DE2028346C3

DE2028346C3 - Funkortungsverfahren zur Positionsbestimmung sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2028346C3
Application number: DE2028346A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-06-16
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1979-02-01
Also published as: GB1311109A; JPS4938880B1; JPS5225720B1; FR2049187A1; ZA703848B; DE2028346A1; CA921600A; FR2049187B1; CH534883A; DE2028346B2; US3613095A

Description

geringen Apparate- und Bedienungsaufwantl eine den bekannten Feinortungsverfahren entsprechende Genauigkeit erzielbar ist

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung; vor, daß die Übertragungszeiten der empfangenen Funksignale im Empfänger durch Vergleichen sowohl der demodulierten empfangenen Signale als auch der Trägersignale mit den im Empfänger vom Frequenznormal abgeleiteten Vergleichssignalen als Grob- und Feinwerte ermittelt werden.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß durch die Streifenidentifizierung beim Zeitvergleich der impulsmodulierten Funksignale und die feine Positionsbestimmung durch den Phasenvergleich eine äußerst exakte Positionsbestimmung mög- ι i lieh ist, ohne daß es erforderlich wäre, Streifenzähler zu verwenden oder den Empfänger ständig mitlaufen zu lassen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie Sender- und Empfängeranord- -'< > nungen zu seiner Durchführung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschri.ben; in dieser zeigt:

F i g. 1 eine schematische Ansicht,- die den Einsatz ' ■ eines Verfahrens und eines Systems gemäß der Erfindung veranschaulicht,

F i g. 2 ein Blockschaltbild einer erläuterten Ausführungsform einer der Sendestationen des Systems,

Fig.3 ein Blockschaltbild einer erläuterten Ausführungsform einer der Empfangsstationen des Systems und . · ■■

Fig.4 ein mehr Einzelheiten zeigendes Blockschaltbild eines Teiles einer typischen.Empfangsstation, wobei die beiden Zeichnungsblätter, die Fig.4 enthalten, * aneinandergereiht werden müssen, damit ein vollständiges System gezeigt ist

Das System gemäß der Erfindung, das in F i g. 1 veranschaulicht ist, enthält eine Sendestation A, die sich an einem bekannten Standort befindet, eine Sendesta- ■■■ tion ß, die ebenfalls auf einem bekannten Standort steht, wobei A und B auf einer bekannten Basislinie Ratsis liegen, und eine Empfangsstation C, die eine unbekannte Position hat und die die gemessene oder geortete Position wird. ·

Die zwei hier als Küstenstationen gezeigten Stationen/4 und Buna in F i g. 2 in größtem Detail dargestellt. Die gezeigte Station ist sowohl in A als auch in B vorhanden, nur mit dem einzigen wesentlichen Unterschied, daß von den jeweiligen Stationen verschiedene ■■■ Hochfrequenzen ausgesanJv werden.

Die Atomuhr 10 liefert ein Hochfrequenzsignal von z.B. 9GHz, das auf zwei Arten eingesetzt wird. Das Hochfrequenzsignal wird einem Normalfrequenzgenerator 11 zugeführt, wo es in der Frequenz auf eine > ausgesuchte Frequenz reduziert wird, die in einem Bereich liegt, der für die Übertragung über eine Entfernung bis zu beispielsweise ungefähr 185 km (100 miles) und für eine genaue Phasenbestimmung geeignet ist. Der Bereich kann sich z. B. von ungefähr 1,0 ■ bis ungefähr 0,5 MHz erstrecken. Der Normalfrequenzgenerator Il setzt das Hochfrequenzsignal von der Uhr 10 in ein Signal in dem niederen Bereich (1,0—5,0 MHz) um, während die Stabilität des Primärstandards der Uhr 10 beibehalten wird. Das Ausgangssignal des Normalfrequenzgenerators H, das in seinen Phasen- und Frequenzeigenschaften extrem genau ist, wird dem Normalfrequenzsteuersen'Jir 12 zugeführt, indem es auf einen Pegel verstärkt wird, der ausreicht, den höchst stabilen Funktsender 13 auszusteuern. Der Funksender 13 ist mit einer Antenne versehen, von der eir> Funkfrequenzsignal ausgesandt wird, das eine gegebene Frequenz innerhalb des ausgewählten Bereiches und eine genaue Phase und Frequenz besitzt Somit sind die Stabilität und Genauigkeit der Uhr 10 in dem ausgesandten Signal erhalten und spiegeln sich in diesem wieder.

