DE1541627B1

DE1541627B1 - Method for reducing the bearing error caused by multipath propagation in a navigation method with a large-scale Doppler beacon

Info

Publication number: DE1541627B1
Application number: DE19661541627D
Authority: DE
Inventors: Boehm Dipl-Ing Manfred
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1966-10-27
Filing date: 1966-10-27
Publication date: 1970-11-12

Description

In der Funknavigation sind Verfahren zur Azimutmessung durch Phasenvergleich zweier Wechselspannungen, der Richtspannung und der Bezugsspannung, weit verbreitet. Als Beispiele für die bordseitige Azimutmessung seien genannt das VOR, das Doppler-VOR- und das Tacan-Verfahren; als Beispiele für die Azimutmessung in einer Bodenstation können Radar- und alle bekannten Peilverfahren genannt werden. Das Hauptproblem bei allen Azimut-Meßverfahren hinsichtlich der Genauigkeit der Messung ist die Verminderung der durch Mehrwegausbreitung der elektromagnetischen Wellen (Reflexionen an Gegenständen auf der Erde oder im Raum zwischen Sende-und. Empfangsort) entstehenden Effekte. Für eine hinreichende Verringerung der Wirkung der Effekte der Mehrwegausbreitung auf die Genauigkeit der Azimutmessung sind verschiedene Lösungen bekannt: Auswählen eines geeigneten Aufstellungsortes (VOR), Benutzung von sogenannten Großbasis-Systemen (Doppler-VOR, Doppler-Peiler), Verwendung einer impulsgetasteten Ausstrahlung (Tacan), Festzielunterdrückung durch Ausnutzung des Dopplereffektes (Radar). In radio navigation, there are methods for azimuth measurement by phase comparison two alternating voltages, the directional voltage and the reference voltage, are widely used. Examples of on-board azimuth measurements include the VOR, the Doppler VOR and the Tacan method; as examples for the azimuth measurement in a ground station radar and all known DF methods can be named. The main issue in all azimuth measuring methods with regard to the accuracy of the measurement, the reduction is due to the multipath propagation of electromagnetic waves (reflections on objects on earth or in the space between send and. Receiving location) resulting effects. For a sufficient reduction in the effect of the effects of multipath propagation Various solutions are known for the accuracy of the azimuth measurement: Select a suitable installation site (VOR), use of so-called large-scale systems (Doppler-VOR, Doppler-direction finder), use of a pulse-controlled emission (Tacan), Fixed target suppression by using the Doppler effect (radar).

Bei den Navigationssystemen mit Impulstastung, z. B. bei Tacan-System (z. B. »Electrical Communication«, März 1956, Heft 1), wird das Navigationskriterium aus der durch Demodulation gewonnenen Hüllwelle der richtungsabhängig amplitudenmodulierten Hochfrequenz-Impulsreihe abgeleitet, nicht jedoch aus den einzelnen Impulsen selbst. In the navigation systems with impulse keying, z. B. with Tacan system (e.g. "Electrical Communication", March 1956, Issue 1), becomes the navigation criterion from the envelope wave obtained by demodulation of the direction-dependent amplitude-modulated High-frequency pulse series derived, but not from the individual pulses themselves.

