DE1273623B - Funknavigationsgeraet fuer Fahrzeuge zur Bestimmung des Fahrzeugstandortes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIs

Deutsche Kl.: 21 a4-48/44

Nummer: 1273 623

Aktenzeichen: P 12 73 623.1-35 (M 56116)

Anmeldetag: 14. März 1963

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die Erfindung betrifft ein Funktnavigationsgerät für Fahrzeuge zur Bestimmung des Fahrzeugstandortes relativ zu wenigstens drei räumlich voneinander entfernten Sendern konstanter Frequenz, deren Wellen von einem im Fahrzeug angeordneten Empfänger aufgenommen und in ihrer Phasenlage mit der Phasenlage eines im Gerät vorgesehenen, frequenzkonstanten Oszillators verglichen werden, woraus die scheinbaren Entfernungen des Fahrzeuges von den Sendern ermittelt werden, wobei im Fahrzeug ein Rechner vorgesehen ist, der die wahren Entfernungen des Fahrzeuges von den Sendern errechnet und die Phase des geräteeigenen frequenzkonstanten Oszillators im Sinne einer Verringerung der Differenz zwischen den scheinbaren Entfernungen und den wahren Entfernungen nachregelt.

In erster Linie ist das erfindungsgemäße Funknavigationsgerät für die Standortbestimmung von Flugzeugen bestimmt, es eignet sich aber ebenso gut für einen Einsatz bei anderen ortsbeweglichen Fahrzeugen, wie beispielsweise Seefahrzeugen.

Der Ausgangspunkt für die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Funknavigationsgeräts ist sowohl bekannt als auch Gegenstand eines älteren Vorschlags. Gemäß dem älteren Vorschlag wird aus den drei scheinbaren Entfernungen eines fahrzeugeigenen Senders oder Empfängers von drei festen Bodenempfangsstationen bzw. Sendern und den Abständen dieser bodenfesten Sationen voneinander der durch die Differenz zwischen dem tatsächlichen Sende- und dem Bezugszeitpunkt gegebene, in allen drei Fällen gleiche Entfernungsfehler berechnet und zur Gewinnung der tatsächlichen Entfernung zu der entsprechenden scheinbaren Entfernung vorzeichenrichtig addiert sowie gegebenenfalls zur Nachregelung des Bezugszeitpunktgenerators verwendet. Ein derartiges Verfahren ist zwar im Prinzip für eine Standortbestimmung eines ortsbeweglichen Fahrzeuges geeignet, es läßt jedoch hinsichtlich der Genauigkeit der Entfernungsbestimmung noch Wünsche offen, da bei diesem Verfahren ebenso wie bei einem vorbekannten System eine Verbindung des fahrzeugeigenen Geräts nur zu maximal drei bodenfesten Stationen hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Stande der Technik ein Funknavigationsgerät zu schaffen, das durch eine Verbindung mit vier oder mehr bodenfesten Stationen eine wesentlich höhere Genauigkeit in der Standortbestimmung für das Fahrzeug ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Fahrzeug ein Positionsspeicher zur Spei-

Funknavigationsgerät für Fahrzeuge
zur Bestimmung des Fahrzeugstandortes

Anmelder:

Minister of Aviation in Her Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain

and Northern Ireland, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Beetz

und Dipl.-Ing. K. Lamprecht, Patentanwälte,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 10

Als Erfinder benannt:
Donald Edward Hampton, ·
Woodbury, Surrey (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 31. Dezember 1962 (49 022)

cherung eines sich auf die geschätzte Position des Fahrzeuges beziehenden Satzes von Parametern vorgesehen ist und daß der Rechner Einrichtungen enthält, die

a) die Summe der Quadrate der Fehler zwischen den scheinbaren Entfernungen und den aus dem Positionsspeicher entnommenen Entfernungen berechnen, ferner

b) einen neuen Satz von Parametern für eine neue geschätzte Position des Fahrzeuges berechnen,

indem die Summe der Fehlerquadrate auf ein Minimum gebracht wird, wobei der neue Parametersatz in den Positionsspeicher eingeführt wird, weiterhin

c) den mittleren Fehler zwischen den scheinbaren Entfernungen und den der neu geschätzten Position entsprechenden Entfernungen berechnen und ein Ausgangssignal liefern, das den frequenzkonstanten Oszillator im Fahrzeug derart steuert, daß der mittlere Fehler auf ein Minimum gebracht wird.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann der Positionsspeicher ein Teil des Rechners selbst sein und der frequenzkonstante Oszillator einen Goniometer-Phasenschieber enthalten, dessen mechanische Welle vom Rechner betätigbar ist.

