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System zur Entfernungsbestimmung Die Erfindung betrifft ein besonders
vorteilhaft in der Navigation verwendbares System zur Bestimmung des kürzesten Abstandes
eine Empfangspunktes von der gegebenenfalls verlängerten Verbindungsgeraden zweier
Sendepunkte mittels elektromagnetischer oder akustischer Wellen.
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Es sind Verfahren zur Richtungsbestimmung im Azimut durch Ausnutzung
des eine Frequenzmodulation hervorrufenden Dopplereffektes bei einem periodisch
hin- und herbewegten Sendesystem bekannt, wobei die Bewegung zumindest der Antennen
des Sendesystems mechanisch oder elektrisch simuliert erfolgen kann. Wird hierbei
beispielsweise die Sendeantenne mit einer bestimmten Periode auf einer Geraden hin-
und herbewegt, so wird die in einem im Azimut liegenden Empfangspunkt aufgenommene
Hochfrequenz mit der Periode dieser Bewegung verändert. Bewegt sich die Antenne
mit gleichförmiger Geschwindigkeit in Richtung zu dem Empfangspunkt, so nimmt die
Frequenz f an der Empfangsstelle den Wert (f+df) an, wenn mit S f die Verschiebung
der Empfangsfrequenz zur Sendefrequenz bezeichnet wird; entfernt sich die Sendeantenne
während ihrer Bewegung von diesem Empfangspunkt, so wird eine Frequenz (f - J J)
aufgenommen. Diese durch den Dopplereffekt bedingte Frequenzänderung ist nach diesem
bekannten Verfahren zur Azimutbestimmung auswertbar.
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Bei einem besonders vorteilhaften, bereits vorgeschlagenen, jedoch
nicht vorveröffentlichen derartigen Verfahren gemäß der deutschen Patentschrift
1 180 806 sind am Sendeort ein erstes und ein zweites Antennensystem vorzusehen,
wobei das zweite, zweckmäßig mit der gleichen Frequenz wie das erste beaufschlagte
Antennensystem entweder feststehend angeordnet ist oder in mechanischer oder elektrisch
simulierter Weise eine dem erstgenannten Antennen system entgegengesetzt gleiche
Bewegung ausführt; auf der Empfangsseite wird gemäß diesem bereits vorgeschlagenen
Verfahren als Richtungskriterium die aus den beiden aufgenommenen Hochfrequenzen
gebildete Schwebungsfrequenz ausgewertet.
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Bei allen diesen Verfahren zur Azimutbestimmung ist die Richtungsinformation
durch die Frequenz des Empfangssignals definiert, die beispielsweise beim erwähnten,
bereits vorgeschlagenen Verfahren eine Sinusfunktion des Richtungswinkels ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vom Bekannten und bereits
Vorgeschlagenen ausgehend, ein System zur Bestimmung der kürzesten Entfernung eines
Empfangspunktes von einer vorgegebenen Standlinie, insbesondere der gegebenenfalls
verlängerten
Verbindungsgeraden zweier Sendepunkte, anzugeben, das gleichfalls mittels
ektromagnetischer oder aber auch mittels akustischer Wellen arbeitet.
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Das zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagene System ist erfindungsgemäß
durch folgende Merkmale gekennzeichnet: a) Gleichzeitige Ausstrahlung je eines zeitmarkierenden
Signals (Zeitmarke) von den zwei Sendepunkten unter Verwendung je eines Sendesystems
in den Sendepunkten, das die Richtungsbestimmung der Sendepunkte vom Empfangspunkt
durch Bestimmung der richtungsabhängigen Frequenzen fi und f2 der Empfangssignale
gestattet. b) Bestimmung der zwei Empfangszeitpunkte der zeitmarkierenden Signale
von den zwei Sendepunkten. c) Auszählung der Frequenz fi vom Empfangszeitpunkt des
einen zeitmarkierenden Signals an. d) Auszählung der Frequenz f2 vom Empfangszeitpunkt
des anderen zeitmarkierenden Signals an. e) fortlaufender Vergleich der momentanen
Zählergebnisse miteinander. f) Bestimmung der beiden Zählergebnisse, wenn sie zumindest
angenähert übereinstimmen, als Maß für den kürzesten Abstand.
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Die Gleichzeitigkeit der Ausstrahlungen der zeitmarkierenden Signale
kann leicht durch an sich bekannte Synchronisationsverfahren sichergestellt werden.
