DE2013906A1 - Navigationsverfahren für ein Fahrzeug sowie System zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

OR.-INQ. DII»L..|N·. M. eC. D.PL.-Phrt.uR. HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH-HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART .

a 38 021 b · 2013 90(5

p - 71
17.3.1970

- 2 4" IP

Texas Instruments Incorporated 135oo North Central Expressway Dallas, Texas, U.S.A.

Navigationsverfahren für ein Fahrzeug sowie System zur Durchführung dieses . ■ Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Navigationsverfahren für ein- Fahrzeug, insbesondere ein Schiff, unter Verwendung eines die absolute Position des Fahrzeugs enthaltenden ersten Signals; die Erfindung betrifft überdies ein System zur Durchführung dieses Verfahrens.

Genaue und zuverlässige Navigationsverfahren und Systeme zur exakten Positionsbestimmung sind insbesondere für Forschungsschiffe, welche seismische Messungen durchführen, äußerst wichtig. Bis jetzt wurden zu diesem Zwecke bereits eine ganze Anzahl solcher Techniken ausgeführt, die jedoch Mangel aufwiesen, welche durch zu geringe Genauigkeit, zu enge Bereichs begrenzung oder durch eine witterungsbedingte Unzuverlässigkeit oder dergleichen verursacht waren. _2_

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,V₅Ii₉TO . 2013 9CC

So brauchen beispielsweise stationäre Radionavigationssystenje fest auf dem Land installierte Sende- und Empfangsstationen, 'deren E-au und Betrieb, Wartung und Instandsetzung teuer ist. Überdies sind solche Systeme schwerwiegenden Ausbreitungsvariablen- und Streifenmehrdeutigkeitsproblemen Unterworfen, abgesehen davon, daß sie einen nur relativen, begrenzton Aktionsradius haben. Andere Navigationssysteme umfassen den Gebrauch von Kreiselkompassen und Wassergeschv/indigkeitsanzeigern, welche eine Driftneigung haben, sowie den Gebrauch akustischer Dopplersysteme, welche in tiefem Wasser nicht ausreichend verwendet werden kennen. Relativ spat wurden Satellitennavigationssysteme vorgeschlagen, die jedoch den Nachteil haben, nur jeweils periodisch, d.h. nach bestimmten größeren Zeitabständen, Positionsmessungen zu ermöglichen, wodurch große Zeiträume ohne verfügbare, der jeweiligen Situation gerechte Positionsdaten entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist nun, ein verbessertes Uavigaticnsverfahren und Sj'stem zu schaffen, das unabhängig von Witterungseinflüssen und dergleichen eine möglichst genaue und kontinuierliche Ortsbestimmung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren und System der eingangs erwähnten Art gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß außer dem die absolute Position des Fahrzeugs enthaltenden ersten Signal ein zweites Signal erzeugt wird, das die Position des Fahrzeugs bezüglich einer Eezugspositicn enthält, und daß die beiden Signale entsprechend vorgegebenen Kriterien zu einem Havigationssignal kombiniert werden; die erfindungsgemäße Ausführung des Navigationssysteirs zur Durchführung dieses Verfahrens ist aber gekennzeichnet durch eine erste Vorrichtung zur Erstellung eines Signals, das die absolute Position des Fahrzeugs enthält, sowie durch eine zweite Vorrichtung zur Erstellung eines Signals, das die Po-

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sition des Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsposition enthält, und durch eine Verarbeitungsvorrichtung, insbesondere einen -Digitalrechner, zur optimalen Kombination der beiden Signale nach veränderlichen Beziehungen zu einem Navigationssignal.

Die erfindungsgemäße Lösung weist außer einer kontinuierlichen und-genaue8ten Ortsbestimmung^:" des Fahrzeugs den Vorteil auf, daß die Errechnung der Positionsbestimmung durch einen AIlzweck-Gomputer erfolgt, der überdies zur weiteren Verarbeitung insbesondere wissenschaftlicher Daten anderer Bereiche und auch des seismischen Bereichs herangezogen werden kann.

Zweckmäßigerweise werden eine Vielzahl verschiedener Navi- ' gations- und Abfühlbauteile zu einem einzigen Navigationssystem zusammengefaßt und so kombiniert, daß die jeweils günstigen Eigenschaften eines jeden Bauelements maximal ge- „. nutzt werden, wohingegen der Einfluß der ungünstigen Eigenschaften eines jeden Bauelements möglichst unwirksam gemacht wird. Auf diese Weise wird ein resultierendes Navigationssignal errechnet und ausgegeben, das höchste Genauigkeit Und Zuverlässigkeit der Ortsbestimmung gewährleisten kann und demgemäß insbesondere bei geophysikalisch forschenden Schiffen zu jeder Zeit (im Vollschichtbetrieb) und bei "jedem Wetter eingesetzt werden kann. "

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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erzeugen eine Vielzahl von Abfühlelementen Signale, welche verschiedene liavigationsdaten relativer oder absoluter Natur beinhalten. Ein jedes dieser Signale wird nun entsprechend vorgewählten oder errechneten Kriterien bewertet 'und gewichtet, wonach die ge-" wichteten Signale so kombiniert werden, daß eine optimale Signälnutzur.g erfolgt, was Aussagekraft und Genauigkeit der _ Signale anlangt. Ein resultierendes Navigations_csignal wird nun aus der Kombination der Signale erzeugt. ■·.",.- ^ ■ ...■"

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In weiterer Ausbildung der Erfindung erzeugt ein Radionavigationssystem Signale, die absolute und/oder relative Ortsangaben des Schiffes beinhalten, die sich auf einen Referenzort beziehen können. Radiosignale aus einem kreisenden Satelliten werden periodisch empfangen, woraus ein Signal gebildet .wird, das die absolute Schiffsposition anzeigt. Eine Vielzahl von Meßfühlern, wie beispielsweise ein Wassergeschwindigkeitsfühler, ein Kreiselkompaß und ein akustisches Dopplersystem, erzeugen Signale, welche die Geschwindigkeit und den Steuerkurs des Schiffs angeben. Es sind dann noch Schaltkreise vorgesehen, die auf jedes der Signale ansprechen und aus ihnen ein resultierendes Kavigationssignal erzeugen, welches die absolute Position des Schiffs anzeigt.

Bei einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Navigationssys-uetD vorgesehen, das eine Vielzahl von Fühlern benutzt, die sowohl absolute als auch relative Navigationsinformation liefern. Die Fühlerausgangssignale werden so kombiniert, inden sie beispielsweise nach dem Prinzip des kleinsten Fehlerquadrats rechnerisch behandelt werden, daß daraus ein resultierendes Signal entsteht, das eine weit bessere Genauigkeit und Zuverlässigkeit als jedes einzelne Fühlersignal hat. Das resultierende Ausgangs signal kann nun zu Wiedererrechnungen verwendet werden, um die Navigationsgenauigkeit weiter ansteigen zu lassen. Die Fühlerausgangssignale werden nach Gewichtsfaktoren gewichtet und bewertet, welche aufgrund einer laufend geführten Fehlerstatistik der einzelnen Elemente bestimmt werden. Infolge der mannigfachen Fühler innerhalb dieses Navigationssystecs wird eine zuverlässige Kavigatjonsinformation zur Verfügung gestellt, die bei jeder Wetterlage und zu jeder Zeit erhältlich ist, indem Fühler verwendet werden, die gegen Y/etter- und Umwelteinflüsse relativ unempfindlich sind. Zusätzlich können die vor. den einzelnen Fühlern gelieferten Daten miteinander verglichen werden, so daß Ungenauigkeiten aufgrund von Gerätefehlern oder andere Umwelteinflüsse

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leicht bestimmt werden können, wonach das betreffende Aus- * gangssignal eines solchen fehlerhaften Fühlers weniger gewichtet wird oder sogar unberücksichtigt bleibt und eine bestimmte Zeitlang ausgeschieden wird. Das hier vorliegende erfindungsgemäße ITavigationssystem und Verfahren arbeitet in Echtzeitverarbeitung (Heal time processing), so daß laufend Daten über den augenblicklichen Positionsstand zur Verfügung stehen; auf diese Weise wird eine größere Genauigkeit der Ortsbestimmung unter anderem bei seismischen Messungen möglich, indem mehr Ortsdaten zur Verfügung stehen. . '

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung können den beigefügten Ansprüchen und/oder der folgenden Beschreibung entnommen werden, die der Erläuterung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen der'Erfindung dient. Es zeigen:

Pig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in Form eines Drei-Fühler-Geräts;

Fig. 2 ein Ortsdiagramm zur Darstellung eines Tangential- und Querabwegs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffs; . ,

Fig. 3 eine Darstellung des Effektivfehlers des vorliegenden erfindungsgemäßen Systems ohne optimale Datenkombination;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der geometrischen, Beziehungen eines Bewegungsablaufes des Systems;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung des Effektivfehlers

bei optimaler Datenkombination gemäß der Erfindung;

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Verbesserung der Informationsgüte bei wachsender Geräteleistung;

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Informationsgüte bei einer Festwertwiederbere.phnung;

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Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung des Effektivfehlers, der bei Festwertwiederberechnung gemäß der Erfindung auftritt;

Pig· 9 ein Blockschaltbild eines weiteren und vorzugsweisen Ausführungsbeispiels in Form eines Fünf-Fühler-Geräts gemäß der Erfindung;

Fig.10 ein Blockschaltbild, welches eine Detaillierung des Ausführungsbeispiels der Fig. 9 darstellen kann;

Fig.11 eine Darstellung der Wirkungsweise eines akustischen Dopplerradars;

Fig.12 ein Ortsdiagramm zur Darstellung der beim Dopplerrada?.'system erfaßten zweidimensionalen Orts- und Geschwindigkeitsdaten;

Fig.13 eine Darstellung der Wirkungsweise eines Wassergeschwindigkeitsmessers und EM-LOG-Geräts;

Fig.14 ein Orts-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Erfassung einer Anzahl von Satellitenfestwerten, wie sie erfindungsgemäß benutzt werden;

Fig.15 ein Diagramm der durchschnittlichen Zeit zwischen einzelnen Festwerten bei drei Satelliten in Abhängigkeit von der geographischen Breite;

Fig.16 einen nördlichen Festwertfehler in Abhängigkeit vom Erhebungswinkel des Satelliten;

Fig.17 einen östlichen Festwertfehler in Abhängigkeit vom Erhebungswinkel des Satelliten;

und"19 Blockschaltbilder eines Teils eines Anpassungsschaltkreises 76 der Fig. 10;

Fig.20 eine.Darstellung zweier 16 Bit enthaltender Worte gemäß der Erfindung;

Fig.21 ein Blockschaltbild eines weiteren Teils des Anpassungsschaltkreises 76, welcher zwischen einem Ausgang eines Computers 78 und einem Eingang eines Computers 72 der Fig. 10 liegt;

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/ ein Blockschaltbild eines weiteren Teils des Anpassungsschaltkreises 72;

Fig. 23 einen weiteren Teil zum Schaltkreis der Pig.22;

Pig. 24 ein Flußdiagramm für die Datenübertragung, zwischen den Computern 12 und 78 der Fig. 10;

Fig. 25 ein Blockschaltbild eines Teils eines Anschlusses 56 der Fig. 10 zwischen einem Synchro-Digitalumsetzer 52 und dem Computer 78;

Fig. 26 einen anderen Teil des Anschlusses 56 zur Übertragung vonIn-Kurs—Daten zwischen einem akustischen Doppler 54 und dem Computer 78 der Fig. 10;

Fig. 27 einen weiteren Teil des Anschlusses 56 zur Übermittlung von Außerkurs-Daten zwischen dem akustischen Doppler 54 und dem Computer 78;

Fig. 28 einen nächsten Teil des Anschlusses 56, der zwischen einem EM-LOG 60 und dem Computer 78

liegt;

Fig. 29 ein Blockschaltbild eines Datenpuffers innerhalb des Anschlusses 56, welches eine Ergänzung zum Schaltbild der Fig. 28 ist;

3q⁶- 32* Bio-c-kachalt-bilder weiterer Teile innerhalb des Anschlusses 56 zur Verbindung zwischen Längswellenempfängern 64 und dem Computer 78 der Fig.10;

33-35* -^Bl°^ck^scnöH'^l)il^(ier einer Zuteilersteuerung innerhalb des Anschlusses 56 der Fig. 10;

Fig. 36 ein Flußdiagrarcm zur Durchführung der hier vorliegenden Erfindung innerhalb des Computers 78 der Fig. 10.

Drei-Fühler-Systen::

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei welchem drei Fühler verwendet _„_

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Drei-Fühler-System:

Pig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei welchem drei Fühler verwendet werden. Ein Empfänger 10 für Satellitensignale nimmt Radioßignale von einem sternbahnförmig kreisenden Satelliten auf, wodurch intermittierend Pestwerte der absoluten Lage des Fahrzeugs aus denjenigen Signalen ermittelt werden können, welche von dem Empfänger 10 zu einem digitalen Computer 12, im folgenden HP-Computer genannt, geschickt werden. Wenn hier auch im allgemeinen angenommen wird, solche Festwerte würden durchschnittlich alle zwei Stunden durch einen Empfang von Seiten des Empfängers 10 vorliegen, variiert doch tatsächlich die durchschnittliche Zeit zwischen zwei Festwerten zwischen 2,65 Stunden am Äquator und etwa 0,75 Stunden bei 70° geographischer Breite. Es sei angenommen, die Festwerte weisen eine Toleranz vbn 300 bis 600 Fuß (etwa 100 bis 200 m) auf. Die Zeit zur Errechnung eines Pestwerts dauert zwischen 30 Sekunden und 3 Minuten und ist abhängig von der Verarbeitungsgeachwindigkeit innerhalb des HP-Computers 12.