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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Frequenztrift des Oszillators 01 oder einer Verändefolgenden ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungs- rung der Ausbreitungsbedingungen zwischen dem gemäßes Funknavigationsgerät näher beschrieben, Fahrzeug und den Sendestationen herrührt, das in der Zeichnung veranschaulicht ist. Bei Beginn der Reise sind die wahren Entfernun-

Das dargestellte Funknavigationsgerät besitzt eine 5 gen ^₁ bis d_m genau bekannt und im Standortspei-Anzahlm von Antennen Al, Al bis Am, die eine eher S gespeichert. Außerdem ist der Rechner Cl gleiche Anzahl von Phasendetektoren Pl, P2Hs Pm derart programmiert, daß die von den Ausgängen speisen. Jedem dieser Phasendetektoren kann ein ge- der Phasendetektoren Pl bis Pm bei Beginn der eignet dimensionierter Verstärker und, soweit erfor- Reise abgegebenen Signale diesen wahren Entfernunderlich, ein Mischer" vorgeschaltet sein. Die Aus- io gen entsprechen, d. h., die errechneten Abstände d± gänge der Phasendetektoren Pl bis Pm sind mit den bis d_m' sind gleich den bekannten wahren Abständen Eingängen eines Rechners Cl verbunden. Der Aus- d_x bis d_m. Sobald das Fahrzeug seinen bekannten gang dieses Rechners liegt an einer Speicherstufe zur Standort verläßt, stimmen die Entfernungen d_x bis Speicherung der errechneten Position; diese Stufe ist d_m nicht mehr genau, und der" Inhalt des Standortwiederum mit einem Eingang des Rechners verbun- 15 Speichers 5 kann dann nur noch als Ansatzwert e_x den. bis e_m für die neue wahre Entfernung d_x bis d_m

Ein frequenzkonstanter Oszillator Ol ist mit den betrachtet werden. Der Rechner Cl errechnet nun Windungen eines Goniometers G verbunden, so daß den quadratischen Fehler zwischen dem Ansatzwert durch die Drehung des Goniometers G die Phase der oder der geschätzten Entfernung^ bis e_m und der Oszillatorschwingung in Abhängigkeit von der Go- so gemessenen Entfernung d_±' bis d_m'. Dieser quadraniometerstellung verändert wird. Das Ausgangssignal tische Fehler ε² errechnet sich aus folgender Formel: des Goniometers G wird auf einen Oberwellengene- _m

rator H gegeben. Der Ausgang des Generators H . _ε2 ₌ V (e« — di'f. (1)

liegt an den Eingängen der Filterstufen Fl, Fl bis »=1

Fm und ist über diese an die Phasendetektoren Pl, 25

P 2 bis Pm angeschlossen. Damit werden den Pha- Der Rechner Cl errechnet nun weiter diejeni-

sendetektoren geeignete Harmonische der Frequenz gen Werte für e_t bis e_m, die den quadratischen Fehdes frequenzstabilisierten Oszillators Ol zugeführt. ler ε² zu einem Minimum werden lassen, unter der Diese Harmonischen sind derart ausgewählt, daß ihre Voraussetzung, daß das Fahrzeug zu jeder gegebenen Frequenzen dieselben sind wie diejenigen, die von 30 Zeit sich nur jeweils an einem Standort befinden den Antennen Al, Al bis A m empfangen werden kann. Diese Rechnung kann als fortlaufende Näheundauf die die mit den Antennen verbundenen (nicht rungsrechnung durchgeführt werden. Die Werte e_t dargestellten) Verstärker und die Phasendetektoren bis e_m, die ein Minimum des quadratischen Fehlers ε² Pl, Pl bis Pm abgestimmt sind. Auf diese Weise ergeben, werden mit O₁ bis b_m bezeichnet. Diese Werte kann in den Phasendetektoren P ein direkter Phasen- 35 werden in den Standortspeicher S eingespeichert und vergleich zwischen den von den Antennen A emp- ersetzen die ursprünglichen Werte e_x bis e_m. fangenen Signalen und dem vom Goniometer G ab- Der Rechner Cl errechnet nun den Fehlerwert <5

