DE2630851A1 - Bezugsstation fuer ein entfernungsmessystem - Google Patents

Bezugsstation fuer ein entfernungsmessystem

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DE2630851A1 DE19762630851 DE2630851A DE2630851A1 DE 2630851 A1 DE2630851 A1 DE 2630851A1 DE 19762630851 DE19762630851 DE 19762630851 DE 2630851 A DE2630851 A DE 2630851A DE 2630851 A1 DE2630851 A1 DE 2630851A1
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Guenter Dr Ing Hoefgen
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Description

STANDARD ELEKTRIK LORENZ
AKTIENGESELLSCHAFT ι.
STUTTGART *
M.Böhm-G.Höfgen 25-19
BEZUGSSTATION FÜR EIN ENTFERNUNGSMEßSYSTEM
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Bezugsstation für Entfernungsmeßsysteme wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben.
Entfernungsmeßsysteme sind in dem Buch von E.Kramar, "Funksysteme für Ortung und Navigation", Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart, 1973 auf den Seiten 147 bis 159 beschrieben.
Die Genauigkeit der Messungen ist im wesentlichen von den Gerätefehlern und von den durch Störreflexionen (Mehrwegausbreitung) verursachten Fehlern bestimmt.
Zur Reduzierung der Fehler infolge von Mehrwegausbreitung hat es sich bei einem Zweiwegentfernuncrsmeßverfahren, bei dem Doppelimpulse abgestrahlt bzw. empfangen werden, als zweckmäßig erwiesen, die Messung an der Vorderflanke des ersten Impulses eines jeden Impulspaares durchzuführen. Die durch die Mehrwegausbreitung verursachten Fehler können jedoch innrer noch sehr groß sein, wenn Umweae unter ca. 1000 m auftreten.
Sm/Scho
7.5.1976
709882/0467
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bei Entfernungsmeßsystemen durch Mehrwegausbreitung verursachten Fehler zu reduzieren.
Lösung
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Weiterbildunaen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Vorteil
Durch die Reduzierung der durch die Mehrwegausbreitung ' verursachten Fehler wird eine wesentliche Verbesserung der Meßgenauigkeit erreicht.
Beschreibung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen für das bekannte DME-System beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine Skizze zur Erläuterung der Mehrwegausbreitung;
Fig.2 Amplituden von ungestörten sowie von durch überlagerung verfälschten Impulsen;
Fig.3 ein erstes Ausführungsbeispiel; Fig.4 ein zweites Ausführungsbeispiel; Fig.5 ein drittes Ausführungsbeispiel;
Fig.6 ein Diagramm zur Erläuterung der unterschiedlichen Empfangszeitpunkte an den Einzelantennen des Ausführungsbeispiels nach Fig.5;
Fig.7 und 8 Zeigerdiagramme, mit deren Hilfe die Berechnung des Zeitfehlers beschrieben wird.
Bei dem bekannten und in der zitierten Literaturstelle beschriebenen DME-Entfernungsmeßsystem wird von einem DME-Bordgerät 2 ein Abfragesignal zu einer Bezucrsstation 1 abgestrahlt. Das Abfragesignal besteht aus einem Doppelimpuls,
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von dem der erste Impuls zur Entfernungsmessung verwendet wird. Von der Bezugsstation 1 wird 50 με nach dem Empfang des Abfragesignals ein Antwortsignal abgestrahlt, das ebenfalls aus einem Doppelimpuls besteht. Die Ankunftszeit Ta des Abfragesignals in der Bezugsstation ist diejenige Zeit, bei der der erste Impuls des Doppelimpulses seine halbe Amplitude erreicht (Fig.2a). Wenn von der Bezugsstation 1 nur das auf dem direkten Weg 4 vom Bordgerät zur Bezugsstation 1 gelangte Signal empfangen wird, ist eine exakte Bestimmung der Ankunftszeit T des Abfragesignals möglich. Werden jedoch, wie in Fig.1 dargestellt, außer dem direkten Signal auch Signale empfangen, die von einem Hindernis 3 (z.B. Berg, Haus usw.) reflektiert wurden und somit auf einem Umweg 5 zur Bezugsstation 1 gelangen, dann erfolgt in der Bezugsstation eine überlagerung von direktem und indirektem Signal. Form und Amplitude des überlagerten Signals (Fig.2b, I, II; es ist nur ein Impuls des Doppelimpulses dargestellt) sind unter anderem abhängig vom Reflexionskoeffizienten des Hindernisses 3, von dem Laufwegunterschied und von der hochfrequenten Phasenlage zwischen direktem und indirektem Signal.