Das insbesondere als Schiff ausgebildete Fahrzeug ist mit einem akustischen Dopplerradarsystem 14 ausgerüstet, welches akustische Signale aussendet und empfängt, wodurch eine Anzeige über die Geschwindigkeit in tangentialer Richtung und in einer Richtung querab-backbord, beide Geschwindigkeiten über dem Meeresgrund gemessen, gewonnen wird. Diese Anzeige wird in einen weiteren Digital-Computer 16, künftig TI-Computer genannt, eingebracht, welcher daraus eine Anzeige über die nördliche und östliche Geschwindigkeitskomponente des Schiffs und damit über die Positionsänderung seit dem letzten vom Satelliten gegebenen Festwert gibt.

Des weiteren führt das Schiff einen Kreiselkompaß 18 mit sich, welcher eine fortlaufende Anzeige des Steuerkurses des Schiffs

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gibt. Auch diese Anzeige wird in den Tl-Computer 16 eingegeben und dazu benutzt, ein weiteres Maß für die Positionsänderung zu gewinnen. In gleicher Weise dienen die Anzeigen des Radar 14 und des Kompasses 18 dazu, vermittels des Il-Computers 16 sogenannte EÖTVÖS—Korrekturen zn erstellen. .

,0

Die Ausgangssignale aus dem Empfänger 10 für Satellitensignale, dem akustischen Dopplerradarsystem 14 und dem Kreiselkompaß 18 werden in den Computern 12 und 16 so optimal verarbeitet, daß aus den Daten der obigen Ausgangssignale äußerst genaue absolute Positionsangaben resultieren, die entschieden genauer sind als die Daten der einzelnen Ausgangssignale der Fühler 10, 14, 18. Um nun den theoretischen Zusammenhang aufzuzeigen, der in einem System aus mehreren Fühlern auftritt, sei angenommen, daß das die besagten Fühler und Computer enthaltende Schiff einen Kurs steuere, der dem Winkel θ der Fig.2 entspricht und der einen Fehler von θ aufweist. Es sei ferner angenommen, daß das akustische Dopplerradarsystem einen Vorausabstand h und einen Quersbstand b anzeige, wobei beide Werte einen Fehler von Ej[^]aufwiesen.

Die Fehler in χ und y Richtung betragen dann

^ex ⁼h (l+E_d)sin(e+6_e)-sin Θ] -b l(l+E_d)cos(e+e_e)-cos θ| (1)

und b ^e -,ρ ^e η

(l+E_d)cos(8+e_e)-sin θΐ +b l·(l+E_d>sin(e+9_e)-sin ΘΙ (2)

welche in Polarform ungefähr so wiedergegeben werden können

I (3)

Nun ist Vh +b der Weg r, den das .Schiff tatsächlich fuhr.

2
co

werden

Mit cos θJ* 1 - θ /2 kann die vorige Gleichung so geschrieben

6 6

r» /ef+E .

-— v/ e d

mit θ in radians und E, als echtem Bruch.

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Die aufgestellten Beziehungen betreffen ein Schiff, das sich bei beliebiger Richtung in gerader Linie vorwärtsbewegt. Durchfährt ein Schiff jedoch eine Kurve, ist ein zusätzlicher Fehler gegeben durch

Teilt man den gesamten Weg in L Segmente, beträgt der in Polarkoordinaten angegebene Gesamtfehler

4^

Mit Ir***wird aus Gleichung 6

Ε«

mit D als gesamter zurückgelegter Strecke, welche das Schiff fuhr.

Typische Werte für ©_e und E_d liegen um 0.1° bzw. 0,2 #; sie entsprechen einem Gesamtfehler in der Kombination Dopplerradar/Kreiselkompaß von 0,265 $> des Wegs, den das Schiff zurückgelegt hat. Unter der Annahme, die Schiffsgeschwindigkeit betrage fünf Knoten und die Abstände zwischen zwei Festwerten seien zwei Stunden, entsteht ein Fehler von 160 Fuß, was einem effektiven Fehler entspricht,.wie er in Fig. 3 dargestellt ist.

^ Zu einer Durchführung optimaler Datenkombination im Ausfüh- - rungsbeispiel der Fig. 1 sei angenommen, daß das Schiff sich gemäß Fig. 4 an einer Stelle X₁ entsprechend einem absoluten Festwert befindet, welcher durch ein Satellitensignal gegeben wurde. Da die Streuung einer Festwertbestimmung bekannt ist, kann ein Fehlerkreis um X₁ bestimmt werden. Ferner sei angenommen, daß die Position x« sowie der Abstand y₂ zwischen Xp _i und X₁ aus einer Kombination der Werte aus dem Satelliten mit solchen aus dem akustischen Dopplerradar und dem Kreiselkompaß bestimmt sei. Die Streuung des Werts y« ist ebenso bekannt, wo·

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u 201.39Op

durch der Fehlerkreis für y₂ für diese Zwecke mit E (in $. von y₂) angenommen sei.

Berücksichtigt man, daß x₂+y₂ im wesentlichen den Wert X₁ ergibt, folgt

x «iVV*?"¹^ - .

mit0C₁ undeCp ^a^⁸ Optimalbewertungsfaktoren oder "Gewichtsfaktoren". Da angenommen sei, daß die zwei Messungen der Position X₁ verschiedene Varianzen (Streuungen), jedoch identische Mittelwerte (x) haben, können die KonstantenoC, und0C₀ so gewählt werden, daß

E [j-*] =0 (9)

Daraus folgt, daü *

Um die Konstanten^ undeC₂ optimal zu wählen, soll die Erwartung des Fehlers (Varianz) nach dem Prinzip des kleinsten Fehlerquadrats minimal gemacht werden; das bedeutet

[y

" ^Var |_^ol^xl^+a2^(x2^+y2j- α² Var x-j+ά* j Var χ, + Var

min _ä

Da die Festwerte X₁ und x_o auf ähnliche Weise bestimmt werden, I

2
haben sie dieselbe Varianz (S ). Die Varianz von y₂ beträgt

Var y₂=(EVT)² (I₃)

mit E als Wegfehler des Wegs y₂ in Prozent, V als Durchschnittsgeschwindigkeit beim Durchlaufen von X₂ nach X₁, und T als die Zeit, die benötigt wurde, um von X₂ nach X₁ zu kommen.

-,C₁ folgt .

=ct²S²+(l-a₁)² rs²+(EVT)²l

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differenziert
3E

2a,S²+2(a.,-l) \ S²^(EVT)²) ■ (15)

Setzt man dies gleich O und löst nach0C₁ auf, erhält man

S²+(EVT)² 1+P (16)

¹ Ct₁ ^e2S²+(EVT)^{2 s} 2+P

und für «Co

α =Λ- ⁽¹⁷⁾

mit

w P kann als ein vom Gerätetyp abhängiger Wert betrachtet werden, der von dem Verhältnis zwischen den Signalen aus dem Satelliten und dem akustischen Dopplerradar sowie der Genauigkeit des Kreiselkompasses (E/S), der durchschnittlichen Schiffsgeschwindigkeit (V) und der Zeit (T) zwischen den ein zelnen durch Satellitensignale erzeugten Festwerten abhängt.

Sind nun die Optimalbewertungsfaktoren o£j undoC, bestimmt, kann die tatsächliche Varianz bezüglich des Punkts X₁ ermittelt wernpn ρ

t' -2! — ¹⁺¹-5 P-t-0.5 P"
(S-x)_J 1=2 i+p+o.25 P²

Diese Gleichung zeigt das erwartete Resultat

<1

min

Ein Vergleich zwischen Fig. 3 und Fig. 5 zeigt die Verminderung des effektiven Fehlers in Fig. 5 gegenüber dem Fehler in Fig. 3, wobei in Fig. 5 eine optimale Datenkombination gemäß der Erfindung durchgeführt wurde. Unter der Annahme, daß das Schiff des hier besprochenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels mit einem akustischen Dopplerradarsystem 14 von 0,2$ Anzeigetoleranz und einem Kreiselkompaß 18 mit 0,1$ durch

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schnittlicher Anzeigetoleranz ausgerüstet ist, gewinnt man ein E von 2,65 x 10 . Palis der Empfänger 10 für Satellitensignale einen effektiven Fehler von 0,05 nmi je Pestwert hat, wird der Abfühlfaktor E/S zu 0,0925. Beträgt die Schiffsgeschwindigkeit fünf Knoten und die Zeit zwischen zwei Sateliitenfestwerten zwei Stunden, resultiert daraus P = 0,85. Gemäß Pig. 5 stellt dies eine 0,45-fache Verbesserung der Varianz dar, was eine Verminderung des Fehlerwahrscheiniichkeitskreises (circle of error probability (cep)) von 305 Fuß auf 205 Fuß (von etwa 100m auf etwa 66m) ^βαβμίβΐ. Dies ist eine Verbesserung bei Echtzeitverarbeitung.Durch solch optimale,in Echtzeitverarbeitung durchgeführte Datenverarbeitung resultiert eine Verringerung des Effektivfehlers um 100 Fuß bei jedem j

Satelliten-Festwert, was eine entsprechende Verringerung des maximalen Fehlers beinhaltet.

Die erfindungsgemäße Datenkombination verbessert stets einen Positionsfestwert. Der Grad der Verbesserung ist eine reine Punktion von P, welches in Fig. 6 für Werte P bis-3,0 und bis zu einer Anzahl von fünf verwendeten Festwerten von Satelliten dargestellt wird. In den Computern 12 und 16 bzw. in deren Programmen sind die Gleichungen zur'Bestimmung der optimalen Bewertungsfaktoren für jede Anzahl von Pestwerten von Satelli- ^ ten und unter jeglicher Arbeitsbedingung eingespeichert.

■ . J

Eine Wiedererrechnung eines Festwerts wird dann sehr vorteilhaft, wenn eine größere Anzahl von Informationen bereits ein- ' gegangen ist; damit kann die Genauigkeit einer "in Echtzeitverarbeitung ermittelten Positionsangabe um bis zu 80$ verbessert werden, wobei dies von dem Vert P abhängt. Diese Verbesserung liegt noch über derjenigen, die durch eine optimale Echtzeit— datenverarbeitung (Fig. 5) erhalten werden konnte. Fig. 7 zeigt Funktionen solcher Ausgangsinformationsverbesserungsfaktoren für N = 3, 5 oder 7 Satellitenfestwerte. Durch eine Wiederbe-

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rechnung der Position erhält man einen geringeren effektiven Fehler. Dies zeigt das Beispiel der Fig. 7, bei welchem unter Eingabe von 7 Satellitenpositionsfestwerten die Varianz um einen Paktor 0,42 verbessert wird, was (Pig. 8) einen durch Wiederberechnur.g gewonnenen Effektivfehler von 133 Fuß («40m) für jeden Satellitenwert ergibt. Zusätzlich und gleichzeitig können Daten relativer Position zwischen den Festwerten neu errechnet werden, sobald sie sich ausreichend angehäuft haben, woraus engere Fehlergrenzen resultieren, wie dies Fig. 8 zeigt.

Durch eine optimale Datenverarbeitung gemäß der hier vorliegenden Erfindung wurde so der maximale Fehler in dem hier vorliegenden Beispiel von 305 auf 133 Fuß (etwa 100m auf etwa 40m) erniedrigt. In einem weiter unten beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel mit mehr Fühlern und Dateneingängen als in dem soeben besprochenen fällt eine solche Verbesserung noch stärker ins Gewicht.

Fünf-Fühler-System:

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 kann für bestimmte, begrenzte Navigationszwecke durchaus ausreichen. Es ist jedoch infolge des sehr engen, auf 600 Fuß Tiefe begrenzten akustischen Dopplerradarbereichs stark begrenzt, indem bei Tiefen größer als 600 Fuß unzulässig hohe Fehlerraten auftreten kennen. Eine Verbesserung des Faktors E in den oben gezeigten Ableitungen ist überdies wünschenswert. Fig. 9 zeigt somit ein zweites und vorzugsweises Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchem fünf verschiedene Sensor-Eingangssignale wirksam werden.

Ein Empfänger 20 für Satellitensignale empfängt intermittierende Radiosignale von einem kreisenden Satelliten, woraus

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Angaben über die absolute Position des Fahrzeugs hinsichtlich · · der geographischen Breite und Länge gebildet werden. Ein Programm zur Erzeugung des absoluten Positionswerts sowie zur Angabe der Genauigkeit der Positionsrechnung und -Messung aus den Satellitensignalen wird in einen ersten Datenverarbeitungsgerät 22 (DV 1) wirksam. Ein akustisches Dopplerradarsystem 24 erzeugt Signale, welche die tangentiale Schiffsgeschwindigkeit in Bug- und Heckrichtung sowie den querabbackbord wirkenden Geschwindigkeitsdrift anzeigen. Ein Wassergeschwindigkeitsmesser und EM-Loggerät (Pitotröhre) ist durch das Bezugszeichen 26 ausgewiesen; das Gerät erzeugt ein Ausgangssignal, welches der Geschwindigkeit des Wassers, das den Schiffsrumpf entlang fließt, proportional ist. Ein Kreiselkompaß 28 liefert Signale zur Kurssteuerung des Schiffs. Die Signale aus dem Radarsystem 24, dem Gerät 26 und dem. Kompaß werden in ein zweites Datenverarbeitungsgerät 30 (DV 2) eingespeist, in welchem sie so verarbeitet werden, daß eine Anzeige der Geschwindigkeit hinsichtlich nördlicher und östlicher Koordinaten erstellt und zum ersten Datenverarbeitungsgerät 22 gesandt wird.