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Wenn die Ausstrahlungen der zeitmarkierenden Signale von den beiden
Sendepunkten jedoch nicht gleichzeitig erfolgen, kann empfangsseitig bei Kenntnis
der Zeitdifferenz der tatsächlichen Ausstrahlungen selbstverständlich durch entsprechende
Verzögerung des zuerst ausgestrahlten zeitmarkierenden Signals eine Simulation der
Gleichzeitigkeit erfolgen.
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Im folgenden sei die Erfindung zu ihrem besseren Verständnis an Hand
der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigt F i g. 1 symbolisch eine mögliche
gegenseitige örtliche Lage der Sende- und Empfangspunkte beim erfindungsgemäßen
System, F i g. 2 ein zeitliches Schaubild zum besseren Verständnis des Prinzips
der Erfindung, F i g. 3 das Blockschaltbild einer zur vorteilhaften Verwendung in
jedem der Sendepunkte beim erfindungsgemäßen System geeigneten Sendeanlage, F i
g. 4 ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Antennensystems der Sendeanlage nach
F i g. 3 in symbolischer Darstellung und F i g. 5 das Blockschaltbild einer zur
vorteilhaften Verwendung im Empfangspunkt beim erfindungsgemäßen System geeigneten
Empfangs- und Auswerteanlage.
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In F i g. 1 sind mit P1 und P2 die Sendepunkte zweier Funknavigationssysteme
bezeichnet, die die Bestimmung der Winkel °;1 und α2 gestatten, welche einerseits
die gegebenenfalls verlängerte Verbindungsgerade der beiden Sendepunkte P1 und P2
und andererseits die Verbindungsstrecken dl bzw. d2 des Empfangspunktes Q mit den
Sendepunkten P1 bzw. P2 miteinander einschließen. Derartige Funknavigationssysteme
können beispielsweise vorteilhaft nach dem eingangs als bereits vorgeschlagen erwähnten
Verfahren zur Richtungsbestimmung arbeiten, wobei deren Sendeantennensysteme zweckmäßigerweise
derart angeordnet sind, daß die Bezugsrichtung mit der in F i g. 1 durch die Pfeilspitze
angedeuteten positiv gerichteten X-Achse auf der verlängerten Verbindungsgeraden
der Sendepunkte Pi und P2 identisch ist, so daß sich eine Dopplerfrequenz Null für
°rl = a1 = 0° und maximale Dopplerfrequenzen f1 max und f2 max für a1 = α2
= 90° ergeben und - allgemein gesprochen -die Dopplerfrequenzen f1 bzw. f2, die
in Q bestimmbar sind, Sinusfunktionen von Ocl bzw. OC2 sind, d. h. daß gilt: fi
= firma sin °; und f2 = f2max # sin α2.
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In P1 und P2 werden zweckmäßigerweise gleich aufgebaute Sendesysteme
verwendet, so daß dann f1max = f2max.
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Von den Sendesystemen in P1 und P2 werden zu einem beliebigen Zeitpunkt
to zeitmarkierende Signale, die im folgenden als Zeitmarken bezeichnet sind, ausgestrahlt,
und zwar von P1 die Zeitmarke Ml und von P2 die Zeitmarke M2, wie im zeitlichen
Schaubild gemäß F i g. 2 angedeutet ist. Diese Zeitmarken sind beispielsweise durch
den Beginn der Ausstrahlungen von Pl und P2 definiert, so daß es sich nicht um kurze
Impulse handeln muß, sondern daß beispielsweise auch niederfrequente Modulationssignale
verwendbar sind, die den der Richtungsbestimmung der Sendepunkte dienenden Hochfrequenzsignalen
überlagert sind. Die Zeitmarken Ml und M2 treffen nach den den Entfernungen d1 und
d2 (F i g. 1) entsprechenden Zeiten T1 bzw. T2 (F i g. 2) zu den Zeitpunkten t1
bzw. t2 im Punkt Q ein.
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In den Punkten Pl und P2 kann vorteilhaftjeweils ein Sendesystem
nach F i g. 3 verwendet werden, das nach dem oben mehrfach erwähnten, bereits vorgeschlagenen
Verfahren arbeitet. Hierbei werden beispielsweise die Ausgangssignale des Niederfrequenzgenerators
1 als
Zeitmarken zur Modulation des HochfrequeIur senders 2 verwendet, an den das
Sendeantennensystem 3 angeschlossen ist.