Bei allen bekannten Doppler-Großbasis-Navigationsanlagen sind die -Ausstrahlungen der Einzelantennen des Sendeantennensystems kontinuierliche Wellen, und die Anschaltung an die einzelnen Strahler des Kreisantennensystems - eine simulierte kreisförmige Bewegung eines Strahlers vorausgesetzt - ist so eingerichtet, daß sich einerseits eine möglichst realisierte Kreisbewegung eines mit kontinuierlichen Wellen gespeisten Strahlers ergibt, und daß andererseits empfangsseitig die das Navigationskriterium, zumeist den Azimut als Phase enthaltende Dopplerfrequenz durch Demodulation als sinusförmiges Signal ohne weiteres gewonnen werden kann, d. h. der Empfänger ist so eingerichtet, daß unter Umständen noch auftretende Ungenauigkeiten bei der sendeseitigen Anschaltung der einzelnen Strahler keine Störwirkung auf die sinusförmige Richtspannung ergeben. Doppler-Funkfeuer, bei denen diskrete Impulse von den Einzel antennen des Antennensystems ausgestrahlt werden, sind bisher nicht bekannt und nicht gebaut worden, vermutlich deshalb, weil das Problem der empfangsseitigen Signalauswertung noch nicht gelöst war. In all known Doppler large-scale base navigation systems, the -Emissions from the individual antennas of the transmitting antenna system are continuous waves, and the connection to the individual radiators of the circular antenna system - a simulated one circular movement of a radiator provided - is set up so that on the one hand a realized circular movement with continuous waves fed radiator results, and that on the other hand, on the receiving side, the navigation criterion, mostly the azimuth as phase containing Doppler frequency by demodulation as sinusoidal signal can be easily obtained, d. H. the recipient is set up in such a way that inaccuracies may still occur in the transmission-side Connection of the individual radiators has no disruptive effect on the sinusoidal directional voltage result. Doppler radio beacons, in which discrete impulses from the individual antennas of the Antenna system to be broadcast are not yet known and not built probably because of the problem of the signal evaluation at the receiving end was not yet resolved.

Zwar ist mit den auf dem Dopplereffekt beruhenden bekannten Navigationsverfahren im allgemeinen elne ausgezeichnete Meßgenauigkeit erreichbar, sie sind jedoch für manche Aufgaben, beispielsweise für den mobilen Einsatz, wegen des großen Aufwandes bei der Sendeanlage und wegen der hohen Kosten für die Erstellung ohne weiteres nicht zu verwenden. It is true that the known navigation methods based on the Doppler effect are used in general, excellent measurement accuracy can be achieved, but they are for some tasks, for example for mobile use, because of the great effort at the transmitter and because of the high costs for the creation without further ado not to use.

Insbesondere für den mobilen Einsatz würde eine Navigationsanlage, in der die Vorzüge der Doppler-Navigationssysteme mit denen der Impulstastung (hohe Spitzenleistung bei kleiner Effektivleistung) vereinigt sind, von großer Bedeutung in der Praxis sein.Especially for mobile use, a navigation system would in which the advantages of the Doppler navigation systems with those of the impulse keying (high Peak performance with low effective performance) are of great importance be in practice.

Ziel der Erfindung ist ein derartiges Doppler-Großbasis-Navigationsverfahren, das tunlichst mit verhältnismäßig kleiner Bandbreite (etwa 300 kHz) auskommt und auch noch eine bessere Befreiung von durch Mehrwegausbreitung im Fernfeld hervorgerufenen Störeffekten erlaubt, als es bei den konventionellen Doppler-Großbasis-Anlagen für das Nahfeld ohnehin schon der Fall ist. The aim of the invention is such a Doppler large-base navigation method, if possible with relatively small bandwidth (about 300 kHz) and also a better relief from those caused by multipath propagation in the far field Disturbing effects are allowed, as is the case with conventional Doppler large-scale base systems the near field is already the case.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein Verfahren zur Verringerung des durch Mehrwegausbreitung verursachten Peilfehlers bei einem Navigationsverfahren mit einem Großbasis-Dopplerfunkfeuer mit einem Antennensystem, bei dem eine gleichförmige Kreisbewegung einer gespeisten Einzelantenne realisiert oder durch aufeinanderfolgendes Anschalten von Einzelantennen eines Kreisantennensystems an eine Sendeeinrichtung simuliert wird, und bei dem empfangsseitig der Azimut durch Phasenvergleich des von der rotierenden Einzelantenne empfangenen Signals (Richtungssignal) mit einem Bezugssignal bestimmt wird. The invention thus relates to a method for reducing the bearing error caused by multipath propagation in a navigation method with a large-base Doppler beacon with an antenna system in which a uniform Realized circular movement of a fed single antenna or by successive Connection of individual antennas of a circular antenna system to a transmitting device is simulated, and at the receiving end the azimuth by phase comparison of the signal received by the rotating single antenna (direction signal) with a Reference signal is determined.

