DE1934960B2

DE1934960B2 - Verfahren und Anordnung zum genauen Orten von Punkten

Info

Publication number: DE1934960B2
Application number: DE1934960A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm 3000 Hannover Sender
Original assignee: Prakla Seismos GmbH
Current assignee: Geco Prakla GmbH
Priority date: 1969-07-10
Filing date: 1969-07-10
Publication date: 1978-05-11
Also published as: DE1934960C3; DE1934960A1; CA950570A; US3715758A

Description

F.ine genaue Ortung, bei der das Ergebnis eine Genauigkeit in einer Größenordnung von ±2()m und besser aufweist, ist für Bohrinseln und Seezeichen /. Zt. noch mit sehr großen Kosten und .Schwierigkeiten verbunden. Dies liegt daran, daß bei Kntlernungcn, die über die Sichtweile hinausgehen, nur elektromagnetische Wellen nut geeigneten Aiisbreitiingsbcilin.L'iiiiL'cii und entsprechend aufwendigen Einrichtungen zum Aussenden und zum Empfang solcher Wellen infrage kommen. Es gibt zwar Verfahren, die mit quasi-optischen Wellen unter Zuhilfenahme eines hochfliegenden Flugzeuges als Relaisstation arbeiten. Derartige Systeme sind z. B. unter den Namen »Hiran« und »Aerodisi« bekanntgeworden. Für diese Verfahren ist jedoch ein erheblicher Aufwand an Einrichtungen für die Ausrüstung des Flugzeugs und ein noch größerer Aufwand für die Bodenstationen erforderlich. Der Einsatz dieser Verfahren ist daher für viele Fälle trotz der erzielbaren, recht hohen Genauigkeit zu kostspielig. Die zuerst genannten Verfahren, die mit der Erdkrümmung folgenden elektromagnetischen Wellen arbeiten, erfordern neben dem recht großen Bordaufwand Trägerfrequenzen in einem bestimmten Bereich, in dem eine große Überbelegung herrscht, so daß kaum noch neue Lizenzen für die zum Betrieb erforderlichen Trägerfrequenzen zu erhalten sind.

Aus diesen Gründen versuchte man sich bisher an vorhandene, fest installierte Navigationssysteme zu halten, soweit dies noch vertretbar erschien. Diese vorhandenen Navigationssysteme sind jedoch vorwiegend für den Bedarf der normalen See- und Luftfahrt eingerichtet, für die eine Genauigkeit von ca. 1 Seemeile (etwa 1,85 km) ausreicht. Um die eingangs erwähnte Größenordnung von ±20m zu erreichen, müßten die bestehenden Systeme mit einem erheblichen Kostenaufwand verbessert und erweitert werden. Da der Großteil der Benutzer keinen Wert auf größere Genauigkeit legt, sofern damit höhere Kosten verbunden wären, müßten die Verbesserungen und Erweiterungen von den sehr wenigen, daran interessierten Unternehmen getragen werden. Aus diesem Grunde erweist es sich auch heute noch meistens als wirtschaftlicher, zur genauen Ortung in begrenzten Gebieten eigene Navigationsketten als feste (z. B. Decca) oder teilweise auch nicht fest installierte (z. B. Decca-HiFix) Systeme einzurichten.

Die Systeme arbeiten zwar mit großer Genauigkeit, jedoch überdecken sie wegen ihrer kleinen Reichweite jeweils nur einen kleinen Teil der interessierenden Erdoberfläche. Ferner bereitet in diesen Fällen neben der Schwierigkeit, geeignete freie Trägerfrequenzen zu beschaffen, der Betrieb der Sendestationen an der Küste die größten Kosten, wobei die einzelnen Stationen dieser Navigationsketten zur Erzielung der gewünschten Genauigkeit der Ortung synchronisiert sein müssen.

Zu diesem Stand der Technik gehört beispielsweise ein durch die DT-AS 12 14 754 bekanntes Verfahren, bei welchem mit einem eigens installierten Navigationssystem gearbeitet wird. Zur Synchronisation werden dabei entweder jeder Station einzelne, geneue Zeitnormale zugeordnet, oder es werden alle Zeitnormale von einer Zentrale aus synchronisiert. Während im ersten Fall sämtliche Stationen mit Atomuhren ausgerüstet sein müssen, werden in zweiten Fall nur bei den Empfängern Atomuhren benötigt, während bei den Sendern quarzgesteuerte Generatoren als Zeitnormale verwendet werden können. Die mit diesem bekannten Verfahren erzielbare Genauigkeit bei der Entfernungsmessung beträgt jedoch selbst dann nur 3 km, wenn bei jedem Sender und jedem Empfänger eine Atomuhr vorgesehen ist.

Auch ein durch die DT-AS 12 73 623 bekanntes l'unknavigationsgerät arbeitet grundsätzlich nach diesem Verfahren. Ein gewisser Unterschied besteht lediglich darin, daß das bekannte Ftinknavigationsgerat durch Verbindung mit vier oder mehr bodenfesien

Stationen eine höhere Genauigkeit als das zuvor beschriebene Verfahren ermöglicht, bei welchem mit höchstens 3 Bodenstationen gearbeitet werden kann. Dieser Vorteil erfordert jedoch einen entsprechend höheren technischen und finanziellen Aufwand. ί

Bei einem weiteren, durch die GB-PS 8 93 401 bekannten Ortungssystem, welches ebenfalls mit synchronisierten Sendern und Empfängern arbeitet, bestehen im wesentlichen die gleichen Schwierigkeiten und Nachteile. in

Die bei den bekannten Verfahren und Anordnungen mit unterschiedlichen Rechenverfahren ermittelten Korrekturwerte dienen nämlich nur dazu, trotz der vorgesehenen Synchronisierung die Gangunterschiede der in den einzelnen Stationen verwendeten Zeitnorma- 1■> Ie zu ermitteln und mit Hilfe dieser Korrekturwerte die Entfernungsfehler der gemessenen scheinbaren Entfernung vorzeichenrichtig zur tatsächlichen Entfernung zu addieren und gegebenenfalls die Synchronisierung nachzuregeln.

