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Verfahren zur Funkortung von einem bewegten Fahrzeug aus und Einrichtung
zur Ausführung des Verfahrens Für geophysikalische Messungen, aber auch für andere
Zwecke, ist es vielfach unerlässlich, von einem bewegten Fahrzeug aus genau den
Ort bestimmen zu können, an oder über dem sich das Fahrzeug momentan befindet. Zu
diesem Zweck sind bereits verschiedene, sogenannte Funknavigationssysteme bekannt
geworden, die die Ortsbestimmung eines beweglichen Empfängers durch Messung der
Entfernungen zu mehreren ortsfesten, gleichphasig angesteuerten, jedoch zeitgestaffelt
arbeitenden Funksendern ermöglichen, wobei der Empfänger einen primären Uaktgeber
enthält, der eine mit den von den Sendern erzeugten
Schwingungen
absolut gleichphasige Bezugs schwingungen erzeugt, und wobei ferner jeder Sender
einen eigenen sekundären Taktgeber enthält, welcher eine Schwingung erzeugt, die
mit der von dem betreffenden Sender stammenden, am Meßort empfangenen Welle relativ
gleichphasig ist, und wobei ausserdem der Empfänger Phasenvergleichsschaltungen
enthält, von denen jede durch Feststellung der Phasendifferenz zwischen der Bezugsschwingung
und der von einem der sekundären Taktgeber abgegebenen Schwingung ein die Entfernung
zu dem betreffenden Sender und damit eine Standlinie des Empfängers kennzeichnendes
Ausgangssignal erzeugt.
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Eine bekannte Einrichtung dieser Art zeichnet sich dadurch aus, dass
bei Vorhandensein von wenigstens 3 Funksendern der primäre Taktgeber mit einer Phasenregeleinrichtung
versehen ist und an die Ausgänge der Phasenvergleichsschaltungen ein Rechenwerk
angeschlossen ist, das aus den Ausgangssignalen der Phasenvergleichsschaltungen
ein Fehlersignal ableitet, das auf die Phasenregeleinrichtung im Sinne einer Beseitigung
der Unterschiede der Standlinienschnittpunkte einwirkt. Diese bekannte Einrichtung
arbeitet in der Weise, dass aus einer Grundfrequenz durch Multiplikation mit einem
zwischen 1 und 2 liegenden Faktor Trägerfrequenzen abgeleitet werden. Diese Trägerfrequenzen
werden durch zusätzliche, mit Frequenzteilern gewonnenen Frequenzen zur Kennzeichnung
und späteren Identifizierung überlagert. Im Empfänger können aus den Anzeigen der
den Trägerfrequenzen zugeordneten
Anzeigegeräte Differenzen gebildet
werden, die eine genauere Festlegung des Ortes ermöglichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vereinfachung dieses
oder ähnlicher bekannter Funkortungssysteme zu schaffen. Die Erfindung geht zu diesem
Zweck aus von einem Verfahren zur Funkortung von einem bewegten Fahrzeug, das eine
Empfängerstation aufweist, die von mindestens zwei Sendestationen Signale mit bestimmten
bekannten Parametern empfängt, wobei Sender und Empfänger durch übereinstimmende
Frequenznormale gesteuert werden, aus deren Grundfrequenz injedem Sender mindestens
zwei Trägerfrequenzen abgeleitet werden, die in bestimmter, einander nicht störender
Zeit-folge zum Empfänger übertragen und in diesen in Beziehung zu Frequenzen gesetzt
werden, die entsprechend aus dem Frequenznormal des Empfängers abgeleitet worden
sind.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst
aus den Grundfrequenzen durch Teilung Teilerfrequenzen erzeugt und durch Addition
der Teilerfrequenzen mit zeitlich verschieden auftretenden Impulsen Trägerfrequenzen
synthetisiert werden, die Produkte der Grundfrequenz mit einem zwischen Null und
Eins liegenden Faktor bilden, so dass die Wiederkehrfrequenz gleicher Impulsfolgen
der niedrigsten an der Synthese beteiligten Teilerfrequenz entspricht.
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Die Erfindung sieht demnach vor, dass die Trägerfrequenzen bereits
durch ihre Ableitung einwandfrei charakterisiert und im Empfänger identifizierbar
sind. Das wird durch die Synthetisierung von Trägerfrequenzen in der Weise erreicht,
dass im Gegensatz zum Stand der Technik bereits die Trägerfrequenzen ein Produkt
der Grundfrequenz mit einem zwischen Null und Eins liegenden Faktor sind.