Wie oben bereits erwähnt, wird eis Ankunftszeit T diejenige
Cl
Zeit verwendet, bei der der erste Impuls seine halbe Amplitude erreicht hat. Diese Zeiten T ', T " liegen für
Q. Cl
die überlagerten Signale vor oder nach der Ankunftszeit T, des ungestörten Signals. Da bei dem DME-System die Entfernung aus der Laufzeit der Abfragesignale vom Bord-
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gerät zur Bezugsstation und der Antwortsignale von der Bezugsstation zum Bordgerät ermittelt wird, werden durch falsche Laufzeitmessungen Entfernungsmeßfehler verursacht.
Nachfolgend wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, wie durch räumlich verteilte Einzelantennen die durch falsche Laufzeitmessungen verursachten Fehler, die durch Mehrwegausbreitung entstehen, wesentlich reduziert werden.
In Fig.3 sind Einzelantennen 27 über einen Schalter 32, der von einer Steuereinrichtung 30 gesteuert wird, mit einem Sende/Empfangsschalter 21 verbunden. Der mit dem Sende/Empfangsschalter verbundene Transponder 20 enthält einen Empfänger 22, einen Entschlüßler 23, eine Verzögerungsschaltung 24, einen Pulsformer und Modulator 25 und einen Sender 26. Der Transponder 20 ist beispielsweise aus der oben zitierten Literaturstelle bekannt und wird deshalb nicht näher erläutert.
Die Einzelantennen 27 sind gleichmäßig auf einem Kreis mit einem Durchmesser von 10-50 λ (λ ist die Wellenlänge des abgestrahlten Signals) angeordnet. Durch den Schalter werden die Einzelantennen abwechselnd mit dem Transponder verbunden. Der Schalter 32 kann dabei so gesteuert werden, daß er nacheinander benachbarte Einzelantennen mit dem Transponder 20 oder daß er nacheinander beliebige Einzelantennen mit dem Transponder 20 verbindet. Die Abstrahlung des Antwortsignals kann, je nach der Steuerung des Schalters 32, über die Antenne, die das zugehörige Abfragesignal empfangen hat oder über eine beliebige andere Einzelantenne erfolgen.
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Da sich die Einzelantennen, von denen die Abfragesignale empfangen werden, jeweils an einem anderen Ort befinden, sind an jeder Antenne Laufweg und HF-Phase von direktem und reflektiertem Abfragesignal verschieden und somit entstehen bei der überlagerung dieser Signale unterschiedliche resultierende Signale, d.h. die Zeit, zu der der resultierende erste Impuls des Abfragesignals seinen halben Maximalwert erreicht, liegt vor oder nach der Ankunftszeit des ungestörten Impulses. Dies hat zur Folge, daß bei der Auswertung an Bord, verglichen mit der wirklichen Entfernung, zu kleine oder zu große Entfernungen gemessen werden. Da jedoch an Bord des Flugzeuges ohnehin der Mittelwert der einzelnen Messungen ermittelt wird, mitteln sich die Fehler aus. Werden die Abfragesignale nur von einer ortsfesten Einzelantenne empfangen bzw. abgestrahlt, dann sind alle Messungen vom selben Meßfehler behaftet. Eine Mittelung bringt} wenn man von der Mitteilung infolae der Fluazeucrbewegung absieht,
keine Reduzierung der durch die Mehrwegausbreitung verursachten Fehler.
Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 die Einzelantennen 27 nacheinander mit dem Transponder 20 verbunden werden, sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 alle Einzelantennen gleichzeitig mit dem Transponder 20 verbunden. Die Einzelantennen sind jeweils über einen steuerbaren Phasenschieber 43 und einen allen Einzelantennen gemeinsamen Leistungsteiler 40 mit dem Sende/Empfangsschalter 21 des Transponders 20 verbunden. Die Steuerung der Phasenschieber 43 erfolgt durch eine Steuereinrichtung
In der Steuereinrichtung 41 sind mehrere Schaltstellunoen (I, II, ...) möglich. Von jeder Schaltstellung wird in den Phasenschiebern 43 ein anderer Satz von Phasenverschiebungen eingestellt. Die Auswahl der Schaltstellung
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erfolgt durch einen Generator 42, der beisnielsweise ein Zufallsgenerator sein I'ann. Pas zeitliche Weiterschalten von einer Schaltstellung zur nächsten erfolgt abhängig von der Abstrahlung der 7\ntwortimpulse. Hierzu wird durch einen Richtkoppler 44 ein Teil des Senderausgangssignals ausgekoppelt und einem Detektor 45 zugeführt. Das Ausgangssignal des Detektors 45 steuert das Weiterschalten der Steuereinrichtung 41. Das Weiterschalten erfolgt besonders vorteilhaft während den Totzeiten des Senders.
Die Phasenverschiebung der einzelnen Phasenschieber ist jeweils ein Vielfaches der von dem ersten Phasenschieber erzeugten Phasenverschiebung und die Phasenverschiebung des letzten Phasenschiebers ist gleich 360° oder gleich einem Vielfachen von 360°. In der nachfolgenden Tabelle sind beispielsweise verschiedene Phasenverschiebungen zusammengestellt:
Schaltstellung Phasenverschiebung an den Phasenschiebern (43) der Steuereinrichtung (41) 01 02 03 ... 0N
I 13,3° 26,7° 40° 360°
II 26,7° 53,3° 80° 720°
13, 3° 26, 7° 40°
26, 7° 53, 3° 80°
120° 240 O 360°
IX 120" 240" 360" 3240°
Anstelle der oben angegebenen Phasenverschiebungen können für die einzelnen Phasenschieber auch andere, beliebige Phasenverschiebungen gewählt werden.
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Die Phasen der von den einzelnen Einzelantennen 27 empfangenen Abfragesignale werden in den Phasenschiebern 43 um den jeweils eingestellten Wert verschoben. Dies gilt sowohl für die auf direktem Weg empfangenen Abfragesignale als auch für die an einem Reflektor reflektierten Signale. Die phasenverschobenen Signale ("direkte" und "indirekte" Signale) werden anschließend in dem Leistungsteiler 40 überlagert. Die Form und die Amplitude des Ausg"angssianals des Leistungsteilers 40 ist unter anderem abhängig von der HF-Phase der einzelnen Signale.
Wird die HF-Phase der nacheinander eintreffenden Abfragesignale um unterschiedliche Werte verschoben, dann ändern sich auch Form und Amplitude des Ausgangssignals des Leistungsteilers 40. Dies hat zur Folge, daß der ermittelte Ankunftszeitpunkt des ersten Impulses des Abfragesignals von Abfragesignal zu Abfragesignal unterschiedlich ist und zum Teil vor bzw. nach der Ankunftszeit des ungestört empfangenen Abfragesignals liegt.