Durch die US-PS 25 13 319 ist auch ein Ortungsverfahren bekannt, bei welchem mit zwar bereits vorhandenen, jedoch nicht synchronisierten Sendestationen gearbeitet wird. Die fehlende Synchronisation wird dabei durch eine im Ortungsgebiet fest installierte Relaisstation kompensiert, die von ihrem bekannten Standort Phasenkorrekturwerte zur beweglichen Station überträgt.

Dieses bekannte Verfahren ist aber nur für eine Ortung nach Hyperbelkoordinaten geeignet, weil dabei nur Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Sendestationen gemessen werden können. Da für die Messung der Phasendifferenzen Schwebungen zwischen jeweils zwei Sendestationen erzeugt werden müssen, kann dieses bekannte Verfahren nur in einem Gebiet j-3 eingesetzt werden, in dem wenigsten drei Sendestationen in geeigneter Anordnung vorhanden sind, welche Hochfrequenzschwingungen mit verhältnismäßig nahe beieinander liegenden Frequenzen abstrahlen.

Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, mit der vor allem innerhalb eines Meeresgebietes Punkte, insbesondere Bohrinseln, Seezeichen und dergl., mit einer Genauigkeit von mindestens ±20m geortet werden können. Neben dem bereits genannten Zweck können ein solches Verfahren und eine dazugehörende Anordnung auch als Navigationshilfsmittel oder zur Ortung von Punkten in Landgebieten benutzt werden. Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung sollen die geschilderten Schwierigkeiten und Nachteile >n mit einem möglichst geringen finanziellen Aufwand umgehen.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, weitestgehend Gebrauch von bereits vorhandenen Einrichtungen zu machen, welche Trägerfrequenzen » abgeben, die auf Grund zusätzlicher Information beim Empfang derart korrigiert werden, daß für die Ortung die gewünschte Genauigkeit erzielt werden kann.

Zu diesem Zweck geht die Erfindung aus von einem Verfahren zum genauen Orten von Punkten, die im w> Bereich einer Mehrzahl von Sendestationen liegen, deren von quarznormalen gesteuerte Hochfrequenzschwingungen im wesentlichen ständig gesendet werden, unter Verwendung einer ortsveränderlichen Empfangsstation, in der die von den Sendestationen t>i gesendeten Hochfreqiienzscriwiiigiingen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenkigen zur Erzielung .on l.auf/.eiiwerk· kenn/eiehiicnlen Siunalen mit solchen von Schwingungen verglichen werden, die von einem Atomfrequenznormal abgeleitet sind.

Ein solches Verfahren ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei fehlender Synchronisation zwischen den Sendestationen auch an einer zweiten im Empfangsbereich der Sendestationen liegenden, ortsfesten Empfangsstation die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen mit solchen von entsprechenden Schwingungen verglichen werden und aus den erhaltenen Werten Korrekturwerte ermittelt und an die ortsveränderliche Empfangsstation übertragen werden, in welcher sie mit den in dieser Empfangsstation abgeleiteten Signalen zum Ausgleich des auf der fehlenden Synchronisation der Sendestationen beruhenden Fehlers kombiniert werden, wobei die Vergleichsschwingungen in beiden Empfangsstationen von übereinstimmenden Atomfrequenznormalen abgeleitet werden.

Eine zur Ausführung dieses Verfahrens besonders geeignete, auch für ein Hyperbelsystem vorteilhafte Anordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der als Bezugsstation aufgestellten ortsfesten Empfangsstation zur Übertragung der Korrekturwerte verbundene Sendeeinrichtung mit einer vom Atomfrequenznormal der ortsfesten Empfangsstation gesteuerten Trägerfrequenz arbeitet, die gleichzeitig bezüglich der ortsveränderlichen Empfangsstation die Stelle einer der Sendestationen einnimmt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Abweichungen der Hochfrequenzschwingungen der einzelnen Sendestationen von einer von einem Atomfrequenznormal bestimmten Schwingung festgestellt und daraus die Laufzeitwerte zu den einzelnen Sendestationen gesondert ermittelt werden. Die von den nicht synchronisierten Sendestationen empfangenen Trägerschwingungen bilden somit unmittelbar ein sehr genaues Maß für die tatsächliche Entfernung zu den jeweiligen Stationen.

Dies wird im wesentlichen dadurch gewährleistet, daß bei der Erfindung für den Meßvorgang eine Bezugsstation im Empfangsbereich der Sendestationen, beispielsweise an einer günstigen Stelle einer ein Meeresgebiet begrenzenden Küste errichtet wird. Diese Bezugsstation empfängt alle in Frage kommenden Sendestationen und vergleicht ihre jeweilige Trägerfrequenz und Phase mit einer theoretisch gleichen, von dem Atomfrequenznormal abgeleiteten Frequenz. Praktisch wird die Abweichung dieser Werte, die durch die Quarzsteuerung der Trägerfrequenzen verursacht ist, von den durch Atomfrequenznormalsteuerung erzielbaren Werten ermittelt. Die Stabilität von Quarzoszillatoren ist jedoch über kurze Zeiträume, z. B. über einige Minuten, genauso gut, wie die von Atomfrequenznormalen. Daher ist eine Änderung von Frequenz- und Phasendifferenzen nur sehr langsam zu erwarten. Zur Weitergabe dieser Information an die bewegliche Empfangsstation ist deshalb kein großer Nachrichtenfluß erforderlich. Von der Bezugsstation zu dem oder den Meßfahrzeugen ist daher ein einseitiger Nachrichtenkanal mit geringer Bandbreite vollkommen ausreichend, wobei auch die Laufzeit von untergeordneter Bedeutung ist. Es genügt deshalb auch eine Raumwcllenverbindung für diesen Zweck. Vorzugsweise kann die handbreite etwa der Größenordnung der Bandbreite eines Kanals /ur llbertragung von Sprechfunk entspre

Als Sendestationen sind solche geeignet, deren Trägerfrequenzen ständig vorhanden sind. Das ist normalerweise bei allen nach Αϊ und A3 amplitudenmodulierten Sendern gegeben. Ein Ausfall der Trägerfrequenz für einige 10 bis 100 ms, wie er bei 100% ^r> Modulationsspitzen in A3 auftreten kann, schadet dabei nicht. Funkfeuer mit /4|-Modulation sind jedoch ungeeignet.