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Eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens mit
mindestens zwei stationären Sendern und einem in einem Fahrzeug angeordneten Empfänger,
die übereinstimmende Frequenznormale enthalten, ist dadurch gekennzeichnet, dass
im Sender und im Empfänger jeweils das Frequenznormal mit einer digitalen dynamischen
Multipliziereinrichtung verbunden ist, die eine Teilerkette aufweist, an deren Ausgängen
eine der Anzahl der zu verwendenden Trägerfrequenzen entsprechende Zahl von Summiereinrichtungen
parallel angeschlossen ist.
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In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in jedem Sender der
Ausgang jeder Summiereinrichtung an einem Vor- Rückwärtszähler liegt, der die aus
der Summiereinrichtung kommende Impulsfolge als vorwärts zu zählende Impulse und
aus einem spannungsgesteuerten Oszillator differenzierte Impulse zur Rückwärtszählung
aufnimmt und der über einen Digital- Analogwandler entsprechend dem Zählerstand
eine Steuerspannung
abgibt, die nach Durchgang durch einen Filter
den Oszillator nachzieht-, der einen Ausgangskanal ansteuert. Ein weiteres Merkmal
der Erfindung besteht darin, dass im Empfänger für jede frägerfrequenz ein Oszillator
vorgesehen ist, der durch eine Summiereinrichtung über einen Zähler und einem mit
diesem verbundenen Digital-Analog-Wandler gesteuert wird und mit einer an die Antenne
angeschlossenen Phasenvergleichsstufe verbunden ist, die eine Regelspannung abgibt,
welche zur Steuerung eines zwischen Frequenznormal und dynamischer Multipliziereinrichtung
liegenden Resolvers dient.
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Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in denen eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine als dynamische Multiplizierkette nach der Erfindung verwendete Einrichtung,
Fig. 2 einen Impulsplan für mit der Einrichtung nach Fig. 1 abzuleitende Trägerfrequenzen
und Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Senders und des diesem Sender zugeordneten
Teils eines erfindungsgemässen Empfängers.
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Nach der Erfindung werden für das Verfahren Atomfrequenznormale eingesetzt,
die im allgemeinen nur Standardfrequenzen von 0,1 bis 1,5 und 5 Mz liefern. Hiervon
müssen die geforderten
Träger- und Oszillatorfrequenzen kohärent
abgeleitet werden. Dies wird mittels eines sogenannten Frequenzsynthetisators bewerkstelligt.
Es gibt eine Reihe bekannter Synthesetechniken und einige handelsübliche Geräte
dazu. Allen gemeinsam ist, dass sie verhältnismässig aufwendig sind, besonders an
Resonanz- und Filterkreisen, welche noch nicht der integrierten Technik genügend
zugänglich sind. Aus diesem Grunde wurde ein neues, weitgehend in integrierten Schaltelementen
zu verwirklichendes und damit sehr raumsparendes System entwickelt, welches besonders
den Erfordernissen des Navigationssystems gerecht wird.
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Das Herzstück dieses Verfahrens bildet eine in Fig. 1 schematisch
dargestellte Einrichtung, die als ein digitaler dynamischer Multiplizierer angesehen
werden kann. Die Normalfrequenz fO wird durch eine Kette von FIip-Flop-Teilerstufen
F1 - F5 jeweils halbiert. Im dargestellten Beispiel sind 5 Teilerstufen vorgesehen.
In der Praxis wird eine den Erfordernissen entsprechende grössere Anzahl verwendet
werden.
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Damit stehen jeweils an den Schalterausgängen S1 - S5 hinter den Differenziergliedern
D1 - D5 Impulsfolgen von f0/2; f0/4; fo/8; f /16; fQ/32. Bei richtiger Auskopplung
stehen, wie aus 0 0 Fig. 1 ersichtlich, niemals zwei Impulse gleichzeitig am Summierglied,
selbst wenn alle Schalter S1 bis S5 geschlossen wären. Die Impulsfolge am Ausgang
vom Summierglied besteht jeweils aus der Summe der von den geschlossenen Schaltern
gelieferten
1/2n Anteilen.von f0, wobei n der jeweiligen Zahl der Teilerstufe entspricht. Sind
z.B. Schalter S1 und S2 geschlossen, so steht am Ausgang eine Impulsfolge von f0/2
+ f0/4 = 3/4f0. Sind Schalter S1, S2 und S4 geschlossen, so ergibt sich 13/16 fo,
und bei geschlossenen Schaltern S2, 53 und S5 entsprechend 13/32 fO. Durch geeignete
Kombination der Schalterstellungen und bei genügend langer Teilerkette kann man
einen beliebigen Bruchteil von fO als Impulsfolge wählen. Der Multiplikationsfaktor
ist erfindungsgemäss stets kleiner als 1.