Erfindungsgemäß wird die hochfrequente Speiseenergie als einzelner Impuls an die Einzelantenne angelegt; empfangsseitig werden zur Aufbereitung des zum Phasenvergleich benötigten Richtungssignals jeweils nur die Anfänge der ersten empfangenen Impulse ausgewertet; das geschieht in der Weise, daß die Impulse in der Zwischenfrequenzlage einem Zwischenfrequenzschalter eingegeben werden; der ZwischenfrequenzschaIter wird von einem Zeitglied, das selbst von den in einem Begrenzer begrenzten Zwischenfrequenzimpulsen gesteuert wird, nach einer (beispielsweise von Hand) wählbaren Zeit periodisch geschlossen und geöffnet; die Ausgangssignale des Zwischenfrequenzschalters werden schließlich über ein Schmalbandfilter zur Demodulation einem Diskriminator zugeführt, dessen Ausgangssignal das Richtungssignal ist. According to the invention, the high-frequency feed energy is used as an individual Pulse applied to the single antenna; on the receiving side are used to prepare the Direction signals required for phase comparison are only the beginnings of the first received pulses evaluated; this happens in such a way that the impulses in the intermediate frequency position are input to an intermediate frequency switch; the intermediate frequency switch is controlled by a timing element, which itself is controlled by the intermediate frequency pulses which are limited in a limiter is controlled, closed periodically after a (for example manually) selectable time and open; the output signals of the intermediate frequency switch will eventually fed to a discriminator via a narrow band filter for demodulation, whose Output signal is the direction signal.

Die Erfindung basiert also auf der an sich bekannten Erkenntnis (USA.-Patentschrift 24sol22), daß die bestmögliche Befreiung von Mehrwegausbrei tungseffekten bei einem impulsgetasteten Navigationssystem dann möglich ist, wenn nur die Impulsanfänge zur Azimutbestimmung ausgewertet werden, weil alle über einen Umweg im Empfänger eintreffenden Signale zeitlich später liegen. Die Vorteile der Großbasissysteme unter Ausnutzung des Dopplereffekts werden ebenfalls herangezogen; durch die große Meßbasis werden die Störungen durch Nahreflexionen weitgehend ausgemittelt, die alleinige Auswertung der in den Vorderflanken der Impulse enthaltenen Richtungsinformation schaltet die Störungen im Fernfeld der Sendeeinrichtung nahezu vollkommen aus. Die Sendeeinrichtung besteht aus einem kreisförmigen Großbasis-Antennensystem, auf dem die gleichförmige Bewegung einer Einzel antenne realisiert oder durch zyklisches Anschalten einer Mehrzahl von Einzelantennen simuliert wird; die Einzelantenne wird mit impulsförmiger Energie einer Trägerschwingung gespeist. Empfangsseitig werden die von der auf dem Kreis sich bewegenden Einzelantenne abgestrahlten Impulse, deren Trägerschwingung durch die verschiedene Laufzeit von der Sendeantenne zum Empfänger eine Dopplerverschiebung erfahren haben, durch Auswertung lediglich des ersten Teils der Impulse derart aufbereitet, daß eine durch Reflexionen nicht gestörte, der Bewegung der Einzelantenne auf dem Kreis entsprechende Sinusspannung entsteht, deren Phase, gegenüber einer Bezugsschwingung gemessen, den Azimut beinhaltet. The invention is based on the knowledge known per se (USA patent specification 24sol22) that the best possible liberation from reusable spreading effects in a pulse-controlled navigation system is possible if only the pulse starts to be evaluated for azimuth determination, because all via a detour in the receiver incoming signals are later. The advantages of large-scale systems using the Doppler effect are also used; by the great The disturbances caused by near reflections are largely averaged out for the measurement basis sole evaluation of the direction information contained in the leading edges of the pulses almost completely eliminates the interference in the far field of the transmitter. the Transmitting device consists of a circular large-scale antenna system on which the uniform movement of a single antenna realized or by cyclical Switching on a plurality of individual antennas is simulated; the single antenna will fed with pulse-shaped energy of a carrier oscillation. Be on the receiving side the impulses emitted by the single antenna moving on the circle, whose Carrier oscillation due to the different transit times from the transmitting antenna to the receiver have experienced a Doppler shift by evaluating only the first part the impulses are processed in such a way that one of the movement is not disturbed by reflections the single antenna on the circle arises corresponding to the sinusoidal voltage, the phase of which measured against a reference oscillation that includes the azimuth.

