DE2618212C3 - Verfahren zur Kreuzkopplung von Empfangssignalen bei Hyperbelnavigationssystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kreuzkopplung von mindestens zwei Empfangssignalen in einem Mehrkanalempfänger für Hyperbelnavigationssysteme, bei dem die Phase der Empfangssignale jeweils mit der eines zugehörigen Bezugssignals in einem Phasendetektor zur Erzeugung entsprechender Phasenfehlersignale verglichen wird, die jeweils durch eine Phasenmitziehanordnung extrapoliert werden. Derartige Verfahren werden beispielsweise bei Omega-Navigationsempfängern angewendet. Das Omega-Navigationssystem weist bis zu acht Bodenstationen zur weltweiten Oberflächenoder Luftnavigation auf, die jeweils in drei diskreten Frequenzen senden, wobei diese drei Frequenzen allen acht Stationen gemeinsam sind, die im Navigationsband

zwischen 10 und 14 kHz liegen.

Ein Hyperbel-Omega-Empfänger mißt die Phasen von zwei oder mehr Omega-Bodenstationen gegenüber einem Bezugswert, der in einem internen Oszillator erzeugt wird. Dieser ermöglicht die Speicherung der Phaseninformation, so daß die relativen Phasen der verschiedenen Bodenstationen miteinander verglichen werden können. Die Phasendifferenz zwischen ausgewählten Bodenstationen wird in Zentizyklen ausgelesen und üblicherweise fortwährend auf einem Bandschreiber aufgetragen.

Da alle Sender nacheinander mit den gleichen Frequenzen senden, wurde ein Signalformat festgelegt, um dem Omega-Empfänger eine Bestimmung der

is jeweils sendenden Station zu ermöglichen. Demnach verwendet jede Station eine eindeutige Kombination der Signaldauer für jede der drei gesendeten Frequenzen. Das heißt, Station A sendet die drei Frequenzen nacheinander für 0,9; 1,0 und 1,1 Sekunden, Station B für 1,0; 1,1 und 1,2 Sekunden, Station C für L2; 1,1 und 1,0 Sekunden usw. Bei Kenntnis dieser, jeder Station zugeordneten Folge und nach Messen der Signaldauer kann jede Station identifiziert werden. Jede Station beginnt die Sendung seiner Folge von drei Frequenzen einmal alle zehn Sekunden. Damit tritt eine Verzögerung von zehn Sekunden zwischen der ersten Frequenz und der erneuten Sendung dieser Frequenz von dieser Station auf. Der Omega-Empfänger liefert Standortsinformationen aus allen drei Frequenzen, wobei die

Standortsinformation in ein weiterverwendbares Signal

kombiniert wird, um dem Betriebspersonal eine sichtbare Anzeige eines den Standort anzeigenden

Bezugspunktes zu liefern. Die Omega-Grundsignale stellen Dauerimpulse mit

sehr niedriger Frequenz von 10,2; 13,6 und 1133 kHz dar. Da an die Übertragung von mehreren Frequenzen von mehreren Stationen große Anforderungen gestellt werden, wird eine einzelne diskrete Frequenz, z. B. 10,2 kHz, von einer einzelnen Station nur einmal alle zehn Sekunden für die Dauer von annähernd einer Sekunde gesendet. Um die Standortsinformation von einer Station abzuleiten, wird damit die Information mit einem neuen Signal nur einmal alle zehn Sekunden auf den neuesten Stand gebracht. Bei einem sich mit hoher

Geschwindigkeit bewegenden Flugzeug kann dieser Zwischenraum zwischen dem Extrapolieren des aus

dem 10,2-kHz-Signal abgeleiteten Standortes nicht ausreichend sein.

Während jede Station mit drei diskreten Frequenzen

so sendet, können unter ungünstigen atmosphärischen oder ionosphärischen Bedingungen ein oder möglicherweise zwei Signale ausgeblendet werden. Wenn unter diesen Umständen das 10,2-kHz-Signal für eine oder zwei Zyklen ausgeblendet wurde, kann das Extrapolie ren nur einmal in 20 oder 30 Sekunden auftreten. Dies stellt jedoch ein völlig ungenügendes Zeitintervall zwischen den Korrekturen des aus dem 10,2-kHz-Empfangssignal abgeleiteten Standortes dar. Zum Extrapolieren werden üblicherweise phasengerastete Regel- kreise als Mitziehfilter oder PLL-Mitziehfilter verwendet, um die nötige enge Bandfiltercharakteristik zu erhalten. Zur Mitnahme von allen empfangenen Omega-Signalen werden 24 Filter benötigt, d. h. ein separates Filter für jede der drei Frequenzen einer jeden der acht Omega-Stationen. Diese PLL-Mitziehfilter können entweder durch Hardware oder durch ein Computer-Programm (Software) mit Computer-Verarbeitung implementiert werden (DE-OS 20 55 279 und

DE-OS 24 44 676).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das die Zuverlässigkeit und Genauigkeit von Mehrkanalempfängern bei Hyperbelnavigationssystemen verbessert

Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, die Extrapolationswerte durch die Kombination der verschiedenen Phasenfehlersignale aus den verschiedenen Empfangskanälen miteinander zu verbessern, und zwar dadurch, daß jedes Phasenfehlersignal eines Kanals mit eimern Kopplungskoeffizienten multipliziert und den Phasenmitziehschleifen der übrigen Kanäle aufaddiert wird. Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird auf einzelne Empiangskanäle angewendet, so daß jede Phasenmitziebschleife, die eine von einer bestimm- 1 s ten Bodenstation gesendete bestimmte Frequenz verarbeitet, eine zusätzliche Phasenfehlerinformation durch die entsprechende Verarbeitung der anderen Empfangssignale erhält, und zwar neben dem üblichen, vom eigenen Phasendetektor erhaltenen Phasenfehlersignal. Indem von dem zuerst gesendeten Empfangssignal ein Korrektursignal für die anschließend gesendeten Empfangssignale geliefert wird, wird das Phasenfehlersignal häufiger auf den neuesten Stand gebracht, so daß die aus den nacheinander oder gleichzeitig gesendeten, diskreten Empfangssignalen ermittelten Informationsdaten weniger Fehler enthalten.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung liegt das Phasenfehlersignal eines Empfangskanals als weiteres Bezugssignal am Phasendetektor eines anderen Empfangskanals zur Erzeugung eines zweiten Phasenfehlersignals an, das der Phasendifferenz zwischen dem Empfangssignal des zuletzt genannten Empfangskanals und dem ersten Phasenfehlersignal entspricht. Durch diese Maßnahmen soll das Auseinanderdriften von zwei miteinander verglichenen Empfangssignalen vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm mit dem Omega-Format zur Übertragung der Navigationssignale von entfernt angeordneten Omega-Sendern,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Frequenzbeziehungen zwischen den primären und virtuellen Omega-Signalen darstellt,