Mehrere VLP- oder Längstwellenempfänger 32 empfangen Radiowellen von bekannten, entfernt liegenden Sendern, wobei aus den Radiowellen Positionsangaben für das Schiff in bekannter Weise erstellt werden. Die Ausgangssignale aus den Empfängern ; 32 werden in einem dritten Datenverarbeitungegerät 34 (DV 3) zur Eliminierung der Tageszeiteinflüsse und zur Gewichtung der Empfängerausgangssignale verarbeitet. Im Gerat 34 werden die Meßdaten auch zur Berechnung von Schiffspositionsangaben gemäß VLF-System verwendet. Angaben über die aus Satellitensignalen errechnete absolute Position sowie über deren Genauigkeit werden in einem Kombinationsdatenverarbeitungsgerät 36 (DVC) mit Angaben über die Schiffsgeschwindigkeit und den Schiffskurs kombiniert, weichletztere aus dem akustischen

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Dopplerradarsystetn 24, dem EM-Loggerät 26 und dem Kreiselkompaß 28 stammen. Eine weitere Kombination der Daten erfolgt im Gerät 36 auch mit der von den Längstwellenempfängern 32 gelieferten Information; auf diese Weise wird eine Angabe über Echtzeitposition und -genauigkeit möglich.Durch Vergleichstechniken, Korrelationen und dergleichen werden innerhalb des Korabinationsdatenverarbeitungsgeräts 36 Rauschsignale und Diagonalwerte (bias data) im wesentlichen eliminiert. Signale für EÖTVÖS Korrekturen sowie solche für wiedererrechnete Position und Genauigkeit werden ebenfalls im Gerät 36 erzeugt. Bekanntlich wird der EÖTVÖS-Effekt durch die unterschiedliche Wirkung der Zentrifugalkraft auf die Erdoberfläche erzeugt, wobei die Schiffsgeschwindigkeit mit der Oberflächenrotationsgeschwindigkeit addiert oder subtrahiert werden muß. Der EÖTVÖS-Effekt ist damit der östlichen Komponente der Schiffsgeschwindigkeit und dem Kosinus der geographischen Breite proportional.

Das zweite Datenverarbeitungsgerät 30 dient nicht nur einer Geschwindigkeiterrechnung, sondern auch der Koppelnavigation mittels des Kreiselkompasses.Das dritte Datenverarbeitungsgerät 34 hat einen weiteren Positionseingang.

Fig. 10 stellt eine Detaillierung des in Fig. 9 gezeigten vorzugsweisen und zweiten Ausführungsbeispiels dar. Ein Kreiselkompaß 50 erzeugt Kurssignale, die in einen synchrodigitalen Umsetzer 52 sowie in ein aksustisches Dopplerradarsystem 54 eingebracht werden.' Die Ausgänge aus dem Umsetzer 52 sowie dem Radarsystem 54 werden mit Eingängen eines zweiten Anschlusses 56 verbunden, welcher auch als P-Kanal-Eingang dient. Ein Wassergeschwindigkeitsmesser 58 ist mit einem EM Log 60 verbunden; hierdurch wird die Geschwindigkeit des das Schiff umspülenden Wassers zur Anzeige gebracht; der Geschwindigkeitswert wird aus dem EM Log 60 an einen weiteren Eingang des zweiten Anschlusses 56 gebracht. Ein Steuerpult 62 ermöglicht

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dem Maschinenbediener, bestimmte Operationen manuell oder in anderer als der rein automatischen Verknüpfung durchzuführen. i)as Steuerpult ist ebenfalls mit dem zweiten Anschluß 56 verbunden. Zwei oder mehr Längstwellenempfanger 64 sind vorgesehen, Omega- oder andere VLP-RadiosignaIe, die von entfernten ortsfesten Radiostationen ausgesandt wurden, aufzunehmen. Eine Omega- oder VLP-Toreinheit 66 bildet die erforderlichen Torsignale für den Längstwellenempfang. Die Empfänger 64 erzeugen Signale, mittels derer der Standort des Schiffs bestimmbar ist; die Signale werden in weitere Eingänge des zweiten An-schlusses 56 geleitet. Ein Prequenzstandard 68 liefert eine Iiorma!frequenz zum Vergleich mit den empfangenen VLP Radio- ,, wellen, wodurch die Positionsbestimmung möglich wird.

Empfänger 70 für Satellitensignale nehmen Radiosignale von kreisenden Satelliten auf und erzeugen Ausgangssignale, welche in einen HP Computer 72 eingespeist werden. Der Computer 72 ist mit einem Pernschreiber 74 verbunden. Die Ausgangssignale aus dem Computer 72 stellen die absolute Position des Schiffs in geographischer Breite und Länge dar und werden an den Eingang eines ersten Anschlusses 76 geführt, der. einen unmittelbaren Zugriff zum Speicher eines Tl—Computers 78 ermöglicht (direct memory access, DM channel interface logic, drawer). Der erste Anschluß 76 dient ebenso wie der zweite Anschluß 56 als Peripherieanschluß des Computers 78, welchletzterer von | diesen Daten aufnimmt und zu diesen Daten senden- kann. Der Computer 78 kombiniert die vom zweiten Anschluß 56 und vom ersten Anschluß 76 aufgenommenen Navigationsdaten, welche er in optimaler Weise gemäß der obigen Beschreibung verarbeitet, so daß Störeinflüsse minimal gehalten oder eliminiert werden.

Der Computer 78 ist mit einen Lochbandstanzer 80, einem Loch- ' bandleser 82 sowie mit einem Pernschreiber 84 verbunden. Ein Positionszeichengerät 85, welches wie auch Abweichungszeichen-

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geräte 86 und 88 über den ersten Anschluß 76 an den TI-Computer 78 angeschlossen ist, zeichnet die Navigationsinforination auf, welche der Computer 78 erhalten oder errechnet hat. Das Abweichungszeichengerät 86 befindet sich am Navigationsstand des Schiffs und ist dafür vorgesehen, die Schiffsabweichung aufzuzeigen; aus ähnlichen Gründen ist das Abweichungszeichengerät 88 auf der Schiffskommandobrücke angebracht.

Ein Verteiler 90 (processor bus P-channel output interface logic drawer) des TI—Computers 78 ist mit dem zweiten Anschluß 56 sowie dem akustischen Dopplerradarsystem 54 und Anzeigen 92 bis 96 verbunden. Während die Anzeige 92 und 94 die geographische Länge und Breite des Schiffstandorts auf der Kommandobrücke bzw. dem Navigatorstand wiedergibt, stellt die Anzeige 96 die Gesamtsituation in einem Instrumentenraum dar.

Alle fünf dargestellten Fühler der Fig. 10 können übliche und im Handel erhältliche Meßgeräte sein.

Der Kreiselkompaß 50:

Der Kreiselkompaß 50 kann beispielsweise das von der Marine Systems Division der Sperry-Rand Corporation in Charlottesville, Virginia, unter der Bezeichnung MK 14 hergestellte und verkaufte Kreiselkompaß-System sein. Letzteres verbindet das gyroskopische Prinzip mit der Naturerscheinung der Drehung und der Gravitation der Erde. Das resultierende Gerät richtet sich selbst nach dem geographischen Meridian aus und sieht eine konstante, genau nach Norden weisende Anzeige vor, welche durch Rollen, Stampfen und Gieren des Schiffs nicht beeinflußt werden kann.

Da der Kreiselkompaß auf die Erdrotation und nicht auf das Magnetfeld der Erde bezogen ist, könnte es eigentlich durch

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die Bewegung des Schiffs beeinflußt werden. Liegt der Schiffskurs genau Östlich oder westlich, addiert sich die Schiffsbewegung lediglich zu der Erdbewegung bzw. subtrahiert sich von dieser, wodurch ein Einfluß auf die Kompaßanzeige nicht möglich wäre. Liegt der Schiffskurs jedoch nördlich oder südlich, erzeugt die Schiffsgeschwindigkeit eine Resultierende, die nicht zur Ebene der Erdrotation parallel liegt. Damit tritt eine Beeinflussung der Kompaßanzeige auf, die proportional zur. Schiffsgeschwindigkeit und zum Kurs des Schiffes ist. Bei nördlichem oder südlichem Schiffskurs muß in den Kreiselkompaß eine Breitenkorrektur eingeführt werden. Je höher die geographische Breite, desto kleiner ist die Erdbewegung und desto größer wird die erforderliche Korrektur. Die Höhe der Korrektur hängt also von der geographischen Breite des SchiffStandorts ab. Die Korrektur verläuft umgekehrt proportional zum Kosinus der geographischen Breite und kann ausgedrückt werden: Λ <τ· ~^A Γ V cos (w-«Uu korp 1

mit ν als Schiffsgeschwindigkeit.

Typische Ausführungen von Kreiselkompassen, wie beispielsweise Hark 14 der Sperry Corporation, weisen geringe dynamische Fehler von weniger als + 0,6° auf, welche ohne Rücksicht auf ein Rollen, Stampfen oder Gieren des Schiffs eingehalten werden" können. Obwohl das Mark 14 einen durchschnittlichen Fehler von 1° aufweist, fällt dieser nicht in solchem Maße ins Ge- * wicht, da er als variabler Installationsfehler behandelt werden kann, der durch Vergleichsmessungen mit dem tatsächlichen Schiffskurs bei genauen Vergleichsmitteln bestimmt werden kann.

Der synchrodigitale Umsetzer 52 kann beispielsweise der Konverter A 602-13T der Firma Astro Systems, Inc., New Hyde Park, N.Y., sein.

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Das akustische Dopplerradarsystem 54:

Das Radarsystem 54 kann das Dopplersystem enthalten, welches von der Firma Marine Electronics Products Division of the Marquardt Corporation of Van Nuys, Kalifornien, unter der Bezeichnung MRQ 2015 hergestellt'und verkauft wird. Die Wirkungsweise eines solchen Dopplersystems wird" im Detail in der Literatur und in einer Anzahl von Patentschriften beschrieben.

Die Dopplertechnik der Geschwindigkeitsmessung ruht auf der Erscheinung, daß ein von einem beweglichen Objekt ausgeschicktes Signal, das von einer ruhenden Fläche reflektiert wird, eine meßbare Frequenzverschiebung erhält. Wird das Signal in der Bewegungsrichtung des beweglichen Objekts ausgeschickt, zeigt das reflektierte Signal eine Frequenzerhöhung an. Wird dagegen das Signal entgegen der Richtung des beweglichen Objekts abgestrahlt, weist das reflektierte Signal einen Frequenzabfall auf. Eine solche Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit des beweglichen Objekts relativ zur reflektierenden Oberfläche. Solche Dopplersysteme stellen eine Vorrichtung dar, die es erlaubt, Wegstrecken und Geschwindigkeiten mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

In den Fig. 11 und 12 wird die grundsätzliche Wirkungsweise eines solchen Dopplersystens gezeigt. Ein Sender 100 am Unterteil eines Schiffs 3 06 sendet akustische Signale 102, 104, 108, 110 aus, wobei das Signal 102 schräg unten nach Steuerbord (rechts), das Signal 104 schräg unten nach Backbord (links), das Signal 108 schräg abwärts nach hinten (heckwärts) und das Signal 110 schräg abwärts nach vorne (bugwärts) gerichtet ist. Ein Empfänger 112 empfängt die Reflexionssignale der so ausgesandten Signale 102, 104, 108, 110. Die gemessenen Frequenzverschiebungen zeigen die Bewegung des Schiffs in zwei Koordinaten (X, Y) an.

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Durch eine Mittelwertbildung der Frequenzdifferenzen zwischen den bugwäfts und heckwärts gerichteten Signalen sowie zwischen den steuerbord und backbord gerichteten Signalen kann eine Messung der Schiffsbewegung des Schiffs 106 und damit eine echte Geschwindigkeitsanzeige erzielt werden. Eine Mittelwerts bildung der Eichtungskomponenten wird auch durch Pig. 12 dargestellt, in welcher durch die Bestimmung der X- und Y-Komponenten der Geschwindigkeit der resultierende Geschwindigkeitsvektor entlang des eigentlichen Schiffwegs und damit letzterer selbst ermittelt werden kann.

Dopplersysteme, wie beispielsweise das oben erwähnte Marquardt system, weisen eine Begrenzung ihres Arbeitsbereichs- auf im allgemeinen etwa 600 Fuß Tiefe auf; Wege und Geschwindigkeiten werden mit -einer Toleranz von etwa 0,5$ bestimmbar. Die so erhaltenen Geschwindigkeitswerte sind im wesentlichen in erster Ordnung von Roll-, Stampf- und Gierbewegungen des Schiffs unabhängig.