Für eine theoretische Betrachtung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung wird von folgenden Bezeichnungen Gebrauch gemacht:

T, = die absolute Bezugszeit, auf die die Atomfrequenznormale eingestellt sind;

fj = =-= die auf die absolute Bezugszeit bezogene π

Trägerfrequenz;

T_x = eine unbekannte Bezugszeit für die jeweilige Trägerfrequenz einer der beteiligten Sender;

hr = ψ- = die auf die unbekannte Bezugszeit bezöge-

ne Trägerfrequenz eines beteiligten Senders;
Af = f_Tr-r.\ f„ = f_a — Af\si die normierte Senderfrequenz, welche gleich /Vrsein sollte.

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Praktisch kann Af aber nicht in beliebig kleinen Schritten synthetisiert werden, so daß sich immer noch eine äußerst geringe zusätzliche Frequenzdifferenz xq ergibt, welche soch durch den Quantisierungsfaktor q, d. h. die kleinstmögliche Frequenzstufung im Synthetisator ergibt. fx<l).

Die normierte Senderfrequenz f„ weicht also noch um einen sehr geringen Betrag xq von /V> ab. Da die Schwingungsdauer T_q=\lxq dann sehr groß ist, wird zweckmäßigerweise der Wert T₁JT₃ in Zeitabschnitten f, r> welche klein gegen T_q sind, übertragen. Hierzu eignet sich vorzugsweise der momentane Phasendifferenzwert APh zwischen /"„ und /V-, wie er leicht von einem Goniometer abgelesen, als auch einem Goniometer wieder aufaddiert werden kann. w

Zur eindeutigen Synthese der Trägerfrequenz sind also die Werte Af und APh bei einer ortsfesten Empfangsstation zu ermitteln und über eine Telemetrieketle zum Fahrzeug zu übertragen, um dort wieder um eine eindeutige Frequenzsynthese zu ermöglichen. r>

T, wird von Atomfrequenznormalen abgeleitet, welche untereinander eine Gangdifferenz At_a haben können, deren zeitliche Änderung dt_:, sehr gering ist. Praktisch liegt dr,, z.B. bei 18 ns/h, was einer Laufzeitänderung von 5 m/h entspricht. ίο

Die Laufzeit der elektromagnetischen Wellen vom Sender zur ortsfesten Empfangsstation ist konstant, so daß die dort ermittelte normierte Trägerfrequenz /„eine von der jeweiligen Laufzeit abhängige, konstante Zeit, d. h. Phasendifferenz zu /„hat. ^γ>ί

Sofern die Frequenznormal beider Stationen übereinstimmen, also Al:i Null ist, hat /„auf der ortsveränderlichen Empfangsstation die gleiche feste Phasendifferenz zu /Vr, wie in der ortsfesten Empfangsstation. Dieser Wert kann rechnerisch oder empirisch für jede nn Stationsgeomelric ermittelt und als Konstante ins Fahrzeuggoniometer eingegeben werden. Dazu kommt jedoch eine positionsabhängige Laufzeit- bzw. Phasendifferenz für die Laufzeil der elektromagnetischen Wellen vom Sender zur ortsveränderlichen Empfangs- hi stiilion. Dieser Wert erscheint, nachdem /"„entsprechend phasenkorrigiert mit fr, verglichen wird, als Phasendifferenz im ortsveränderlichen Goniometer bzw. als Vielfaches davon im Phasenzählwerk urd entspricht der in Wellenlängen von /Vr ausgedrückten Entfernung ortsveränderliche Empfangsstation—Sender.

Weichen die Bezugszeiten T-, der beiden Stationen um At_:, voneinander ab, so differieren ebenfalls die Phasenlagen der auf der ortsveränderlichen Station gewonnenen normierten Sendefrequenzen /„ um Phasenwinkel, welche jeweils At_a entsprechen. Bei Benut zung mehrerer Sender ist das Δ f., für alle Trägerfrequenzen /Vr gleich. Würde nun nur in Standlinien gleicher Laufzeitdifferenz geortet, wie es bei Hyperbelnavigation üblich ist, so würde Δ t_a wegfallen, da es eine für alle Stationen gleiche Konstante darstellt. Bedingung ist allerdings, daß die Phasenwinkelmessungen der einzel nen Kanäle vor der Differenzbildung in Laufzeiten umgewandelt werden. Die Phasenmessung φ ist mit der Laufzeit t über die inverse Trägerfrequenz verkoppelt.

φ ■ \/f=t.

