DE2324471A1 - Funknavigationssystem und -verfahren - Google Patents

Description

DH. ING. F.WTTESTHOFF 8 MÜNCHEN OO

.DR.E.V.PECHMANN · SCIlWi:iaKi»STHASs_E

DH. ING. D. BEHRENS "^«Wo^

DIPL. ING. R. GOETZ

TKLKOHAMM K 1 ElTEBTlKWlLTE γ»οιεοτρλτι:»ι

1A-43 009 Beschreibung

UNIVERSITY COLLEGE OF NORTH WALES Bangor, North Wales, England

betreffend
Funknavigationssystem und -verfahren.

Funknavigations- oder -leitsysteme arbeiten derart, dass von zwei oder mehr Sendern Funksignale mit einer bestimmten gegenseitigen Phasen- oder Zeitbeziehung ausgesendet v/erden. Ein Funkempfänger, auf dem zu navigierenden oder zu leitenden Fahrzeug, beispielsweise auf einem Schiff oder einem Flugzeug, empfängt Signale von verschiedenen Sendern und die Phasen- oder Zeitbeziehung der Signale am Empfänger stellt eine Anzeige für die Position des Fahrzeuges im System dar. Der Navigationsempfänger ist gewohnlich relativ komplex, da er Eilrichtungen aufweisen muss, mit denen die Erfassung der verschiedenen Signale und die Analyse ihrer Phasen- oder Zeitbeziehung zur Erzeugung einer Positionsanzeige möglich ist, anhand welcher die Position des Fahrzeugs automatisch oder von einer Bedienungsperson ermittelt werden kann.

In manchen Fällen würde man sich mit Vorteil die hohe, mit hyperbolischen Funksystemen erhältliche Navigationsgenauigkeit zunutze machen, wird daran aber durch die Kosten und den komplexen Aufbau der Empfänger gehindert. Bei diesen Fällen handelt es sich zum Beispiel um die Aufzeichnung der wechselnden Positionen unbemannter beweglicher Objekte, beispielsweise von Bojen oder Ballons, aber auch um die Verwendung der Systeme

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für kleine Boote oder Flugzeuge, vielleicht .auch für landgebundene Fahrzeuge. Das Problem ist dann besonders gravierend, wenn eine Flotte kleiner Fahrzeuge oder Objekte unter Beobachtung gehalten werden soll. Es würde in der Tat sehr kostspielig " sein, jedes Objekt der Flotte mit einem hyperbolischen Funkempfänger und <lem Zubehör dafür auszurüsten. Mit der Erfindung sollen diese Schwierigkeiten beseitigt werden.

Gemäss einem nicht vorveröffentlichten, in der britischen Patentanmeldung No. 6 059/71 erläuterten Vorschlag kann auf jedem überwachten Objekt oder Fahrzeug ein an den Empfänger angeschlossener Umsetzer verwendet werden, welcher die empfangenen Signale durch Mischung mit dem Ausgang eines örtlichen Oszillators geeigneter Frequenz f in Signale einer anderen Frequenz umsetzt, wobei die Phasen- oder Zeitinformation der empfangenen Signale in dem umgesetzten Signal erhalten bleibt. Die umgesetzten Signale werden dann zu einer Empfangsstation gesendet, an welcher die Phasen- und Zeitbeziehungen zur Erzielung einer Darstellung der Position des Objektes analysiert werden können. Das auf dem Objekt installierte Gerät kann also > relativ klein und preiswert sein, da es die Ausrüstung zur Analysierung der Phasen- oder Zeitinformation der Signale und zur Anzeige dieser Information nicht aufzuweisen braucht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung und das Verfahren gemäss dem obigen Vorschlag noch weiter zu vereinfachen.

Ein diese Aufgabe lösendes Funknavigationssystem mit zwei oder mehr Navigationssendern zur AusTsendung von Navigationsfunksignalen, die eine bestimmte gegenseitige Phasen- oder Zeitbeziehung haben, ist erfindungsgeraäss gekennzeichnet durch eine f_Q-Sendeeinrichtung zur Aussendung von Funksignalen mit einer von der oder den Frequenzen der Navigationsfunksignale verschiedenen Frequenz f , durch die Ausrüstung eines oder mehrerer beweglicher Objekte mit einem Umsetzer zur Umsetzung empfangener Navigationsfunksignale und f -Funksignale in eine

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andere Frequenz unter Erhaltung der Phasen oder Zeitbeziehurig der Naviationsfunksignale und durch einen Relaissender zur Aussendung der umgesetzten Signale zu einer Empfangsstation.

Bei dem erfindungsgemässen System ist ein relativ teurer, örtlicher Oszillator auf den beweglichen Objekten zur Vorgabe der Frequenz f_Q nicht erforderlich.

Die f -Sendeeinrichtung kann »inen zusätzlichen Funksender umfassen. Jedoch ist es bequemer und deshalb vorzuziehen, einen oder mehrere der Navigationssender zur zusätzlichen Aussendung des f -Signals zu verwenden. In diesem Falle ist die f -Sendeeinrichtung durch die Einrichtung zur Ansteuerung des Navigationssenders derart, dass f -Signale ausgestrahlt werden, gebildet.