Dadurch werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3, an Bord zum Teil zu große und zum Teil zu kleine Entfernungen gemessen. Durch die ohnehin an Bord ausgeübte Hittelwertbildung werden die durch Mehrwegausbreitung verursachten Fehler weitgehend beseitigt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 sind wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 alle Antennen gleichzeitig angeschaltet. Während jedoch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 alle Einzelantennen mit einem Empfänger 22 verbunden sind, ist jeder Einzelantenne 27 ein Empfänger 22 zugeordnet. Es ist außerdem im Kreismittelpunkt eine zusätzliche Einzelantenne 28 vorgesehen. Diese Einzelantenne 28 ist über einen Sende/Empfangsschalter 56 einerseits mit einem Empfänger 22 und andererseits mit dem Sender 26 verbunden. Der Sender 26 wird von einem Pulsformer und Modulator 25 wie bei den beiden anderen Ausführungsbeispielen gesteuert. Der Empfänger 22, der Sender 26 und der Pulsformer und Modulator 25 haben die gleiche Aufgabe wie in den Ausführungsbeispielen nach Fig.3 und Fig.4 und werden deshalb nicht weiter erläutert.
Die Ausgangssignale der Empfänger 22 werden einer Auswerteeinrichtung 50 zugeführt, in der die Zeitdifferenz t zwischen
der Ankunftszeit des gestörten und des ungestörten Signals
dieser Zeitdifferenz ermittelt wird. Die BerechnungVwlrd weiter unten erläutert.
Da diese Zeitdifferenz sowohl auf dem Weg vom DME-Bordgerät zur Bezugsstation als auch auf dem Weg von der Bezugsstation zum DME-Bordgerät auftritt, muß diese Zeitdifferenz t doppelt berücksichtigt werden. Dies erfolgt in der Steuerbaren Verzögerungsleitung 55. Bei bekannten DME-Bezugs-Stationen beträgt die Verzögerung zwischen Empfang des Abfragesignals und Sendung des Antwortsignals 50 ys.
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Diae Verzögerung erhält man durch Verzögerungsschaltuncren, z.B. 24 in Fig.3 bzw. Fig.4. Anstelle dieser konstanten Verzögerungszeit von 50 ps wird die Verzögerungszeit jetzt so gewählt, daß der durch die Zeitdifferenz t
verursachte Fehler eliminiert wird. Beträgt die Zeitdifferenz beispielsweise plus 3,5 ys, d.h. das Sianal ist infolge von Reflexionen auf dem Weg zwischen DME-Bordgerät und Bezugsstation verglichen mit einer ungestörten Ausbreitung 3,5 us länger unterwegs, dann erfolgt anstatt der Verzögerung von 50 μs nur noch eine Verzögerung von 50 ps - 2x3,5 ys = 43 με. Die Abstrahlung des Antwortsignals erfolgt von der Mittelantenne 28.
Als nächstes wird die Berechnuno der Zeitdifferenz t_ erläutert. Aus der DT-OS 23 58 585 ist es bekannt, wie durch Reflexionen verursachte Fehler bei Winkelnessungen eliminiert werden. Die Elimination der Zeitfehler für Entfernungsmessungen erfolgt unter Anwendung ähnlicher Methoden.
In Fig.6 trifft eine einfallende ebene Welle W (Abfragesignal) auf drei auf einer Linie äquidistant angeordnete Einzelantennen 27., 27^+Ii, 28. η ist die Gesamtzahl der auf dem Kreis angeordneten Einzelantennen 27. 28 ist die Mittelantenne. Sind die Einzelantennen nicht äquidistant angeordnet, dann müssen die unterschiedlichen Abstände bei der Auswertung entsprechend berücksichtigt werden.
Die ungestörte ebene Welle W (Abfragesignal von dem DME-Bordgerät) trifft an den drei Einzelantennen jeweils mit einem Zeitunterschied von At ein. Die Amplitude des Abfragesignals an den drei Einzelantennen ist
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Wird dem ungestörten Abfragesignal ein Störsignal überlagert, dann sind die Amplituden des empfangenen Signals an den Einzelantennen nicht mehr gleich, denn das Störsignal wird dem ungestörten Signal vektoriell überlagert. Dadurch werden auch andere Empfangszeitpunkte gemessen weil ja diejenige Zeit, bei der der Abfrageimpuls seinen halben Maximalwert erreicht, als Empfangszeitpunkt definiert ist. Die Signalüberlagerung ist in dem Zeigerdiagramm der Fig.7 dargestellt.
ni' n28 und ni+ § sind die Amplituden des unaestörten Signals. Sie sind an den drei Einzelantennen gleich. Die Zeiten, zu denen das ungestörte Signal an den Einzelantennen jeweils seine halbe Amplitude erreicht, liegen um At auseinander.