Diese Betrachtung zeigt, daß die jeweils an der Empfangsstation gemessene Laufzeit nur noch von dem Fehler der Atomfrequenznormalen abhängt. Dieser Fehler ist jedoch wesentlich geringer als der Fehler, der den Trägerfrequenzen der zur Messung herangezogenen Küstenstationen anhaftet. Unter Verwendung der in der ortsveränderlichen Empfangsstation abgeleiteten Größe für mehrere Küstenstationen ist es deshalb möglich, eine äußerst genaue Ortsbestimmung vorzunehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform beispielsweise dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten ortsfesten Empfangsstation,

F i g. 3 ein Blockschaltbild einer in der erfindungsgemäßen Einrichtung verwendeten ortsveränderlichen Empfangsstation,

Fig.4 eine vereinfachte Darstellung einer in den Einrichtungsteilen nach F i g. 2 und F i g. 3 verwendeten dynamischen Teilerkette,

F i g. 5 einen Impulsplan zur Erläuterung der Arbeitsweise einer Einrichtung nach F i g. 4 und

F i g. 6 ein Blockschaltbild eines in den Empfangsstationen der erfindungsgemäßen Einrichtung zu verwendenden Goniometers.

Bei der vereinfachten Darstellung nach F i g. 1 ist eine ortsveränderliche Empfangsstation mit E₁. bezeichnet Die Empfangsstation E_vkann z. B. an Bord eines Schiffes angeordnet sein, das sich in einem Meeresgebiet befindet, das sich im Sendebereich von Stationen K\, K. Ki usw. befindet. Es sind mindestens zwei Stationen K, erforderlich. Diese Stationen sind solche, die ihre Trägerfrequenzen ständig senden. Dabei ist ein Ausfal der Trägerfrequenz für einige 10 bis 100 msec, wie er be 100% Modulationsspitzen in A₃ auftreten kann, unwesentlich. Außerdem wird im Sendebereich aller Stationen K_n, die für die Messung benutzt werden sollen, eine Empfangsstation Eo an einem Küstenpunkt für die Dauer der Messung fest aufgestellt. Die Empfangsstation E₀ enthält sowohl einen Empfänger als auch einen Sender.

F i g. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einci ortsfest aufgestellten Empfangsstation E₁* Die Empfangsstation E₁, weist ein Atomfrequenznormal 20 auf

welches die Normalfrequenz liefert. Der Teil 20 enthält außerdem einen speziellen Synthetisator, der im dargestellten Beispiel eine Frequenz von 8,388608 MHz erzeugt, um eine Frequenzeingabe für eine nachgeschaltete dynamische Teilerkette 22 binär oder oktal direkt in I-Hz-Stufen zu ermöglichen. Eine für die erfindungsgemäße Einrichtung vorzugsweise verwendete Teilerkette wird weiter unten anhand einer vereinfachten Darstellung erläutert. In einer praktischen Ausführungsform der Erfindung besteht die Teilerkette 22 aus einem 31 stufigen binären Teiler. Die Teilerkette 22 weist zwei Ausgänge auf, die entsprechend der Anzahl der Küstenstationen K, mit denen die Einrichtung arbeitet, in eine entsprechende Anzahl von Anschlüssen verzweigt sind, ebenso wie die Antenne JO, so daß für jede Küstenstation die nachstehend beschriebenen Vorrichtungen zur Ableitung der Korrekturwerte vorhanden sind.

Von einer Frequenzeingabc 24 wird die nominelle Trägerfrequenz digital in 1-Hz-Stufen vorgegeben. An die Frequenzeingabe 24 ist ein Paralleladdierer 26 angeschlossen, in welchem zur vorgewählten Frequenz ein in einem dF-Register 28 gespeicherter Wert addiert bzw. subtrahiert wird. Ein Frequenzwähler 30 ist mit dem Summenausgang des Paralleladdierers 26 verbunden und erhält von diesem die tatsächlich zu erzeugende Frequenz und schaltet den entsprechenden Ausgang der Teilerkette 22 durch auf eine Vorrichtung 32, die als Teiler und Frequenz- und Phasenvergleicher arbeitet und die die von einem durch Spannung steuerbaren Oszillator (VCO) 34 erzeugte Frequenz synchronisiert.

Die Station enthält ferner ein Goniometer 36, das weiter unten noch ausführlich beschrieben wird und das eine 8-bit-Auflösung hat. Zwischen einem zum Goniometer 36 gehörenden Steuerregister 38 und einer in dem Teil 36 vorgesehenen Phasenschieberlogik ist ein Paralleladdierer 40 geschaltet, welcher gestattet, zu dem Augenblickswert des Steuerregisters 38 Phasenverschiebungswerte zu addieren bzw. zu subtrahieren.

Das Steuerregister 38 des Goniometers kann über einen dF-Wähler 42, der mit einem Ausgang der Teilerkette 22 verbunden ist, noch Steuerimpulse wählbarer Frequenz erhalten. Das Steuerregister 38 ist ein umsteuerbarer Vor-Rückwärts-Zähler, so daß hiermit kleine Frequenzverschiebungen positiver oder negativer Art vorgenommen werden können. Entsprechend der Auflösung des Goniometers handelt es sich um einen 8-bit-Zähler. Die Frequenzdifferenz beträgt deshalb bei Eingabe von ±256 Impulsen/sec entsprechend 360°/see oder 1 Hz.

Über den dF-Wähler 42 wird die Frequenz in Feinstufung, d.h. z.B. unter 1 Hz in 1/512 Hz-Stufen gewählt. Hierbei schaltet der Wähler 42 vorwählbare Impulsfolgefrequenzen von der Teilerkette 22 auf den Eingang des Steuerregisters 38.

An die Antenne 10 ist ein Empfänger 12 angeschlossen, mit dessen Ausgang ein Phasenvergleicher 44 verbunden ist, der außerdem an das Goniometer 36 angeschlossen ist. Der Phasenvcrgleicher 44 ermittelt eine Richtspannung aus der Phasendifferenz zwischen der über die Antenne 10 ankommenden Trägerwelle und der mittels des Oszillators 34 erzeugten und über das mit dem Oszillator verbundene Goniometer 36 phasengeschobenen, synthetisierten Frequenz. Die im Phasenvergleicher 44 erzeugte Richtspannung wird auf eine Stcuerlogik 46 gegeben, welche so lange den Inhalt des dF-Regislers 28 und eines dPh-Registcrs 48 beeinflußt, bis die Richtspannung, d. h. der Phasenfehler, Null wird.