F i g. 3 ein Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit Computer-Hardware/Software-Verarbeitung,

Fig.4 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit festverdrahteten Kompo- nenten,

F i g. 5 eine graphische Darstellung des Phasenfehlers eines unkorrigierten Signals und des verminderten Phasenfehlers bei Anwendung der Erfindung,

F i g. 6 ein Blockdiagramm eines Omega-Empfängers, der die Kreuzkopplung nicht verwendet,

F i g. 7 ein Blockdiagramm einer Verarbeitungsfolge, die in der Hardware/Software-Ausführungsform nach F i g. 3 verwendet wird,

Fig.8 eine weitere Methode zur Verarbeitung der bo Omega-Signale, alternativ zu dem in F i g. 7 dargestellten Verfahren.

Obwohl das Verfahren zur Verarbeitung der diskreten Frequenzsignale auf jedes System angewendet werden kann, das mehrere von einer Station gesendete t>i diskrete Frequenzen verwendet, wird es im nachfolgenden nur hinsichtlich des Omega-Navigationssystems heschrieben.

Das Omega-Hyperbelnavigationssystem verwendet die aufeinanderfolgende Aussendung von drei Navigationsfrequenzen (mit 10,2; 13,6 und 1133 kHz) von jedem der acht, rund um die Erde im Abstand zueinander angeordneten Sendern. Die Mehrfachfrequenzen werden dazu benutzt, das Problem der Mehrdeutigkeit der Grundlinien oder Standortlinien zu vermindern, das im Zusammenhang mit der Phasenmessung von im wesentlichen kontinuierlichen Phasensignalen auftritt Zum Beispiel erzeugt das 10,2-kHz-Signal Hyperbel-Grundlinien oder Positionslinien-Hyperbelmuster mit einer Breite von 16 Seemeilen auf der Erdoberfläche und innerhalb des Sendebereichs der Station. Um sich anfangs selbst einzuorten, ist es nötig, daß der Naut^:''<;r seine Position innerhalb von ±4 Seemeilen penau kennt Wenn jedoch zwei VFL-Signale zusammen verwendet werden, z.B. 10,2kHz und 13,6 kHz, so kann eine virtuelle Differenzfrequenz von 3,4 kHz abgeleitet werden. Die Wellenlänge des 3,4-kHz-Signals ist viel länger, so daß sich eine Grundlinienbreite von annähernd 24 Seemeilen ergibt In ähnlicher Weise kann bei Kombination der dritten Frequenz, 1133 kHz, mit dem 10,2-kHz-Signal eine virtuelle Frequenz von 1,133 kHz abgeleitet werden, wobei die Wellenlänge dieser Frequenz annähernd 144 Seemeilen beträgt Die Grundlinienbreite ist aus zwei Gründen wesentlich. Erstens ist die Fehlerquote, die sich bei der Vorhersage einer angenommenen Position ergibt, um so geringer, je breiter die Grundlinie ist, die aus der Wellenlänge des gesendeten Signals oder der Schwebungsfreuuenz von zwei Signalen resultiert Das heißt, ein Nautiker kann seine Position leichter innerhalb von 100 Seemeilen bestimmen als innerhalb von 4 Seemeilen. Die zweite Überlegung ist mit der ersten darin verwandt, daß der Empfänger zwischen den einzelnen Grundlinien unterscheiden muß und daß die Wahrscheinlichkeit einer Mehrdeutigkeit, die zwischen der tatsächlichen Position und der angenommenen, durch die Empfängerschaltung bestimmten Position auftritt, um so größer ist, je schmaler die Grundlinie ist.

Die Omega-Signale sind typischerweise schwach und werden häufig durch Störgeräusche unterdrückt Deshalb ist es zur Ermittlung einer nutzbaren Phaseninformation nötig, daß sehr enge Bandbreiten verwendet werden, um jedes Signal aus dem Grundgeräusch oder Eigenrauschen zu ermitteln.

In F i g. 1 ist das grundlegende Omega-Signalformat dargestellt, wobei die Stationen entlang der Ordinate der graphischen Darstellung und die Zeitfolge und -dauer auf der Abszisse dargestellt ist Die Frequenz /i (diese entspricht beim Omega-System der Frequenz 10,2 kHz) wird zur Zeit T=O von der Station A gesendet. Dieses Signal wird 0,9 see lang gesendet. Danach tritt eine Verzögerung von 0,2 see ein, die zwischen allen Sendesignalen besteht Zur Zeit 7"= 1,1 see sendet die Station A mit der Frequenz /2, die der Frequenz 13,6 kHz im Omega-System entspricht, und zur Zeit T= 2,3 see sendet die Station A mit der Frequenz /3, die der Frequenz von 1133 kHz im Omega-System entspricht. Die Station B beginnt die Aussendung der Frequenz /j zur Zeit T= 1,1 see, beginnt mit der Aussendung der Frequenz /₂ zur Zeit 7"= 23 see und der Frequenz h zur Zeit Γ=3,6 sec. Die Frequenz /Ί wurdc von der Station A über eine Gesamtzeit von 0,9 see hinweg gesendet, während die Station B die Frequenz f\ über eine Gesamtzeit von 1 see hinweg sendet. In ähnlicher Weise sendet Station A mit einer Frequenz von h über eine Gesamtzeit von 1 see hinweg.