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Die oberste Reihe der Fig. 2 zeigt die Frequenz f00 Die darunter liegenden
Reihen I bis V zeigen Frequenzen, die jeweils durch Teilen mit einer der Randziffern
entsprechenden Potenz von 2 aus der Grundfrequenz fo abgeleitet worden sind. 11
bis 15 in den darunter liegenden 5 Zeilen sind die Darstellungen der Frequenzen
der Reihen I bis V als Impulsfolgen, die an den Schaltern S1 - 8 auftreten. Die
darunter liegenden drei 5 Reihen zeigen spezielle Impulsfolgen bei Schliessung bestimmter
in den Reihen jeweils angegebenen Schalter, entsprechend den vorstehend besprochenen
Beispielen.
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Die Fig. 2 zeigt ferner, dass die Impulsfolgefrequenzen im Zeitmittel
dem gewählten Frequenzbruchteil entsprechen, jedoch eine sehr unregelmässige Abstandsfolge
haben. Man erhält also eine sehr stark phasenmodulierte Impulsfolge der gewählten
Frequenz. Nach Fig. 3 ist für jede Trägerfrequenz
im Sender ein
Summierglied
vorgesehen. Diese Summierglieder
sind parallel an die Ausgänge der dynamischen Multiplizierkette lo angeschlossen.
Mit dem Ausgang jedes Summi ergli edes
ist ein Vor- Rückwäfts-Zähler Z1 - Z3 verbunden. Die vom Summierglied abgegebene
Impuls folge wird dem Vor- Rückwärts-Zähler als vorwärts zu zählende Impulse zugeführt.
Gleichzeitig werden jedem Zähler Z1 - -Z'3 die differenzierten Impulse eines spannungsgesteuerten
Oszillators VCO1 - VCO3 zur Rückwärtszählung zugeführt. Für den Fall, dass beide
Impulsfolgen genau gleichen Frequenzen entsprechen, wird der Zählerstand mit der
auch als Frequenzmodulation anzusehenden Unregelmässigkeitsfrequenz des Multipliziererausganges
um den Wert Null schwanken. Für einen Digital-Analogwandler DA1 - DA3 wird aus dem
Zählerstand eine Steuerspannung gewonnen, die nach geeigneter Filterung den spannungsgesteuerten
Oszillator VCO1 - VCO3 so nachzieht, dass dessen Frequenz genau dem gewünschten
Wert entspricht.- Die genaue Betrachtung der Ausgangsimpulse des dynamischen Multi
plizierers lo lässt erkennen, dass die Wiederkehrfrequenz, auch Symmetriefrequenz
genannt, gleicher Impulsfolgen der niedrigsten an der Synthese beteiligten Teilerfrequenz
entspricht. In dem Beispiel nach Fig. 1 mit 5 Teilerstufen kann diese also 1/32
f0 oder Zweier-Potenzen davon betragen, sofern die letzten Teilerstufen nicht benutzt
werden.
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In dem Anordnungsbeispiel nach Fig. 3 werden 3 rägerfrequenzen für
Grob-. Mittel- und Feinortung auf der Senderseite
von der dynamischen
Multiplizierer-Teilerkeitte lo abgeleitext. Danach wird die gleiche Art der Frequenzsynthese
auf der Empfangsseite zum Phasenvergleich benutzt. Die entsprechenden Teile sind
durch Beifügung eines "e" an die Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Jedem spannungsgesteuerten Oszillator VCO1 - VCO3 ist auf der Senderseite
eine Senderstufe S1 - S3 zugeordnet, die die gemeinsame Antenne 12 steuern.
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Auf der'Empfängerseite ist eine Empfangsantenne 14 mit einem Verstärker
16 vorgesehen, mit dem drei Phasenvergleichsstufen Phl - Ph3 entsprechend den drei
Ausgangskanälen des Senders verbunden sind. Die Phasenvergleichsstufen Ph1 - Ph3
werden von drei Summiergliedern
die an eine dynamische Multiplizierkette lo e angeschlossen sind, über einen Vorwärts-Rückwärtszähler
Z1e - Z3e, Digital-Analogwandler DA1e -DA3e und einem spannungsgesteuerten Oszillator
VCOle - VCO3e angesteuert. Die von den Phasenvergleichern gegehene Vergleichsspannung
geht über ein Resolver-Steuerglied 18 an einen mit einer Anzeigevorrichtung ausgestatteten
Resolver 20. Der Resolver 20 wird von der Atomuhr des Empfängers gesteuert, die
durch den Anschluss 21 angedeutet ist, und steuert seinerseits die dynamische Multiplizierkette
lote.