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F i g. 4 zeigt, wie das Sendeantennensystem 3 in an sich bereits
vorgeschlagener Weise vorteilhaft aufgebaut sein kann. Gemäß der Prinzipdarstellung
nach F i g. 4 besteht das Sendeantennensystem 3 aus einem Strahler 4 und einem Strahler
5, die beide Rundstrahlcharakteristiken aufweisen und eingangsseitig parallel geschaltet
sind. Der Strahler 4 wird auf der gestrichelt gezeichneten Linie in Richtung der
Pfeile 6 und 7 periodisch mit gleicher Geschwindigkeit hin- und herbewegt. Der Strahler
5 wird gegenläufig zum Strahler 4 parallel zu derselben Strecke, und zwar in Richtung
der Pfeile 8 und 9 ebenfalls und mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Strahler
4, hin- und herbewegt.
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Im Empfangspunkt kann vorteilhaft die Anordnung nach F i g. 5 Verwendung
finden. In F i g. 5 ist mit 10 die Empfangsantenne bezeichnet, an die der Empfänger
11 angeschlossen ist. Am Ausgang des Empfängers 11 treten sowohl die von dem Sende
punkt P1 als auch die von dem Sendepunkt Pa herrührenden Signale auf. Sie sind beispielsweise
dadurch voneinander unterscheidbar, daß das Sendesystem in P1 eine andere Sendefrequenz
benutzt als dasjenige in P2, wobei jedoch die Antenne 10 und der Empfänger 11 beide
entsprechende Empfangsfrequenzbereiche zunge stört verarbeiten können müssen, so
daß am Ausgang des Empfängers 11 die Dopplerfrequenzen f1 und fs mittels der Bandfilter
12 bzw. 13 voneinander trennbar sind. An die Ausgänge der Bandfilter 12 und 13 sind
die durch f1 bzw. f2 synchronisierbaren Impulsgeneratoren zur Erzeugung der Zählfrequenzen
fi bzw. f2 angeschlossen, die durch die gleich aufgebauten Teiler- bzw. Vervielfacherstufen
16 und 17 gegebenenfalls um einen vorgegebenen konstanten Faktor K veränderbar sind.
Die Frequenzen K f1' und K f2, gelangen über die Torstufen 18 bzw. 19 auf die Zählstufen
20 bzw. 21, die beispielsweise als Digitalzähler an sich bekannt sind. An die Zählstufen
20 und 21 ist eine Vergleichsstufe 22 angeschlossen, die dann ein Ausgangssignal
auf die bistabilen Kippschaltungen 23 und 24 abgibt, wenn die Zählergebnisse in
den Zählstufen 20 bzw. 21 zumindest mit vorgegebener Toleranz angenähert gleich
sind, woraufhin die Torschaltungen 18 bzw. 19 durch die Ausgangssignale der Kippschaltungen
23 bzw. 24 gesperrt werden. Die Öffnung der Torschaltungen 18 bzw. 19 erfolgt in
der anderen Stellung der Kippschaltungen 23 bzw. 24, die durch die Ausgangssignale
der Stufen 25 bzw. 26 erzwungen werden.
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Für den Fall, daß die Zeitmarken in den Sende punkten P1 und P2 durch
Modulation der Sendesignale des Senders 2 (F i g. 1) mittels eines NF-Signals erzeugt
und definiert werden, handelt es sich bei den Stufen 25 und 26 um an sich bekannte
Demodulatoren. Selbstverständlich sind die Zeitmarken aber auch in anderer Weise,
beispielsweise durch Tastung des Senders 2, definierbar. Die Stufe 25 bestimmt immer
den Empfangszeitpunkt der Zeitmarke M2 und die Stufe 26 denjenigen der Zeitmarke
M1.
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Die Bestimmung des kürzesten Abstandes h (F i g. 1) des Empfangspunktes
Q von der gegebenenfalls verlängerten Verbindungsgeraden der Sende punkte P1 und
P2 - was ja Aufgabe der Erfindung ist - erfolgt gemäß folgenden, der Erfindung zugrunde
liegenden, wesentlichen Erkenntnissen:
Werden vom Zeitpunkt t2 =
t0 + T2 (F i g. 2) an in einem ersten Zähler, beispielsweise dem Zähler 20 (F i
g. 5), Impulse der Folgefrequenz K # f1 und vom Zeitpunkt t1 = t0 + T1 (F i g. 2)
an in einem zweiten Zähler, beispielsweise dem Zähler 21 (F i g. 5), Impuse der
Folgefrequenz K f2 eingezählt, bis beide Zählergebnisse zumindest angenähert übereinstimmen,
so ist das Zählergebnis ein Maß für den Abstand h, was im folgenden bewiesen sei.
Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß gilt: h = d1 # sin α1 = d2 # sin α2.
(1) Zählt man das Zeitintervall T2 mit Pulsen der Folgefrequenz K. f2 aus, so erhält
man T2 # K # f2 = ds/c # K # fmax # sin α2. (2) Hierbei ist mit c die Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Signale zwischen den Sendepunkten und dem Empfangspunkt bezeichnet.
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Zählt man das Zeitintervall T1 mit Pulsen der Folgefrequenz K f1
aus, so erhält man T1 # K # f1 = d1/c # K # fmax # sin α1 (3) K fmax = # h
= Konstante # h. c Unter Beachtung von Gleichtung (1) ergibt sich für Gleichungen
(2) und (3) T2 # K # f2 = T1 # K # f1. (4) Da aber der Zeitpunkt t0 im Empfangspunkt
Q unbekannt ist, sind auch die Intervalle T1 und T2 unbekannt. Als besonders zweckmäßig
wird deshalb vorgeschlagen, beispielsweise unter Verwendung der Anordnung nach F
i g. 5 vom Zeitpunkt t2 an Impulse der Folgefrequenz f1 K beispielsweise in einen
ersten Digitalzähler 20 (F i g. 5) einzuzählen und vom Zeitpunkt t1 an Impulse der
Folgefrequenz f2 # K in einen zweiten Digitalzähler 21 (F i g. 5). Die Einzählung
in die beiden Zähler soll so lange fortgesetzt werden, bis in beiden Zählern zu
einem Zeitpunkt tx identische Werte vorhanden sind, woraufhin die Einzählung in
beide Zähler zweckmäßigerweise gestoppt wird.
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Das Zeitintervall zwischen t1 und tx sei gemäß F i g. 2 mit Tx bezeichnet.
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In dem zweiten Digitalzähler steht im Zeitpunkt tx demzufolge der
Wert T2.K.f2 (5) und in dem ersten Digitalzähler der Wert (Tx + T1 - T2) # K # f1.
(6) Da beide Werte gleich sind, kann man schreiben Tx # K # f2 = (Tx + T1 - T2)
(K # f1) (7) oder umgeformt Tx # K (f2 - f1) = (T1 - T2) K # f1. (8)
Mit Gleichung
(4) kann nunmehr geschrieben werden Tx # K (f2 - f1) = T2 # K # f2 - T2 # K # f1,
(9) Tx # K (f2 - f1) = T2 # K (f2 - f1). (10) Somit ist Tx=T2. (all) Wie aus den
Gleichungen (2), (3), (5) und (6) hervorgeht, steht also im Zeitpunkt btx in dem
zweiten Zähler der Wert K # Jmax p1 = T2 # K # f2 = # h (12) c und in dem ersten
Zähler der Wert K # fmax P2 = T1 # K # f1 = # h. (13) c Damit sind auch bei der
Anordnung nach F i g. 5 die Zählergebnisse, wenn sie miteinander übereinstimmen,
direkt proportional dem gesuchten kürzesten Abstand h des Empfangspunktes Q von
der verlängerten Verbindungsgeraden der beiden Sendepunkte P1 und P2 (F i g. 1).
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird als besonders zweckmäßig
vorgeschlagen, bei vorgegebenen fmax die Größe der Konstanten K derart zu wählen,
daß die Gleichung refüllt ist K # fmax 10n c = D (14) wobei D die gewünschte Längeneinheit
von h und n eine ganze Zahl ist. Hierzu ist beispielsweise bei der Anordnung nach
Fig. 5 der Teiler- bzw. Vervielfacherfaktor der Stufen 16 und 17 lediglich gleich
K zu wählen. Unter Umständen können selbstverständlich auch K=l gewählt und die
Sendesysteme in P1 und P2 derart ausgebildet werden, daß fmax eine derartige Größe
annimmt, daß h in der gewünschten Dimension den Zählergebnissen gleich ist.