während Station B mit einer Frequenz von f% über eine Gesamtzeit von 1,1 see hinweg sendet. Damit kann bei Kenntnis der Folge von gesendeten Frequenzen zusammen mit der Zeitdauer von allen drei diskreten Signalen eine spezielle Station identifiziert werden. Wie ■-, in Fig.! dargestellt ist, gibt es acht Segmente im 10-sec-Signalformat, wobei volle 10 see zwischen den Anfängen der Sendung der jeweiligen diskreten Frequenz einer jeden Station verstreichen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind die acht Stationen nicht ι ο voll implementiert und in Betrieb. Die Navigation ist jedoch zu jeder Zeit auch unter Verwendung von nur zwei oder drei Stationen möglich. Obwohl die globale Überdeckung nicht vollständig ist, ist damit die Navigation in den Abschnitten, wo zwei oder mehr r, Stationen empfangen werden können, ausreichend. Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun beschränkt auf eine Signalfolge, die von einem Sender empfangen wurde.

Wie oben angegeben wurde, erhält man eine >o Grundlinienbreite von 144 Seemeilen, indem eine virtuelle Frequenz bestimmt wird, die sich aus der Kombination von zwei primären Omega-Frequenzen ergibt. Dies ist in F i g. 2 dargestellt.

Die drei Navigationsfrequenzen erzeugen eine >-> Grundlinienbreite von jeweils annähernd 16, 14, 4 und 12 Seemeilen für die 10,2; 11,33- und 13,6-kHz-Frequenzen. Diese drei Frequenzen sind phasenstarr bezüglich einer Normalzeit, wie etwa der UT-2-Universalzeit, so daß alle drei Frequenzen, die gleichzeitig von drei verschiedenen Stationen gesendet werden, die Nullphase mit einer positiven Steigung bei exakt 0000 Stunden UT-2 schneiden. Diese Phasenstellung ist bei a, b und c in F i g. 2 dargestellt. Die Verwendung eines Frequenzverhältnisses von 9 :10 und 9 :12 zwischen den 10,2- r, und 11,33- und 13,6-kHz-Signalen bewirkt eine gleichzeitige Überkreuzung, die alle 15/17 msec danach auftritt (siehe F i g. 2f). Dieses Zeitintervall entspricht annähernd 144 Seemeilen bei der Omega-Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die annähernd Lichtgeschwindigkeit beträgt Dieses 144 Seemeilen breite Grundliniensignal kann durch Abzug des 10,2-kHz-Signals vom 11,33-kHz-Signal erhalten werden, indem eine Differenz- oder Schwebungsfrequenz von 1,133 kHz erzeugt wird, wie es in F i g. 2d dargestellt ist. Zwei zusätzliche Signale können durch Differenzbildung des 13,6-kHz-Signals und des 11,33-kHz-Signals erhalten werden, um eine 2^66-kHz-Frequenz zu erhalten. Entsprechend erhält man bei Differenz des 13,6-kHz-Signals und des 10,2-kHz-Signals eine Frequenz von 3,4 kHz. Diese beiden zusätzlichen Frequenzen entsprechen einer Grundlinienbreite von 72 und 48 Seemeilen.

Wenn man sich radial von einer Sendestation wegbewegt, wiederholt sich der in F i g. 2 dargestellte Zyklus alle 144 Seemeilen. Wenn damit der gerade Grundlinienwert für die 144-Seemeilen-Grundlinie bekannt ist, hebt der gebrochene Grundlinienwert (die Phase des 1,133-kHz-Signals) die Grundlinienmehrdeutigkeit für die Grundlinien kleinerer Breite auf, d h, man kann ausgehen von 144 zu 72, von 72 zu 48 und von 48 zu den Einzelfrequenz-Grundlinienbreiten von 16,14,4 und 12 Seemeilen.

In Fig.6 ist das Blockdiagramm eines typischen Omega-Empfängers zum Empfang von mehreren Omega-Sendesignalen dargestellt, wobei die Signale mit den drei diskreten Frequenzen gesendet werden. Das Signal wird zuerst von der Antenne empfangen. Das Ausgangssigna] von der Antenne gelangt über einen Antennenkoppler zu einer geeigneten elektronischen Verarbeitsvorrichtung, die das Signal empfängt, verstärkt und siebt und danach das Signal auf eine niedrigere Frequenz, wie etwa 1 kHz, herunter umwandelt, verstärkt und weiterhin das Zwischenfrequenzsignal (IF-Signal) aussiebt und es an einen Begrenzungsverstärker anlegt. Am Ausgang des Begrenzungsverstärkers sind zusätzliche integrierte Schaltungen zum Empfang der drei Frequenzen, entsprechend den 10,2-, 13,6- und 11,33-kHz-Signalen, vorgesehen. Beim 10,2-kHz-Signal wird der Signalausgang vom Begrenzungsverstärker beim Phasendetektor 61 aufgenommen, indem das Signal digitalisiert und mit einem Bezugseingangssignal bei 62 verglichen wird. Die übrigen Phasendetektoren 61a und 616 arbeiten ähnlich wie der Phasendetektor 61, wobei sie zum Empfang der übrigen von einer Station gesendeten Frequenzsignale verwendet werden. Das Bezugssignal kann ein manuelles oder automatisches Eingangssignal sein, das eine angenommene Position wiederspiegelt In diesem Fall ist das Phasenfehlersignal die Differenz zwischen der tatsächlichen Position (oder dem gemessenen Phasenwinkel) und der angenommenen Position (oder dem angemessenen Phasenwinkel). Als Ausgangssignal des Phasendetektors 61 wird ein Phasenfehlersignal 63 an das Mitziehfilter 64 angelegt Als weitere Eingangssignale können externe Geschwindigkeitswerte, wie etwa die genaue Luftgeschwindigkeit und der Magnetkompaßwert des Trägerfahrzeuges, an das Mitziehfilter angelegt werden. Dies bedeutet, daß es zur Unterstützung des Omega-Navigationssystems beim Mitziehen oder Verfolgen des das Navigationssystem verwendenden Fahrzeuges möglich ist, ein z. B. die Luftgeschwindigkeit des Trägerfahrzeuges wiedergebendes Signal an das Mitziehfilter zu legen, um das Bezugssignal 62 genauer auf den neuesten Stand zu bringen. Wie oben erwähnt wurde, beträgt das Zeitintervall zwischen der Aufnahmezeit des 10,2-kHz-Signals von einer bestimmten Station 10 see. In diesen 10 see legt ein mit 600 Knoten fliegendes Flugzeug über der Erdoberfläche eine Distanz von ca. 300 m zurück. Wenn aus irgendeinem Grund, wie etwa durch atmosphärische Störungen, ein Signal für zwei Zyklen nicht empfangen wird, hat sich das Flugzeug um etwa 1/2 Seemeile von seiner vorherigen Position wegbewegt, so daß sich ein großer Phasenfehler zwischen dem durch externe Flughilfen unkorrigierten Bezugssignal und dem vom Phasendetektor für das laufend bzw. gegenwärtig empfangene 10,2-kHz-Signal empfangenen Phasenwinkel ergibt Daraus ergibt sich, daß diese Fehler zu einer großen Signalmehrdeutigkeit führen. In einigen Fällen kann diese Mehrdeutigkeit so groß sein, daß sich ein Positionsfehler von 8 bis 10 Seemeilen ergibt und, wenn nur das 10,2-kHz-Signal für die Navigation verwendet wird, das Ausgangssigna] des Empfängers einen Fehler in der Breite einer Grundlinie aufweist, wobei dieser Fehler nur durch Hinzurechnen einer von einem anderen Navigationssystem empfangenen korrigierten Position korrigiert werden kann. Die externen Korrektursignale sollen diese große Mehrdeutigkeit durch entsprechendes Verändern der Bezugssignale zwischen den Empfangszyklen der Omega-Signale verhindern.