Gegenstand der Erfindung ist ausserdem ein zur Ausrüstung eines beweglichen Objektes oder einer Referenzstation bestimmtes Gerät, welches einen Empfänger zum Empfang der Navigationsfunksignale und des f -Signals, einen Umsetzer zur Mischung der Navigationsfunksignale mit dem f -Funksignal und einen Relaissender zur Aussendung der umgesetzten Signale zu einer Empfangsstation umfasst.

Der Relaissender ist vorzugsweise ein Funksender. Es gibt aber auch einige Anwendungsfälle der Erfindung, bei welcher die umgesetzten Signale mittels eines Schallsenders ausgesendet werden können,und zwar entweder unmittelbar mit NF-Frequenz oder moduliert auf einem hochfrequenten NF-Träger oder einem Ultraschallträger. Alternativ kann auch moduliertes Licht zur Übertragung des umgesetzten Signals angewendet werden.

Die Erfindung lässt sich zur Überprüfung der Genauigkeit der zur Bildung des hyperbolischen Strahlungsmusters ausgebreiteten Signale verwenden. Bei einer solchen Anwendung kann das erfindungsgemässe Gerät auf einer mit bekannter Position festliegenden, also unbeweglichen Referenzstation installiert sein.

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Die von einer oder mehreren dieser festen Referenzetationen stammenden umgesetzten Signale v/erden zur Bestimmung von Ausbreitungsfehlern analysiert und eventuell zur automatischen Korrektur verwendet. Bei einer solchen Anwendung wird der Relaissender eventuell lediglich zur Übertragung der umgesetzten Signale über eine Überlandleitung, beispielsweise eine Telefonleitung eingesetzt. Eine solche Anordnung zur Genauigkeitsüberprüfung kann selbst dann benutzt werden, wenn die beweglichen Objekte des Systems konventionell aufgebaut sind und nur

nicht
die Navigationsfunksignale und/die ^-Übertragungen ausnutzen.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Ortungsverfahren, bei welchem die oben beschriebene Übertragungs- und Umsetzungstechnik angewendet und die an der Empfangsstation empfangene Information analysiert wird. Die Analyse kann an der Empfangsstation ausgeführt werden. Die empfangenen Signale können an der-Empfangsstation aber auch aufgezeichnet und, falls nötig, später woanders analysiert werden. Die Signale können an"der Empfangsstation auch nur zum Teil analysiert und aufgezeichnet und endgültig woanders analysiert werden. Alternativ kann die Empfangsstation eine Relaisstation sein, die über eine Funkverbindung oder eine landgebundene Verbindung, eventuell eine Telefonverbindung, mit einer Basis verbunden ist, an welcher die empfangenen Signale aufgezeichnet und/oder analysiert werden. Die Analyse kann in einer unmittelbaren Auswertung der eigentlichen umgesetzten Signale oder einer Verarbeitung dieser Signale beispielsweise in einem Rechner unter Berücksichtigung der durch den Umsetzer verursachten Änderungen bestehen. Alternativ können die empfangenen umgesetzten Signale auch in ihre ursprüngliche Form zurück umgesetzt und die zurück umgesetzten Signale einem üblichen Funknavigationsempfänger zugeführt werden.

In einigen Fällen, insbesondere dann, wenn es sich um ein spezielles, mit hoher Frequenz arbeitendes System in einer einsamen Gegend handelt, kann es vorkommen, dass es keine wirksamen Interfer.e"nzsignale gibt. In diesem Falle kann der Empfänger auf "dem beweglichen Objekt die einfachste mögliche Form haben,

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eventuell einfach durch eine Antenne gebildet sein, die durch einen einfachen Abstimmkreis oder durch ihre Länge abgestimmt ist. Obwohl zwar die empfangenen Signale vor ihrer erneuten Aussendung auf dem beweglichen Objekt einer Detektorstufe zugeführt werden können, ist eine solche Detektorstufe normalerweise nicht vorgesehen, es sei denn für eine automatische Verstärkungsregelung.

Wenn an einer zentralen Empfangsstation die Position einer Flotte beweglicher Objekte überwacht werden soll, können die umgesetzten Signale von den verschiedenen Objekten auf verschiedenen Kanälen einer Frequenz oder in einem Zeitmultiplex-Telemetriesystem gesendet werden. Insbesondere bei einem Zeitmultiplexsystem kann die Empfangsstation Abfragesignale aussenden, auf welche die Sender auf den verschiedenen Objekten nacheinander mit einer Aussendung Ihrer Signale ansprechen.