Die dF- und dPh-Register 28 bzw. 48 sind ebenfalls umsteuerbare Vor-Rückwärts-Zähler. Das Register 28 enthält die Frequenzdifferenz zur nominellen, d. h. zur ■j vorgewählten Frequenz und hat in einer praktischen Ausführungsform eine Auflösung von 16 bit. Das dPh-Regisler 48 enthält die momentane Phasendifferenz zwischen der empfangenen Trägerfrequenz und der synthetisierten Frequenz und hat in einer prakti-

Ki sehen Ausführungsform mit 8 bit die gleiche Auflösung wie das Goniometer.

Die Steuerlogik 46 gibt zunächst bei vorhandener Fehlerspannung vom Phasenvergleicher 44 Impulse und Richtungsinformationen auf das dPh-Register 48, bis der

Γ) Fehler Null wird. Überschreitet die Impulsfolge zur Korrektur der Phase einen gewissen Schwellenwert, welcher der kleinsten wählbaren Frequenzänderung in Grad/sec entspricht, im Beispiel 360/512 = ca. 0,7 Grad/ see, so erhält das dF-Register 28 so lange Impulse

2» entsprechender Zählrichtung, bis die Phasenlagenänderung pro Zeit durch entsprechende Frequenzkorrektur diesen Schwellenwert wieder unterschreitet.

Das Register 48 gibt die Phasendifferenzwerte über den Paralleladdierer 40 unmittelbar in das Goniometer

.'•j ein. Das Register 28 gibt die Grobwerte, im Beispiel ab 1 Hz, über den Paralleladdierer 26 in den Frequenzwähler 30 und die Feinwerte unter 1 Hz in den dF-Wähler 42 ein, welcher eine entsprechende, von der Teilerkette 22 abgeleitete Taktfrequenz an das Steuerregister 38

J» durchschaltet.

Die in den Registern 28 und 48 vorhandenen Augenblickswerte stellen die momentane Phasen- und Frequenzabweichung der gewählten Trägerwelle der jeweiligen Küstenstation K dar und werden über einen

J"> Telemetriesender 72 an die ortsveränderliche Empfangsstation Ey weitergegeben. Die eingerahmten Teile 20 und 22 sowie die Antenne und der Telemetriesender 72 werden bei Benutzung mehrerer Träger gemeinsam verwendet, während alle übrigen Teile in der gleichen

4» Zahl, wie Trägerfrequenzen kontrolliert werden, vorhanden sein müssen. Dem Telemetriesender 72 ist eine Multiplexschaltung 70 vorgeschaltet, die mit den Ausgängen aller Register 28 und 48 in der Weise verbunden ist, daß diese Ausgänge in vorgegebener

4' Reihenfolge abgefragt werden.

Fig.3 zeigt die ortsveränderliche Empfangsstation, die zusammen mit einer Station nach F i g. 2 verwendet wird. Die Bestandteile der ortsveränderlichen Empfangsstation, die denjenigen der ortsfesten Station im

i(i wesentlichen gleichen, sind mit dem gleichen Bezugszeichen unter Beifügung eines Apostrophs gekennzeichnet. Die in F i g. 3 eingerahmten Teile werden bei Benutzung mehrerer Träger gemeinsam verwendet, während alle übrigen Teile in der gleichen Zahl wie die zur Ortung

>^ri verwendeten Trägerfrequenzen vorhanden sein müssen.

In Abänderung der ortsfesten Station ist zwischen

dem Atomfrequenznormal 20' und der dynamischen Teilerkette 22' eine Aufdatierungscinheit 50 geschaltet, für die eine Eingabevorrichtung 52 vorgesehen ist. Die

wi Vorrichtungen 50 und 52 gestatten, die dynamische Teilerkette so zu beeinflussen, daß diese absolut synchron mit der Teilerkette 22 der ortsfesten Empfangsstation arbeitet. Die Eingabevorrichtung 52 kann entweder von Hand oder durch einen Navigations-

i'^r> rechner, der nicht dargestellt ist, eingestellt werden.

Arbeiten beide Tcilcrkcttcn 22, 22' synchron, so ist eine Navigation oder Ortsbestimmung mittels direkter Entfernungen zu den gewählten Sendern möglich. Diilu-i

werden die Ortskoordinaten durch den Schnittpunkt zweier Radien bestimmt, welche die Entfernungen zu zwei Küstenstationen K darstellen. Dies ist die vorteilhafteste Art der Ortung oder Navigation; hierfür ist jedoch erforderlich, daß mindestens von einer zusätzlichen Küstenstation K eine Trägerwelle empfangen wird, um aus der Redundanz die notwendige Information zur Aufdatierung der Teilerkette zu erhalten.

Mit mindestens drei Küstenstationen K könnte auch nach Hyperbelkoordinaten geortet werden, wobei nur die Laufzeitdifferenzen der einzelnen Stationen zueinander als Information benötigt werden, so daß in diesem Fall keine Aufdatierung der dynamischen Teilerkette erforderlich wäre.

Ein weiterer Unterschied der ortsveränderlichen Empfangsstation gegenüber der ortsfesten Empfangsstation besteht darin, daß die Register 28' und 48' nicht von einer Steuerlogik, sondern über die Telemetriekette mit den von der ortsfesten Empfangsstation abgegebenen Werten gesetzt werden. Hierzu dient ein Telemetrieempfänger 72, der mit einer Multiplexeinrichtung 70' verbunden ist, die ebenso wie die Teilerkette 22' entsprechend der Anzahl η der Küstenstationen K_n Ausgangspaare aufweist, wobei von jedem Ausgangspaar der eine Ausgang mit dem Register 28' und der andere mit dem Register 48' verbunden ist. Entsprechend sind die Ausgänge der Teilerkette 22' mit dem jeder Küstenstation zugeordneten Frequenzwähler 30' und df-Wähler 42' verbunden.

