit des eigenen Fahrzeugs bzw. Trägersystems bestimmen, beziehungsweise mathematisch berechnen.
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Schließlich kann das Rechenmittel 40 die berechneten Positionen der Himmelskörper 11, 12 in einen Koordinatendatensatz K für den beweglichen Gegenstand 1 umrechnen, der z.B. terrestrische Koordinaten in der Form geographische Länge, geographische Breite und Höhe über einer Bezugsfläche (z.B. Ozean, Ellipsoid) aufweist.
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Somit kann aus einer parallelen Erfassung (d.h. im Wesentlichen zeitgleich) elektromagnetischer Strahlungsdaten von mindestens zwei Himmelskörpern 11, 12 die Position, Geschwindigkeit/Beschleunigung und Kursrichtung/Rotation des Gegenstandes 1 beziehungsweise Trägersystems ermittelt werden.
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Damit liegt eine Redundanz in den Wellenlängen vor, so dass z.B. sichtbares Licht eines Fixsterns, Planeten, Mond oder Sonne 11 und Radio- oder Radardaten eines Satelliten 12 zur Positionsbestimmung verwendbar sind.
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Mittels zweier parallel ablaufenden Messungen der Funkdaten von Ausstrahlungen zweier geostationärer Satelliten, ist die Positions-, Geschwindigkeits- und Kursrichtungsbestimmung selbst dann möglich, wenn die direkte Sicht auf den Himmel vom Fahrzeug bzw. vom Trägersystem aus, beispielsweise durch eine geschlossene Wolkendecke, im Bereich des sichtbaren Lichts nicht möglich ist.
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Bei sehr geringen Höhenwinkeln zu einem geostationären Satelliten 12 kann es infolge von Absorption bei Regen und Nebel bzw. Wolkendecken zu einer starken Signaldämpfung kommen.
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In einer Ausführungsform umfasst der erste Wellenlängenbereich den Bereich zwischen circa 380 und 740 nm. Dieser Bereich umfasst das sichtbare Licht.
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In einer Ausführungsform umfasst der zweite Wellenlängenbereich den sogenannten Downlink-Bereich beispielsweise für Funk- und Fernsehprogramme geostationärer Satelliten von 1 cm bis 10 cm, der auch als Mikrowelle bezeichnet wird.
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In einer weiteren Ausführungsform wird ein dritter Wellenlängenbereich, der Downlink von schnell umlaufenden Satelliten im niedrigen und mittleren Orbit, ausgewertet. Der Empfänger wird auf Wellenlängen für ausgewählte Satelliten eingestellt, beispielsweise auf die Trägerwellen des NAVSTAR-GPS Systems und vielen anderen.
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Hierbei handelt es sich um Wellenlängen im Radiobereich oder im Radarbereich, wie sie z.B. von Satelliten als künstlichen Himmelskörpern abgestrahlt werden. Die Verwendung von künstlichen Himmelskörpern bietet den Vorteil, dass die Bahndaten häufig sehr gut bekannt sind und diese auf Grund des verwendeten Wellenlängenbereiches auch bei schlechter Sicht verwendet werden können.
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Hochfahren des Systems
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Beim Hochfahren (Starten) des Navigationssystems kann man die Ausgangsposition als ausreichend gut bekannt unterstellen, da entweder die letzte Position bekannt ist oder sie kann durch Koppelnavigation bestimmt werden.
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Das Magnetfeld der Erde wird verwendet, um Kompass-Informationen (einschließlich der magnetischen Missweisung) zu erhalten.
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Zusammen mit dem Zeitbezug, lassen sich die relativen Positionen aller interessierenden Himmelskörper 11, 12 in der eigenen Hemisphäre vorausberechnen.
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Eine Grobauswahl der sichtbaren Himmelskörper 11, 12 kann z.B. durch eine digitale Fischaugen-Kamera und durch eine Auswertung eines synthetischen Himmelbildes unterstützt werden, in dem die hellen und gut zu sehenden Himmelskörper 11, 12 ausgewählt werden.
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Tagsüber, bei wolkenlosem Wetter würde die Auswertung des synthetischen Himmelbildes normalerweise die Sonne als den hellsten Himmelskörper identifizieren, und - soweit vorhanden - auf den aufgegangenen Mond und auf wenige, helle Planeten hinweisen.