Es gibt viele verwendbare Funknavigationssysteme. Geeignete Beispiele sind: Decca Hi-Fix; Decca Hi-Fix 6; Decca Navigator; Consol; Loran; Loran C; Omega; Gee; Lorac und Rana. Einige dieser Systeme sind für grosse Reichweiten bestimmt und haben eine relativ niedrige Arbeitsfrequenz. Die erfindungsgemässe Ausrüstung kann in grossen Abständen von den hyperbolischen Sendern verwendet'werden. Der Sender auf dem beweglichen Objekt kann eine hohe Leistung und eine grosse Reichweite haben. Wenn es jedoch darum geht, Kosten und Grosse der Ausrüstung auf einem Minimum zu halten, sollten die Sender auf den Objekten eine niedrige Leistung und eine relativ kleine Reichweite haben. Obwohl also die Erfindung für praktisch alle Reichweiten geeignet ist, entfaltet sie doch ihre wesentlichen Vorteile eher, wenn die Entfernung zwischen den Objekten und der Empfangsstation ca. 80 km nicht überschreitet. Eine hauptsächliche Anwendung der Erfindung wird daher in der Überwachung der Positionen einer Flotte von Fahrzeugen, die im öffentlichen Dienst stehen, z.B. von Polizeiautos, gesehen. Für die Seeschiffahrt ist die Erfindung insbesondere für einen Betrieb vom UFer aus oder auch innerhalb eines relativ begrenzten Bereichs um ein auf See liegendes, die Empfangsstation aufweisendes Kommandoschiff herum geeignet.

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Der Sender auf dem beweglichen Objekt ist vorzugsweise ein konventioneller Telemetriesender, wobei die Frequenzbeziehung zwischen den Navigationssignal-Frequenzen und der Frequenz f_Q derart ist, dass sich das dabei ergebende, umgesetzte Signal eine für die Aussendung in einem solchen System geeignete Frequenz hat. Typischerweise liegen solche Signale im unteren NF-Bereich, wobei eine geeignete Frequenz des umgesetzten Signals ca. 2 KHz ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch "dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Schemadiagramm eines Funknavigationssystems nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Geräts zur Ausrüstung eines beweglichen Objekts;

Fig. 3"ein Schaltbild eines v/eiteren erfindungsgemässen Geräts zur Ausrüstung eines beweglichen Objekts;

Fig. 4 ein Übertragungsmodus-Diagramm zur Erläuterung zweier alternativer Übertragungsmoden bei a und b in einem System nach der Erfindung;

Fig. 5 ein Blockschalt_bild eines Geräts in der Basis und auf einem beweglichen Objekt bei einem erfindungsgemässen System zur Ortung und Kursführung von Fahrzeugen.

Das in Fig. 1 dargestellte System umfasst drei Navigationssender N1, N2 und N3» die über schematisch dargestellte Verbindungen L ,gegenseitig phasenverriegelt sind und zur Aussendung von Navigationsfunksignalen mit einer Frequenz f _£ und einer bestimmten gegenseitigen Phasenbeziehung dienen. Der Sender N1 ist der Hauptsender, während die Sender ₍N2 und N3 die Sekundärsender bzw. die abhängigen Sender sind. Die Anordnung ist so getroffen, dass im Bereich zwischen den Sendern und um diese herum ein hyperbolisches Phasenmuster entsteht. Ein -bewegliches Objekt M empfängt Signale der Frequenz f -." mit einer gegenseitigen Phasenbeziehung, die von der Position des Objektes in dem

Gebiet abhängt. ,

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Das System umfasst ausserdem ein f -Sendemodul TM,-das dem Sender N1 zugeordnet und mit den anderen Sendern N2 und N3 über die Verbindungen L gekoppelt ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Sender die Navigationssignale und Signale mit einer Frequenz f in einer bestimmten, noch zu erläuternden Reihenfolge aussenden. Die ausgesendeten f_r;f- und f -Signale werden von beweglichen Objekten, beispielsweise dem Objekt M in dem Gebiet empfangen. Die Objekte weisen einen Umsetzer zur Umsetzung der Signale und einen Relaissender zur Übertragung der umgesetzten Signale über eine übliche Telemetrie-Funkverbindung zu einer Empfangsstation R"auf. Die Station R ist eine Relaisstation, welche die empfangenen Signale über eine landgebundene Leitung LL zu einer Basisstation B überträgt, wo die Signale mittels eines Rechners zur Ortung oder Kurserkennung der Objekte analysiert werden.

Anstatt das System zur K rserkennung von Objekten oder ausschliesslich zur Kurserkennung von Objekten zu verwenden, kann es auch zur Überprüfung der Genauigkeit des hyperbolischen Navigationsmusters eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird das in Fig. 1 dargestellte Objekt M örtlich festgelegt und als Referenzstation verwendet. Die umgesetzten Signale von der Referenzstation M werden an der Empfangsstation R empfangen und zur Ermittlung der scheinbaren Position der Referenzstation analysiert. Der Unterschied zwischen der scheinbaren Position und der tatsächlichen Position der Referenzstation beruht auf Ausbreitungsfehlern, die auf diese Weise ermittelt und kompensiert werden können.