Ferner ist in der ortsveränderlichen Empfangsstation zwischen dem Paralleladdierer 40' und dem Goniometer 36' ein weiterer Paralleladdierer 54 angeordnet. Dieser wird über die vom Phasenvergleicher 44' des Empfängers 12' kontrollierte Steuerlogik 56 und dem als Vor-Rückwärts-Zähler aufgebauten Phasenregister 58 so angesteuert, daß die Phasendifferenz im Phasenvergleicher 44' Null wird.

Es wird vorausgesetzt, daß die Register 28' und 48' sowie die Frequenzeingabe 24' auf der ortsveränderlichen Empfangsstation die gleichen Eingabewerte wie die entsprechenden Teile der ortsfesten Empfangsstation erhalten. Dann kann, wenn auch die dynamischen Teilerketten 22 und 22' nach aus einem Navigationsrechner gewonnenen Informationen synchron arbeiten, über das Phasenregister 58 und einen Standlinienzähler 60 eine direkte Entfernungsinformation zur jeweiligen Küstenstation gewonnen werden. Fehlt eine Aufdatierungsinformation für die dynamischen Teilerketten, so kann lediglich die Laufzeitdifferenz der ortsveränderlichen und der ortsfesten Empfangsstation untereinander ermittelt werden unter der Voraussetzung, daß die Teilerketten 22 b/w. 22' in der ortsfesten und der ortsveränderlichen Empfangsstation für alle Träger die gleichen sind.

Zur Erläuterung der Funktion der Teile 20 und 22 bzw. 20' und 22' wird auf die F i g. 4 und 5 bezug genommen. Übliche Atomfrequenznormale liefern im allgemeinen nur Standardfrequenzen von 0,1, 1,0 und 5 MHz. Hiervon müssen die in der erfindungsgemäßen Einrichtung benötigten Frequenzen kohärcni abgeleitet werden. Dies wird mittels Frequenzsynthese erreicht. Es gibt zu diesem Zweck bekannte Synthesetechniken und handelsübliche Geräte dazu. Diese bekannten Geräte sind verhältnismäßig aufwendig, besonders mit Bezug auf Resonanz- und Filterkreise, welche noch nicht der integrierten Technik genügend zugänglich sind. Aus diesem Grund wird in der crfindungsgcmäßcn Einrichtung ein neues, weitgehend in integrierten Schaltelementen zu verwirklichendes und damit sehr raumsparendes System verwendet, welches besonders den Erfordernissen einer Ortungs- und Navigationseinrich-

"i tung gerecht wird.

Einen wesentlichen Teil dieses Systems bildet eine in Fig.4 schematisch dargestellte Vorrichtung, die als digitaler dynamischer Multiplizierer angesehen werden kann. In dieser Vorrichtung wird eine Normalfrequenz

ίο ft durch eine Kette von Flip-Flop-Teilerstufen Fl > F5 jeweils halbiert. Die Vorrichtung nach Fig.5 zeigt nur fünf Teilerstufen, um die Erläuterung zu vereinfachen. Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Einrichtung nach Fig. 2 und 3 in einer praktischen

1) Ausführungsform 31stufige binäre Teiler aufweist. Die Teilerstufen Fi-F5 liefern an die Schalterausgänge 51 >55 über die Differenzglieder D1-D5 Impulsfolgen von /Ό/2; /i/4; /0/8; Z₀/16; /Ö/32. Bei richtiger Auskopplung stehen, wie aus F i g. 4 ersichtlich, niemals

2(i zwei Impulse gleichzeitig am Summierglied, selbst wenn alle Schalter 51 — 55 geschlossen wären. Die Impulsfolge am Ausgang des Summiergliedes besteht jeweils aus der Summe der von den geschlossenen Schaltern gelieferten 1/2"-Anteilen von /o, wobei η der jeweiligen

r> Ordnungszahl der Teilerstufe entspricht. Sind z. B. Schalter 51 und 52 geschlossen, so steht am Ausgang eine Impulsfolge von fall + /Ό/4 = 3/4/"o. Sind Schalter 51, S 2 und 54 geschlossen, so ergibt sich 13/164 und bei geschlossenen Schaltern 52, 53 und 55 entsprechend

jo 13/32/b. Durch geeignete Kombination der Schalterstellungen und bei genügend langer Teilerkette kann man einen beliebigen Bruchteil von /"o als Impulsfolge wählen. Der Multiplikationsfaktor ist allerdings stets kleiner als 1.

r> Die oberste Reihe der Fig.5 zeigt die Frequenz /Ό; die darunterliegenden Reihen l—V zeigen Frequenzen, die jeweils durch Teilen mit einer der Randziffer entsprechenden Potenz von 2 aus der Grundfrequenz f₀ abgeleitet worden sind. Ii bis I5 in den darunterliegenden fünf Zeilen sind die Darstellungen der Frequenzen der Reihen I —V als Impulsfolgen, die an den Schaltern 51 —S5 auftreten. Die darunterliegenden drei Reihen zeigen spezielle Impulsfolgen bei Schließung bestimmter, in den Reihen jeweils angegebener Schalter

■11 entsprechend den vorstehend besprochenen Beispielen. Es empfiehlt sich, die Phaseninformation in Gestalt digitaler Ausgangswerte abzuleiten. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine digitale Phasenvergleichsmethode angewendet. Es sind eine Reihe von Einrichtun-