Ein Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur empfangsseitigen Auswertung der Dopplerfrequenz besteht darin, durch einen sehr schnellen elektronischen Schalter die Impulse - vorzugsweise in der Zwischenfrequenzlage - soweit zu verkürzen, daß durch Mehrwegausbreitung entstandene, in der Empfangseinrichtung sonst vorhandene Signale hinter dem Schalter nicht mehr vorhanden sind. Derart schnelle Schalter, deren Schaltzeit wenige Nanosekunden beträgt, sind heutzutage verfügbar. Dabei ist zu bedenken, daß die Form der Impulse durch die verfügbare Empfängerbandbreite gegeben ist. An exemplary embodiment of the method for evaluation at the receiving end the Doppler frequency is through a very fast electronic switch to shorten the pulses - preferably in the intermediate frequency position - to such an extent that caused by multipath propagation that is otherwise present in the receiving device Signals behind the switch are no longer available. Such quick switches whose switching time is a few nanoseconds are available today. It is to remember that the shape of the impulses is given by the available receiver bandwidth is.

Die Phase der Trägerschwingungen ändert sich von Impuls zu Impuls sprunghaft, gleichwohl, ob es sich beim sendeseitigen Sendeantennensystem um eine realisierte oder simulierte Bewegung der Einzelantenne handelt. Die vorzeichenrichtige Addition der Phasensprünge ergibt einen Sinusverlauf der Spannung. Die durch den Schaltvorgang gegenüber den empfangenen verkürzten Impulse werden einem Schmalbandfilter eingegeben, an dessen Ausgang eine mit der Sendeantennen-Umlauffrequenz frequenzmodulierte Schwingung der Zwischenfrequenz abgenommen werden kann. Diese wird in bekannter Weise frequenzmoduliert, und die derart entstandene Niederfrequenzspannung wird in bekannter Weise zur Bestimmung des Azimuts mit einer vom Funkfeuer in irgendeiner bekannten Weise übertragenen Bezugsschwingung phasenmäßig verglichen.The phase of the carrier oscillations changes from pulse to pulse by leaps and bounds, regardless of whether the transmitting antenna system on the transmission side is a realized or simulated movement of the individual antenna. The correct sign Adding the phase jumps results in a sine curve of the voltage. The through the Switching process towards the received shortened pulses are a narrow band filter entered, at the output of which is a frequency-modulated with the transmitting antenna circular frequency Oscillation of the intermediate frequency can be picked up. This is known in Way frequency modulated, and the resulting low frequency voltage is in a known manner for determining the azimuth with one from the beacon in any one known manner transmitted reference oscillation compared in phase.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher erläutert, von denen F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens darstellt, F i g. 2 dient der Erläuterung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung. The invention is explained in more detail with reference to figures, of which F i g. 1 shows a block diagram of a circuit arrangement for carrying out the method represents, F i g. 2 is used to explain the mode of operation of the circuit arrangement.