In Fig. 2 ist ein zur Ausrüstung des beweglichen Objektes bestimmtes Gerät gezeigt.· Das bewegliche Objekt kann ein Wasserfahrzeug, beispielsweise eine Boje oder ein Boot sein, aber auch ein Luftfahrzeug, z.B. ein Flugzeug oder ein Ballon, oder ein Landfahrzeug. Das Gerät umfasst einen Funkempfänger 1, welcher die Navigationsfunksignale der Frequenz f ~ und die Signale der Frequenz f_Q empfang. Der Empfänger enthält ein Filter 2, welches Signale der Frequenzen f_rf und f_Q hindurchlässt, und einen Verstärker 3 zur Verstärkung des Filterausgangs. Der Verstärker-

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ausgang wird auf zwei parallele Pfade 4 und 5 aufgeteilt. Pfad 4 umfasst ein Filter 6, welches die Frequenz ί_ρί aussiebt sowie einen Verstärker 7. Der Ausgang des Verstärkers 7 wird einem Detektor 8 für die automatische Verstärkungsregelung zugeführt, welcher Rückkopplungssignale an ein Stellglied 9 zur Einstellung der Verstärkung im Pfad 4 liefert.

Pfad 5 gleicht dem Pfad 4 mit der Ausnahme, dass er Signale mit der Frequenz f_Q anstelle der Frequenz ϊ^ führt, wobei das Filter 10 im Pfad 5 auf die Frequenz.f abgestimmt ist.

Die f- und f ^-Signale werden in einer Mischstufe 11 gemischt, wodurch ein umgesetztes Signal der Frequenz f entsteht, welches ein Filter 12 passiert. Das umgesetzte Signal mit der Frequenz f wird mittels eines frequenzmodulierten Telemetriesenders 13 zu einer Empfangsstation übertragen. Der Telemetriesender 13 arbeitet in dem zwischen 450 und 470 MHz liegenden Niederleistungs-TiüLemetrieband. '

Fig. 3 zeigt mit mehr Einzelheiten eine alternative Ausbildung des Empfängers und Umsetzers für ein Objekt. Der Empfänger umfasst Singangsfilter 15 und 16, die auf 72 bzw. 70 KEIz abgestimmt sind. Diesen Filtern sind Verstärker 17 bzw. 18 nachgeschaltet, die im Gegensatz zu den Verstärkern der Anordnung nach Fig. 2 keine automatische Verstärkungsregelung aufweisen. Die Ausgänge der Verstärker 17 und 18 werden in einer Mischstufe 19 gemischt, deren Ausgang einem Tiefpassfilter 20 zugeführt wird, dem ein auf 2 KHz abgestimmtes Bandpassfilter 21 nachgeschaltet ist. .

Der Ausgang, .des Filters 21 ist einer ersten und einer zweiten Begrenzerstufe 22 bzw. 23 zugeführt. Der Ausgang der Begrenzerstufe 23 gelangt zu einem aktiven Bandpassfilter 24, welches die Signale mit der Frequenz f, im Beispiel mit der Frequenz 2 KHz hindurchlässt. Der Ausgang vom Bandpässfilter 24 gelangt zu einem Telemetriesender, beispielsweise dem Sender 13 von Fig. 2.

. ^/9

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Das Signal mit der Frequenz f ist insofern ein Abbild der mit der Frequenz f » empfangenen Signale, als in ihm die relative Phasenlage der drei zeitgeschachtelten Signale von den drei Sendern erhalten ist. Die Frequenz f' ist so gewählt, dass sie dicht neben der Frequenz f~ liegt, so dass sich eine niedrige Frequenz f ergibt. Im Beispiel haben die Frequenzen folgende Werte:

f_rf = 72 KHz

f ₀ = 70 KHz f » 2 KHz

Zwei Übertragungsmoden sind möglich.

A. Eine Station sendet mit der Frequenz f und jede Station sendet abwechselnd nacheinander mit der Frequenz f - unter Einhaltung einer bestimmten Phasenbeziehung. Die zeitgeschachtelten Signale der Frequenz f können phasenverglichen werden, um eine spurbezogene Positionsinformation in einem hyperbolischen Gitter mit der Frequenz f~ zu erhalten. Das bedeutet, dass die Spurbreite auf jeder Basislinie einer halben Wellenlänge vom f ~ entspricht.

B. Jede Station sendet abwechselnd nacheinander mit den Frequenzen f und f~ gleichzeitig, wobei die Differenzfrequenz f eine bestimmte Phasenbeziehung aufweist. Der Umsetzer erzeugt wiederum in einer bestimmten zeitlichen Reihenfolge Signale der Frequenz f, welche phasenverglichen werden können. Jedoch bezieht sich die spurbezogene Positionsinformation /nunmehr auf ein gröberes hyperbolisches Gitter mit der Frequenz f, dessen Spurbreite an der Basislinie der halben Wellenlänge von f entspricht.

Es ist empfehlenswert, einen solchen Übertragungsmodus zu wählen, bei welchem die Muster nach A und nach B im Wechsel ausgesendet werden, vielleicht genau abwechselnd oder vielleicht so, dass das Muster nach A während eines Hochleistungszyklus und das Muster nach B gelegentlich, beispielsweise im Verhältnis

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4 : 1, übertragen wird, oder vielleicht so, dass das Muster nach B während eines Hochleistungszyklus und das Muster nach A gelegerß-ich gesendet wird. .