">n gen für diesen Zweck bekannt, jedoch erweisen sich alle bei hohen Anforderungen an Störsicherheit als ungeeignet. In der Praxis hat sich deshalb trotz vieler Nachteile bislang ein servogetriebenes Goniometer am besten bewährt, zumal es bei plötzlichen Störspitzen, z. B. in

ΊΊ Gewittern, durch seine Schwungmassen so leicht keine Information verliert oder verfälscht. Um die Nachteile eines Servogoniometers, wie hohes Gewicht, Leistungsverbrauch, Wartungsaufwand und verhältnismäßig kurze Lebensdauer der Mechanik sowie den zusätzlichen Aufwand für einen digitalen Winkelkodicrer zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein ganz in Festkörpertechnik aufgebautes elektronisches Goniometer in digital-analoger Hybridtechnik mit digitalem Ausgang verwendet.

h^:i Die Arbeitsweise eines digitalen Goniometers entspricht weitgehend einem elektronischen Analogon zum mechanischen Resolver. Betrachtet man die Gleichung für die Ausgangsspannung eines als Phasen-

schieber geschalteten Goniometers mit den Eingangsspannungen

Uc [ = A sin ω ι
und

Uc2 = A sin ωί + π/2 ,

so ist die Ausgangsspannung

U_a = Uc ι sin φ + Uc > cos φ .

Könnte beispielsweise mit einem geeigneten D/A-Wandler die Amplitudenfunktion sin φ von U_c\ und cosQ) von U_ci erzeugt und beide Ausgänge summiert werden, so hätte man schon eine elektronische Lösung. Jedoch ist ein derartiger Analogwandler sehr aufwendig. Einfacher wird die Lösung, wenn man anstelle der sinusförmigen dreieckförmigen Eingangsspannungen, wie man sie bei der Integration einer Rechteckspannung erhält, anwendet. Dann sind U_c\ und Uc 2 alternierende Dreiecksfunktionen, die um λ/2 gegeneinander verschoben sind. Es läßt sich beweisen, daß dann die Funktion für U_a ebenfalls eine alternierende Dreiecksfunktion l{q>)Uc\ + U_e2 ist. Die summierte Ausgangsspannung ist dann allerdings nur noch in den Fällen φ = O; π/2; π; 3π/2 eine lineare alternierende Dreiecksfunktion, während sich sonst eine ungerade alternierende Funktion ausbildet. Die Verschiebung der Nulldurchgänge ist jedoch linear mit φ. Erzeugt man mittels eines empfindlichen Schmitt-Triggers oder Differenzenkompensators über den Nulldurchgängen wiederum eine Rechteckspannung, so erhält man einen linearen digitalen Phasenschieber für rechteckige Ein- und Ausgangsspannungen, wie sie in der Digitaltechnik gebräuchlich sind.

Anhand von Fig.6 wird ein digitales Goniometer ausführlich beschrieben, wobei in der Figur die Teile 36, 40,38,44 und 46 der F i g. 2 enthalten sind. Der Eingang links oben kommt von dem spannungsgesteuerten Oszillator 34. Der Eingang rechts oben kommt von dem Empfänger 12. Da die Eingangsl'requenzen, die vom Oszillator 34 kommen, teilweise auch mit negativem Vorzeichen vorhanden sein müssen, was bei Wechselspannung einfach einer Umpolung oder Verschiebung um π entspricht, sind in den Eingängen Inverter 78,80 in Verbindung mit Torschaltungen vorgesehen, welche über eine Steuerzählkette 76 entsprechend geschaltet werden. Die Steuerzählkette 76 entspricht in F i g. 2 den über Paralleladdierer 40 zusammengeführten Registern 38 und 48. Der Paralleladdierer 40 ist ein aus der Rechentechnik bekanntes Netzwerk, das vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik ausgeführt ist und je Bit-Stelle zwei Eingänge A und B und einen Ausgang S mit der binären Übertragungsfunktion A +B= S hat. Der /4-Eingang ist mit dem Steuer-Register 38 und der ß-Eingang mit dem Phasendifferenz-Register 48 verbunden. Der Summenausgang entspricht der Steuerzählkette 76 und geht an die Teile 78, 80 sowie an die digitalen Abschwächer 86 und 88.

Demnach geht die von 34 kommende Eingangsfrequenz einmal direkt über einen solchen sogenannten ±-Schalter 78 und einen Begrenzungsverstärker 82 auf den digitalen Abschwächer 86, während sie zur Nachbildung einer zweiten Phase mittels eines Verzögerungsgliedes 79 vorher um π/2 geschoben wird und ebenfalls über einen ±-Schalter 80, Begrenzungsverstärker 84 auf den digitalen Abschwächer 88 geht. Die Teile 78, 80, 86,88 sind als die eigentlichen Stellglieder des Goniometers 36 anzusehen.

Die beiden Abschwächer-Ausgangsspannungen werden gemeinsam mittels eines Integrationskondensators 90 zu einer altenierenclen Dreiecksfunktion integriert. Um klare Nulldurchgänge zu erhalten, wird diese Spannung im Verstärker V1 verstärkt und mittels eines Differenzkomparators 92 in eine Rechteckspannung verwandelt. Diese Spannung wird in einem Phasenvergleicher 94 mit der (Rechteck)-Frcquenz verglichen, die vom Empfänger 12 kommt. Am Ausgang des Phasenvergleichers 94 steht wiederum eine Rechtecksspannung mit Phasendifferenzabhängiger Unsymmetrie. In einem dynamischen Analogwandler 96 wird diese in eine phasendifferenzabhängige Gleichspannung umgewandelt, wobei die Spannung Null einer Phasenverschiebung von 90° entspricht. Die Teile 94 und 96 entsprechen dem Phasenvergleicher44 in F i g. 2.