Die Empfangseinrichtung besteht wie üblich aus der (oder den) Hochfrequenzvorstufe(n) 1, der Mischeinrichtung2, in der die empfangene hochfrequente Welle mittels eines Mischoszillators 3 in eine geeignete Zwischenfrequenzlage transponiert wird; nach einer entsprechenden Verstärkung in einem Zwischenfrequenzverstärker 4 wird diese einem Zwischenfrequenzschalter 5 eingegeben, der von einem Zeitglied 6 gesteuert wird. Das Zeitglied 6 selbst wird von der in einem Begrenzer 7 begrenzten Zwischenfrequenzspannung gesteuert. Die am Ausgang des Zwischenfrequenzschalters 5 anstehende Spannung der Zwischenfrequenz wird über ein Schmalbandfilter 8 einem Frequenzdemodulator 9 eingegeben, dessen Ausgangsspannung eine Sinusspannung mit der Frequenz der sendeseitigen Antennenbewegung, z. B. 30Hz (Richtspannung), ist, die, mit der vom Funkfeuer übertragenen Bezugsspannung phasenmäßig verglichen, den Azimut beinhaltet. As usual, the receiving device consists of the high-frequency pre-stage (s) 1, the mixing device 2, in which the received high-frequency wave by means of a Mixing oscillator 3 is transposed into a suitable intermediate frequency position; after a corresponding gain in an intermediate frequency amplifier 4 is this an intermediate frequency switch 5 which is controlled by a timer 6 will. The timing element 6 itself is controlled by the intermediate frequency voltage limited in a limiter 7 controlled. The voltage present at the output of the intermediate frequency switch 5 of the Intermediate frequency is input to a frequency demodulator 9 via a narrow band filter 8, whose output voltage is a sinusoidal voltage with the frequency of the antenna movement on the transmitter side, z. B. 30Hz (reference voltage) is the one with the reference voltage transmitted by the beacon compared in phase, which includes the azimuth.

Die Wirkungsweise des Verfahrens gemäß der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist in den Fig. 2A bis 2F erläutert. Das in Fig. 2A dargestellte Signal bedeutet das ohne Umweg direkt im Empfänger ankommende Signal nach seiner Transponierung in die Zwischenfrequenzlage; in F i g. 2B ist ein auf einem Umweg, nach einer Reflexion, im Empfänger eine gewisse Zeit später eintreffendes, die Auswertung der Azimutsignale sonst störendes Signal dargestellt. Die dem normalerweise geschlossenen Zwischenfrequenzschalter 5 eingegebenen Signale der Zwischenfrequenz passieren diesen nur zu einem bestimmten Teil, der in F i g. 2E dargestellt ist, und gelangen von seinem Ausgang auf das Schmalband- filter 8, dessen Durchlaßkurve in F i g. 2 F angedeutet ist. Daß nur der in F i g. 2 E dargestellte Teil des Signals gemäß F i g. 2A auf das Schmalbandfilter gelangen kann, und nicht das Störsignal gemäß F i g. 2 B, wird dadurch ermöglicht, daß der Zwischenfrequenzschalter 5 (elektronischer Schalter) mittels eines Zeitgliedes 6, das von den in einem Begrenzer 7 begrenzten Zwischenfrequenzsignalen gesteuert wird, nach einer beispielsweise von Hand wählbaren Zeit periodisch geöffnet wird. Das Ausgangssignal des Begrenzers 7 ist in Fig. 2C, das des Zeitgliedes 6 in Fig. 2D schematisch dargestellt. The mode of operation of the method according to the method shown in FIG. 1 shown The circuit arrangement is illustrated in FIGS. 2A to 2F. That shown in Fig. 2A Signal means the signal that arrives directly at the receiver without a detour after its Transposition into the intermediate frequency position; in Fig. 2B is a on a detour, after a reflection, which arrives at the recipient a certain time later, the evaluation the azimuth signals otherwise disruptive signal shown. The one normally closed Intermediate frequency switch 5 input signals of the intermediate frequency pass this only to a certain part, which is shown in FIG. 2E and arrive from its exit to the narrow-band filter 8, the transmission curve of which is shown in FIG. 2 F indicated is. That only the one shown in FIG. 2 E shown part of the signal according to FIG. 2A on the narrow band filter can get, and not the interference signal according to FIG. 2 B, will made possible by the fact that the intermediate frequency switch 5 (electronic switch) by means of a timing element 6, which is limited by the intermediate frequency signals limited in a limiter 7 is controlled, opened periodically after a time that can be selected manually, for example will. The output signal of the limiter 7 is that of the timing element 6 in FIG. 2C shown schematically in Fig. 2D.