Fig. 4 zeigt bei a die abwechselnde Aussendung des feinen und des groben Musters, wobei die Sendezeiten für die Frequenzen f £ und f für die Hauptstation m und die Sekundärstation S1, S2 und S3 angegeben sind.

Eine Alternative zur Aussendung feiner und grober Muster ist die Aussendung feiner Muster mit zwei verschiedenen Frequenzen, vgl. Fig. 4b. Eine Spurenidentifizierung ist wiederum durch eine bei der Differenzfrequenz ausgeführte Messung möglich. Beim Hi-Fix- (und auch beim Hi-Fix-6-)System wird eine Spurenidentifizierung durch Verwendung zweier Frequenzen und gemeinsamer Stationslokalisierung erzielt, wobei die ,Differenzbildung nach der P» asenmes.sung durchgeführt wird. Beim erfindungsgemässen System hingegen werden die Frequenzen im Umsetzer gemischt und die Messungen bei der Frequenz f ausgeführt.

Das mit zwei Frequenzen arbeitende Funknavigations-Relaissystem wurde als eine Lösung des Problems der Überwachung einer Flotte beweglicher Einheiten, z.B. von Polizei-, Feuerwehrund anderen Fahrzeugen des öffentlichen Dienstes entwickelt. Fig. 5 zeigt ein umfassendes System zur Fahrzeugüberwachung, das die vorhandenen Fahrzeug-Funktelefone unabhängig davon, ob die Fahrzeuge bemannt sind oder nicht, benutzt.

Fig. 5 zeigt die Anordnung der einzelnen Bauglieder an der Basisstation 30 und auf einem beweglichen Objekt 50. An der Basisstation ist ein Umsetzer 31 ähnlich demjenigen auf einem beweglichen Objekt vorgesehen, welcher die f_^- und f -Signale

als ^ri ° empfängt und ein f-Signal liefert, das/Referenzanzeige für die Position der Basis verwendet wird. Dieses Signal wird einer

stufe

Phasenvergleichs/32 zugeführt, welche ausserdem ein· Referenzsignal mit der Frequenz f von einem örtlichen Oszillator 33 erhält. Die beiden Signale werden phasenverglich4n, und das Ergebnis wird mittels eines Analog-Digital-Umsetzers 32a in digitale

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Form gebracht und als Referenzposition einem Rechner 34 eingegeben. Von den AusgangsSignalen des Umsetzers in der Basis mit der Frequenz f werden ausserdem Taktsignale abgeleitet. Diese Signale synchronisieren einen Taktgenerator 35, welcher Taktsteuersignale an den Rechner 34 liefert.

Zu geeigneten Zeitpunkten veranlasst der Rechner 34 einen Adressengenerator 36 zur Erzeugung einer Abfrageadresse, welche einem Funkttelefon-Sender 37 zugeführt und.ausgesendet wird. Die Adresse wird von allen Objekten 50 mit in entsprechender Weise abgestimmten Funktelefonen 51 empfangen. Jedoch besitzt jedes Objekt 50 einen Adressendecoder 52, und nur,wenn die dem jeweiligen Objekt eigene Adresse empfangen wird, spricht der . Adressendecoder an und gibt eine über die Telefone durchzuführende Positionsaussendung frei. Der Umsetzer 53 am Objekt empfängt die £_rf- und die f -Signale und erzeugt ein f-Signal, das die Position des Objektes angibt. .Wenn der Funktelefon-Sender zum Senden freigegeben ist, wird das f-Signal durch Modulation des Funktelefon-Trägers ausgesendet.

Das Funktelefon-Signal wird an der Basis empfangen und zur Erzeugung des f-Signals demoduliert und gefiltert. Das auf diese Weise am Ausgangs eines Bandpassfilters 38 erhaltene Signal wird in einer Phasenvergleichsstufe 39 mit dem Ausgang der Frequenz f des Oszillators 33 phasenverglichen. Das resultierende,-die Position eines Objektes angebende Signal wird mittels eines weiteren Analog-Digital-Umsetzer 39a in die digitale Form umgesetzt und dem Rechner 34 zugeführt. Der Rechner führt einen Vergleich zwischen den Positionssignalen für die Basis und das Objekt aus und erzeugt auf einer Anzeigeeinheit 40 eine Anzeige der Position des Objektes relativ zu derjenigen der Basis. Das Funktelefon kann im Simplex- oder Duplex-Betrieb mit einer oder mit zwei Frequenzen arbeiten.

Die Steuerung des Systems durch einen Rechner ist von Vorteil, aber nicht unbedingt notwendig. Bei der Bestimmung der Position der Fahrzeuge wird eine Reihenfolge eingehalten, bsi welcher jedes Fahrzeug nacheinander zur Übertragung einer Haupt-

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und Sekundärfolge von Positionsinformation veranlasst wird. Die an der Basisstation empfangene Folge wird mit einem hochgenauen Referenzoszillator phasenverglichen, und die Vierte der relativen Phasen (Haupt-Referenz, Sekundär-1-Referenz usw.) werden gemessen und dann dem Rechner zugeführt und dort gespeichert. Die Position des Fahrzeuges wird berechnet und zum Ausgleich von Ausbreitungsfehlern korrigiert. Die Ausbreitungsfehler werden von Referenzpositionsempfängern an der Basisstation oder anderen bekannten festen Punkten angegeben.