Die Spannung wird mittels eines Verstärkers V2 nochmals verstärkt und über einen Begrenzer 98, welcher nur feststellt, ob eine positive oder negative Abweichung besteht, als Vor-Rückwärts-Steuerinformation der Steuerzählkette 76 zugeführt. Ein zweiter Weg führt von dem Verstärker V2 über zwei, als Präzisionsvollweggleichrichter geschaltete Verstärker V3 und V4 an einen Impulsgenerator 100. Am Ausgang von V4 liegt sowohl bei positiver als auch bei negativer Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 94 eine positive Spannung, welche mittels eines Doppelbasistransistors 101 Impulse mit einer Frequenz erzeugt, die von der Spannungs-Phasenabweichung abhängig ist. Diese Impulse triggern die Steuerzählkette 76 so lange, bis die Ausgangsspannung des Phasenvergleichers 94 zu Null wird. Das heißt, das Phasenverhältnis der Eingangsfrequenzen von 34 und 12 wird immer auf 90 Grad gehalten, wobei die Zahl der Steuerimpulse für einen 360°-Umlauf durch die Länge der Steuerzählkette bedingt ist. Zum Beispiel können 32 Impulse einem Umlauf entsprechen. Es lassen sich noch wesentlich höhere Auflösungen verwirklichen; jedoch ist die im Beispiel erreichte Schrittweite vollkommen ausreichend.

Der Steuerlogik 46 in F i g. 2 entsprechen hinsichtlich des an das Register 48 gehenden Ausganges die aus V2, 98, V3, K 4,100 und 101 bestehenden Netzwerke. Dabei gehen die von 101 gelieferten Impulse und die von 98 gelieferte Vor-Rückwärts-Information an das Phasendifferenzregister 48. Bezüglich der Verbindung der Steuerlogik mit dem df-Register 28 wird auf die weiter oben gegebenen Erläuterungen verwiesen.

Für die ortsveränderliche Empfangsstation, siehe F i g. 3, sind die zum Goniometer 36' gehörenden Teile, im wesentlichen in gleicher Weise angeordnet. Zwischen dem Paralleladdierer 40' und dem Goniometer 36' liegt bei der ortsveränderlichen Empfangsstation ein weiterer Paralleladdierer 54, welcher zu der Summe, die vom S-Ausgang des Paralleladdierers 40' geliefert wird, den Stand des Phasenregisters 58 addiert. Am Goniometer 36' liegt also die Summe der Registerstände aus den Teilen 38', 48' und 58. Der Phasenvergleicher 44' setzt sich wie bei der ortsfesten Empfangsstation aus den Netzwerken 94 und 96 zusammen. Die Steuerlogik 56 entspricht den Teilen V2,98, K3, V4,100 und 101 in Fig.6, wobei der Impulsausgang von 100 und die Vor-Rückwärts-Information von 98 an das Phasenregister 58 gehen, welches über den Parallcladdierer 54 den Regelkreis schließt.

Die Zählkette 76 ist in der praktischen Ausführungsform aus mehreren Zählketten zusammengesetzt, welche über die Paralleladdierer ziisammengeschnltet

werden. Die Ausgänge zu den digitalen Abschwächern 86, 88 bilden logische Verknüpfungen, die von der Summe der Register 38 und 48 bei der ortsfesten bzw. 38', 48' und 58 bei der ortsveränderlichen Empfangsstation angesteuert werden. ·>

Hierzu 6 Walt Znchiiuniicn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum genauen Orten von Punkten, die im Bereich einer Mehrzahl von Sendestationen liegen, deren von Quarznormalen gesteuerte Hochfrequenzschwingungen im wesentlichen ständig gesendet werden, unter Verwendung einer ortsveränderlichen Empfangsstation, in der die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwin- ii> gungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen zur Erzielung von Laufzeitwerte kennzeichnenden Signalen mit solchen von Schwingungen verglichen werden, die von einem Atomfrequenznormal abgeleitet sind, d a d u r c h g e k e η η - ι j zeichnet, daß bei fehlender Synchronisation zwischen den Sendestationen (K\, K2, Kj) auch an einer zweiten im Empfangsbereich der Sendestationen liegenden, ortsfesten Empfangsstation (E₀) die von den Sendestationen gesendeten Hochfrequenzschwingungen aufgenommen und ihre Frequenzen und Phasenlagen mit solchen von entsprechenden Schwingungen verglichen werden und aus den erhaltenen Werten Korrekturwerte ermittelt und an die ortsveränderliche Empfangsstation (E_v) übertra- r> gen werden, in welcher sie mit den in dieser Empfangsstation abgeleiteten Signalen zum Ausgleich des auf der fehlenden Synchronisation der Sendestationen beruhenden Fehlers kombiniert werden, wobei die Vergleichsschwingungen in jo beiden Empfangsstationen (E_n E_v) von übereinstimmenden Atomfrequenznormalen (20, 20') abgeleitet werden.

2. Anordnung zur Durchführung eines Ortungsverfahrens insbesondere nach Anspruch 1, dadurch r> gekennzeichnet, daß eine mit der als Bezugsstation aufgestellten ortsfesten Empfangsstation (E₀) zur Übertragung der Korrekturwerte verbundene Sendeeinrichtung (72) mit einer vom Atomfrequenznormal (20) der ortsfesten Empfangsstation gesteuerten Trägerfrequenz arbeitet, die gleichzeitig bezüglich der ortsveränderlichen Empfangsstation (E,) die Stelle einer der Sendestationen (K\, K2, Kt) einnimmt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- ·»■> zeichnet, daß zur Übertragung von der ortsfesten zur ortsveränderlichen Empfangsstation ein einseitiger Nachrichtenkanal vorgesehen ist, dessen Bandbreite etwa der Größenordnung der Bandbreite eines Kanals zur Übertragung von Sprechfunk ~>o entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeverbindung zur Übertragung von der ortsfesten zur ortsveränderlichen Empfangsstation mit Raumwellen arbeitet. ■»