Das Hochfrequenzsignal von der Uhr 10 wird ferner dem Normalfrequenzgenerator 14 zugeführt, indem es in ein gegebenes Signal in dem obenerwähnten geeigneten niedrigeren Bereich urngesetzt wird, der z. B. von ungefähr 1 MHz bis ungefähr 5 MHz reicht Der Normalfrequenzgenerator 14 erhält wie der Generator 1 ldie Genauigkeit und Stabilität der Uhr 10, und reflektiert deren Genauigkeit in seinem eigenen Ausgangssignal, das als Synchronisiersignal dem Zeitformatgenerator oder Impulszeitgeber 15 zugeführt wird.Der Impulszeitgeber 15 erzeugt eine Kette von Impulsen, die untereinander sehr gf--.au angeordnet sind. Die Impulse können z. B. in !t'-sec-Intervaüen angeordnet sein.

Die Impulse des Impulszeitgebers 15 werden dem Amplitudenmodulator 16 zugeleitet, der wiederum dazu dient, den Sender 13 zu modulieren.

Die Inpulsmodulationen der Sendestationen /. und B (F i g. 1) werden bei einer beweglichen Empfangsstation C (Fig. 1) dazu verwendet, grobe Positionsinformationsdaten zu erzeugen, und die Phasenbeziehungen der Hochfrequenzsignale der Sendestationen werden dazu eingesetzt, eine feine Positionsinfonnation zu schaffen.

Das Signal vom Funksender 13 an der Station A (Fig. I) wird durch den Empfänger 17 (Fig.3) empfangen, während das Signal vom Funksender 13 an der Station B (Fig. 1) vom Empfänger 18 (Fig.3) empfangen wird. Die Hochfrequenzausgangssignale von den Empfängern 17 und 18 werden Phasenbestimmungseinheiten 20 bzw. 21 zugeführt, von denen jede die Phase der jeweiligen Hochfrequenzsignale mit der Phase der Hochfrequenzsignale von den Normalfrequenrgeneratoren 29 und 31 vergleicht, deren jeweilige Eingänge mit der Atomuhr 19 gekoppelt sind. Die Phasendifferenz, die in der Phasendifferenz repräsentative Digitalsignale Δ Phase A und Δ Phase B übersetzt sind, werden dem Entfernungsrechner 24 des Rechnerabschnittes 27 des Systems zugeleitet, und in zwei Entfernungssignale umgesetzt, die die feine Positionsinformation innerhalb eines speziellen Streifens angeben, der z. B 219,5 m (720 feet) breit sein kann. In dem Beispiel stellt jedes Grad einer relativen Phasendrehung 61 cm (2 feet) dar. Selbstverständlich sehen die Ausgangssignale der Phasenbestimmungseinheiten 20 und 21 keine Streifenidentifizierung vor.

Jeder der Empfänger 17 und 18 ist mit nicht gezeigten Amplitudendemodulatoren versehen, die Imoulssigndle hervorbringen, die den Impulszeitvergleicher Zi bzw. 22 zugeführt werden. Jeder der Impulszeitvergleicher 22 und 23 vergleicht die Zeit des Auftretens jedes der Impulssignale mit d°r Zeit des Auftretens der Impulse einer Kette von Impulsen, die jedem Impulszeitvergleicher 22 und 23 von dem Normalfrequenzgenerator und Impulszeitgeber 41 zugeführt werden, deren Eingänge mit der Atomuhr 19 gekoppelt sind. Die Impulszeitvergleicher sehen digitale Grobentfernung-Ausgangssignale Rß( und /?4(-vor, di; ebenfalls dem Entfernungsrechner 24 zugeführt werden, dessen Ausgang mit dem Rechner 25 gekoppelt ist, der Ausgangssignale R^a und

Ret) vorsieht, die die genaue Entfernung der Station C von jeder der Stationen A und ^darstellen.

Der Positionsrechner 25 steuert den Positionsschalter und die Positionsanzeigeeinheit 26, die die beiden Entfernungen von den Küstenstationen A und B in eine genaue Position in irgendeinem gewählten Koordinatensystem überträgt. Die Signale Rgα und Rea können entweder digitale oder analoge Signale sein, und der Positionshalter und die Positionsanzeigeeinheit können entweder digital oder analog oder nach beiden Arten arbeiten. Die Atomuhr 10 ist mit einem Zeilgeberausgangssignal l\ vorgesehen, das dazu verwendet wird, den Rechner 27 wie allgemein dargestellt durch Zeitgebcreingangssignale t zu synchronisieren, die von nicht gezeigten und durch das Zeitgebersignal /ι gesteuerte Unlersetzerschaltungen geliefert werden. Alternativ könnte das Zeitgeber«ignal t\ direkt dem Rechner 27 zugeführt werden, vorausgesetzt, daß der

RcClii'ici 27 gccigiicic witici sci/ci si-iiaiiuMgeii cniiiHii.