F i g. 5 zeigt den von zwei Empfängern gemessenen Phasenfehler, wobei eine Phasengröße nicht korrigiert wird und das korrigierte Signal Kopplungskoeffizienten aufweist, die durch die erfindungsgemäße Kreuzkopplungstechnik wirksam werden. In Fig.5 ist deT Phasenfehler in Zentistandlmien (oder einem Hundert-

stel einer Standlinie oder Grundlinie) gegenüber der Zeit aufgetragen, und zwar nach Aussendung eines Omega-Signals Daraus ist ersichtlich, daß der unkorrigierte Phasenfehler etwa 0,31 Zentistandlinien beträgt, während der mit Kreuzkopplung korrigierte Phasenfehler annähernd 0,11 Zentistandlinien beträgt (gemessen zur Zeit ρ = 90 sec). Die Korrektur wird nach dem nachfolgenden beschriebenen Verfahren durchgeführt und ist allgemein dadurch zu erklären, daß für jedes der drei diskreten Signale in einer Folge ein Korrekturfaktor bestimmt wird und dieser dem nächsten Bezugssignal zum Vergleich mit der nächsten Folge von Omega-Signalen zugeführt wird.

F i g. 4 zeigt das Blockdiagramm einer Ausführungsform. Der Einfachheit halber sind nur Bestandteile zur Verarbeitung von zwei Frequenzen, entsprechend den 10,2- und 13,6-kHz-Omega-Signalen, dargestellt. Es ist einzusehen, daß auch für die Verarbeitung des 11,33-kHz-Signals im üblichen Omega-Empfänger eine identische Vorrichtung vorgesehen ist. Wenn man die F i g. 4 und 6 miteinander vergleicht, stellt man fest, daß alle in F i g. 6 dargestellten Anfangsschritte zur Verarbeitung des Signals in eine für die Phasendetektoren geeignete Form in F i g. 4 eliminiert wurden. Bei 41 wird die Umwandlung von der Funkfrequenz (RF) zur Zwischenfrequenz (IF) durchgeführt, und das Signal tritt bei 42 in Analogform mit einer 1 kHz entsprechenden Frequenz auf. Der Synchron-Phasendetektor 42 stellt die Phasendifferenz zwischen dem Eingangssignal und dem Bezugssignal fest Das Filter- oder Siebvermögen des Synchron-Phasendetektors 42 ist derart, daß das für die weitere Ve^rarbeitung verfügbare Signal allein den kohärenten Teil des empfangenen Signais enthält; außerdem ist ein AD-Wandler für die Umwandlung des analogen Eingangssignals in Digitalform vorgesehen. Ein Vorlauf- oder Verzögerungssteuergenerator 43 legt fest, ob der Phasenwinkel positiv oder negativ ist, und erzeugt ein negatives oder positives Vorzeichen, je nachdem, ob ein Vorlauf- bzw. Verzögerungssignal durch den Vorlauf/Verzögerungsimpulsgenerator 44 erzeugt werden soll. Dem Vorlauf/Verzögerungsimpulsgenerator 44 wird ein 500 kp/s Taktimpuls zugeführt, der mit dem vom Steuergenerator 43 erzeugten Vorlauf/Verzögerungssignal vermischt werden soll. Diese Vermischung des Taktimpulses und des Phasenfehlersignals führt dazu, daß das Phasenfehlersignal in Übereinstimmung mit dem Bezugssignal /i angepaßt wird.

