DE2413995A1

DE2413995A1 - Vorrichtung zur entfernungsmessung

Info

Publication number: DE2413995A1
Application number: DE2413995A
Authority: DE
Inventors: David Graham Pudsey
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1973-03-22
Filing date: 1974-03-22
Publication date: 1974-11-14
Also published as: DE2413995B2; FR2222657B1; GB1396821A; US3919708A; FR2222657A1

Description

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den ^{2l mz m}
We/Sv - E 2009

ELLIOTT BROTHERS (LOM)OlT) LIKITSD
Century Works, Lewisham, London SE1J,
England

Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmeßsystem und insbesondere ein Zweiweg-Entfernungsmeßsystem. Während die Erfindung insbesondere in der Luftfahrt anwendbar ist, kann sie jedoch auch bei anderen Zweiweg-Entfernungsmeßsystemen verwendet werden, bei welcher zwei gegeneinander bewegliche Stationen vorhanden sind.

In einen typischen Zweiweg-Entfernungsmeßsystem, bei welchem
eine Information über den Abstand gewonnen wird, der ein flugzeug von einer Bodenstation trennt, überträgt"das Flugzeug ein Abfragesignal en die Bodenstation. Eine vorgegebene Zeit nach . dem Empfang dieses Abfragesignals überträgt die Bodenstation
ein Antwortsignal an das Flugzeug. Diejenige Zeit, welche zwischen der Übertragung vom Flugzeug und dem Empfang des von der

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Bodenstation ausgesendeten Antwortsignals durch das Flugzeug verstreicht, ist ein Kriterium für den Abstand des Plugzeugs von der Bodenstation. In einem bestimmten System kann eine Vielzahl von Bodenstationen vorhanden sein, wobei in diesem Falle die Übertragung des Abfragesignals vom Flugzeug kodiert wird - normalerweise durch Abstandsunterschiede von zwei verhältnismäßig eng benachbarten Impulsen - und zwar in der Weise, daß die Kodierung angibt, welche Bodenstation angesprochen ist. Das Flugzeug bestimmt, ob ein empfangenes Antwortsignal von einer Bodenstation für das Flugzeug bestimmt ist, indem aus einer Anzahl von hierzu vorhandenen Möglichkeiten eine bestimmte Möglichkeit ausgewählt wird. Beispielsweise kann von dem Flugzeug eine bestimmte Synchronisationsveränderung auf das Abfragesignal aufgebracht werden, und es können synchrone Antwortsignale ausgewählt werden.

Um diejenige Zeit zu messen, welche zwischen der Übertragung vom Flugzeug und dem Empfang einer Antwort von der Bodenstation verstreicht, dekodiert die bordseitige Ausrüstung ihre eigene Übertragung und registriert die Zeit dieses Vorganges als Beginn einer Zeitperiode, welche mit dem Zeitpunkt der Dekodierung einer Antwort von der Bodenstation endet.

Diese Zeitperiode ist natürlich nicht gleich der tatsächlichen Übertragungszeit, da verschiedene Verzögerungen auftreten, die von der Dekodierschaltung in der bordseitigen Ausrüstung und von den entsprechenden Schaltungen zur Dekodierung und zur Triggerung der Einrichtung an der Bodenstation herrühren. Wenn diese Verzögerungen fest sind, lassen sie sich natürlich bei der Berechnung berücksichtigen. Bei solchen Systemen treten jedoch auch andere Verzögerungen auf, die nicht vorgegeben sind. Dies sind Verzögerungen, welche beispielsweise von der Temperatur abhängen oder sich mit der Alterung der Bauteile ändern, oder es kann sich um solche Verzögerungen handeln, die von Schwankungen der Anstiegszeit abhängen, d.h. von einer