Der Rechner kann die spurenbezogene Position des Fahrzeugs so\tfohl im feinen (A) als auch im groben (B) Muster angeben. Voraussetzung dafür ist, dass* das Fahrzeug während des richtigen Abschnitts der Folge sendet. Hierbei wird daran gedacht, dass man die Positionen der Fahrzeuge zuerst durch eine Kombination von Messungen im feinen und im groben Muster festlegt, eventuell unter Hinzunahme einer sehr groben manuellen Eingabe zur Ausschaltung von Zweideutigkeiten der Position im groben Muster.

Jedes Fahrzeug wird zur Aussendung während eines geeigneten Zeitabschnitts in der Folge durch Adressierung oder durch Zeitschachtelung veranlasst. Im folgenden wird eine einzelne Navigationsübertragung (z.B. Haupt, fein) ein Bit genannt, eine Gruppe von Übertragungen (z.B. feines Muster,) ein Wort und ein •Namensaufruf der Fahrzeuge eine Gruppe.

Adressierung: Der Rechner erzeugt und überträgt eine einem Fahrzeug eigene Adresse, welche durch die Einrichtungen auf dem Fahrzeug bzw. Objekt empfangen und erkannt wird. Das System ist in mehrerer Hinsicht flexibel. Erstens können Fahrzeuge, welche als in Bewegung befindlich erkannt werden, häufiger als stillstehende Fahrzeuge abgefragt werden. Zweitens brauchen nicht im Betrieb befindliche Objekte oder Fahrzeuge nicht in den Namensaufruf aufgenommen zu werden, wodurch die Positionen der restlichen Fahrzeuge häufiger auf den neuesten Stand gebracht werden können. Drittens kann der Rechner die Fahrzeuge je nach Bedarf während grober und/oder feiner Aussendungen abfragen.

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Beispielsweise wird der Kurs eines sich schnell bewegenden Fahrzeugs nur im groben Gitter verfolgt. Dies würde längere Pausen zwischen dem Erneuern der Informationen und dadurch mehr Objekte im System ermöglichen. Schliesslich können viertens die Fahrzeuge erneut abgefragt werden, wenn unvollständige oder zweifelhafte Antworten empfangen werden.

Zeitschachtelungsbetrieb: An alle Objekte wird ein Gruppensynchronisationssignal ausgesendet, dass den Beginn eines Namensaufrufes anzeigt. Jedes Fahrzeug besitzt einen vorher festgelegten Zeitabschnitt in der Reihe. Dann werden entweder Fahrzeugsynchronisationssignale ausgesendet, die jedes Fahrzeug zählt, bis es seine eigene Gesamtzahl erkennt, oder das Gruppensynchronisationssignal startet (oder sperrt) eine Uhr -im Fahrzeug bzw. Objekt, welche eine vorbestimmte Verzögerung erzeugt und dann einen Befehl auslöst. Fehler der Uhr führen zu Änderungen der Taktgabe, welche der Verzögerung proportional sind, jedoch können diese ohne Verwendung eines sehr teuren Oszillators einflusslos im Vergleich /der für die Gruppensynchronisation gültigen Toleranz gemacht v/erden. Eine Stabilität

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von 1 : 10 führt zu einem Fehler von 1 msec, während einer 100 see. dauernden Gruppenperiode.

Synchronisationskanal: Die Adressen- oder Synchronisationsinformation kann zu den Objekten entweder über einen VHF- oder UHF-Kanal, eventuell einen existierenden Sprechkanal, der mit dem Fahrzeug- Übertragungskanal gepaart ist, übertragen werden, oder durch Einschluss in die Navigationsübertragung.

Bei der ersten Lösung hat man eine grössere Flexibilität. Es ist wahrscheinlich, dass viele Fahrzeuggruppen eine gemeinsame Navigationsübertragung benutzen und dass die Perioden einer Fahrzeugübertragung innerhalb jeder Gruppe ohne nachteilige Beeinflussung anderer Benutzer gesteuert werden können.

Die zweite Lösung hat den Vorteil, dass ein Kanal von der Basis zu den Fahrzeugen für andere Zwecke frei ist.

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Der Höchstwert von f ist durch die obere Frequenzgrenze des Telemetrie-Kanals gegeben. In vielen Fällen ist dies 3 KHz. Dies legt die minimale Spurbreite des groben Musters und die Trennung von Positions-Zweideutigkeiten auf 50 lern- fest. Wenn zuverlässige Phasenmessungen von ±2 Hundertstelspuren (also ±0,02 Spurbreite oder ± 1 km) möglich sind, beträgt die minimale Spurbreite des feinen Musters 2 km und der Maximalwert von f £ (halbe Wellenlänge = 1 km) ist 75 KHz.