F i g. 4 zeigt in größerem Detail die Einrichtungen, die in einer küstennahen Station für den Fall verwendet werden, daß das System zum Orten einer küstennahen Position verwendet wird.

Die Phasenbestimmungseinheit 20 der Fig. 3 ist in F i g. 4 gezeigt, wo sie in dem Phasenvergleicher 30 enthalten ist. Die Phasenbestiri:mungseinheit 21 der F i g. 3 ist in F i g. 4 gezeigt, wo sie in dem Phasenvergleicher 32 enthalten ist.

Der Normalfrequenzgenerator 33 der Fig. 4 entspricht den Normalfrequenzgeneratoren 29 und 31 der Fig. 3, und der Normalfrequenzgenerator und Impulszeitgeber 42 entspricht dem Normalfrequenzgenerator und Impulszeitgeber41 der Fig. 3.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird das Arbeiten der beiden Impulszeitvergleicher 22 und 23 nach Fig.3 durch einen einzelnen Impulszeitvergleicher 34 durchgeführt, dessen Eingangsimpulse von den Empfängern 17 und 18 über einen Multiplexer 43 zugeführt werden, und dessen Ausgangssignale, die die groben Entfernungsdaten A und B darstellen, dem ^; Rechner 27 über einen Demultiplexer 44 zugeführt werden.

Die digitalen Ausgangssignale der Phasenvergleicher 30 und 32 werden den digitalen Entfernungsrechnern 35 bzw. 36 als feine Positionsdaten zugeführt, während die ■'"■ Ausgangssignale des Impulszeitvergleichers 34 jeweils zu den digitalen Entfernungsrechnern 35 und 36 als grobe Positionsdaten gelangen.

Die beiden digitalen Entfernungsrechner 35 und 36 verarbeiten ihre jeweilige Dateneingangssignale, um '" Ausgangssignale tu liefern, die der feinen (genauen) Entfernung der Station C von den Stationen A bzw. B entsprechen.

Die Ausgangssignale der digitalen Entfernungsrechner 35 und 36 werden dem digitalen Positionsrechner 37 '·"· zugeführt, der mit der die Basislinie- und Küstenstationinformation enthaltenden Datenspeichereinrichtung 39 verbunden ist Unter Verwendung der gespeicherten Information der Einrichtung 39 übersetzt der digitale Positionsrechner 37 die von den Entfernungsrechnern '"" 35 und 36 gelieferten feinen (genauen) Positionsdaten in Positionssignale /?θλ und /?e» die der digitalen/analogen Speicherdatenerzeugungs- und Anzeigevorrichtung 31 zugeführt werden, deren Ausgangssignale zur Positionsanzeigeeinheit 40 gelangen. - ·

Die Vorrichtung 31 enthält eine Speichereinrichtung, die die Phasenkorrekturdaten speichert, die die anfänglichen absoluten Phasendifferenzen zwischen den drei Atomuhren wiedergeben. Falls gewünscht, können zusätzliche gespeicherte Informationen in der Vorrichtung 31 vorgesehen oder gebildet werden, wie z.B. Peilwinkel, Entfernung, Kurs und die bekannte Entfernung zur erwünschten Position, z. B. innerhalb eines küstennahen Areals, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Bei einigen Anwendungsformen, wie z. B. einer sich schnell bewegenden Station C, können Dopplerkorrekturdaten in der Vorrichtung 31 gebildet oder gespeichert werden. Bei der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform liefert die Atomuhr 19 ein Zcitgcbcrausgangssignal fi, das dazu verwendet wird, in einer nicht gezeigten Schaltung allgemein mit t bezeichnete Zeitgebersignale zu bilden, die den Synchronisiiürrcchncr 27. den Positiui· haller 28 und die Multiplexer 43 und 44 synchronisieren. Der ImpuUzeitvcrgleicher 34 liefert zwei Torausgangssignale A und B, die dazu verwendet werden, die Funkempfänger 17 und 18 zu steuern.

Die Vorrichtung gemäß tier Erfindung ist mülhm genau und dient dazu, eine Bahnvieldeutigkeit zu eliminieren, ohne daß es notwendig ist, daß die Vorrichtung ständig arbeitet oder die Bahnen zählt, wenn z. B. ein die Empfangsstation tragendes Schiff die Küste verläßt und in See sticht.