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Schwankung in derjenigen Zeit, die in einem bestimmten Gerät benötigt wird, damit ein Impuls eine Amplitude erreicht, welche einen Zeittakt liefern soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zweiweg-Entfernungsraeßsystem zu schaffen, bei welchem die nachteiligen Aus-T/irkungen von veränderlichen Verzögerungen praktisch ausgeschaltet sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß eine Einrichtung an der einen Station vorgesehen ist, um ein Abfragesignal zu der anderen Station zu übertragen, daß weiterhin eine Einrichtung an der einen Station vorhanden ist, um ihr eigenes Sendesignal zu dekodieren und um die Zeit dieses Vorganges als ersten Zeitpunkt zu registrieren, daß weiterhin eine Einrichtung an der anderen Station vorgesehen ist, um das Abfragesignal zu empfangen, dieses Abfragesignal zu dekodieren und die Zeit dieses Vorganges als zweiten Zeitpunkt zu registrieren, daß weiterhin von der anderen Station eine Antwort zu der einen Station übertragen wird, wobei zugleich das eigene Sendesignal an die eine Station registriert wird, und zwar als dritter Zeitpunkt, daß· weiterhin eine Einrichtung an der einen Station vorhanden ist, um das Antwortsignal zu empfangen, um es zu dekodieren und zugleich die Zeit dieses Vorganges als vierten Zeitpunkt zu registrieren, wodurch diejenige Zeitperiode, welche den ersten und den vierten Zeitpunkt voneinander trennt, als Kriterium für den Abstand dient, welcher die beiden Stationen voneinander trennt, und daß an der anderen Station eine Einrichtung vorhanden ist, welche zur Einstellung der Zeit ihrer Übertragung eines Antwortsignals an die eine Station dient, um die Zeitperiode zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt gleich einer vorgegebenen festen Zeitperiode zu machen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die eine Station eine Bordeinrichtung eines Flugzeuges ist und daß die andere Station eine Bodenstation ist.

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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben;, in dieser zeigen:

Fig. 1 ein Zeitdiagramm, welches die Folge der einzelnen Ereignisse in einem erfindungsgemäßen Zweiweg-Entfernungsmeßsystem darstellt,

Fig. 2 und 3 vereinfachte Blockdiagramme einer typischen Flugzeug-Bordausrüstung und einer Bodenstation, welche in dem System zusammenwirken.

Gemäß Fig. 1 ist in dem System die Folge der Ereignisse nachfolgend aufgeführt:

Im Zeitpunkt A wird der Abfrage-Bordsender getriggert. In einem Zweiweg-Entfernungsmeßsystem mit wahlfreiem Zugriff kann dies zu einem beliebigen Zeitpunkt geschehen. In einem zeitorientierten Zweiweg-Entfernungsmeßsystem ist dem Flugzeug eine bestimmte Zeit zugewiesen, in welchem es Abfragesignale übertragen soll.

Im Zeitpunkt B wird die Vorderflanke des ersten Impulses, der von dem Bord-Abfrage__sender übertragen wird (wie bei bekannten Systemen werden zwei eng benachbarte Impulse normalerweise übertragen, wobei der Abstand jeweils die Bodenstation identifiziert, von welcher eine Information erhalten werden soll), von der Flugzeugantenne abgestrahlt.

Im Zeitpunkt C dekodiert der Flugzeug-Abfrageempfänger seine eigene ßendeprobe, und zwar in der Weise, als ob sie eine empfangene Antwort wäre und speichert die Zeit dieses Vorganges als ersten Zeitpunkt, der den Beginn einer Zeitperiode festlegt, die dazu verwendet wird, den Abstand des Flugzeuges von der Bodenstation zu berechnen.

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Im Zeitpunkt D kommt die Vorderflanke des ersten Impulses, welcher "von dem IPlugzeugsender übertragen wird, an der Bodens tat i onant enne an,-

Im Zeitpunkt E dekodiert der Transponder (Antwortgerät) das empfangene »Signal und speichert die Zeit dieses Vorganges, so daß ein zweiter Zeitpunkt festgelegt ist.

Im Zeitpunkt F wird der Bodenstation-'fransponder-Sender getriggert, um eine Antwort zu der Bordausrüstung zurückzusenden.

Im Zeitpunkt G verläßt die Vorderflanke des ersten Impulses (wiederum werden normalerweise zwei Impulse übertragen, um die sendende Bodenstation zu identifizieren) die Antenne der Bodenstation.

Im Zeitpunkt II dekodiert der Empfänger der Bodenstation seine' eigene Sendeprobe und speichert die Zeit dieses Vorganges als dritten Zeitpunkt, der das Ende einer Zeitperiode festlegt, welche zu dem obengenannten zweiten Zeitpunkt begonnen hat (Zeitpunkt E).

Im Zeitpunkt J kommt die Vorderflanke des ersten der zwei Antwortimpulse, welche von der Bodenstation übertragen wurden, an der Bordabfrageantenne an.

Im Zeitpunkt K dekodiert die Bordabfrageeinrichtung die empfangenen Impulse und speichert die Zeit dieses Vorganges als vierten Zeitpunkt, welcher das Ende einer Zeitperiode festlegt, die im ersten Zeitpunkt (Zeitpunkt 0) begonnen hat, -zu welcher der Abfrogeempfänger seine eigene Sendeprobe dekodiert-hat. Diese Zeitperiode steht in Beziehung zu dem Abstand des Flugzeuges von der Bodenstation.