Das Ausgangssignal des Impulsgenerators wird dann dem Stationswähler 45 zugeführt, der die richtige NOR-Schaltung 49—52 zum Empfang des Signals von der richtigen Bodenstation auswählt Es ist anzumerken, daß vier NOR-Schaltungen 49—52 dargestellt sind. Jede NOR-Schaltung empfängt ein Eingangssignal, das nur einer Sendestation entspricht Damit gibt es in einem vollständigen System 24 NOR-Schaltungen und 24 Phasenmitziehfilter. Der Klarheit wegen sind die übrigen NOR-Schaltungen und Phasenmitziehfilter (über die vier dargestellten hinaus) in Fig.4 nicht dargestellt Die NOR-Schaltungen 49—52 sind so ausgelegt, daß sie auch ein externes Geschwindigkeitswerte-Signal von dem zugehörigen Generator 48 empfangen können, am ein für bestimmte Meßdaten, z. B. die entsprechende genaue Luftgeschwindigkeit und den Magnetkompaßwert des Trägerfahrzeuges, charakteristisches digitales Eingangssignal zu liefern. Wie aus F i g. 4 ersichtlich ist, empfangen die NOR-Schaltungen 49—52 drei Eingangssignale, erstens vom Stations

wähler 45 zur Auswahl des eigenen Kanals, zweitens von dem externen Geschwindigkeitswerte-Signalgenerator 48 und drittens vom Wähler 59 zur Auswahl der Kreuzkopplung. Obwohl es nicht dargestellt ist, ist ein Wähler zur Auswahl der Kreuzkopplung mit der 11,33-kHz-Schaltung verbunden, der auch ein Eingangssignal für die NOR-Schaltungen 49—51 und 53—56 liefert. Die Ausgangssignale des Wählers 59 werden von der mit den Frequenzen, abgesehen vom 10,2-kHz-Eingangssignal, verbundenen Vorrichtung erzeugt. Damit empfängt jede NOR-Schaltung im 13,6-kHz-Empfängerbereich Eingangssignale von vier Quellen. Es sind dies: 1. Der externe Geschwindigkeitswerte-Signalgenerator 48; 2. der mit dem Teil des Empfängers verbundene Stationswähier 60 (eigener Kanal), der das 13,6-kHz-Signal verarbeitet; 3. der Kreuzkopplungswähler 46, der mit dem 10,2-kHz-Empfängerbereich verbunden ist und 4. der Kreuzkopplungswähler, der mit dem 11,33-kHz-Empfängerbereich verbunden ist.

Im oberen Teil von F i g. 4 ist auch dargestellt, wie die NOR-Schaitungen 49—52 die Summe ihrer Eingangssignale als Ausgangssignal den Phasenmitziehfiltern A, B, C und D zuführen. Die Benennung A, B, C und D entspricht den Stationen A, B, Cund D nach F i g. 1. Das Ausgangssignal dieser Phasenmitziehfilter wird dann dem phasenstarren Stationswähler 71 zugeführt, der das Bezugssignal zum Synchron-Phasendetektor 42 rückkoppelt Die Schleife 72 dient allein dazu, den Synchron-Phasendetektor 42 nach Verarbeitung des empfangenen 10,2-kHz-Signals in eine Gleichgewichtsstellung zurückzusetzen. Damit verläuft die Verarbeitung des Signals, wie in F i g. 4 dargestellt ist, über den Synchron-Phasendetektor 42, den Vorlauf/Verzögerungssteuergenerator 43, den Vorlauf/Verzögerungsimpulsgenerator 44, die Kanalwähler 45, 60 und die NOR-Schaltungen 49—52 und 53—56, wo die Kreuzkopplung auftritt, und die Phasenmitziehfilter, wobei das nachgestellte und korrigierte Bezugssignal dem Synchron-Phasendetektor 42 bzw. 42a zum Vergleich mit dem nächsten ankommenden 10,2-kHz-Signal nzw. 13,6-kHz-Signal zugeführt wird. An jedem Phasenmitziehfilter wird ein Ausgangssignal erzeugt, das einer geeigneten Schaltung zur Steuerung und/oder (optischen) Anzeige zugeführt wird. Das System arbeitet in ähnlicher Art und Weise für alle drei Bereiche des Signalempfängers, die den drei Navigationsfrequenzen 10,2,13,6 und 1133 kHz entsprechen.

Die Teilzeit-Blockiervorrichtung 47 wird dazu benutzt, um den Betrag des Korrekturfaktors von einer Frequenz zu steuern, der einer benachbarten Frequenz zugeführt wird. Zum Beispiel ist es wünschenswert, nur einen Teil der vom 13,6-kHz-Signal abgeleiteten Phasenfehlerkorrektur dem 10,2-kHz-Signal zuzuleiten. Die Teilzeit-Blockiervorrichtung 47 erfüllt diese Funktion.

Bei der in Fig.4 dargestellten Schaltung sind nur zwei Frequenzen vorgesehen. Diese Schaltung kann jedoch in einfacher Weise auf jede der drei Frequenzen erweitert werden. Weiterhin sind nur die Stationen A, B, C und D dargestellt, die den Phasenmitziehfiltern entsprechen, wobei anzumerken ist, daß bei einem vollständigen System eine Gesamtzahl von acht dieser Stationen vorhanden ist Die Verarbeitung von Signalen von mehreren Sendestationen an sich ist nicht Teil dieser Erfindung, da die Kreuzkopplungstechnik nur auf von einer Station empfangene Signale angewendet wird.

In F i g. 5 ist die Phase des Eingangssignals gegen die

Zeit aufgetragen, nachdem das Signal erzeugt wird. Das Eingangssignal ist, wie es durch die 45°-Neigung der Kurve der Eingangsphasengeschwindigkeit dargestellt ist, die Bezugsphase, wie sie gesendet wird. Die erste Kurve zeigt das Signal, das weder hinsichtlich der externen Geschwindigkeitswerte noch der aus den übrigen Eingangsfrequenzen berechneten Fehler korrigiert ist. Die phasenkorrigierte Kurve wird aus den am Ende des 11,33-kHz-Signals abgeleiteten Daten berechnet, d. h. nach Empfang der drei aufeinanderfolgenden Sendesignale, wobei das erfindungsgemäße Kreuzkopplungsverfahren angewendet wird, um das korrigierte Phasenfehlerbezugssignal jedem der drei diskreten Signale bei der nächsten empfangenen Folge dieser Station zuzuführen.

Die Behandlung der Kreuzkopplung zwischen den Frequenzen kann auch mathematisch ausgedrückt werden. Wenn man den Kreuzkopplungskoeffizienten mit Q definiert, so können die zusätzlichen Änderungen der Ausgangssignale der Phasenmitziehfilter durch den beobachteten Phasenfehler definiert werden durch Ausdrücke in der Form:

,I₇₁ = G'(s) iC_n*E, + C₂₁*E₂ + CiSE₃]
(für den 10,2-kHz-Verfolger),

I₇: = G'(S) [C,2*E, + C₂₂*E₂ + C₃₂*^]
(für den 13,6-kHz-Verfolger),

I₇₃ = G'(s) [C₁₃ ⁺E₁ + C₂₃*E₂ + C₃₃*£₃]
(für den 11,33-kHz-Verfolger).