Die bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendeten Atomuhren können durch Cäsiumstrahlröhren gebildet werden, wie sie in dem dip Röhren bildend·.η Teil eines unter der Modell-Nummer 506IA vertriebenen Hewlett-Packard-Cäsiumstrahlfrequenzstandard verwendet werden. Der bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendete Normalfrequenzgenerator kann ähnlich dem unter der Modell-Nummer 5I03A vertriebenen Hewlett-Packard-Normalfrequenzgenerator aufgebaut sein. Die Sender und Empfänger kön.ien von verschiedenster Art sein und sollten extrem stabil sein. Der verwendete Rechner kann ζ. Β ein System 5100 der Control Data Corporation sein.

Unter der möglichen Vielfalt wird die Anwendung der Erfindung für die Verwendung in einem dreidimensionalen System genannt, in dem man eine zusätzliche Sendestation vorsieht und an der Empfangsstation einen zusätzlichen Funkempfänger installiert.

Anstatt der Verwendung von Sendesignalen verschiedener Frequenz bei den einzelnen Sendestationen kann die gleiche Frequenz verwendet werden, und die durch die jeweiligen Sendestationen verwendeten Ausgangssignale können verschieden polarisiert sein oder in den oberen oder unteren Seitenbändern liegen. Bei einigen Anwendungsfällen können die feinen Positionsinformationssignale durch die Amplitudenmodulation der ausgesandten Signale anstatt durch den Träger geoildet sein.

Obwohl die Erfindung mit einer beweglichen Empfangsstation und zwei feststehenden Sendestationen beschrieben wurde, ist es ebenfalls möglich, daß die Empfangsstation fest ist und eine der Sendestationen sich bewegt. In einigen speziellen Anwendungsfällen können sich alle Stationen bewegen.

Während die Erfindung so beschrieben wurde, daß die Ausgangssignale der Phasenvergleicher und Impulszeitvergleicher digital sind, können die Ausgangssignale dieser Einheiten, falls erwünscht, analog sein, so daß in diesem Fall die analogen Ausgangssignale in einem Netzwerk, einem Servosystem oder in ähnlichem verknüpft werden können.

Vorausgehend wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Orten einer Position beschrieben, bei dem bzw. bei der eine Vielzahl von Frequenzstandard-

Vorrichtungen, die auf der Wirkung der natürlichen, den Übergingen zwischen den Energiezuständen in Atomen und/oder Molekülen zugeordneten Frequenzen basieren, bei der gleichen Anfangsfestlegung synchronisiert oder phasenverglichen werden, wobei zwei der Vorrichtungen in Sendestationen auf einer bekannten Basislinie angeordnet sind und die dritte Vorrichtung in

einer dritten Station untergebracht ist, die die Signale von den beiden Sendestationen empfängt und die empfangenen Frequenzen mit ihrer eigenen Vorrichtung vergleicht, dann die Phasendifferenz in eine Entfernung umsetzt, um somit den genauen Standort der dritten Station zu bestimmen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Funkortungs-Verfahren zur Positionsbestimmung nach dem Rho-Rho-Prinzip, bei dem von Frequenznormalen abgeleitete, von mindestens zwei Sendern mit bekanntem Standort übertragene modulierte Funksignale vom zu ortenden Objekt empfangen und die Phasen der empfangenen Signale zum Erstellen der Entfernungsinformation mit den Phasen entsprechender Signale verglichen werden, die von einem Frequenznormal im Empfänger abgeleitet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die, Übertragungszeiten der empfangenen Funksignale im Empfänger durch Vergleichen" sowohl der demodulierten empfangenen Signale als auch der Trägersignale mit den im Empfänger vom Frequenznormal abgeleiteten Vergleichssignalen als Grob- und Feinwerte ermittelt werden.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funk-, Modulations- und Vergleichs-Signale von Atomfrequenznormalen abgeleitet werden

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funksignale impulsmoduliert sind.

4. Sender zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, mit einem von einem Frequenznormal gesteuerten Normalfrequenzgenerator und mit einem von diesem gesteuerten Modulator, der die Hochfrequenz der Sendestufe moduliert, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, vom Frequenznormal (10) gesteuerter, die Hochfrequenzsignale an die Sendestufe (13) liefernder Normalfrequenzgenerator (11) vorgesehen ist.

5. Sender nach Anspruch. 4„dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (16) ein im; jlsmodulierender Amplitudenmodulator ist.

6. Sender nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (16) seine Eingangssignale von einem vom ersten Normalfrequenzgenerator (14) gesteuerten Impulszeitgeber (15) empfängt.

7. Empfangsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 in Verbindung mit wenigstens zwei Sendern nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Empfangsanordnung ein Frequenznormal, einen von diesem gesteuerten Normalfrequenzgenerator, eine Demodulatoranordnung zur Demodulation der empfangenen Signale, eine Vergleichsanordnung zur Erfassung der übertragungsbedingten Verzögerung der demodulierten Signale sowie eine Rechenvorrichlung zur Umsetzung dieser Signalverzögerungen in Entfernungswerte umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Zahl der Sender entsprechende Anzahl von jeweils einen eigenen Demodulator aufweisenden Empfängern (17, (8) vorgesehen ist, daß jedem Empfänger (17,18) eine eigene, von einem weiteren Normalfrequenzgenerator (29, 31 j 33) gesteuerte Phasenver- ' gleichsstufe (20, 21; 30, 32) für die Träger-Hochfrequenzen zugeordnet ist, deren Ausgangssignale dem Rechner (27) zur Ermittlung der Fein-Werte zuführbar sind.

8. Empfangsanordnung nach Anspruch 7, dadurch ' gekennzeichnet, daß die Demodiilatoren Amplitudendemodulatoren sind.

Die Erfindung betrifft ein Funkortungsverfahren zur Positionsbestimmung nach dem Rho-Rho-Prinzip, bei dem von Frequenznormalen abgeleitete, yon mindestens zwei Sendern mit'i bekanntem Standort übertragene modulierte Funksignale vom zu ortenden Objekt empfangen und die Phasen der empfangenen Signale zum Erstellen der Entfernungsinforrr»ationen mit den Phasen entsprechender Signale verglichen werden, die von einem Frequenznormal im Empfänger abgeleitet ι sind, sowie eine aus entsprechenden Senderu und Empfängern bestehende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrend

• Verfahren und' Anordnungen zur äußerst genauen Positionsbestimmung durch Funkortung sind besonders bei der küstennahen (!»!überwachung erforderlich. Bei einem Einsatz bei einer küstennahen ölüberwachung befinden sich die beiden Sendestationen an Land, während die Empfangsstationen auf einem küstennahen Schiff angeordnet ist, das zu der gesuchten Position genau hinbewegt werden kann.

In der US-PS 30 68 473 wird ein Funkortungsverfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem mehrere absolute Entfernungsmessungen auf der Basis hochkonstanter, synchroner Zeitnormale sowohl in der Sende- wie auch in der Empfangsstation dadurch durchgeführt werden, daß die Entfernungen über die Laufzeiten von von den Zeitnormalen abgeleiteten Modulationssignalen, z. B. von Impulsen in einem festgelegten Zeitrahmen bestimmt werden. Dabei befinden sich die Sender auf den Fahrzeugen, deren Standort bestimmt werden soll, und der Empfänger bei einer Station mit festem, bekanntem Standort. Dieses bekannte Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß es nur eine Grob-Ortung zuläßt, die beispielsweise für den eingangs genannten Anwendungsfall nicht ausreichend ist.

In der US-PS 33 97 400 wird bereits ein Feinortungsverfahren beschrieben, bei dem von zwei ortsfesten Sendestationen durch ein Atom-Frequenznormal gesteuerte Funksignale ausgesandt werden, die von einem Empfänger an der zu ortenden Position empfangen werden. Aus der Phase der unmodulisrten HF-Signale der Sendestationen wird durch Vergleich mit einem ebenfalls von einem Atom-Frequenznormal abgeleiteten Bezugssignal die gewünschte Entfernungsinformation gewonnen.

Infolge der hohen Stabilität von Atomuhren, die eine Genauigkeit in der Größenordnung von 10~¹² oder I0-'³ besitzen, ist zwischen den Stationen keine kontinuierliche Synchronisation erforderlich, wenn einmal die Anfangssynchronisation unter den drei Atomuhren durchgeführt und die Anfangsphasen-Zeitzuordnung hergestellt ist.

Ein weiteres Feinortungsverfahren ist das in »INTERAVIA« 2/1966 auf Seite 222, Spalte 2 beschriebene Hyperbelnavigationsverfahren, bei den zur »relativen« Entfernungsmessung von hochkonstanten, synchronisierten Zeitnormalen abgeleitete Trägerfrequenzen mit Impulsen moduliert und sowohl die Impulslaufzeit für die Grobortung als auch die Phasendifferenz der HF-Träger für die Feinortung ausgenutzt werden.

Diese bekannten Feinortungsverfahren erfordern jedoch zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten die Verwendung von Streifenzählern und das dauernde Mitlaufen der Empfänger.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß mit einem möglichst