Der Wassergeschwindigkeitsmesser 58 und EM log 60:

Der Wassergesehwindigkeitsmesser 58 und EM log 60 können in einem System enthalten sein, das unter dem Zeichen UH00-3, TJL200-72F, UL300 und ÜL4OO-3 von der Firma Chesapeake Instrument Corporation of Shadyside, Maryland hergestellt und vertrieben wird. Dieses El·! Logsystem erzeugt eine genaue Anzeige der Wassergeschwindigkeit. Es arbeitet auf dem elektromagnetischen Prinzip, durch das eine der Wassergeschwindigkeit proportionale Spannung an TInterwasserfühlern erzeugt wird. Es beruht auf dem Induktionsgesetz:

e = \t> - k, - V

bei welchem B die magnetische Induktion, 1 die Lange und ν die mittlere Wassergeschwindigkeit ist.

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Das Induktionsgesetz besagt, daß ein durch ein Magnetfeld geführter Leiter eine EMK dergestalt erhält, daß an den Leiterenden eine Spannung entsteht, die der Geschwindigkeit proportional ist, mit welcher der Leiter die Kraftlinien des Magnetfelds schneidet. Beim Wassergeschwindigkeitsmesser der Fig. 13 ist der die Kraftlinien des Magnetfelds schneidende Leiter das Wasser selbst. Am Wassergeschwindigkeitsmesser ist das EM Log angebaut. Durch ein Rohr 118 tritt Wasser hindurch, welchletzteres die Kraftlinien eines Magnetfelds schneidet, das aus einer mit Wechselstrom durchflossenen Spule 120 heraustritt. Eine erste Elektrode 122 am Rohrunterteil und eine zweite Elektrode 124 am Rohroberteil fühlen die durch das Schneiden der Feldlinien erzeugte elektromotorische Kraft (EMK) ab, welche von dort an geeignete Verstärker, Umsetzer u.dgl. geführt wird, deren Ausgangssignale die Wassergeschwindigkeit zur Anzeige bringen.

Das System aus Wassergeschwindigkeitsmesser und EM Log hat eine Anzeigetoleranz von +0,1$ bis zu 10 Knoten Wassergeschwindigkeit und von + 1$ bei Wassergeschwindigkeiten über 10 Knoten. Im Wasser auftretende Wirbelstrb'me, durch Winddruck verursachte Versetzungen (Sets due to wind) und Wasserturbulenz entlang des Schiffsrumpfs verursachen Fehler bei Berechnungen der Geschwindigkeit über Grund.

Das die Längswelleneaipfanger 64, die Omegatoreinheit 66 und den Frequenzstandard 68 enthaltende VLF-System:

Das VLF Navigationsradiosystem des zweiten und vorzugsweisen Ausführungsbeispiels der Erfindung (Fig. 9) ist das Omega-Navigationsempfängersystem der Firma Tracor Inc. Austin, Texas, Dabei werden vorzugsweise drei VLF-Empfänger der Type 599H dieser Firma zusammen mit einer 533S Omega-Toreinheit betrieben. Hierzu gehören ein 3O4B Frequenzstandard sowie ein Netzgerät 3120 der obengenannten Firraa. . _o.

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Die an sich bekannte Wirkungsweise des Omega-Navigationssystems soll nur kurz umrissen werden. Grundsätzlich beruht •das Omega-Navigationssystem auf Laufzeitdifferenzmessungen; es ist ein erdbezogenes, hyperbolisches Navigatiohssystem, das in dem international zugelassenen Navigationsband zwischen 10 und 14 kHz arbeitet. Das gegenwärtige Omega-Navigationssystem arbeitet mit vier Sendestationen, die in Trinidad, Hawaii, New York und Norwegen liegen.

Beim gegenwärtigen Omega-System werden pulsierende, ungedämpfte Wellen von 10,2 und 13*6 kHz sequentiell von jeden der obengenannten Sender abgestrahlt. Künftig wird auch noch ein 11,33 kHz-Signal zusätzlich mitabgestrahlt werden. Alle Sendestationen sind synchronisiert, jede Station schickt 10,2 und 13»6 kHz-Pulse aus, deren Sequenz in genauer Beobachtung der Zeit erfolgt. Die Pulslänge sowie die Position in einer 10 Sekunden-Sendeperiode identifiziert den Sender. Beim augenblicklichen 4-Stationen-Netzwerk sendet jeder Sender während zwei der insgesamt acht verfügbaren Sendezeiträume.

Im Omega-System ist die zu messende Größe die Phase des VIF-Signals. Die Genauigkeit, mit welcher Durchschnittszeit-Differenzablesungen an jedem beliebigen Punkt durchgeführt werden können, hängt offensichtlich von der Genauigkeit ab, mit welcher die durchschnittliche Zeit der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen zwischen zwei Punkten bestimmt werden kann. Die Pliasengeschwindigkeit im Omega-System variiert nicht nur mit Änderungen der ionosphärischen Höhe, sondern auch noch mit anderen Parametern, wie beispielsweise der Erdoberflächen-Leitfähigkeit, dem Sonneneinfallswinkel und der'geomagnetischen Wegorientierung.

Das Omega-System ist durch Störungen beeinträchtigt, die eine Punktion des Wegs sein können. Die Änderung der Ausbreitungs-

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geschwindigkeit der VLF-Signale des Omega-Systems zwischen Tag und Nacht werden als Tageszeitänderungen oder Tageszeitverschiebungen bezeichnet. Eine solche Verschiebung beruht primär auf Einflüssen der Ionosphäre, welche die Ausbreitungs zeit beeinflußt, sobald sie sich hebt oder senkt. Da diese Verschiebung regelmäßig und einigermaßen voraussagbar ist, kann sie durch ein eingespeichertes Programm im Computer kompensiert werden.

Das eingespeicherte Programm löst die folgende Gleichung, mit der eine Vorhersage über ein VLP-Signal an einem gegebenen Punkt gemacht wird:

^(t) f ^ρ(^» (KFK')(KlQ ein

wobei ^ pred

\_i) Λ )

^cos

die vorhergesagte VLF-Phase,^+K6(^s3n

cos 2 Bl

(23)

eine unbekannte Anfangskonstante,

eine unbekannte Driftgeschwindigkeit,

die Vorhersagezeit,

die Zeit des Beginnens (tine origin),

die inverse Nennwellenlänge,

die geogr. Breite und Länge des vk<.n Senders, ^^-^e gsogr. Breite und Länge eines Empfängers,

eine Tageszeitfunktion mit

P= . -Hcos x<- .15

^C3"^C4

^{cos x} '•

Cy(l-cos x) -.04<cos x^-

lc'u

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2 013 9 O C

Das Jntegra.1 ist entlang eines großen Kreises (eines großen" elliptischen Bogens) vom Sender zum Empfänger berechnet. Die obige Formel lieferte das Naval Electronics Laboratory Center, Technical Document 26 (29.März 1968, E.R. Swanson).

Stattdessen können auch andere VLF Navigationssysteme verwendet werden. Als Beispiel sei das Lambda Navigationssystem genannt, welches geringe Mehrdeutigkeit und ein Positions-feststellendes System hat, das mit Streifenidentifizierung (laneidentification) und phasenstarren Oszillatoren im Schiff und auf den Festlandsstationen arbeitet. Das genannte System ist darin vorteilhaft, daß es nicht extra Festlandsstationen erfordert, sondern nur eine zusätzliche Radiofrequenz benötigt, die lediglich für den Bruchteil einer Sekunde während der Streifenidentifizierung benutzt wird. ·

Andere, ebenso benutzbare konventionelle Navigationssysteme können das Hi Fix Decca,' Shoran, Hiran, Lorac A und B, DM Raydist, Autotape DM 40, Toran und Loran C System sein.

Das die Empfänger 70 für Satelliten-Signale enthaltende Satelliten-Empfangssystem:

Die Empfänger 70 der Fig. 10 enthalten vorzugsweise ein Satellitenempfangssystem MX702/HP der Firma Magnavox Co., Fort Wayne, · Indiana. -

Darin wird das sog. NNSS-Verfahren (Navy Navigation Satellite System) verwendet, bei dem eine Erdstation an der Oberfläche der Erde Signale auffängt, die eine bestimmte Frequenzvariation zeigen und die von einem kreisenden Erdsatelliten stammen, der sie mit konstanter Frequenz aussendet. Diese Frequenzvariation & f'ist ein genaues Maß der Relativgeschwindigkeitskomponente (rate of change of the slant range) zwischen dem Sender (Erdsatelliten) und dem Empfänger■.

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Die Frequenzvariation ist somit beeinflußt durch die Bewegung des Satelliten im Raum, die,Bewegung der Empfangsstelle hinsichtlich Erddrehung und Eigenbewegung, z.B. als Fahrzeug, sowie durch Brechungseffekte auf den Weg zwischen Satelliten und Pahrzeug.

Die Dopplerverscniebung ist bestimmt durch

£ f (24)

mit A f als Dopplerverschiebung,

ρ als der Komponente der Relativgeschwindigkeit zwischen

Satelliten und Pahrzeug,
c als Lichtgeschwindigkeit und
f als ausgesendeter Frequenz.

Eine Messung der Dopplerverschiebung ergibt demnach ein äquivalentes Maß der Relativgeschwindigkeitskomponente zwischen Sender und Empfänger.

Der Betrag der Frequenzverschiebung ist proportional der Geschwindigkeit der Annäherung oder V/egbewegung, wobei der genaue Betrag abhängt vom Ort der Empfangsstation bezüglich zu

dem des Satelliten. Durch eine genaue Frequenzmessung der Dopplerverschiebung und bei genauer Kenntnis der Kreisbahn des Satelliten wird es möglich, die absolute Position der Erdstation zu errechnen.

Toleranzen unter 0,1 Meilen können bei Anwendung dieser Dopplerverschiebungstechnik und dem Empfänger 70 erzielt werden, da die gemessenen Größen, wie Frequenz und Zeit, auf ein Billionstel genau gemessen werden können und da bei einer speziellen Dopplerverschiebungskurve aus einer Anzahl möglicher Satellitenwege nur einer resultiert.

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Bei diesem offensichtlich einfachen .Anruf-Navigationssystem (straight forward navigation system) treten zwei grundsätzliche Schwierigkeiten auf; die erste Schwierigkeit ist bedingt durch eine Brechung der Radiowellen in der Ionosphäre, die zweite durch Abweichungen der Satellitenbahnen, vor allem infolge der Erdabplättung und infolge von Erdgravitationsänderungen. ·

Zur Beseitigung der ersten Schwierigkeit sendet der Satellit auf zwei oder mehr Frequenzen aus. Bei Aussendung der zweiten Frequenz, die durch denselben Oszillator gesteuert wird, um sicherzustellen, daß die Signale kohärent sind, wird es möglich, die Brechung zu korrigieren und den Brechungsfehler auf einen sehr geringen Betrag zu vermindern.

Die zweite Schwierigkeit, welche verursacht, daß die Position eines Satelliten unmöglich für mehr als drei oder vier Tage im voraus auf weniger als eine Meile genau vorhergesagt werden kann, macht es nötig, die Ephermeridendaten des Satelliten in Almanachform zu veröffentlichen. Die NNSS Rechenzentren errechnen künftige Kreisbahn-Ortsparameter der Satelliten und senden diese Informationen zu den Satelliten selbst. Letztere speichern diese Informationen in ihren Speichern ab und senden daraufhin die drei korrigierten Koordinaten des Satelliten alle zwei Minuten während Perioden von 12 bis 14 Stunden.

Das gegenwärtige NNSS,System enthält fünf Gruppen einschließlich dreier Satelliten, eines Netzwerks von Satellitenverfolgungs- und Empfangsstationen, eines Rechenzentrums, einer Eingabestation und Navigaticnsempfangsgerät. Alle Bodenstationen sind untereinander durch ein Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssystec verbunden. Eezugszeiten für das gesamte System werden über Empfänger von den Standards des Naval Observatory " erhalten.

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Das Navy Projekt beinhaltet ein System von vier Satelliten, die in Kreisbahnen in einer Höhe von 600 Seemeilen umlaufen. Jeder Satellit wiegt etwa 90 Pfund und enthält zwei miteinander im Einklang arbeitende Sender zur Aussendung der Kreisbahn-Ortsparatneter und Zeitsignale, einen digitalen Speicher, eine Uhr zur Messung der Frequenz eines stabilisierten Oszillators, einen Empfänger für EingabesignaIe und einen Phasenmodulator zur Modulation von Dopplersendern.

Zusätzlich ist eine Pernneßausrüstung vorgesehen zurBereitstellung von Informationen unter Berücksichtigung der Wirr kungsweise der Satelliteninstrumentation. Die Satellitensende-" leistung beträgt etwa ein Watt und reicht zur Aussteuerung von auf 15-db begrenzten Bodenstationen, welche nichtgerichtete Antennen verwenden.

Das NNSS-System verfügt über vier Bodenstationen zur Satelliten-Verfolgung, von denen jede die Doppler-Frequenz aus beiden Satellitensendern mißt und automatisch hinsichtlich der Ionosphärenbrechung korrigiert. Wenigstens eine der Satellitenverfolgungsstationen muß die Zeitimpulse des Satelliten aufzeichnen, damit mit Standardzeitspannen, die vom Naval Observatory bestimmt werden, verglichen werden kann. Die hinsichtlich der Brechungserscheinungen und kleinerer Fehler in Zeit- * Signalen korrigierten Dopplerdaten werden über Fernschreiber zum Rechenzentrum übertragen.