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Aus der obengenannten Folge von Ereignissen ist ersichtlich, daß ρ a -Eaa + r + Ega + m + Tg + r + Eag, wobei die einzelnen Größen folgende Bedeutung haben:

ρ ist die Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt G, zu welchem •3-er bordseitige Empfänger seine eigene Sendeprobe dekodiert hat, und dem Zeitpunkt K, 'zu welchem der bordseitige Abfra^eempfänger die von der Bodenstation empfangene Antwort dekodiert hat,

Eaa ist die Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt B, zu welchem die Vorderflanke des ersten Impulses, der von dem bordseitigen Sender übertragen.wurde, die Flugzeugantenne verlassen hat, und dem Zeitpunkt C, zu welchem der bordseitige Abfrageempfänger seine eigene Sendeprobe dekodiert hat,

r ist die Periode zwischen dem Zeitpunkt B, zu welchem die Vorderflanke des ersten Impulses die Flugzeugantenne verlassen hat, und dem Zeitpunkt D, zu welchem die Vorderflanke des ersten Impulses an der Antenne der Bodenstation ■ angekommen ist (d.h. die Zeit der übertragung von dem Flugzeug zu der Bodenstation, welche von der Entfernung abhängt),

%a ist die Periode zwischen dem Zeitpunkt D₁ zu welchem die Vorderflanke des ersten Impulses, der von dem bordseitigen Empfänger übertragen wurde, an der Antenne der Bodenstation ankommt, und dem Zeitpunkt E, zu welchem der Empfänger des Bodenstation-Transponders das empfangene Signal dekodiert hat,

m ist die Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt E, zu welchem der Bodenstation-Transponder-Empfänger das empfangene Signal dekodiert hat, und dem Zeitpunkt F, zu welchem der Bodenstation-Transponder-Sender getriggert ist,

Tg ist die Perbde zwischen dem Zeitpunkt F, zu welchem der Bodenstation-Transponder-Sender getriggert ist, und dem

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Zeitpunkt G-, zu welchem die Vorderflanke des ersten Impulses die Antenne des Bodenstation-Senders verläßt,

Bag ist die Zeitperiode-zwischen dem Zeitpunkt J, zu welchem die Torderflanke des ersten der zwei Antwortimpulse an der bordseitigen Abfrageantenne ankommt, und dem Zeitpunkt K, zu welchem die "bordseitige Abfrageeinrichtung die von der Bodenstation empfangene Antwort dekodiert.

Gemäß der Erfindung wird diejenige Zeitperiode, welche von dem zweiten Zeitpunkt E, zu welchem der Transponder-Empfanger der Bodenstation das Abfragesignal von dem !Flugzeug dekodiert, bis zu dem dritten Zeitpunkt H verstreicht, zu welchem der Transponder-Empfanger der Bodenstation seine eigene Sendeprobe dekodiert, gleich einer vorgegebenen festen Zeitperiode Il^gemacht oder, mit anderen Worten, die Folge der Ereignisse von dem zweiten Zeitpunkt E bis zu dem dritten Zeitpunkt H wird so eingestellt, daß m + Tg +Egg « M, wobei Egg gleich der Zeitperiode zwischen dem Zeitpunkt G, zu welchem die Vorderflanke des ersten Antwortimpulses die Bodenstationantenne verläßt, und dem Zeitpunkt H, zu welchem der Transponder-Empfänger der Bodenstation seine eigene Sendeprobe dekodiert, ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Periode Tg + Egg bei vorherigen Üb ertragungsvorgangen gemessen wird und daß m « M (Tg + Egg) gemacht wird, so daß dann gilt:

ρ a -Eaa + 2r + Ega +M- Egg + Eag sa 2r + M + Eag - Eaa + Ega - Egg

wobei 2r der gesuchte Meßwert ist (d.h., die doppelte Ausbreitungszeit zwischen dem .Flugzeug und der Bodenstation).

Der Ausdruck Eag - Eaa + Ega - Egg kann als !fehler angesehen werden, der von Verzögerungen im Empfänger herrührt. Grundsätzlich können diese Verzögerungen drei.verschiedene Arten sein:

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(A) Feste Verzögerungen

(B) Solche Verzögerungen, die sich mit der Temperatur ändern, und

(C) solche Verzögerungen, die von der Anstiegszeit abhängen.