gebenen Signal durchgeführt werden. Ein Ausgang nach folgender Gleichung: des Rechners Cl ist mit dem Goniometer G so ver- _m

bunden, daß die von diesem abgegebene Phase — 40 d = J£(bi — dt)m. (2)

wie im folgenden beschrieben wird — gesteuert wer- _l==i

den kann. Es ist selbstverständlich, daß jedem der

Phasendetektoren Pl bis Pm ein Verstärker und ein Ein diesem Fehlerwert δ entsprechendes elektri-

Mischer vorausgehen kann, um die von den Anten- sches Signal wird auf das Goniometer G zurücknen A empfangenen Signale zu verstärken und in der 45 gekoppelt, das die Phase des Signals derart verschiebt, Frequenz zu ändern. Ähnliche Verstärker und Misch- daß <5 so klein wie möglich wird. Ist dies der Fall, stufen können auch den Phasendetektoren P vorge- dann werden quadratische Fehler ε² erneut berechnet schaltet sein, um die Frequenz vom frequenzkonstan- und die neuen Entfernungen b_x bis b_m an Stelle der ten Oszillator 01 zu verstärken bzw. zu ändern. alten als Ausgangswerte für die Rechnung in den

Die Funktion des in der Figur dargestellten Navi- 50 Standortspeicher S eingegeben, gationsgerätes ist wie folgt: Die Entfernungswerte für den Standort, die den

Die nicht dargestellten Verstärker sind mit den Fehler ε² zu einem Minimum werden lassen, stehen Phasendetektoren Pl, P2 bis Pm derart zusammen- nach ihrer Errechnung am Ausgang Z des Rechners geschaltet, daß ein Phasenvergleich zwischen dem zur Verfügung.

vom Goniometer G kommenden Signal und einem 55 Wenn die einzigen Fehler in der Messung der Entvon einer der verschiedenen, im Gelände verteilt fernungen d{ bis d_m' durch eine Trift der Phase des angeordneten (nicht dargestellten) Sendestationen Oszillators 01 verursacht sind, dann können die erhaltenen Signal durchgeführt werden kann. Be- Größen ε² und ö theoretisch zu Null gemacht werden, kanntlich verändern sich die Phasen am Eingang der und die angenommenen Entfernungen O₁ bis b_m wer-PhasendetektorenPl bis Pm entsprechend der Va- 60 den gleich den wahren Entfernungen d_x bis d_m. Trifft nation der wahren Entfernungen d_t bis d_m zwischen dies jedoch nicht zu, dann sind die angenommenen dem mit dem Navigationsgerät ausgerüsteten Fahr- Entfernungen b_x bis b_m gute Näherungswerte der zeug und den Sendestationen. Die Ausgangssignale wahren Entfernungen d_x bis d_m. der Phasendetektoren Pl bis Pm speisen ununter- Obwohl der Standortspeicher S nur zur Speiche-

brochen den Rechner Cl, der die Entfernungen d{ 65 rung der wahren oder angenommenen Entfernungen bis d_m ^r vom Fahrzeug zu den Sendestationen Π bis (Abstände) beschrieben wurde, kann dieser auch zur Tm ausrechnet. DiQse errechneten Entfernungen Speicherung der wahren oder angenommenen Standkönnen mit einem Fehler behaftet sein, der von einer ortangaben des Fahrzeuges benutzt werden, aus denen

der Rechner dann die Entfernungen ermittelt. In diesem Fall kann der Ausgangswert X vom Speicher direkt abgegriffen werden. Der Speicher kann auch physikalisch ein Teil des Rechners sein, in dem direkt gerechnet wird. Die Entfernungswerte können den Rechnungen in Form beliebiger elektrischer Größen, z. B. Phasenwinkel, zugrunde liegen.