Im Rechenzentrum nimmt man diese Daten zur Bestimmung der Satellitenkreisbahn, wonach künftige Satellitenpoeitionen für die gewünschte und erforderliche Zeitspanne vorausberechnet werden. Zusätzlich werden zeitliche Fehler analysiert und Korrekturen sowohl für die Uhrgeschwindigkeit wie auch für das Einstellen der Uhr festgelegt. Alle Rechnungen, die erforderlich sind, die Satellitenbahndaten auf den neuesten Stand zu bringen, werden in wenigen Stunden durchgeführt. Ein Computer

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mit einer Kapazität einer IBM 7090 dient einer solchen Errechnung der Kreisbahnen der vier Satelliten.

Die zum Satelliten zu sendenden korrigierten Daten werden vom Rechenzentrum über Fernschreiber zur Eingabestation gebracht. Sobald sich nun der Satellit innerhalb des Sendebereichs der Eingabestation bewegt, wird der Satellitenspeicher gelöscht und mit neuer Information gefüllt; ebenso wird die Satellitenuhr neu eingestellt und im Gang reguliert. Daraufhin meldet der Satellit alle ihm übermittelten Daten an die Eingabestation zurück, damit ein Vergleich zwischen der ausgesandten und der empfangenen Information und eine Korrektur eventueller Fehler möglich wird. Sobald eine korrekte Ausführung und Speicherung der von der Eingabestation gesandten Daten im Satelliten sichergestellt ist, wird dessen Speicher dergestalt verriegelt, daß keine weitere Information vom Speicher aufgenommen werden kann, bis etwa zwölf Stunden vergangen sind} danach befindet sich der Satellit wiederum innerhalb des Sendebereichs der Eingabestation. Das OTSS-System verfügt über zwei Eingaben-Stationen, wobei die zweite Eingabestation erstrangig aus Gründen der Zuverlässigkeit und zu Zwecken entsprechender Operationen eingesetzt ist.

Beim gegenwärtigen NlJSS-System wird das Integral der Dopplerverschiebung über mehrere genau bestimmte Zwei-Minuten-Intervalle bestimmt. Gemäß Fig. 14 bewegt sich ein Satellit von Punkt 1 zu Punkt 2 während eines Zwei-Minuten-Intervalls etwa um eine Bahnstrecke von 450 Meilen. Der Satellit überträgt ein digitalkodiertes Wort alle zwei Minuten; diese Signale können als sehr genaue Bezugszeit verwendet werden.

Während eines Durchlaufs eines Satelliten ist es möglich, beispielsweise bis zu acht oder neun Zwei-Minuten-Intervalle (1-2, 2-3, 3-4 usw.) zu messen; nicht alle Durchläufe ergeben

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jedoch soviele meßbare Zwei-Minuten-Intervalle. Zur Bestimmung der Position werden jedoch pur drei Intervalle benötigt. Pig.15 zeigt die durchschnittliche Stundenzahl zwischen Pestwerten für drei Satelliten, wobei diese Daten aus "Transit-Navigation Satellite System for Offshore Operation" von Thomas A. Stansell OECON 1968, New Orleans, 14/16 Februar 1968 entnommen wurden.

Der durch ionosphärische Brechungserscheinungen hervorgerufene Navigationsfehler bei Satelliten-Navigationssystemen kann dadurch veranschaulicht werden, daß man beachtet, daß die maximale Erhebung der Dopplerkurve eine ungefähre Messung eines schrägen Bereichs ist und daß die Brechung unmittelbar die Erhebung beeinflußt. Die Brechung vermindert die Erhebung, wodurch die errechnete Position weiter vom Subsatellitenpunkt entfernt wird als dies geschähe, wenn keine Ionosphäre vorhanden wäre. Durch gleichzeitiges Messen der Dopplerverschiebung bei zwei verschiedenen Frequenzen kann jedoch der Brechungsfehler beim hier vorliegenden System beachtlich reduziert werden, so daß er unter 0,5 Seemeilen liegt.

Ebenso sind im NNSS-System Geschwindigkeitsfehler enthalten, die jedoch Änderungen in der Dopplerkurve hervorrufen, welche insbesondere rechtwinklig zur "errechneten Position verlaufen. Auf diese Weise wirken sich solche Geschwindigkeitsfehler nicht voll im errechneten Positionswert aus. Fig. 16 zeigt Nord-Längen bzw. -Breitenfestwertfehler für jeden Knoten Geschwindigkeit, während Fig. 17 Ost-Längen bzw. -Breitenfestwertfehler ebenfalls für jeden Knoten Geschwindigkeit darstellt.

Selbstverständlich können ebenso andere Satelliten-Navigationssystece außer dem oben beschriebenen NNSS-SysteE verwendet werden, sobald sie verfügbar sind, wie beispielsweise das interferometrische Satellitensystem, wie es von der Firma

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Westinghouse Corporation vorgeschlagen wurde. Ebenso kann · " J äas Autoscan Ranging Satelliten-Computersystem, das von der J, Firma General Electric Corporation vorgeschlagen wurde, benutzt werden, sobald es eingeführt ist.

Die Computer 72 und 78: ■ \ " .

Der HP-Computer 72 sowie der TI—Computer 78 können an sich beliebige übliche Digitalcomputer sein; sie können auch durch einen einzigen größeren Computer ersetzt werden. In dem Ausftihrungsbeispiel der Fig. 10 wird jedoch der HP-Computer 72 \' durch die Type HP 2115 der Firma Hewlett Packard Corporation, und der TI-Computer 78 durch die Type TI 2540 der Firma Texas { Instrumente Inc., Dallas, Texas, dargestellt; Programme für den HP 2115 Computer, welche die besprochene Satellitenfestwert err echnung durchführen, werden unter HAPS-35563 oder ahn- j liehen Zeichen von derFirma Magnavox Corporation feilgeboten. i:

Erster Anschluß 76:

Die Fig. 18 bis 24 umfassen den ©rsten Anschluß 76, der die Verbindung zwischen dem Tl-Coiaputer 78 und dem HP-Computer darstellt und einen unmittelbaren Zugriff zum Speicher des Tl-Computers 78 erlaubt (direct memory access (DM) channel ; interface logic drawer). Die in den Figuren erscheinenden * Blockschaltbildsymbole sind nach Kilitary Standard-806, ver- | öffentlicht vom Defense Department der US Airforce, gezeichnet. =

Das Blockschaltbild der Fig. 18 enthält einen Wortzähler, einen Interrupt- oder Prioritätskreis sowie einen Synchronisationsschaltkreis, welche den Datenfluß zwischen den Computern "78 und 72 in beiderlei Richtungen ermöglichen. Durch die Schaltkreise werden auch Steuersignale erzeugt, durch die den Erfordernissen der einzelnen Kanäle jedes Computers Rechnung getragen wird. In Fig. 13 findet man vier JK-Flip-Flops 2GO,

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202, 204, 206. Jeder Flip-Flop J-Eingang hat ein UND-Gatter '. 201 vorgeschaltet, jeder Flip-Flop K-Eingang ein entsprechen-; des UND-Gatter 208. Ein 2 MHz Taktpuls wird über eine Leitung 212 an die Taktpulseingänge der JK-Flip-Flops 200 bis 206 angelegt. Die Nein-Ausgänge der· Flip-Flops werden mit F (False) oder § bezeichnet, die Ja-Ausgänge mit T (True) oder Q. Der Nein-Ausgang deo Flip-Flops 204 führt an ein ODER-Gatter 214, welches als Inverter geschaltet ist und dessen Ausgang ein Signal IT7N ist. Der Ja-Ausgang des Flip-?lopss 204 ist mit einem ODER-Gatter 216 verbunden, dessen zweiter Eingang vom Ja-Ausgang des Flip-Flops 202 (WC2T) herrührt. Der Ausgang des ODER-Gatters 216 führt an das UND-Gatter 210 am J-Eingang des Flip-Flops 206. Weitere Eingänge in dieses UND-Gatter bilden Signale HPEF und 17AKN. Signale HP014N und WC2F, letzteres aus dem Nein-Ausgang des Flip-Flops 202, führen in ein NAND-Gatter 218 und gleichzeitig in den Eingang des UND-Gatters 210 am J-Eingang des Flip-Flops 204; letzteres erhält als dritten Eingang ein Signal STEPC. Der Ausgang des NAND-Gatters 218 führt über ein als Inverter geschaltetes ODER-Gatter 220 an den einen Eingang eines NAND-Gatters 222. Eine Anzahl weiterer Verbindungen, und Signale werden noch in Fig. 18 dargestellt, die nicht im einzelnen beschrieben werden sollen.

Die Wirkungsweise des Schaltkreises der Fig. 18 ist die, daß * die Flip-Flops 200 und 202 als Wortzähler arbeiten, um anzuzeigen, wann eine Zweiwortdatenübertragung beendet wurde. Zwei Listenworte werden in dem Sphaltkreis benötigt, um eine übertragung zwischen den Computern in einer von zwei Richtungen einzuleiten. Die Ausgangssignale der zwei Flip-Flops 200 und 202 arbeiten entsprechend einer logischen Schaltfolge, ue eine Anzeige einer Worterfüllung vorzusehen.

Das Flip-Flop 204 dient der Erzeugung eines Interruptsignals an den Tl-Computer, falls dies erwünscht wird. Das Flip-Flop

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206 dient der Synchronisation für Eingangssignal-Quittiersignale vom Tl-Computer.

Pig. 19 zeigt einen Übertragungssteuerkreis zur Steuerung von Daten zwischen den zwei Computern. Der Schaltkreis enthält zwei JK-Flip-Flops 2.26 und 228, deren J-Eingängen UND-Gatter 232 und deren K-Eingängen UND-Gatter 230 vorgeschaltet sind. Der Nein-Ausgang des Flip-Flops 226 führt zusammen mit. dem Ja-Ausgang aus dem Flip-Flop 228 an den Eingang eines NAND-Gatters 234, während die jeweils anderen Ausgangssignale der zwei Flip-Flops an ein NAND-Gatter 236 gelegt sind. Die . Ja-Ausgänge der Flip-Flops 226 und 228 sind mit den Eingängen eines NAND-Gatters 238 verbunden, dessen Ausgang über einen Inverter 240 ein Signal 107 RQN ergeben. Ein Signal 07AKN führt über einen Inverter 242 an den einen Eingang eines ODER-Gatters 244, dessen anderer Eingang durch ein Signal 17AKC ausgesteuert wird, welches aus dem Ausgang eines NAND-Gatters 246 stammt. Die JK-Flip-Flops 226 und 223 werden durch einen 2 MHz-Taktpuls auf einer Leitung 248 fortgeschaltet. Die Zeichnung der Fig. 19 zeigt noch weitere Leitungen und Signale, die hier nicht im einzelnen aufgeführt werden sollen.

Wurden einmal die geeigneten Wortabfragen (word requests) vom Steuerkreis der Fig. 19 durchgeführt, ändert sich der Zustand ' der Flip-Flops 226 und 228 in einer bestimmten Reihenfolge, um eine Übertragungssteuerung zwischen den Computern durchzuführen. Beispielsweise besagt ein Wort HPEC, daß die Ausgänge beider Flip-Flops Null sind. Stellen die Ausgänge der Flip-Flops 226 und 228 den Zustand LO dar, wurde eine V/ortzählungbestimmt; der nächste Zustand der Flip-Flops 226 und 228 ist LL, um eine Abfrage festzustellen. Der Tl-Computer quittiert die"Signale, die auftreten, ehe der Zustandswechsel der Flip-Flops 226 und 228 zum Zustand OL auftritt, wobei ein Kennungssignal erzeugt wird und die Flip-Flops 226 und 228 rückgestellt werden (recycle). -34-

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Fig· 20 zeigt die zwei 16-Bit enthaltenden Datenworte, die benutzt werden, eine Datenübertragung zwischen den Computern su bewerkstelligen· Unabhängig davon, welcher Computer die Datenübertragung beginnt, wird die Einleitungsinformationsübertragung durch den einleitenden Computer in gleicher Weise kodiert. Die A- und C-Felder des Datenworts enthalten je 14 Bits und bestimmen die folgende Information in demjenigen Computer, der die Einleitungsdaten erhält:

Das A-PeId bestimmt diejenige Speicheradresse, zu der und/ oder von welcher die gewünschte Übertragung einzuleiten ist; das C-PeId enthält eine Anzahl von 16-Bit Datenworten, welche zu übertragen sind;

das P-PeId enthält Steuerinformation von demjenigen Computer, welcher die Übertragungsabfrage veranlaßte; und das L-PeId bestimmt, ob die gefragte Übertragung zu (1) oder vom (0) TI-CoiEputer 78 durchzuführen ist. Die Zwischenverbindung zum TI-Computer wird vermittels eines PKA-Kanals 7 des Computers durchgeführt. Die Zwischenverbindung zum Hewlett-Packard 2115, HP-Computer 72 bewerkstelligt ein Hewlett-Packard Standard Kanal (HP Teilenuraraer 02116-5195, interface kit 12554A-M11), welcher in den HP 2115-Kanal 11 eingestellt ist.