Die Auflösung bei der Phasenmessung von ± 2 Hundertstelspuren bei 75 KHz entspricht einer maximalen räumlichen Auflösung von ± 4 Om. Dieser Grenzwert der Auflösung wird nur im Bereich der Basislinie des Musters erreicht. Die Auflösung wird proportional geringer, wenn f unter 3 KHz oder f_rf unter 75 KHz abgesenkt oder wenn die verlässliche Auflösung der Phasenmessung schlechter als ± 2 Hundertstelspuren wird.

Fehler entstehen durch Störungen des Phasenmusters, die durch Gebäude und natürliche geographische Merkmale und durch Anomalien der Ausbreitungsgeschwindigkeit der f_r£- und f Signale verursacht werden. Raumwellen-Koinponenten verschlechtern ebenfalls die ,Genauigkeit«, Reflexionen des Signals bei einer Telemetrieübertragung im VHF- oder UHF-Bereich erzeugen Phasenfehler. Diese Fehler können jedoch auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Erstens können Fehler, die auf Raumwellen-Komponenten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten in Systemen mit langer Basis linie zurückgehen, in einem Gebiet von mehreren Quadratkilometern systematisch sein. Wenn man feste Referenzstationen der oben erläuterten Art an bekannten Stellen innerhalb des im Multiplexverfahren betriebenen Systems anordnet, können diese Fehler gemessen und Gebietskorrekturen ausgeführt werden.

Zweitens werden Fehler bei der Frequenz f, die' auf Reflexionen des Telemetrie-Signals beruhen, eliminiert,wenn sie konstant sind; die Positionsinformation liegt in Form einer Phasendifferenz zwischen in zeitlicher Folge auftretenden Kornponenten vor. (Allerdings stimmt dies nicht für einige

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alternative Systeme). Daher sind nur Phasenänderungen, deren Änderungsrate der Folgefrequenz vergleichbar ist, von Bedeutung, und es sollte die mit Bandbreiten- und Geräuschabstandserfordernissen verträgliche maximale Folgerate angewendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die Details der oben erläuterten Ausführungsbeispiele "beschränkt. Beispielsweise kann der Umsetzer folgende Modifikationen aufweisen:

Vor dem Mischer: Es- ist eine Anordnung vorhanden, welche den Durchgang von Signalen mit zwei Frequenzen zum Mischer erlaubt. Es können ein oder mehrere Verstärker fester oder variabler Verstärkung und/oder ein oder mehrere feste oder einstellbare Dämpfungsglieder vorgesehen sein. Es kann sowohl eine Verstärkung als auch eine Dämpfung erforderlich sein, wobei die Verstärkung der Dämpfung vorhergeht oder umgekehrt.

Im allgemeinen werden auch ein oder mehrere Filter vorgesehen sein, die Frequenzen bei f - und f hindurchlassen und andere sperren. Die Filter können einstellbar sein oder umschaltbare Komponenten für den Kanalwechsel aufweisen. Es kann sich um aktive oder passive Filter handeln.

Vor dem Mischer können mehr als zwei Kanäle vorgesehen sein, die so geschaltet werden, dass· der Mischer immer nur über jeweils zwei gespeist wird.

Mischer: Bei dem Mischer kann es sich um jede nichtlineare Einrichtung handeln, nämlich bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren, pn-Dioden, thermische Dioden, Trioden und Pentoden oder Schottky-Dioden. Es kann sich um eine einzelne Einrichtung, um ein abgeglichenes oder unabgeglichenes Paar, einen Vierfach- oder einen Ringmodulator handeln. Der Mischer sollte vorzugsweise nur geringe Phasenänderungen des Differenzsignals f für langsame Änderungen der Amplitude von f und/oder f ^ erzeugen.

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Die Signale mit der Frequenz f_Q und ±_r£ können vor dem Mischer addiert oder über getrennte Eingänge, z.B. die Basis- und Emitter-Kreise eines bipolaren Transistors, zugeführt werden.

, Die Einrichtung oder die Einrichtungen, die den Mischer bildet bzw. bilden, können eine genau oder angenähert expo- ..,.. nentielle, quadratische oder eine Strom-Spannungs-Kennlinie höherer Ordnung haben.

Hinter dem Mischer: Es sind ein oder mehrere Filter für den Durchlass von f und für die Sperrung von, f_r£> f_Q und andere Modulationsprodukte vorgesehen. Da die Frequenz f kleiner als die Frequenzen f ~ und f und die Frequenzen anderer Produkte ist, können dies Tiefpassfilter sein. Sowohl Bandpass- als auch Tiefpassfilter können verwendet werden.

Es kann auch ein fester oder einstellbarer Verstärker und/oder ein festes oder einstellbares Dämpfungsglied vorgesehen sein.