Bei der zeitlichen !Folge der Ereignisse, wie sie oben beschrieben ist, werden feste Verzögerungen sowohl bordseitig als auch an der Bodenstation sich aufheben, da ein entsprechender Ausdruck auf ber.den Seiten mit jeweils entgegengesetztem Vorzeichen auftritt.

Sich langsam ändernde Verzögerungen, die von Temperaturänderungen oder von Alterungserscheinungen herrühren, heben sich aus demselben Grunde auf.

Die Verzögerung, welche vom bordseitigen Empfänger und vom Empfänger der Bodenstation herrührt, hängt von der Bandbreite der Zwischensignalverstärker ab und auch von anderen signalverarbeitenden Schaltungen, und zwar deswegen, weil in jedem Falle der Impuls zeitlich danach gesteuert wird, wann die Amplitude seiner Vorderflanke ein festes Verhältnis des Spitzenpegels der Anstiegszeit erreicht:

(a) Venn die Sender im Flugzeug und an der Bodenstation gleiche Anstiegszeit haben, dann gilt Eaa ■ Eag und Ega » Egg, was zu keinem Fehler führt, und

(b) wenn die zwei Empfänger die gleiche Bandbreite aufweisen, dann gilt in ähnlicher Weise: Eaa * Ega und Eag * Egg, was wiederum zu keinem Fehler führt.

In der Praxis ist es schwierig, die Anstiegszeit zu steuern, die Bandbreite kann jedoch genau gesteuert werden, und in der Praxis wird die Bandbreite tatsächlich aus anderen Gründen sehr genau gesteuert, beispielsweise deswegen, weil Interferenzen oder gegenseitige Beeinflussungen der einzelnen Kanäle vermieden werden sollen. 409846/0692

Es ist somit ersichtlich, daß durch eine zeitliche Steuerung , der Folge der Ereignisse gemäß der Erfindung, unter der Voraussetzung, daß die Bandbreiten der Empfänger im Flugzeug und an der Bodenstation exakt gesteuert, sind, Fehler aufgrund von Verzögerungsveränderungen in erster Näherung sich gegenseitig aufheben.

Gemäß Fig. 2 weist die Bordausrüstung einen Sender 1 auf, der durch eine Steuerschaltung 2 getriggert wird, die von einem Taktgeber 3 gesteuert wird, um ein Paar von Äbfrageimpulsen einer bestimmten Bodenstation zuzuleiten. Der Abstand dieses Impulspaares wird durch eine Steuerschaltung 2 in Abhängigkeit von der ausgewählten Bodenstation gesteuert.

Der Sender 1 ist mit einer Antenne 4 über einen Zirkulator 5 und einen Koppler 6 verbunden. Der Zirkulator 5 ist in an sich bekannter -Weise derart ausgebildet, daß ein Empfänger 7 in die Lage versetzt ist, über dieselbe Antenne 4 zu empfangen. Der Koppler 6 koppelt eine Probe des Abfragesignals aus, welches durch den Sender 1 übertragen wird, wobei diese Probe dem Empfänger 7 über einen Probenmis&her 8 und einen weiteren Koppler 9 derart zugeführt wird, daß bei dem Empfänger der Eindruck entsteht, als ob eine Antwort von der Bodenstation empfangen würde.

Das Ausgangssignal des Empfängers 7 wird einer Dekodierschaltung 10 zugeführt, wo sowohl das von dem Sender 1 übertragene Signal und ein beliebiges von derjenigen Bodenstation, an welcher das Abfragesignal adressiert ist₉ übertragenes Antwortsignal dekodiert werden. Die dekodierten Signale von der Dekodierschaltung 10 werden einer Abstandsberectonmgsschaltung-11 zugeführt, welche den Abstand des Flugzeuges iron der speziellen Bodenstation errechnet, und zwar durch Vergleich der Zeit, zu welcher die eigene Sendeprobe des Flugzeuges dekodiert wurde, mit derjenigen Zeitg zu welcher eine empfangene Antwort dekodiert wurde.

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- ίο -

Die Abstandsberechnungsschaltung 11 liefert ein Abstandssignal an eine Ausgangskiemme 12 und kann in"bekannter Weise aufgebaut sein.