Fig. 21 zeigt ein Blockschaltbild zur Umwandlung der Ausgangsdaten aus dem Hewlett-Packard 2115 HP-Computer 72 in Eingangsdaten für den TI-2540 Computer 78. 16 ODER-Gatter 300-330 dienen der Invertierung der aus dem Computer 72 koranenden Signale HP015C - HP 00OC, welche in Eingangssignale 1700II - 1715Ii für den TI-Computer 78 umgewandelt werden. Pur das aus dem 0D3R- , Gatter 330 kommende Signal 1701N ist ein Torkreis vorgesehen, um Steuerinformation vor einem Eintritt in den TI-Computer 78 abzuhalten, die während der Polgesteuerung benötigt wurde. Ein Polgesteuersignal V/C1F aus dem Nein-Ausgang des Plip-Flops

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der Fig, 18 dient als zweites Eingangssignal am Eingang eines : NAND-Gatters 332» dessen erster Eingang durch ein vermittels eines Inverteis366 invertiertes Signal HPQ14C gespeist wird.

iig# 22 zeigt eis Block-Schaltbild zur Timwandlung von Dateneignalen, die aus dem Auegang des Tl-Computers 78 zum Eingang dee HP-Computers 72 gesandt werden. Von insgesamt 16 NAND-öattern werden 14 HAISS-Gatter 378-404 in Fig. 22 dargestellt, welche als Inverter wirken und die !Di-Signale 0702N-0715N in HP-Signale HP113G -äPtÖOC umwandeln.

Pig« 23 zeigt die restlichen zwei umzuwandelnden Dätenbitwege gemäß der in Pig. 22 gezeigten Umwandlung, wobei ein Weg mit einer !torschaltung versehe© ist,* um Steuerdaten von Seiten des HP-Computers t2 ffliteinzuttihren. Ein NAND-Gatter 406 stellt einen üblichen Inverter nach Art der in Fig. 22 gezeigten Inverter dar» wodurch ein Signal 0700H-in ©in HP-Signal 1150 umgewandelt wird, Die !Eingänge von NAND-Gattern 408 und 410 werden mit Steuersignalen beaufschlagt. Die Ausgänge der KAHD*eatter sind .an öie Biögäsige eines ODER-Gatters 412 gefunrt, dessen Ausgang über einen als Inverter geschaltetes HAND-Gatter 414 an «hen eisten Eingang eines HAND-Gatters 416 führt» dessen anderer Hingang von einem Signal 0701N beaufschlagt wird,

Der Ausgang des liAHD-Gatters 416 führt das Signal HP1140 als ein weiteres 'Eiagaögssignal für den HP-Gomputer 72.

Fig. 24 zeigt ein entsprechendes Flußdiagramm für den HP-Computer 72 zur Durchführung einer Datenübertragung zwischen den Computern 72 und 78. Beim Yerfahrensschritt-420 wird ein Eintritt in den HP-Computer 72 vorbereitet, wodurch bei 422 Kanal 12des Computers gesetzt wird. Bei 424 wird angefragt, < ob Kanal 12 verfügbar (interrupted) ist, indem eine Kennung

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?O139OC 3{

verwendet wird. Steht der Kanal 12 zur Verfügung, wird der Eingangswert in 426 nach A oder B eingeladen. Der Inhalt von A oder B wird nun aufbewahrt, indem man ihn in 428 speichert. In 430 wird abgefragt, ob die Übertragung beendet ist. Ist sie vollständig durchgeführt, erhält man in 432 Daten, welche in 434 zu einem Kanalregister geschafft und in 436 in dieses eingeladen w-erden; in 438 wird eine Anzeige der Verfügbarkeit des Kanals 12 vorgesehen. In 440 werden Listenworte eingebracht.

Zur Ausgabe von Daten aus dem HP-Compter 72 in den Tl-Computer 78 erhält man beim Verfahrensschritt 440 Daten aus dem Speicher, welche man bei 442 in ein Kanalregister bringt. Die Steuerleitung am Ausgang des Kanals wird bei 444 gesetzt, wonach in 446 angezeigt wird, ob Kanal 12 verfügbar (interrupted) ist. Bei 448 wird angezeigt, ob die Übertragung durchgeführt ist. Der HP-Computer 72 wird auf diese Weise über den Empfang eines Verfügbarkeitssignals des Kanals 7 (Channel 7 interrupted) durch den Computer 78 unterrichtet; überdies erfolgt seine Unterrichtung über die Ausführung einer Eingabe des Datenworts 1 in den Computer 78 durch Erhalt eines Kanal 12. . Kennungs- und/oder Verfügbarkeitssignals (channel 12 flag and/ or interrupt signal). Bei Erhalt des Verfügbarkeitssignals des Kanals 12 wird das Datenwort 2 in das Kanal 12 Ausgabedatenregister eingespeichert. Nach Durchführung einer Übertragung des Datenworts 2 meiden beide Computer 72 und 78 ihre Absicht an, die Übertragung durchzuführe/n; dabei setzt eine durchgeführte Übertragung des Datenworts 2 voraus, daß beide Computer 72 und 78 eine solche Durchführung wünschten. Der Computer 78 kann nun seinen Kanal 7 für diejenige Übertragung in Betrieb nehmen, welche durch die Datenworte 1 und 2 beschrieben wird■. Der Computer 72 setzt nun dazu an, die beschriebene Datenübertragung durchzuführen. Das P-FeId des Datenworts 1 wird nicht in den Computer 78 übertragen, da es Informationen beinhaltet, welche lediglich die Anschlußkreise betreffen. -37-

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Zweiter Anschluß 56:

In den Blockschaltbildern der Pig. 25 bis 35 werden Schaltkreise des zweiten Anschlusses 56 dargestellt. Die Pig. 25 zeigt einen Anschluß zwischen dem synchrodigitalen Umsetzer 52 und den TI-Computer 78. Insgesamt 16 NAND-Gatter 450 haben je einen gemeinsamen Toreingang, welcher zum Ausgang eines NAND-Gatters 466 zurückführt; diese gemeinsame Torleitung führt ein Signal H0LD12N. Die jeweils zweiten Eingänge .der NAND-Gatter werden mit Signalen GNDW-SD13N beaufschlagt. Die Signalnamen an den Ausgängen der NAND-Gatter sind 1200C bis 1215C; letztere bilden EingangsSignaIe in den Computer

Pig. 26 zeigt NAND-Gatter 468 bis 483 zur Übersetzung von Aufkursdaten (on course data, tangentiale Components), aus dem akustischen Dopplerradarsystem 54? die als entsprechende digitale Signale in den TI-Computer 78 eingeführt werden sollen. Ein nicht gezeichneter Teil der Übersetzung ist den durch die Pig. 26 dargestellten Kreisen vorgeschaltet; auf diese Vfeise ' erfolgt eine Umschlüsselung der Ausgangssignale aus dem akustischen Radarsystem 54 von vier Bits auf ein Bit, wonach der Schaltkreis der Pig. 26 mit solchen Signalen beaufschlagt wird. Die 16 NAND-Gatter 468 bis 483 weisen je einen geneinsamen Toreingang auf, welcher ein Signal H0LD18N führt und von einem ODER-Gatter 484 gespeist wird. Ein Signal ADMDC aus dem Radarsystem 54 speist über ein als Inverter geschaltetes ODER-Gatter 485 den zweiten Eingang des NAND-Gatters 469. In ähnlicher Weise werden die zweiten Eingänge der· NAND-Gatter 470 bis 483 mit Signalen AD0N42N bis AD0N11N gespeist. Signale ADONOOC bis ADOIH 5C bilden die Ausgänge der NAND-Gatter 468 bis 483 und die Eingangssignale in den Computer 78.

Pig. 27 zeigt den entsprechenden Anschluß für Außerkursdaten (off-course data, querab-hackbord Componente) aus dem aku-

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stischen Radarsystem 54 in den TI-Computer 78. Dem Anschluß dienen 16 NAND-Gatter 487 bis 502, deren jeweils erster Eingang mit einem Eingangssignal H0ID19N gespeist wird, das aus dem Ausgang eines ODER-Gatters 503 kommt. Die Außerkursdaten-Bignale wurden, wie anläßlich der Pig. 26 erläutert, aus vier Bits in ein Bit umgeschlüsselt^ und treten so in die jeweils zweiten Eingänge der NAND-Gatter 487 bis 502 ein, deren Ausgangssignale ADOi¹OOC bis AD0F15C lauten, welche zum TI-Computer 78 laufen.

Die Fig. 28 zeigt einen Anschluß zwischen dem EM Log 60 und dem TI-Computer 78. Sechzehn NAND-Gatter 505 bis 520 wirken in ähnlicher Weise als Signaltore, indem jeweils ein erster Anschluß mit einem Torsignal H0LD11N verbunden ist, welches aus dem Ausgang eines Inverters 521 stammt, dessen Eingang ein Signal H0LD11C bildet. Die jeweils zweiten Eingänge der NAND-Gatter 505 bis 520 nehmen die Signale aus dem EK Log auf, welche mit GNDlI bis 1111F bezeichnet sind. Die zum TI-Computer 78 laufenden Signale aus den Ausgängen der NAND-Gatter 505 bis 520 tragen die Namen 1100C bis 1115C

Fig. 29 stellt einen Datenpuffer und seine Taktsteuerung dar, der zwischen den Ausgang des EM Log 60 und den Schaltkreis der Fig. 28 geschaltet ist und welcher vorzugsweise keine neuen Daten aus dem EM Log 60 aufnimmt, wenn sie nicht eine kontinuierliche und stetige Änderung der vorhergehenden Daten darstellen; auf diese V/eise soll eine Eingabe fehlerhafter Informationen von Seiten des EM Log in den T-Computer 78 vermieden werden.

Im Blockschaltbild der Fig. 29 befinden sich vier JK—Flip-Flops 525 bis 528, deren J-Eingängen NAND-Gatter 530, 532, 534, und deren K-Eingängen NAND-Gatter 529, 531, 533, 535 vorgeschaltet sind. Ein 1-KHz-Taktpuls 1 MN dient über eine Lei-

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tung 537 der Portschaltung jedes Flip-Flops 525 bis 528. Das Flip-Flop 525 mit Ausgangssignalen 111 heiße auch erstes Flip-Plopt das Flip-Flop 527 mit Ausgangssignalen 112 auch zweites Flip-Flop, das Flip-Flop 526 mit Ausgangssignalen' 113 drittes Flip-Flop, und das Flip-Flop 528 mit Ausgangssignalen 114 viertes Flip-Flop. Ein Signal HOLD11C auf einer leitung 538 ist an jeweils einen Eingang der den J-Eingängen der vier Flip-Flops vorgeschalteten UND-Gatter 530, 532, 534, 536 gelegt und definiert eine Abfragezeit, während der keine Datenausgabe aus dem Datenpuffer an den TI-Computer erfolgen soll (Fig. 28, Signal HOLD11C), da der Puffer evtl. mit neuen Daten von Seiten des EM Log 60 beladen wird.

Jeweils der Nein-Ausgang der zweiten und vierten Flip-Flops (112 F des Flip-Flops 527 und 114 F des Flip-Flops 428) ist an den Eisgang eines NAND-Gatters 539 gelegt, dessen Ausgangssignal die Bezeichnung EMCLKN trägt und als Taktpuls-Eingangssignal für 12 vorzugsweise als JK—Flip-Flops ausgebildete Speicherzellen 540 bis 551 dient. Letztere stellen den Datenpuffer dar, dessen Zelle 540 das höchstwertige Bit des vom EM Log 60 erhaltenen Datenworts, und dessen Zelle 551 das niedrigstwertige Bit desselben Worts epeichert. Die Bit-Ausgänge aus dem EM Log 60 werden mit EMOOC bis EM11C bezeichnet und an die Vorwahleingänge der Zellen 540 bis 551 herangeführt. Die Ausgangßsignale aus der Zelle 540 sind mit 1100 bezeichnet, die aus der Zelle 551 mit 1111. Die Ausgangssignale aus den Nein-Ausgängen der Zellen 540 bis 551 tragen somit die Bezeichnung 11Q0F bis 1111F; letztere bilden die Eingangssignale an die zweiten Anschlüsse der in Fig. 28 gezeigten NAND-Gatter 505 bis 520.

Das aus dem NAÜD-Gatter 539 kommende Taktpuls-Signal EMCLKN zur Fortschaltung der Speicherzellen des Datenpuffers wird nur dann aktiv, wenn entweder das zweite oder das vierte

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Flip-Flop (527 bzw. 528) auf Ein geht.

Der Schaltkreis der Fig. 29 wirkt so, daß, wenn das letzte Datenwort aus dem EM log 60 in den Zellen 540 bis 541 gespeichert sei, die Flip-Flops 525 bis 528 nicht gestatten, daß sich der Inhalt des Datenpuffers ändert, bevor sich nicht die Ausgangsdaten aus dem EM Log 60 geändert haben. Eine erste Wirkungsweise kann so sein: Ist das niedrigstwertige Bit des vom EIi Log 60 gesandten Datenworts größer als das entsprechend niederigstwertige Bit des Inhalts des Datenpuffers, welches in der Zelle 551 gespeichert wird, werden di^. Flip-Flops 526 und 528 gesetzt. Eine Sekunde später gehen die Flip-Flops 525 und 527 auf Ein, um das neue Datenwort in die Zellen 540 bis 551 des Datenpuffers einzulassen. Ist andererseits das niedrigstwertige Bit aus dem EM Log 60 verschieden zum niedrigstwertigen Bit der Zelle 551, gehen die Flip-Flops 525 und 527 auf Ein, wonach eine Mikrosekunde später die Flip-Flops 526 und 528 gesetzt werden, um in den Datenpuffer neue Daten hereinzulassen. Der Datenpuffer mit den Zellen 540 bis 551 speichert die Information so lange, bis das niedrigstwertige Bit des Inhalte des Datenpuffers sich vom niedrigstwertigen Bit des vom EM Log 60 geschickten Worts unterscheidet.

In einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung kann die Wirkungsweise der Fig. 29 in Verbindung mit der Fig. 28 jedoch die sein, daß das erste Flip-Flop (525) zur Zeit H0LD11C dann oit einem ersten 1 MHz-Taktimpulp 1 KHN auf der Leitung 537 gesetzt wird, wenn das niedrigstwertige Bit 1111T des Speichers 551 aus dem Datenpuffer auf Ein i3t. Eine Mikrosekunde später, d.h. mit dem nächstfolgenden 1 MHz-Taktpuls 1 MHN erfolgt ein Setzen des zweiten Flip-Flops (527), das nur eine Mikrosekunde lang auf Ein bleibt. Das erste Flip-Flop geht gleichzeitig rait dem zweiten Flip-Flop auf Aus. Vährend der eine Mikrosekunde währenden Ein-Zeit des zweiten Flip-Flops wird durch dieses

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der Taktpuls EMCIKN zur Neubeladung des Datenpuffers erzeugt. Eine zweite Möglichkeit zur Neubeladung des Datenpuffers ist dann gegeben, wenn während des HOLD11C-Signals auf der Leitung 538 und eines 1 MHz-Taktpulses.1 MHN auf der Leitung 557 das Signal EM11C hoch und das Signal 1111T niedrig ist. Durch letztere Bedingungen ist die TJND-Bedingung am Eingang des UND-Gatters 532 erfüllt, so daß der J-Eingang des dritten Flip-Plops (526) hoch kommt. In Analogie zum vorhergebrachten wird durch das zu einer ersten 1 MHz-Taktpulszeitgesetzte dritte Plip-Plop verursacht, daß eine Mikrosekunde später, also zur zweiten 1 MHz-Taktpulszeit, das vierte Plip-Plop (528) auf Ein geht. Dieses wirkt nun wie zuvor das zweite Plip-Plop, indem eine Mikrosekunde lang der Taktpuls EMCLKN wirksam wird, wonach das dritte und vierte Plip-Plop rückgesetzt werden.

Pig. 30 zeigt Anschlußkreise innerhalb des zweiten Anschlusses 56 der Pig. 10, welche eine Verbindung zwischen den Längstwellenempfängern 64 und dem Tl-Computer 78 ermöglichen; es ist nur ein Anschlußkreis für einen Längstwellenempfängerausgang dargestellt; die für die übrigen Längstwellenempfänger notwendigen Anschlußkreise können dem hier dargestellten, entsprechen. Das Blockschaltbild der Pig. 3 enthält drei Plip-Plops 556, 558, 560, welche als JK-Plip-Plops ausgebildet sind,deren Taktpulseingang über ein Signal 2 MHN auf einer Leitung 562 mit 2 MHz betrieben wird. UND-Gatter 564, 566 bilden jeweils die Eingänge für die J-und K-Anschlüsse der Plip-Plops. Ein NOR-Gatter 568 leitet die Ausgangssignale aus UND-Gattern 570, an jeweils einen Eingang der UND-Gatter 564, 566 am Eingang des Plip-Plops 556. Ein ODER-Gatter 574 empfängt ein Signal H0LD14T sowie Nein-Ausgänge aus den Plip-Plops 558 und 560, um sie an einen Eingang des UND-Gatters 572 anzulegen.

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Ein NOR-Gatter 576 nimmt diese Ausgangssignale von UND-Gattern 578 und 580 auf, und führt sie an das dem J-Eingang des Flip-Flops 558 vorgelagerte UND-Gatter 566. In gleicher Weise nimmt ein NOR-Gatter 582 die Ausgangssignale von UND-Gatter 584 und 586 an, um sie an dasjenige UND-Gatter 566 weiterzureichen, welches dem J-Eingang des Flip-Flops 560 vorgeschaltet ist. Ein Signal V2UCN wird an den ersten Eingang des UND-Gatters 586 sowie an ein NAND-Gatter 588 herangeführt. Ein Signal V2DCN reicht ebenso an den Eingang des UND-Gatters 578 wie an den eines NAND-Gatters 590. Ein NOR-Gatter 592 nimmt die Ausgangssignale aus den NAND-Gattern 588 und 590 auf und leitet sie an die UND-Gatter 564 vor den X-Eingängen der Flip-Flops 558 und 560.

Ein ODER-Gatter 594 führt zu einem Eingang eines NAND-Gatters 596, welches wiederum mit einem ODSR-Gatter 598 verbunden ist, aus dem ein Signal VRESN kommt. Letzteres Signal wird zusammen mit einem Signal V2PRM an den Eingang eines NAND-Gatters 600 geführt, dessen Ausgang über einen Inverter 602 an die UND-Gatter 584 und 580 führt. Ein NAND-Gatter 604 nimmt das Signal V2PRN sowie das Nein-Signal aus dem Flip-Flop 560 und das Ja-Signal aus dem Flip-Flop 55.8 (V2C1T) auf und gibt an seinem Ausgang ein Signal V2YDC ab, das nach Invertierung durch einen Inverter 608 mit V2YDY benannt wird. In ähnlicher Weise nimmt ein NAND-Gatter 606 die Signale V2BRN, V2C1F (Nein-Ausgangs-Signal aus dem Flip-Flop 558) und V2C2T (Ja-Ausgangssignal aus dem Flip-Flop 560) auf und führt ausgangsseitig an einen Inverter 610.

Zur Wirkungsweise des Schaltkreises der Fig. 30 ist zu sagen, daß ein Signal für den Trägerpegel (carrier-level) des VLF-Signals eines Empfängers im Flip-Flop 556 gespeichert wird. Das Ja-Ausgangssignal (V2AT) aus dem Flip-Flop 556 ist dann hoch, wenn die Amplitude ausreichend hoch ist. Das Flip-Flop

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558 speichert ein Signal, welches einen Abwärts-Zählvorgang : anzeigt. Letzteres Signal bedeutet, daß der betreffende VLF-Empfanger eine Phasendeltrementierung mit 0,1 Mikrosekunden ale erforderlich anzeigt. Ein Signal für einen Hochzählvorgang wird durch das Flip-Plop 560 abgespeichert, das die Erfordernis einer mit 0,1 Mikrosekunden ablaufenden Phaseninkrementierung signalisiert· Das Signal V2FRN zeigt eine Empfängerpriorität an und stammt aus einem Prioritätsschaltkreis, der im folgenden beschrieben werden soll; es besagt, daß der gegenwärtige Empfänger den gegenwärtig höchsten Prioritätsrang zur Eingabe in den Tl-Computer 78 aufweist.

Nur jeweils ein VXF-Empfanger kann während einer Zeiteinheit Signale an den Tl-Computer 78 senden. Das Signal V2YDC zeigt einen erforderlichen Abwärtszählvorgang für den zweiten Empfänger an. Während ein aus dem UAND-Gatter 606 stammendes Signal Y 2YUC besagt, daß für den zweiten Empfänger ein Hochzählvorgang erforderlich wird« Ein Eückmeldesignal (Acknowledge AKC), welches aus dem im folgenden zu beschreibenden Schaltkreis stammt, wird als Eingangssignal für das Gatter 594 benutzt. Das resultierende Signal VRSSN, welches am Eingang des NAND-Gatters 600 ansteht, wirkt als Bücksetzsigtial, um die Flip-Flops 558 und 560 nach einer Eingabe in den Computer zurückzustellen.

Die Fig. 31 zeigt das zuvor erwähnte Prioritätsnetzwerk zur Bestimmung der gegenseitigen Prioritäten der VLF-Empfanger zur Eingabe in den Tl-Coraputer 78. Die Ergebnisse eines Aufwärts- oder Abwärtszählvorgangs eines jeden der VLF-Empfänger werden in Eingänge von ODER-Gattern 620 bis 626 eingegeben. Die Ausgänge aus den Gattern 620 bis 624 führen an Eingänge von NAND-Gattern 628 bis 632. Das Ja-Ausgangssignal aus einem Flip-Flop 634 ist zurückgeführt an UND-Gatter 636 und 638, welche den J- und K-Eingängen desselben Flip-Flops vorgeschal-

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tet sind j überdies führt der Ja-Ausgang des Flip-Flops an weitere Eingänge der NAND-Gatter 628 bis 632. Der Ausgang des ODER-Gatters 626 ist ebenfalls mit Eingängen der UND-Gatter 636, 638 verbunden. Der Nein-Ausgang des Flip-Flops 634 führt an einen Inverter 640, während das Ja-Ausgangssignal des Flip-Flops 634 auch noch mit ODER-Gatter-Eingängen von ODER-Gattern 642 bis 646 verbunden ist, deren weitere Eingänge mit den Ausgängen der NANU-Gatter 628 bis 632 Verbindung haben. Des Flip-Flop 634 erhält an seinem Taktpulseingang ein 2 KHz-Taktpulssignal.

Das Auf- und Abwärtszählen der verschiedenen. Empfänger wird über die Gatter 620 bis 624 gespeist. Entsteht ein Bedarf für eine Phasenzählung von Seiten eines Empfängers, so erzeugt das Flip-Flop 634 ein Unterbrechungssignal (interrupt signal). Das Ausgangssignal aus dem Gatter 642 bedeutet den höchsten Prioritätsrang,' so daß jede vom ersten VLF-Ecpfanger entdeckte Phasenänderung als erstes an den Computer 78 weitergegeben wird. Nachfolgende Phasenänderungen anderer VLF-Ecpfänger erhalten niedrigere Prioritäten zur nachfolgenden Einspeisung in den Computer 78.

Fig. 32 zeigt einen Anschluß zur Übermittlung der längstwellenempfängersignale der Smpfänger 64 an den Tl-Cocputer 78 in der dem Computer passenden Form. Sechzehn NAND-Gatter 650 bis 680 verfügen über je einen gemeinsamen Eingang, der an den Ausgang eines NAND-Gattern 632 zurückführt. Das Eingangssignal des NAND-Gatters 682 besagt, daß der' betreffende VLF-Empfanger vom TI-Computer 78 angewählt würde. Die zv/eiten Eingänge der NAND-Gatter 650 bis 662 erhalten ein gemeinsames Signal GKDV/. Die restlichen zweiten Eingänge der NAND-Gatter 664 bis 680 erhalten Signale A5, AA, V3, AT bis VIYUIi. Aus den NAND-Gattern 650 bis 680 kommen Signale A5A314OOC bis A5A3U15C, welche zum Eingang des TI-Ccmputers 78 führen.

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Pig. 33 zeigt einen Teil eines Verteiler- und Steuerkreises innerhalb des zweiten Anschlusses 56 (processor bus controller circuit) zur Ablaufsteuerung und Synchronisation für die einzelnen Fühlereingänge. Zwei JK-Flip-Flops 686, 688 werden durch einen 2 MHz-Taktpuls 2MHN über eine Leitung 690 fortgeschaltet. Jedem J- bzw. K-Eingang der Flxp-Plops sind UND-Gatter 694 bzw. 692 vorgeschaltet. Ein NAND-Gatter weist eine Vielzahl von Eingangssignalen CAX02N bis CAX15N, CQH und AB05C auf und erstellt seinerseits ein Ausgangssignal PEC, das sowohl an die Eingänge des Flip-Flops 686 als auch an einen Inverter 698 geführt wird. Sechzehn NAND-Gatter 700 bis 730 sehen sechzehn Ausgänge AE06C bis AB05C vor. Der Ausgang aus dem Inverter 698 findet Eingang in die NAND-Gatter 700, 704, 708, 712, 716 und 720 bis 730. Ein Signal VCCW liegt an den Gattern 702, 76, 710, 714 und 718 an. Signale CAX07N bis CAX06N führen jeweils auf Eingänge der Gatter 700, 704, 708, 712, 716 und 720 bis 730.

Der Schaltkreis der Fig. 33 arbeitet so, daß das Flip-Flop 688 zur Synchronisation beim Übertragungszustand des Systems dient. Das Flip-Flop 686 synchronisiert das Signal PEC mit einem Anschluß-Taktpuls (interface clock). Dadurch wird der Computer 78 in die Lage versetzt, eine einzelne Übertragung zu derjenigen Vorrichtung durchzuführen, welche die Adresse aufweist, die durch die Gatter 700 bis 730 angezeigt werden.

Fig. 34 zeigt einen weiteren Teil der von den Fig. 33 bis 35 dargestellten Verteilersteuerung; es werden JK-Flip-Flops 740, 742, 746 und 754 ausgewiesen, wobei jedem J- bzw. K-Eingang ' eines Flip-Flops 740 bis 746 UND-Gatter 750 bzw. 748 vorgeschaltet sind. Das Flip-Flop 754 hat an seinem J-Elngang ein UND-Gatter 770 und an seinem K-Eingang ein UND-Gatter 772. Ein 2 MHz-Taktpuls schaltet in Form des Signals 2MHN das Flip- ■ Flop 746, doch als Signal 2 MHC die Flip-Flops 740,.742 und 754.. Das Signal 2MHC stammt aus einem Inverter 752, dessen Eingang durch das Signal 2MHN ausgesteuert wird. .g

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Der Ja-Ausgang des Flip-Flops 742 ist an das UND-Gatter 748 des Flip-Flops 740 und 770 des Flip-Flops 754 geführt. Ein zweiter Eingang des UND-Gatters 770 ist mit dem Ja-Ausgang des Flip-Flops 740 verbunden. Das UND-Gatter 772 empfängt ein Signal PEF sowie ein Signal PITF, welchletzteres das Ausgangssignal aus dem Nein-Ausgang des Flip-Flops 754 darstellt. Dasselbe Signal erzeugt über einen Inverter 774 ein anderes Signal BITN. Der Nein-Ausgang aus dem Flip-Flop 746 ist in einen Eingang eines NAND-Gatiers 776 geführt. Weitere Eingänge des NAND-Gatters 776 empfangen Signale PBGOT und PET. Der Ausgang aus dem NAND-Gatter 776 führt auf ein ODER-Gatter 778, dessen zweiter Eingang vom Signal PC1F beaufschlagt wird, welches das Ausgangsßignal aus dem Nein-Ausg3ng des Flip-Flops 740 ist. Letzteres Signal erzeugt über einen Inverter 780 ein Quittiersignal AKN (acknowledge). Der Ja-Ausgang aus dem Flip-Flop 740 (signal PC1T) liefert über einen nachgeschalteten Inverter 87 das bereits erwähnte Quittiersignal AKC, welches im Schaltkreis der Fig. 30 auftrat. Die Flip-Flops 740 und 742 arbeiten mit synchronen Signalen, während das Flip-Flop 746 ein Signal RDYM, welches aus einem ODER-Gatter 766 entstammt, mit dem 2 KHz-Taktpuls synchronisiert.