Beim unteren Pegel des Signals gemäß Fig. 2D ist der Zwischenfrequenzschalter 5 geschlossen, also für die Zwischenfrequenzsignale durchgängig, beim oberen Pegel des Impulssignals gemäß Fig. 2D ist er geöffnet, so daß in der gleichen Signalperiode keine weiteren Signale, d. h. etwa vorhandene Störsignale, den Zwischenfrequenzschalter 5 passieren und auf das Schmalbandfilter 8 gelangen können. Die Durchlaßkurve des Schmalbandfilters 8 mit dem Signalspektrum der niederfrequenten Frequenzmodulation zu beiden Seiten der Mittenfrequenz fo innerhalb des Durchlaßbereichs ist in Fig. 2F schematisch dargestellt.The intermediate frequency switch is at the lower level of the signal according to FIG. 2D 5 closed, i.e. continuously for the intermediate frequency signals, at the upper level of the pulse signal shown in FIG. 2D, it is open, so that in the same signal period no further signals, d. H. any interference signals present, the intermediate frequency switch 5 pass and can get to the narrow band filter 8. The transmission curve of the Narrow band filter 8 with the signal spectrum of the low-frequency frequency modulation on both sides of the center frequency fo within the passband is shown in Fig. 2F shown schematically.

Durch das Abschneiden eines Teils des ursprünglichen Impulses (F i g. 2A) entsteht ein sehr breites Signalspektrum, das in eine Anzahl von Teilspektren aufgeteilt ist, deren mittleres, unmittelbar zu beiden Seiten der Frequenz fO liegendes in etwa (bis auf eine etwas stärkere Dämpfung der außen liegenden Spektrallinien) demjenigen Spektrum entspricht, wie es bei einer Übertragung mit kontinuierlichen Wellen (CEV) auftritt. Durch das Schmalbandfilter 8 werden alle Teilspektren abgeschnitten; der das Schmalbandfilter 8 passierende Teil entspricht dem mittleren Teilspektrum (F i g. 2 F). By cutting off part of the original impulse (F i g. 2A) creates a very broad signal spectrum, which is divided into a number of sub-spectra is divided, the middle, lying immediately on both sides of the frequency fO roughly (except for a somewhat stronger attenuation of the outer spectral lines) corresponds to that spectrum, as it is with a transmission with continuous Waves (CEV) occurs. All partial spectra are cut off by the narrow band filter 8; the part passing through the narrow band filter 8 corresponds to the middle partial spectrum (Fig. 2F).

Die am Ausgang des Schmalbandfilters 8 anstehenden frequenzmodulierten Signale werden mittels eines Diskriminators 9 frequenzdemoduliert; die Ausgangsspannung des Diskriminators ist die Richtspannung, eine Sinusspannung mit der Frequenz des senderseitigen Antennenumlaufes, beispielsweise 30 Hz, deren Phase im Vergleich zu der vom Funkfeuer in bekannter Weise übertragenen Bezugsspannung den Azimut beinhaltet. The frequency modulated at the output of the narrow band filter 8 Signals are frequency demodulated by means of a discriminator 9; the output voltage of the discriminator is the directional voltage, a sinusoidal voltage with the frequency of the antenna circuit on the transmitter side, for example 30 Hz, their phase in comparison contains the azimuth for the reference voltage transmitted in a known manner by the radio beacon.

Claims

Claim: Method for reducing the spread by multipath caused DF error in a navigation process with a large base Doppler beacon with an antenna system in which a uniform circular movement of a fed Realized individual antenna or by successively connecting individual antennas a circular antenna system is simulated to a transmitting device and at the receiving end the azimuth by phase comparison of the received from the rotating single antenna Signal (direction signal) is determined with a reference signal, characterized in that that the high-frequency feed energy is applied to the individual antenna as a single pulse and that on the receiving side for the preparation of the phase comparison required Direction signal only the beginnings of the first received pulses are evaluated are in such a way that the pulses in the intermediate frequency position an intermediate frequency switch (5) be entered that the intermediate frequency switch (5) by a timer (6), controlled by the intermediate frequency pulses limited in a limiter (7) is periodically cycled after a selectable time closed and opened, and that the output signals of the intermediate frequency switch (5) through a narrow band filter (8) are fed to a discriminator (9) for demodulation, the output signal of which is the directional signal