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Um den Einfluss der astronomischen Refraktion gering zu halten, werden alle potentiellen Himmelskörper 11, 12, mit einem Höhenwinkel unter 20° aussortiert und bei den Messungen nicht berücksichtigt, sofern andere Himmelskörper zur Verfügung stehen.
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Auf Trägersystemen (Schiffen oder Flugzeugen) entsprechender Größe lassen sich auch optische Empfängersysteme 10, 20 mit sehr großer Vergrößerungswirkung (beispielsweise 30- bis 80-fache Vergrößerung) installieren, die die Beobachtung und Höhenwinkelmessung von aufgegangenen Planeten (beispielsweise Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn), Polaris und weitere hell leuchtende Sterne am Tage ermöglicht.
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Anfahren der Himmelskörper
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Es können nur so viele Himmelskörper 11, 12 simultan vermessen und ausgewertet werden, wie Empfängersysteme 10, 20 auf der Plattform 30 installiert bzw. einsatzbereit vorhanden sind.
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Die auf der Plattform 30 installierten Systeme für die Höhenwinkelmessung der Himmelskörper 10, 20, sei es optisch oder nicht-optisch, sollen ausgerichtet werden.
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Dazu wird eine Auswahl getroffen. Aus der anfänglichen Position, die ungefähr bekannt ist, werden die quasi-optisch sichtbaren Himmelskörper 11, 12 selektiert und deren Azimut und Höhenwinkel aus Basis des Zeitsignals bzw. der Uhrzeit berechnet. Die Empfängersysteme 10, 20 werden sodann auf die ausgewählten Himmelskörper 11, 12 ausgerichtet.
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Ab diesem Augenblick werden die Empfängersysteme 10, 20 auf die Himmelkörper 11, 12, geostationär oder bahnfolgend, ausgerichtet und nicht mehr aus dem Fokus der Empfangssysteme 10, 20 herausgelassen und (kontinuierlich) „getrackt“ im Sinne einer Zielverfolgung.
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Zielverfolgung und Nachjustieren der Empfangsgeräte auf die Himmelkörper
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Grundsätzlich können optische Empfängersysteme 10, 20 ein Teleskop (Refraktor oder Reflektor) aufweisen. Anstelle des Beobachterokulars wird ein digitaler Bildsensor (beispielsweise CCD oder COMS-Bildsensor) eingebaut. Im Fall perfekten Einjustierens und Zielverfolgung ist der Bildbrennpunkt in der Mitte des Bildsensors. Das Auswandern des Bildbrennpunktes aus der Mitte des Bildsensors wird als Korrektursignal ausgewertet und verwendet, um das optische Empfangsgerät nach Azimut und Höhenwinkel nachzusteuern.
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Die Steuerung durch das Rechenmittel 40 berücksichtigt, dass die beiden Winkeländerungen aus dem vorherigen Zeitpunkt gemessen wurden und aufgrund der bekannten geodätischen Position und der Uhrzeit vorausberechnet werden kann. Dabei wird die Bewegung des beweglichen Gegenstandes (Fahrzeugs) (in Geschwindigkeit und Kursrichtung) berücksichtigt.
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Ein elektromagnetisch arbeitendes Empfängersystem 10, 20 kann dabei z.B. auch eine Parabolantenne mit zwei Detektoren aufweisen. Die Änderung der empfangenen Signalstärke(n) wird als Korrektursignal verwendet, um die Parabolantenne nachzujustieren. Azimut und Höhenwinkel des Satelliten 11, 12 werden gemessen und wie bei den optischen Empfängersystemen 10, 12 und Berücksichtigung der benannten Bewegung des Fahrzeugs 1, beziehungsweise Trägersystems vorausberechnet.
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Rechenmittel
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Das Rechenmittel 40 weist eine Reihe von Bauteilen auf. Ein Bauteil ist ein hochleistungsfähiges digitales, programmiertes Rechengerät. Dieses Rechengerät wird simultan mit den Messdaten aus den Empfangsgeräten und dem Zeitsignal einer Hochpräzisionsuhr in hoher Folge beziehungsweise hoher Frequenz gefüttert.
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Einfluss der Zeitmessung auf die Genauigkeit
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Navigatoren etwa eines Segelschiffs arbeiten heute mit einer Quarzuhr und stoppen die Zeit von Hand. Das führt bei einem geübten Navigator zu einer Ungenauigkeit der Zeitmessung von ungefähr einer Sekunde.