Fig. 35 zeigt einen weiteren Teil der Zuteilarsteuerung innerhalb des zweiten Anschlusses 56, durch welche das Ausgangssignal aus jeweils einem der Sensoren in zeitlicher Hintereinanderfolge in den Computer 78 geleitet wird. Sine Spannung VCC, beim gezeigten Ausführungsbeispiel vorzugsweise 5 Volt, wird an Widerstände 800 bis 830 angelegt, um durch Verdrahtung erzeugte Oderfunktionen (wired OR functions) zu erzeugen. Im Schaltkreis der Fig. 35 sind weiterhin sechzehn NAND-Gatter , 832 bis 862 enthalten, deren jeweils einer Eingang eine gemeinsame Leitung führt, die durch ein Signal DEN beaufschlagt wird. Der jeweils zweite Eingang der NAND-Gatter empfängt Signale 0OC bis 15C und ist überdies mit je einem der Widerstände

800 bis 830 verbunden.

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In den Pig. 33 bis 35 wurden übliche Adresslerkreise aus Gründen der vereinfachenden Beschreibung weggelassen. Das an das NAND-Gatter 832 führende Signal OOC der Pig. 35 stellt-ein Torsignal für jedes 2TuIl-BiI; eines speziellen Geräteeingangs dar. Das Signal O1C dient als Eins-Bit für jeden Geräteeingang usw. Mit dem hier vorliegenden Schaltkreis wird durch die Verteilersteuerung nur jeweils ein Pühler während einer Zeiteinheit adressiert, so daß der Computer 78 sequentielle beschickt wird und nur jeweils ein Wort während einer Zeiteinheit von einem angewählten Pühler erhält.

Betrieb des Tl-Conputers 78:

Pig. 36 stellt ein tJbersichtsflußdiagramm der Wirkungsweise des Computers 78 betreffs der verschiedenen Pühler eilig änge dar. Es sind vier im allgemeinen periodisch verlaufende Unterbrechungsvorgänge (interrupts) vorgesehen, welche bei etwa 10 Millisekunden, T/2 bis 1 Sekunde, 2 Minuten und - im Falle eines Unterbrechungsvorgangs, der zur Aufnahme und Bestimmung eines Satellitenfestwerts dient - zu verschiedenen Zeiten auftreten, welchletstere aus Gründen der vereinfachenden Beschreibung zu durchschnittlich zwei Stunden angenommen seien. Ebenso sind zwei weitere Unterbrechungsvorgänge, ein VLP-Unterbrechungsvorgang und eine VLF-Berichtigung (VLP update) vorgesehen.

Während der 10 Millisekunden-Unterbrechung werden in einem Verfahrensschritt 900 der Pig· 36 der Kreisel-Kompaß, der V/assergeschwindigkeitsmesser und die Pühler des Dopplerradars abgelesen; die Pühler werden "während dieser Unterbrechungszeit ebensoauf Ein, Aus oder in andere Schaltstellungen gebracht. Der Sinus und Cosinus des Kreiselkompaßkurses wird in 902 errechnet. In 904 erfolgt die Bestimmung der nördlichen und östlichen Komponenten der Wassergeschwindigkeit, während

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in 906 die relativen Bewegungen, die aus dem Dopplerradar und aus dem Wassergeschwindigkeitsmesser abgelesen und bestimmt wurden, addiert werden. In 908 erfolgt eine Datenausgabe bzw. ein Programmausgang.

Während der 1/2 bis 1 Sekunde andauernden Unterbrechung werden in 910 aus den gespeicherten Daten bestimmte Informationen festgehalten (frozen) und/oder eingesammelt. Die Information wird nicht nur aus der in 906 stattgefundenen Akkumulation eingesammelt, sondern auch aus der Berichtigung der VLF-Abfrage der VLP-Zähler in 912. Dort wird der Zustand der VLP-Zähler auf Ein bzw. auf Aus gebracht, wonach die Berichtigungen der VLP-Daten bei 914 ausgegeben werden. Falls eine Fühlerzustandsänderung eintrat, werden die für die Fühlereingänge vorgesehenen optimalen Gewichte bei 912 erneut berechnet, wobei das oben beschriebene Verfahren angewandt wird. In 9¹2 wird ebenso eine Filterung und Korrelation der VLF-Signale durchgeführt. Die optimale Position wird aus dem letzten 2-Minuten-Festwert in 914 errechnet. In 916 gelangt der errechnete Positionswert zur Anzeige. In 918 wird die Errechnung der zweckmäßigen Punktionen aus Position, Zeit und Geschwindigkeit durchgeführt und in 920 angezeigt. Bei 922 endigt das Programm.

Bei jeder 2-minütigen Unterbrechung (2-minute-intervall) wird in einem Verfahreneschritt 924 die vorhergesagte VLF-Ablesung der augenblicklichen Position während der nächsten 2-Minuten-Periode errechnet. Die Vorhersage aus der letzten 2-Minuten-Unterbrechung für die augenblickliche Zeit und Position wird in 926 berichtigt. Die optimalen Gewichtsfaktoren werden bei 928 errechnet, und die optimale Position wird bei 930 errechnet. Die Fositionszeit und die VL?-Ablesungen in der Liste werden bei 932 sichergestellt und nach 9I8 übergeben, welches auch die Daten der 1/2 bis 1"Sekunden-Unterbrechung verarbeitet. -49-

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Das Programm der VLF-Berichtigung für jeden Empfänger umfaßt ein an sich bekanntes, abwärts gerichtetes Auswiegen (scaling •down) der augenblickliehen, nach dem Prinzip des kleinsten Fehlerquadrats ausgewerteten Matrix in 934. Die in 936 nach dem Prinzip des kleinsten Fehlerquadrats ausgewertete Matrix der aufgelisteten Daten wird in 936 zu der sieh durch die Auswertung ergebenden Matrix addiert, d.h. der jeweils errechnete Wert wird zum Ausgangswert hinzugezählt. Die im voraus ausgewählten Norma!gleichungen werden in 938 gelöst und die Parameter eines jeden Empfängers berichtigt. In 940 endet dieses Programm. '

Das zur Aufnahme der Meßwerte und zur Erstellung eines Satellitenfestwerts vorgesehene Unterbrechungsprogramm beginnt mit 942, wo Daten aus dem HP-Computer 72 aufgenommen werden. In 944 wird die Satellitenfestwertzeit in der Sicherstellungs-.liste, welche im Verfahrensschritt 932 erstellt wurde, aufgefunden» Der Festwertsfehler wird zu den vorhergehenden Satellitenfestwerten linear zurückverteilt. Diese Verteilung erfolgt mittels einer Datenverbindung zum Programm der VLF-Berichtigung im Verfahrensschritt 936. Das VLF-Beriehtigungsprogramm wird bei 948 aufgesetzt; es hat bei 950 einen Programmausgang. Weitere Einzelheiten können aus dem Flußdiagramm 36 entnommen werden. ·

Die hier gezeigte Erfindung betrifft-also ein Verfahren und Gerät zur äußerst genauen und zuverlässigen navigation von Fahrzeugen und insbesondere von Schiffen, welche der seismischen Forschung dienen können. Die große Anzahl verschiedener einzelner Uavigationsfühler der Erfindung ermöglicht die Erzeugung genauer Navigationsdaten zu jeder Zeit und bei jeder Wetterlage. Insbesondere in Verbindung mit der erfindungsgemäßen optimalen Datenverarbeitung werden genauere Daten erzielt als sie durch jeden einzelnen Fühler gewonnen werden. • -50-

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Obwohl die hier gezeigten Erfindungsbeispiele die Benutzung zweier miteinander gekoppelter Digitalconputer erkennen lassen, ist es möglich, statt dessen einen einzelnen, vorzugsweise größeren Digitalcomputer einzusetzen. Ebenso können statt der hier auf Digitalcomputern durchgeführten Verfahrensschritte Analog- oder solche Digitalcomputer eingesetzt werden, welche mittels Festverdrahtung dieselben Resultate erzielen, beispielsweise die Durchführung von Analysen und Korrekturen gestatten, wie dies durch das Flußdiagramm der Fig. 36 gezeigt wurde.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind also Abänderungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich.

-Patentansprüche-

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Claims (25)

201390C sr- P at e π ta η s ρ r ü c h e :

1. Kayigationsverfahren für ein Fahrzeug, insbesondere ein Schiff, unter Verwendung eines die absolute Position des Fghrzeugs_renthaltenden ersten Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein zweites Signal erzeugt wird, das die Position des Fahrzeugs bezüglich einer Bezugsposition enthält, und daß die beiden Signale entsprechend vorgegebenen Kriterien zu einem Navigationssignal kombiniert werden.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Signale erstellt werden, die Punktionen der Fahrzeuggeschwinäigkeitund derFahrtrichtung sind, und daß alle Signale zum Navigationssignal kombiniert werden.

3· Verfahren rjäch Anspruch 2_a. dadurch gekennzeichnet, daß als weiteres Signal ein solches erstellt wird, das ein Maß, für die Schiffsgeschwindigkeit relativ zum Wasser ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet_s daß als weiteres Signal ein solches erstellt wird, das ein Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zu einem bekannten Ort ist.

5« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Signale vor de^i Korabinieren entsprechend ihrer Genauigkeit gew'ichtet/ werden.

6* Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, da3 dieGewichtsfaktoren derSignale entsprechend der Fehlerstatistik verändert werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsfaktoren ferner in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit und den Zeitintervallen zwischen der Ermittlung absoluter Positionen verändert werden, insbesondere in Abhängigkeit von der Änderung dieser Größen.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den einzelnen Signalen ermittelten Positionsangaben verglichen und diejenigen Signale für die Positionserraittlung ausgeschieden werden, die sich aufgrund dieses Vergleichs als mit einem zu großen Fehler behaftet erweisen.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsfaktoren nach dem Prinzip der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 eine ortsfeste Bezugsposition verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Signal aufgrund von Positionsangaben eines Satelliten erstellt wird.

12. Verfahren nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste oder zweite Signa], aufgrund von Radiosignalen erstellt wird, die von ortsfesten Sendern abgestrahlt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Radiosignalen gev/onnenen Signale bezüglich Tageszeiteinflüssen korrigiert werden.

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BAD ORJGiNAU

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14. Verfahren nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal aufgrund einer Messung der Fahrzeuggeschwindigkeit nach Größe und Richtung ermittelt wird.

15. Havigationssystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet-durch eine erste Vorrichtung (10, 12) zur Erstellung eines Signals, das die absolute Position des Fahrzeugs enthält, sowie durch eine zweite Vorrichtung (18) zur Erstellung eines Signals, das die Position des Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsposition enthält, und durch eine Verarbeitungsvorrichtung (16), insbesondere einem Digitalrechner, zur optimalen Kombination der beiden Signale nach veränderlichen Bezeichrnungen zu einem liavigationssignal.

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorrichtung einen "Empfänger (10) zum intermittierenden Empfang von Satellitensignalen aufweist,

17. System nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch ein Radionavigationsgerät (32, 34) zum Empfang und zur Verarbeitung von Radiosignalen ortsfester Sender, insbesondere ein längstwellengerät (VLF-Gerät).

18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Radionavigationsgerät (32) eine Korrekturvorrichtung (34) zur Berücksichtigung der Tageszeiteinflüsse nachgeschaltet ist.

19. System nach Anspruch 15? gekennzeichnet durch Keßgeräte (26, 28) für die Fahrzeuggeschwindigkeit nach Größe und Richtung. . " . .

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20. System nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein Meßgerät (26) zur Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit relativ zum Wasser.

21. System nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch einen Kreiselkompaß zur Bestimmung der Fahrtrichtung.

22. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, gekennzeichnet durch einen Generator (24) zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsvektorsignals, insbesondere ein Dopplerradargerät (24).

23. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät für die Fahrzeuggeschwindigkeit ein Wassergeschwindigkeitsmeßgerät umfaßt.

24. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der ersten und der zweiten Vorrichtung ein Vergleicher zur Erstellung eines Fehlersignals nachgeschaltet ist, und daß eine Korrekturvorrichtung zur Berichtigung des Navigationssignals entsprechend diesem Fehlersignal vorgesehen ist.

25. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsvorrichtung (16) einen Recnner, vorzugsweise einen Digitalrechner, zur insbesondere laufenden Bestimmung eines Gewichtsfaktors für mindestens einen Teil der zu kombinierenden Signale enthält.

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