S., S2g und S.+2 sind die Amplituden des Störsignals. Sie sind an den drei Einzelantennen bleich, nie Zeiten, zu denen das Störsignal an den Einzelantennen jeweils seine halbe Amplitude erreicht, liegen um As auseinander.
m., m„o und m.+= sind die Amplituden des tatsächlich empfangenen Signals, das durch die vektorielle überlagerung von ungestörtem Signal und Störsignal entsteht. Das resultierende Signal trifft urr At. nach der Ankunftszeit an der Einzelantenne 27. an der Einzelantenne 28 und um At.+ 2 nach der Ankunftszeit an der Einzelantenne 28 an der Einzelantenne 27.+^ ein. In der Auswerteeinrichtuncr 50 werden die Zeitdifferenzen At. und At.+^ gemessen.
Anhand des Zeigerdiagramms der Fig.8 wird beschrieben, wie die Zeitdifferenz t zwischen der Ankunftszeit des (in Wirklichkeit nicht vorhandenen) ungestörten Signals an der Einzelantenne 28 und des resultierenden (tatsächlich empfangenen) Signals ermittelt wird.
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Die Länge und Lage der Zeioer in Fig.8 wurden der besseren Übersicht wegen gegenüber der Länge und Lage der Zeiger in Fig.7 verändert.
Die Zeiger n. und n. n_ sind gegenüber der Darstellung in Fig.7 um den Winkel^At so gedreht, daß sie mit dem Zeiger noo zusammenfallen. Zwischen den Zeigern des Störsignals S_g und S. bzw. S_8 und S.^n treten gleiche Winkelw(AS-At) auf; zwischen den gemessenen Zeigern m-o und m. tritt der Winkelet.-AtJ und zwischen den gemessenen Zeigern m28 und mn der Winkelet, jn - At) auf. Die mit d- und d„ bezeichneten Strecken sind gleich lang. Durch Anwendung des Kosinussatzes für d. und d_ ergibt sich, da d.. und d2 gleich lang sind, 2 2
m + m^ 2mm
^ 2m-0m.cos.^(At. - At)
C.O X AOX 1
2 2
= m_Q + m. ,n - 2m_Qin. .n CoSiAi(At.,η - At)
Zo ~ΐ ^ 3 3
(ω ist die Kreisfrequenz des Signals) Daraus kann At berechnet werden.
Da jedoch die Zeit t , d.h. die Zeit zwischen Eintreffen
des resultierenden Signals und dem Eintreffen des ungestörten Signals an der Einzelantenne 28 gesucht ist, muß noch der EintreffZeitpunkt für den ungestörten Zeiger n, d.h. das ungestörte Signal ermittelt werden.
Wie aus dem Zeigerdiagramm zu erkennen ist, ergibt der Schnittpunkt der beiden Mittelsenkrechten d, bzw. d_' auf den Verbindungs strecken d,. und d_ die Spitze des Zeigers η des ungestörten Signals. Der Winkel zwischen den Zeigern η und m-g entspricht dem Zeitfehler t .
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Bei dem Ausführungsbeispiel wurde angenommen, daß die gesamte Antenne aus mehreren auf dem Kreis angeordneten Einzelantennen und einer Mittelantenne besteht. Aus der Beschreibung geht weiter hervor, daß zur Bestimmung des Zeitfehlers mindestens drei auf einer Geraden angeordnete Antennen notwendig sind. Da bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 jede Einzelantenne mit einem Empfänger verbunden ist, ist es möglich, den Zeitfehler gleichzeitig mit mehreren Einzelantennen zu berechnen und das Ergebnis zu mitteln.