Dabei stellen E], E₂ und Ez die von den drei Phasendetektoren beobachteten Phasenfehler dar (für die getrennten 10,2-, 13,6- und 11,33-kHz-Kanäle); G'(s) ist proportional zur Mitziehschleifenverstärkung, und Δφ\, Δψ2 und Δψ3 stellen zusätzliche Änderungen der Mitziehfilter-Ausgangssignale in Abhängigkeit von den beobachteten Phasenfehlern dar. Es erscheint möglich,

Cn = £22= Cm = I

zu setzen. Die anderen Q- -Koeffizienten kennzeichnen dann den Grad der Kreuzkopplung mit dem eingesetzten Einheitskoeffizienten. Daraus ist zu ersehen, d?.ß bei Einheitskopplungen eine dreifache Verbesserung im Signal-Rausch-Verhältnis bzw. Störabstand (ungefähr 5 dB) in jedem Kanal erreichbar ist Eine Verminderung der Kreuzkopplung auf 0,8 ergibt ein ähnliches Betriebsverhalten. Weiterhin ermöglicht eine geringe Verminderung in der Kopplung, daß jeder Verfolger schneller auf sein eigenes Phasenfehler-Eingangssignal antworten kann.

Der 5 dB große Signalverstärkungsfaktor wird dann wirksam, wenn das von einer ausgewählten Station einfallende Omega-Signal bei 10,2,103 und 113 kHz im Signal-Rausch-Verhältnis identisch ist Bei der eher auftretenden Situation, bei der sich die getrennten Frequenzsignale in ihrer Signalstärke unterscheiden, ergeben sich für die Frequenzkreuzkopplung besondere Vorteile. Es wird allgemein beobachtet, daß die 10,2-kHz-Signale in extremen Bereichen bedeutend schwächer sind als die 13,6-kHz-Signale. Unter solchen Bedingungen kann bei der herkömmlichen Phasenverfolgungsnäherung ein vollständiger Verlust der Verfolgung im 10,2-kHz-Kanal auftreten, selbst wenn eine zuverlässige Verfolgung in den Nachbarfrequenzen 13,6 oder 11,33 kHz noch aufrechterhalten werden kann. Diese Einschränkung trägt zur Unzuverlässigkeit eines Navigationsempfangssystems bei, bei dem die erfindungsgemäße Kreuzkopplung nicht verwendet wird.
■5 In Fig.3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dabei sind in Blockdiagrammform die für die Verarbeitung der Phasenfehlersignale in einem Computer (Hardware/Software) nötigen Bestandteile dargestellt. Das Blockdiagramm entspricht dem in F i g. 4 insoweit, daß der Bauteil 42 in F i g. 4 dem Bauteil 91 in Fig.3 entspricht. Dabei ist festzustellen, daß F i g. 3 die Bauteile für die Verarbeitung aller drei diskreten Omega-Frequenzen zeigt, während in F i g. 4 die fest verdrahteten Komponenten zur Verarbeitung von iiur zwei diskreten Frequenzen dargestellt sind. Die dritte Frequenz in Fig.4 wurde nur deswegen weggelassen, um die Komponenten klarer darstellen zu können. Wie in Fig.3 dargestellt ist, werden die empfangenen Signale zuerst durch die Antenne 92 aufgenommen. Sie gelangen dann durch eine geeignete Schaltung zu den Verstärkern 93, 94 und 95, wobei die Verstärker nur enge Bandbreitensignale entsprechend den Frequenzen f\, h und /3 annehmen. Die Verarbeitung des Signals von der Antenne 92 zu den Phasendetektoren 91, 96 und 97 kann durch Komponenten zustande gebracht Werden, die denen in Verbindung mit F i g. 6 beschriebenen ähnlich sind. Da die Eingangssignalphase am Eingang des Phasendetektors 91 anliegt, wird dort die Eingangssignalphase f\ mit dem f\ -Bezugssignal verglichen. Der Phasendetektor 91 vergleicht die Eingangssignalphase f\ mit dem /pBezugssignal und liefert am Ausgang einen /i-Phasenfehler JSi an der Leitung 98. Die Leitung 98 führt den /!-Phasenfehler E_x einem Mitziehfilter oder einem Computer-Prozessor 99 zu.

Zur Verdeutlichung des Teiles des Computerprogramms, das sich auf die Kreuzkopplung der Phasenfehlersignale E\, E₂ und £3 bezieht ist dieses in den F i g. 7 und 8 in Form eines Flußdiagramms dargestellt In F i g. 7 ist dabei die Verarbeitung von jeder der drei diskreten Frequenzen zur Bestimmung der Phasenfehler Eu E₂ und E₃ dargestellt Die verarbeiteten Werte werden gespeichert und dann über die an die Phasendetektoren 91, 96 und 97 angelegten Bezugssignale /1, f₂ und /3 an die nachfolgenden Eingangsphasensignale Z₁, /2 und /3 angelegt Dieses Verfahren ist das oben zuerst beschriebene und besteht aus einem Anwenden eines Korrekturfaktors auf die nächste empfangene Signalfolge. Bei der Kreuzkopplung beginnt die Programmfolge bei 101. Als nächster Schritt wird bei 102 die Abfrage gemacht, ob N= M ist Dabei entspricht N der Segmentnummer im Omega-Format während M der Stationsnummer entspricht Wie in F i g. 1 dargestellt ist gibt es acht Omega-Segmente bei der Sendefolge und acht Omega-Stationen, die mit den Buchstaben A bis H gekennzeichnet sind. Wegen der numerischen Verarbeitungsfolge erhält jede Station einen numerischen Wert Wenn die Frage im Block 102 bejaht wird, d. h. die Folgenummer, z. B. 1, entspricht der

Stationsnummer A (zugewiesener numerischer Wert 1), so wird der Phasenfehler E\ für den nachfolgenden Wiederaufruf abgespeichert Nach Empfang des nächsten Signals zur Verarbeitung, wobei dieses Signal dem Segment 2 von Station 1 entsprechen könnte, wird die Abfrage bei Block 102 gemacht Bei einer negativen Antwort geht die Befehlsfolge zu Block 103 über. Darauf wird die Abfrage getätigt, ob N= M+1 ist Da das Segment 2 das gerade verarbeitete Segment ist und

M einen Wert von 1 hat, erhält man eine bejahende Antwort, so daß die Programmfolge zum Block 104 übergeht, und das Phasenfehlersignal E₁ für die zweite empfangene Frequenz 13,6 kHz wird abgespeichert.