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Der Erdumfang beträgt 21.600 Winkelminuten, was am Äquator einem Umfang von 21.600 Seemeilen entspricht. Ein normaler Tag hat eine Länge von 86.400 Sekunden, weshalb eine Messungenauigkeit der Uhrzeit von nur einer Sekunde am Äquator einem Positionsfehler von ¼ Seemeile (oder 462,5 Metern) entspricht.
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Mit einer hochpräzisen Uhr lässt sich die Ungenauigkeit der Zeitmessung ohne Schwierigkeit auf 1/1000 Sekunde reduzieren. Am Äquator reduziert sich damit die Ungenauigkeit der Position auf rund 0,5 Meter oder weniger, abhängig von der Präzision des Zeitsignals der mitgeführten Uhr.
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Einfluss der Messung des Höhenwinkels auf die Genauigkeit
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Ein Navigator hat bei dem Messen eines Höhenwinkels eine Genauigkeit am Sextanten von ungefähr einer Minute, bei Übung möglicherweise etwas geringer. Bei einem sich bewegenden Fahrzeug ist das Einstellen des Sextanten von Hand unter Umständen mit einem größeren Fehler behaftet. Ein moderner Sextant erlaubt eine theoretische Genauigkeit von circa 20 Winkelsekunden. Ein Fehler bei der Messung der Höhenwinkel zum Himmelskörper in der Größe einer Winkelminute ergibt direkt einen Positionsfehler von 1 Seemeile.
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Mittels automatisierter Messung der Höhenwinkel wird die Genauigkeit auf unter einer Winkelsekunde verbessert. Bei einer Unsicherheit von unter einer Winkelsekunde ergibt sich ein Fehler bei der Positionsbestimmung von rund 30 Metern oder weniger.
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Weiterhin kann in einer Ausführungsform das Rechenmittel 40 für die Berechnungen die Form der Erde als Ellipsoid entsprechend WGS84 verwenden, um die rechnerischen Unterschiede zum GNSS/NAVSTAR-GPS zu minimieren.
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Heute verwendet der Navigator die bekannten Berechnungsgrundlagen für die Kugelform der Erde, die dem aktuellen Lehrbuchstandard entspricht, um die Abstände des Fahrzeugs vom Bildpunkt des Gestirns aus der Höhenmessung zu berechnen. Tatsächlich entspricht die Form der Erde aufgrund der Fliehkräfte eher einem Ellipsoid.
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Nach dem WGS84 ist die Länge der Großen Halbachse - also am Äquator - 6.378.137 Meter und die Länge der Kleinen Halbachse - also zwischen den Polen - 6.356.752,314245 Meter, während der mittlere Erdradius für die volumengleiche Kugel 6.371.000,8 Meter beträgt.
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Es ist bekannt, eine Höhenmessung relativ zum tatsächlich bestehenden Horizont durchzuführen. Der tatsächliche Horizont auf der Oberfläche der Ozeane richtet sich nach der Form der Ellipse bzw. Ellipsoid aus.
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Die Geometrien von Kugel und Ellipsoid sind an den Polen und am Äquator deckungsgleich. Bei der Breite von rund 35 Grad schneiden sich beiden Formen. Das führt im Endeffekt dazu, dass die Unterschiede der Steigungen der Tangenten, die sich an die Oberfläche von Kugel und Ellipse anschmiegen, bei einer Breite von exakt 45 Grad den größten Unterschied aufweisen. Der Unterschied beträgt rund 11,54 Winkelminuten, woraus sich ein rechnerischer Fehler von rund 11,54 Seemeilen bei der Positionsbestimmung auf einer Breite von 45 Grad alleine aus dem Formfehler ergäbe.
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Bei 55 Grad Breite liegt der entsprechende Formfehler für die Positionsbestimmung bei rund 10,8 Seemeilen. Bei einer Breite von nur 10 Grad hat der Formfehler bereits eine Ungenauigkeit von rund 4 Seemeilen zur Folge. Nur direkt am Äquator und an den Polen, ist die Differenz identisch null.
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In gleicher Weise ergeben sich signifikante Unterschiede in den geodätischen Distanzen zwischen zwei Orten, deren Länge und Breite bekannt sind.
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Ein Beispiel bezieht sich auf die Distanz zwischen der Sternwarte von Paris (48° 50' 11" N, 2° 20' 14.03" E) und des US Naval Observatory in Washington D.C. (77° 03' 56" N, 38° 55' 17" E).