Außer der beschriebenen Anordnung aus drei Einzelantennen sind auch noch andere Anordnungen möglich, z.B. zwei Antennenpaare, wobei in diesem Fall die Verbindungsgeraden dieser Antennenpaare parallel sein müssen.
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Leerseife

Claims (13)

  1. M.Böhm 25-18
    Patentansprüche
    Bezugsstation für Entfernungsmeßsysteme, mit denen die Entfernung zwischen Luftfahrzeugen und der Bezuasstation meßbar ist, mit einer Antenne, mindestens einem Empfänoer und/oder einem Sender, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne aus mehreren räumlich verteilten Einzelantennen (27) besteht.
  2. 2. Bezugsstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (27) jeweils über einen steuerbaren Phasenschieber (43) und über einen Leistungsteiler (40) mit dem Empfänger (22) und/oder Sender (26) verbunden sind und daß alle Einzelantennen (27) gleichzeitig anaeschaltet sind.
  3. 3. Bezugsstation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß alle Phasenschieber (43) von einer Steuereinrichtuner (41) gleichzeitig so gesteuert werden, daß sie unterschiedliche Phasenverschiebungen erzeugen, wobei der i-te Phasenschieber die i-fache Phasenverschiebung des ersten Phasenschiebers erzeugt und die η-fache Phasenverschiebung, wobei η gleich der Zahl der Einzelantennen (27) ist, oleich 360° oder einem ganzzahligen Vielfachen von 360° ist.
  4. 4. Bezugsstation nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (41) von einem Zufallsgenerator (42) gesteuert wird.
  5. 5. Bezugsstation nach Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten der Phasenschieber (43) synchron zur Abstrahlung eines Senrlesignals erfolgt.
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    ORIGINAL INSPSCTED
    M.Böhm 25-18
  6. 6. Bezugsstation nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (27) auf einem Kreis angeordnet sind.
  7. 7. Bezugsstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die Einzelantennen (27) über einen Schalter (32), der von einer Steuereinrichtung (30) gesteuert wird, so mit den Empfänger (22) und/oder Sender (26) verbunden sind, daß jeweils nur eine Einzelantenne (27) angeschaltet ist.
  8. 8. 'Bezugsstation nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelantennen (27) auf einem Kreis angeordnet sind.
  9. 9. Bezugsstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelantenne (27, 28) mit einem Empfänger (22) verbunden ist, daß eine der Einzelantennen (28) auch mit dem Sender (26) verbunden ist, daß in einer AuBwerteeinrichtung (50) aus den gemessenen Amplituden (m^, n^gr "1Ji+B) des empfangenen Signals und aus den Zeitdifferenzen (&t. - At; At. η - At) der Ankunftszeiten
    1 2
    des empfangenen Signals an (fen räumlich getrennten Einzelantennen (27, 28) unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung der Einzelantennen ermittelt wird, ob ein Zeitfehler (t ), der bestimmt ist durch die Differenz der gemessenen Ankunftszeit des empfangenen Signals und der berechneten Ankunftszeit des ungestörten Signals, vorhanden ist und daß dieser Zeitfehler (tg) bei der Festlegung des Abstrahlzeitpunktes des Antwortsignals doppelt berücksichtigt wird.
    709882/0467
    -VS-
    M.Böhm 25-18
  10. 10. Bezugsstation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei linear angeordnete Einzelantennen
    (27., 28, 27. n) vorgesehen sind, ι 1+2
  11. 11. Bezugsstation nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einzelantennen äquidistant angeordnet sind.
  12. 12. Bezugsstation nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere solcher Dreiergruppen rotationssymmetrisch angeordnet sind.
  13. 13. Bezugsstation nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Einzelantennenpaare vorgesehen sind, wobei die Verbindungsgerade zwischen den Einzelantennen eines Paares zu der Verbindungsgerade der Einzelantennen des anderes Paares parallel ist.
    709882/0467
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