In ähnlicher Weise wird ein Phasenfehlersigna! E₃ von dem 11.33-kH7-Omega-Signal bestimmt, wobei die Prograinmfolge dann zu Block iO5 übergeht, um die Phasenfehlerkorrektur über die Bezugseingänge einem jeden Phasendetektor zur Verarbeitung der nächsten drei diskreten Frequenzen zuzuführen. In Block 105 kennzeichnet der links vom Gleichheitszeichen verwendete Ausdruck das auf den neuesten Stand gebrachte Phasenfehlersignal, das der nächsten empfangenen Eingangssignalphase zugeführt wird. Der Ausdruck rechts vom Gleichheitszeichen stellt den alten Wert deb Phasenfehlers für diese Frequenz plus dem von der Messung der Phasenfehler £Ί, E₂ und E₃ abgeleiteten Korrekturausdruck dar. Aus dem in Block 105 von F i g. 7 dargestellten Verfahren ist ersichtlich, daß nach Empfang des 11,33-kHz-Signals eine Korrektur an jeder der di ei diskreten Omega-Frequenzen vorgenommen wird. Das heißt, daß an den 13,6- und 11,33-kHz-Phasenfehlersignalen so lange keine Korrektur vorgenommen wird, bis eine vollständige Folge empfangen wurde.

Fig.8 zeigt das Flußdiagramm des Verfahrens zur Korrektur bei jeder der empfangenen Omega-Frequenzen, wobei die Korrektur durch den Phasenfehler bestimmt wird, der beim unmittelbar vorhergehenden Signal auftritt Die beiden dargestellten Verfahren unterscheiden sich nur in der Art der Datenmanipulation, so daß sich bei beider. Verfahren annähernd gleiche Werte ergeben.

Wie in den Fig.3, 7 und 8 dargestellt ist, wird das Verfahren zur Kreuzkopplung von empfangenen, sich voneinander unterscheidenden Frequenzsignalen so durchgeführt, daß zuerst das mit der 10,2-kHz-Frequenz verbundene diskrete Frequenzsignal empfangen wird, und dann das Signal zur weiteren Verarbeitung verstärkt und ausgesiebt wird. Das Signal wird dann als Eingangssignal einem Phasendetektor zugeführt, der das Signal mit einem ersten Bezugssignal vergleicht, wie es in F i g. 4 mit 42 dargestellt ist Das aus dem Vergleich beim Phasendetektor 42 bestimmte erste Phasenfehlersignal wird als Eingangssignal über geeignete Steuer- und Impulsgeneratoren 43 bzw. 44 (in Fig.3 nicht dargestellt) für einen Vorlauf- und Verzögerungsimpuls einem ersten Phasenmitziehfilter oder Prozessor 99 (F i g. 3) zugeführt Nach Empfang der zweiten diskreten Frequenz, die der Frequenz von 13,6 kHz entspricht, wird das zweite Signal in gleicher Weise verstärkt und für die weitere Verarbeitung ausgesiebt. Wie oben erwähnt wurde, schließt der Verstärkungs- und Siebvorgang in einer Ausführungsform der Erfindung die Änderung des Signals in eine Frequenz von einem kHz über einen geeigneten Frequenzumwandler ein. Das zweite Signal wird dann als Eingangssignal einem zweiten Phasendetektor zugeführt, der es mit einem zweiten Bezugssignal h vergleicht Bei gewählter Kreuzkopplung wird der Eingang zu dem zweiten Bezugssignal h über die NOR-Schaltung 53 (F i g. 4) von dem Wähler 46 für die Wahl der Kreuzkopplung, von der externen Geschwindigkeitshilfe 48 und dem Stationswähler für den eigenen Kanal 60 abgeleitet Bei Wahl der Kreuzkopplung wird das Phasenfehlersignal vom Phasendetektor 42 an die NOR-Schaltung 53 angelegt und dann über das Phasenmitziehfilter für die Station A, 53b, dem Selektor 53a zugeführt Das /j-Bezugssignal wird dann mit dem Phasendetektor 42 kreuzgekoppelt, der als Ausgang einen Phasenfehler liefert, der das empfangene 10,2-kHz-Signal berücksichtigt. Der Phasendetektor 42a vergleicht dann das IF-Signal vom 13,6 kHz-Omega-Signal mit dem

ϊ fj Pezugsphasenfehlersignal von dem 10,2-kHz-Omega-Eingangssignai und bringt das 13,&-kHz-Phasenfch!ersignal auf den neuesten Stand. In ähnlicher Weise kann das Ausgangssignal des zweiten Phasendetektors mit dem ersten Phasenmitzitiifilter über die NOR-Schaltungen 49 und 52 kreuzgekoppelt werden. In gleicher Weise kann das Phasenfehlersignal des Phasendetektors 42 nicht nur an den Phasendetektor 42a, sondern auch an einen Phasendetektor (nicht gezeigt), der für die Verarbeitung des 11,33-kHz-Eingangssignals verwendet wird,angelegt· Tden.