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Für die Kugel berechnet sich eine geodätische Distanz der beiden Orte von rund 6165,7 km und für den Ellipsoid von rund 6181,8 km, mithin eine rechnerische Differenz von rund 16,1 km oder circa 8,6 Seemeilen.
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Bei dem Verfahren für die Distanzberechnung auf der Oberfläche des Ellipsoids wird von einer Genauigkeit von rund 50 Metern ausgegangen, so dass die Fehlbestimmung der Distanz beider Orte weitgehend der ungenauen Annahme der Kugelform der Erde bei der Berechnung zugeschrieben werden kann.
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Einfluss der Ephemeriden-Berechnungen
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Ein Navigator verwendet heute die Bildpunkte aus den gängigen Nautischen Jahrbüchern, beispielsweise des Nautical Almanac (Herausgeber sind die Britische Admiralität und des US Naval Observatory), Air Almanac (US Naval Observatory) oder das Nautische Jahrbuch (Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie). Die Genauigkeit der Angaben beträgt ein-zehntel Winkelminute oder sechs Winkelsekunden. Zudem muss zwischen den Angaben interpoliert werden.
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Der zugrundeliegende Fehler beträgt somit per se 0,1 Seemeile (oder rund 185 Meter). Durch die genauere Berechnung der Bildpunkte der sich in der Zielverfolgung befindlichen Himmelkörper wird angestrebt, eine Genauigkeit von unter einer Winkelsekunde (jeweils für Höhe und Breite) zu erreichen, womit sich der Fehler auf rund 30 Meter oder weniger reduzieren lässt.
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Einfluss der astronomischen Refraktion
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Die Höhenmessungen sind mit der astronomischen Refraktion zu beschicken bzw. zu korrigieren. Bekanntlich ergibt sich bei einem Höhenwinkel von 10 Grad eine Refraktion von rund 5 Winkelminuten und bei 45 Grad von rund einer Winkelminute. Bei größeren Höhenwinkeln wird die astronomische Refraktion geringer.
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Die Korrektur für die astronomische Refraktion wird durch die bekannten naturwissenschaftlichen Gleichungen zur astronomischen Refraktion berechnet.
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Bei Satelliten als Himmelkörpern 11, 12 muss eine entsprechende Korrektur für die Refraktion individuell berechnet werden. Dabei werden vom Rechenmittel 40 Dichte-, Druck- und Temperaturverlauf der Atmosphäre bis zur Höhe des entsprechenden Satelliten numerisch berechnet. Dies ist notwendig, weil die niedrig fliegenden Satelliten 11, 12 nicht in völligem Vakuum fliegen und nicht unendlich weit von der Erde entfernt sind. Für sie wird wie für den Mond die entsprechende Parallaxe berücksichtigt.
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Die Parallaxe aufgrund einer Schutzscheibe vor dem Geräteträgersystem wird ebenfalls rechnerisch berücksichtigt. Im besten Fall wird die Schutzscheibe als Kuppel so ausgeführt, dass Licht, das in die Empfängeroptik eindringt, in Normalrichtung durch die Kuppel (beispielsweise aus Glas, Plexiglas) geleitet wird, so dass die entsprechenden Beiträge zur Refraktion durch Dichteänderungen minimiert wird.
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Aus den korrigierten Messdaten kann dann die Position des Fahrzeugs 1 berechnet werden.
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Es werden Rechenverfahren verwendet, die die augenblickliche Position bestimmen und die laufende Änderung der Position davon ableiten und so zusätzlich Geschwindigkeit/Beschleunigung und Kursrichtung/Rotation des Fahrzeugs bzw. des Trägersystems bestimmt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- beweglicher Gegenstand
- 10
- erstes Empfängersystem
- 11
- erster Himmelskörper
- 12
- zweiter Himmelskörper
- 20
- zweites Empfängersystem
- 30
- Plattform
- 40
- Rechenmittel
- K
- Koordinatendatensatz
- L
- elektromagnetische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht
- P1
- Position erster Himmelskörper
- P2
- Position zweiter Himmelskörper
- S
- elektromagnetische Strahlung, insbesondere außerhalb des Wellenlängenbereiches des sichtbaren Lichts
- W1
- erster Wellenlängenbereich
- W2
- zweiter Wellenlängenbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2017/0131096 A1 [0010]
- WO 2017/158055 A1 [0010]
- US 2018/0080772 A1 [0010]
- WO 86/04408 A1 [0011]