Die dargestellte Ausführungsform umfaßt eine Anzahl m von Antennen A und Phasendetektoren P, die in Verbindung mit einer Anzahl m von Sende-Stationen Verwendung finden. Der optimale Wertfür m ist 4. Selbstverständlich ist es nicht wesentlich, daß die Zahl der Phasendetektoren P gleich der Zahl der aufgestellten Sendestationen T ist, die in Verbindung mit dem Navigationsgerät Verwendung finden. Man kann auch Sendestationen aufstellen, die im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden, so daß jede ausgesendete Größe im Kraftfahrzeug getrennt empfangen werden kann. Unter diesen Umständen muß ein Phasendetektor synchron mit den Sendeantennen arbeiten, um eine einwandfreie Trennung der Ausgangswerte für die verschiedenen Phasen- und Distanzmessungen zu gewährleisten.

Der Rechner Cl kann als Analog- oder Digitalrechner aufgebaut sein. Wenn ein Digitalrechner Ver-Wendung findet, kann ein Vielzweckrechner eingesetzt werden, jedoch ist wegen des Raum-, Gewicht- und Kostenaufwandes ein speziell für die anfallenden Rechnungsabläufe entwickelter Digitalrechner vorzuziehen. Für die Phasendetektoren P1 bis P 3 ist eine Ausführungsart vorgesehen, die ein digitales Signal zur direkten Einspeisung in den Rechner C1 abgibt. Auch das Goniometer G kann mit einem digitalen Servomechanismus versehen sein, der direkt mit dem Rechner Cl zusammenwirkt. Für den frequenzkonstanten Oszillator 01 wird keine außergewöhnlich hohe Temperaturstabilität über lange Zeiten verlangt. Ein Oszillator mit einer Kurzzeitstabilisierung von 1 zu 10⁹ pro Stunde ist ausreichend stabil, um den Anforderungen zu genügen, die durch die Rechengeschwindigkeit des Rechners Cl gegeben ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Funknavigationsgerät für Fahrzeuge zur Be-Stimmung des Fahrzeugstandortes relativ zu wenigstens drei räumlich voneinander entfernten Sendern konstanter Frequenz, deren Wellen von einem im Fahrzeug angeordneten Empfänger aufgenommen und in ihrer Phasenlage mit der Phasenlage eines im Gerät vorgesehenen frequenzkonstanten Oszillators verglichen werden, woraus die scheinbaren Entfernungen des Fahrzeuges von den Sendern ermittelt werden, wobei im Fahrzeug ein Rechner vorgesehen ist, der die wahren Entfernungen des Fahrzeuges von den Sendern errechnet und die Phase des geräteeigenen frequenzkonstanten Oszillators im Sinne einer Verringerung der Differenz zwischen den scheinbaren Entfernungen und den wahren Entfernungen nachregelt, dadurch gekennzeichnet, daß im Fahrzeug ein Positionsspeicher (S) zur Speicherung eines sich auf die geschätzte Position des Fahrzeuges beziehenden Satzes von Parametern vorgesehen ist und daß der Rechner (Cl) Einrichtungen enthält, die

a) die Summe (ε²) der Quadrate der Fehler zwischen den scheinbaren Entfernungen (df) und den aus dem Positionsspeicher entnommenen Entfernungen (e_{) berechnen, ferner

b) einen neuen Satz von Parametern für eine neue geschätzte Position des Fahrzeuges berechnen, indem die Summe der Fehlerquadrate auf ein Minimum gebracht wird, wobei der neue Parametersatz in den Positionsspeicher eingeführt wird, weiterhin

c) den mittleren Fehler (<5) zwischen den scheinbaren Entfernungen (df) und den der neu geschätzten Position entsprechenden Entfernungen (b_t) berechnen und ein Ausgangssignal liefern, das den frequenzkonstanten Oszillator (01, G) im Fahrzeug derart steuert, daß der mittlere Fehler auf ein Minimum gebracht wird.

2. Funknavigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsspeicher (S) ein Teil des Rechners (Cl) ist.

3. Funknavigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzkonstante Oszillator (01) einen Goniometer-Phasenschieber (G) enthält, dessen mechanische Welle vom Rechner (C 1) betätigbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 904 197;
britische Patentschrift Nr. 893 401;
The Engineer, 204 (1957), 5309 (25. Oktober),
S. 597/598.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1214 754.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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