Das Kreuzkoppiungskonzept bietet eine leistungsfähige Technik, die die grundsätzlichen Nachteile von einzelnen und ungekoppelten Phasenmitziehschleifen überwindet. Bei Anwendung der Kreuzkopplung ist der zeitweilige Verlust eines speziellen Frequenzsignals nicht weiter problematisch. Die gekoppelte Phasenfehlerinformation von den benachbarten Frequenzkanälen steuert weiterhin alle Phasenmitziehfilter (einschließlich des Filters, bei dem ein Verlust seines »Primär«-Eingangssignals aufgetreten ist). Wenn beispielsweise das 10,2-kHz-Signal für eine gewisse Zeit verschwindet, und ein vernünftiger Kreuzkopplungskoeffizient von 0,8 gewählt wird, so liefern die zusätzlichen Fehlersignale von den 13,6- und 11,33-kHz-Kanälen rund 90% der benötigten Geschwindigkeitshilfe für das 10,2-kHz-Phasenmitziehfilter.

Nicht alle Kreuzkopplungskoeffizienten müssen verwendet werden. Einer kann dazu verwendet werden, den Fehler in einem anderen zu minimaiisieren, d. h. das 13,6-kHz-Signal kann ausschließlich zur Korrektur des 10,2-kHz-Signals verwendet werden, so daß deshalb das 10,2-kHz-Signal häufiger auf den neuesten Stand gebracht wird. Das 13,6-kHz-Signal wird bei dieser Betriebsart überhaupt nicht für die Primär-Navigation verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf das Omega-System beschränkt, das als sequentielles Sendesystem beschrieben wurde, sondern kann auch bei Navigationssystemen mit simultaner Frequenzübertragung verwendet werden, bei denen mehrere Frequenzen von mehreren Stationen gleichzeitig gesendet werden.

Wie oben erwähnt wurde, können zwei Schemata für die Kreuzkopplung verwendet werden. Beim einen Verfahren werden die einzelnen Phasenfehler für die drei Frequenzkanäle so lange gespeichert, bis die 11,33-kHz-Signale aufgenommen wurden. Dann wird ein kombinierter Bezugsfaktor bestimmt der dann auf jede der diskreten Frequenzen angewendet wird, die in der nächsten empfangenen Signalfolge empfangen werden.

Bei einem anderen Verfahren wird der beobachtete Fehler für jede Frequenz in der gleichen Frequenz verwendet, um das nächste empfangene Signal auf den neuesten Stand zu bringen.

Da die Korrekturen alle zu einer Zeit vorgenommen werden, scheint das oben zuerst beschriebene Verfahren ein etwas besseres Verfolgungsverhalten zu liefern, als die sofortige Korrekturannäherung Segment für Segment Beide Verfahren ergeben jedoch ausreichende und weitgehend verbesserte Ergebnisse gegenüber den bisher verfügbaren.

Die Betriebsvorteile der Kreuzkopplung treten

besonders in Erscheinung bei schwachen Signalbedingungen oder immer dann, wenn eines oder selbst zwei der drei Eingangssignale stark rauschen. Wenn alle drei Kanäle von vergleichbarer, aber schwacher Qualität sind, ergibt die symmetrische Kreuzkoppluug eine nahezu dreifache Verstärkung des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Wenn darüber hinaus die Signale ungleich oder diskontinuierlich sind, so können die »stärkeren« Kanäle wesentlich zur gegenseitigen Hilfe der schwachen Kanäle beitragen. Als Beispiel wird ein Fall angeführt bei dem das 10,2-kHz-Signal für eine gewisse Zeit verschwindet Es kann gezeigt werden (mit einem Koppelkoeffizient von 2), daß der Fehler und die

Nacheilung beim 13,6- und 1133-Kanal etwas ansteigi und diese beiden Kanäle dann etwa 90% der benötigten Geschwindigkeitswerte dem 10,2-kHz-Signal als Verfolgungsbezugswert liefern- Wenn die unkompensierten Flugwerte schon auf ±60 Knoten (durch den Flugkurs und die richtige Luftgeschwindigkeit) verminderi wurden, so beträgt die Restabweichung im Phasenbezugswert des 10,2-kHz-Signals nur 6,66 Knoten. Es würde mehr als eine Stunde für diesen Kanal dauern, um eine halbe Wellenlänge in positiver oder negativei Richtung abzuweichen. Andererseits würde ohne Verwendung der Kreuzkopplung die externe Geschwindigkeitshilfe nach einigen Minuten ungleich, und eine ausreichende Phasenverfolgung ginge verloren.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kreuzkopplung von mindestens zwei Empfangssignalen in einem Mehrkanalempfänger für Hyperbelnavigationssysteme, bei dem die Phase der Empfangssignale jeweils mit der eines zugehörigen Bezugssignale in einem Phasendetektor zur Erzeugung entsprechender Phasenfehlersignale verglichen werden, die jeweils durch eine Phasenmitziehanordnung extrapoliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Phasenfehlersignal eines Kanals mit einem Kopplungskoeffizienten multipliziert und den Phasenmitziehschleifen der übrigen Kanäle aufaddiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das extrapolierte Ausgangssigmü der Phatenmitziehanordnung als 3ezugssignal dem Phasendetektor zugeführt wird.

3. Verfahren zur Kreuzkopplung von mindestens zwei Empfangssignalen in einem Mehrkanalempfänger für Hyperbelnavigationssysteme, bei dem die Phase der Empfangssignale jeweils mit der eines zugehörigen Bezugssignals in einem Phasendetektor zur Erzeugung entsprechender Phasenfehlersignale verglichen werden, die jeweils durch eine Phasenmitziehanordnung extrapoliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenfehlersignal eines Empfangskanals als weiteres Bezugssignal am Phasendetektor eines anderen Empfangskanals zur Erzeugung eines zweiten Phasenfehlersignals anliegt, das der Phasendifferenz zwischen dem Empfangssignal des zuletzt genannten Empfangskanals und dem ersten Phasenfehlersignal entspricht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenfehlersignal eines Empfangskanals mit den Phasenfehlersignalen aller anderen Empfangskanäle kreuzgekoppelt wird, um die Bezugssignale der entsprechenden Phasendetektoren zu extrapolieren.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das extrapolierte Ausgangssignal periodisch als Größenwert oder als Phasendifferenz angezeigt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurcn gekennzeichnet, daß mindestens zwei Empfangssignale sequentiell empfangen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Empfangssignale gleichzeitig empfangen werden.