Eine Verkleinerung des Amplitudenbereichs des Ausgangs innerhalb des Umsetzers kann durch eine automatische Verstärkungs- (oder Dämpfungs-)Regelung wie nach Fig. 2 oder durch eine Begrenzungsanordnung wie nach Fig. 3 erreicht werden. Es können ein oder mehrere Begrenzer verwendet werden. Diesen folgen in der Regel, aber nicht immer,.Bandpass- und/oder Tiefpassfilter zur Wiedergewinnung der eigentlichen (Eingangs-)Frequenz.

Ein oder mehrere Begrenzer und/oder die geregelten Verstärker und/oder Dämpfungsglieder einer Regelschleife für die Verstärkung können entweder innerhalb eines einzigen Signalpfades vor dem Mischer, innerhalb eines oder jedes Signalpfades zum Mischer oder hinter dem Mischer angeordnet sein. Alternativ kann die Umsetzverstärkung des Mischers geregelt werden. Das Signal zur Steuerung einer Regelschleife für die Verstärkung kann von einem oder beiden Signalpfaden vor dem Mischer oder vom Signalpfad hinter dem Mischer abgeleitet werden.

3 0 9 848/0944 /Patentansprüche

Claims (12)

1. Patentansprüche

   1 j Funknavigationssystem mit zwei oder mehr Navigationssendern zur Aussendung von Navigationsfunksignalen, die eine bestimmte gegenseitige Phasen-oder Zeitbeziehung haben, gekennzeichnet durch eine f - Sendeeinrichtung zur Aussendung von Funksignalen mit einer von der oder den Frequenzen "der Navigationsfunksignale verschiedenen Frequenz f , durch
   die Ausrüstung eines oder mehrerer beweglicher Objekte mit
   einem Umsetzer zur Umsetzung empfangener Navigationsfunksignale und f -Funksignale in eine andere Frequenz unter Erhaltung der Phasen-oder Zeitbeziehung der Navigationsfunksignale und durch einen Relaissender zur Aussendung der umgesetzten Signale zu
   einer Empfangsstation.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass ein Gerät zur Ausrüstung eines beweglichen Objektes und / oder einer Referenzstation einen Empfänger zum Empfang von
   Navigationsfunksignalen mit einer bestimmten gegenseitigen
   Phasen- oder Zeitbeziehung von mindestens zwei Navigationssendern und.zum Empfang zusätzlicher Funksignale mit der Frequenz f umfasst, ferner einen Umsetzer zur Mischung der Navigationsfunksignale mit den f -Signalen

   der ein umgesetztes Signal
   abgibt, in welchem die Phasen- oder Zeitbeziehung erhalten ist, und einen Relaissender zur Aussendung der umgesetzten Signale zu einer Empfangsstation.
3. 3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Frequenzen der Navigationsfunksignale und der f -Signale eine NF-Frequenz f ist, und dass

   309848/0944 ;?

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   jeder Relaissender ein durch die umgesetzten Signale mit der Frequenz f modulierter Telemetriesender ist.
4. 4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die NF-Frequenz f 2 KHz beträgt.
5. 5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e-kennzeichn e t , dass die Navigationsfunksignale ι Frequenzen von 72 KHz bzw. 7o KHz haben.

   net, dass die Navigationsfunksignale und das f -Signal
6. 6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , dass jeder Umsetzer einen HF-Verstärker mit automatischer Verstärkungsregelung umfasst.
7. 7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g'e kennzeichnet , dass jeder Umsetzer mindestens einen Begrenzer zur Begrenzung der Amplitude des umgesetzten Signals umfasst.
8. 8. Funknav.igationsverfahren zur Lokalisierung eines oder mehrer beweglicher Objekte in einem System nach einem der Ansprüche 1 bis,7, dadurch gekennzeichnet , dass man die Navigationsfunksignale und das f -Signal aussendet, das man an der Empfangsstation umgesetzte Signale von jedem beweglichen Objekt empfängt und dass man die empfangenen Signale zur Bestimmung der Position jedes beweglichen Objektes analysiert,
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , dass man die umgesetzten Signale von mehreren beweglichen Objekten in einem : Multiplexsystem empfang^.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichn e t , dass man die umgesetzten Signale in einem Zeitmultiplexsystem nacheinander von den einzelnen beweglichen Objekten jeweils auf eine Abfrage hin empfängt, wobei jedes bewegliche Objekt eine auf Funkabfrage ansprechende Multiplexeinheit aufweist. 309848/0944 /3
11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass man die Signale in einer Reihenfolge aussendet, bei welcher ein Navigationssonder das f -Signal aussendet und alle Navigationsstationen abwechselnd nacheinander die Navigationsfunksignale mit einer Frequenz f _f mit einer bestimmten Phasenbeziehung aussenden.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 8₇ 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , dass man Signale in einer Reihenfolge aussendet, bei v/elcher jede Navigationsstation abwechselnd nacheinander mit den Frequenzen f und f - gleichzeitig sendet, wobei die Differenzfrequenz f eine bestimmte Phasenbeziehung aufweist.

    13« Verfahren nach Anspruch 8, 9 oder .10, dadurch gekennzeichnet , dass man Signale abwechselnd in den Reihenfolgen nach Anspruch 11 und Anspruch 12 aussendet.

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