Gemäß Fig. 3 ist eine Antenne 13 vorhanden, mit welcher Abfrage-Signale von ein'er Bordausrüstung empfangen werden. Diese empfangenen Abfragesignale werden über einen Zirkulator 14 einem Empfänger 15 zugeführt. Das Ausgangssignal vom Empfänger 15 wird einer Dekodierschaltung 16 zugeführt, welche derart ausgebildet ist, daß sie Abfragesignale erkennt, welche dazu dienen, eine bestimmte Bodenstation anzusprechen, die durch den Abstand des Impulspaares festgelegt ist, welches das Abfragesignal darstellt. Das Ausgangssignal von der Dekodierschaltung 16 wird einer Steuer- und Verzögerungsschaltung 17 zugeführt, die so geschaltet ist, daß sie einen Sender 18 triggert. Der Sender 18 ist über.einen Zirkulator 14 mit einer Antenne 13 verbunden, und nach Triggerung durch die Steuer- und Yerzögerungsschaltung 17 überträgt er ein Antwortsignal, welches wiederum aus zwei Imp^sen besteht, deren Abstand die in Frage stehende Bodenstation definiert, wobei das Antwortsignal zu dem Flugzeug übertragen wird, von welchem das Abfrage signal kommt.

Zwischen dem Zirkulator 14 und der Antenne 13 ist ein Koppler angeordnet, der das Antwortsignal abtastet, welches durch den Sender 18 übertragen wird, und es über einen Probenmischer 20 und einen weiteren Koppler 21 dem Eingang des Empfängers 15 zuführt. Die Probe des von der Bodenstation kommenden eigenen Antwortsignals wird in der Dekodierselialtung 16 dekodiert und der Steuer- und Yerzögerungsschaltung 17 zugeführt. Die Steuer- und Verzögerungsschaltung 17 ist derart ausgebildet, daß die Zeit der {Driggerung des Senders 16 derart eingestellt wird, daß die Zeitperiode zwischen dem Bekodieren durch die Dekodierschaltung 16 eines Abfragesignals, welches von- einem. Flugzeug empfangen wird und für eine bestimmte Bodenstation "bestimmt ist,

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und dem Dekodieren durch die Dekodier schaltung 16 einer Probe der eigenen übertragung der Bodenstation gleich einer vorgegebenen konstanten Zeitperiode ist, wie es oben unter Bezugnahme- auf die Hg. 1 bereits erläutert wurde. Der Wert dieser vorgegebenen konstanten Zeitperiode kann derart gewählt sein, daß den Erfordernissen des spezxellen Entfernungsmeßsystems gedient ist. In. einer typischen Ausführungsform jedoch, bei welcher das Flugzeug eine Zeitperiode von 1000 Hikrosekunden hat, in welcher eine Bodenstation abgefragt und eine Antwort von dort empfangen wird, beträgt' diese vorgegebene konstante Zeitperiode 50 lükrosekunden.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Zweivreg-Entf ernungsmeßsystem zur Bestimmung des Abstandes zwischen zwei Stationen, dadurch gekennz eichnet, daß eine Einrichtung (1, 4) an der einen Station vorgesehen ist, um ein Abfragesignal zu der anderen Station zu übertragen, daß weiterhin eine Einrichtung (10) an der einen Station vorhanden ist, um ihr eigenes Sendesignal zu dekodieren und um die Zeit dieses Vorganges als ersten Zeitpunkt zu registrieren, daß weiterhin eine Einrichtung (13,16,18) an der anderen Station vorgesehen ist, um das Abfragesignal zu empfangen, dieses Abfragesignal zu dekodieren und die Zeit dieses Vorganges als zweiten Zeitpunkt zu registrieren, daß weiterhin von der anderen Station eine Antwort zu der einen Station übertragen wird, wobei zugleich das eigene Sendesignal an die eine Station registriert wird, und zwar als dritter Zeitpunkt, daß weiterhin eine Einrichtung (9, 10) an der einen Station vorhanden ist, um das Antwortsignal zu empfangen, um es zu dekodieren und zugleich die Zeit dieses Vorganges als vierten Zeitpunkt zu registrieren, wodurch diejenige Zeitperiode, welche den ersten und den vierten Zeitpunkt voneinander trennt, als Kriterium für den Abstand dient, welcher die beiden Stationen voneinander trennt, und daß an der anderen Station eine Einrichtung (17) vorhanden ist, welche zur Einstellung der Zeit ihrer Übertragung eines Antwortsignals an die eine Station dient, um die Zeitperiode zwischen dem zweiten und dem dritten Zeitpunkt gleich einer vorgegebenen festen Zeitperiode zu machen.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Station eine Bordeinrichtung eines Flugzeuges ist und daß die andere Station eine Bodenstation ist.

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