DE2807979C3

DE2807979C3 - Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem

Info

Publication number: DE2807979C3
Application number: DE19782807979
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Boehm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1978-02-24
Filing date: 1978-02-24
Publication date: 1981-06-19
Also published as: DE2807979B2; DE2807979A1

Description

Sund der Technik

Die Erfindung betrifft ein Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem wie im Oberbegriff des Anspruchs t angegeben. Ein derartiges Einwegentfernungsmeßsystem ist aus dem Buch »Funksysteme für Ortung und Navigation«, Verlag Berliner Union GmbH,

Stuttgart 1973, Seiten 363 und 364, bekannt.

Die Entfernungsmessung erfolgt bei den bekannten Einwegentfernungsmeßsystemen durch Phasenvergleich einer von einer Sendestation abgestrahlten HF-Schwingung und einer in einer Meßstation erzeugten HF-Schwingung. Die HF-Schwingung kann auch Zeitbezugszeichen - z. B. Impulse - enthalten; dann kann die Entfernungsmessung analog zur Phasenauswertung durch eine Zeitauswertung erfolgen.

Vor Beginn eines Flugs - die Meßstation befinde sich an Bord eines Flugzeugs, d. h. die Meßstation ist das Bordgerät, — wird die in dem Bordgerät erzeugte HF-Schwingung mit der in der Sendestation erzeugten HF-Schwingung synchronisiert In einer bestimmten Entfernung ist aufgrund der Laufzeit der elektromagnetischen Welle die in der Sendestation erzeugte u^d von dem Bordgerät empfangene HF-Schwingung bezogen auf die in dem Bordgerät erzeugte HF-Schwingung verzögert Aufgrund der durch diese Verzögerung verursachten Phasen- bzw. Zeitverschiebung wird die Entfernung gemessen.

Um die gewünschte Entfernungsmeßgenauigkeit zu erreichen, sind üblicherweise sowohl in der Sendestation als auch in dem Bordgerät hochkonstante (10-'° bis 10-'²) Oszillatoren notwendig. Während dieser Aufwand in der Sendestation wegen der verhältnismäßig geringen Anzahl von Sendestationen noch vertretbar ist, sind die Kosten für das Bordgerät d.h. für den Benutzer des Gesamtsystems, für eine Einführung des Einwegentfernungsmeßsystems auf breiter Basis zu groß.

In der eingangs zitierten Literaturstelle ist erwähnt daß im Bordgerät auch einfachere Zeitnormale, d.h. nicht hochkonstante Oszillatoren ausreichen, sofern man diese Bordgeräte von Zeit zu Zeit nachsynchronisiert

Aufgabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Einwegentfernungsmeßsystem anzugeben, bei dem die Zeitabstände, nach denen eine Nachsynchronisation notwendig wird, zumindest relativ groß gemacht werden können.

Lösung

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteile

Die Abweichung des nicht konstanten Oszillators im Bordgerät von einem Sollwert wird im Bordgerät ohne zusätzliche Synchronisationssignale erkannt

Die Meßsignale können auch von Sendestationen bekannter Navigationssysteme, z. B. von einer TACAN-Sendestation, abgestrahlt werden. Dadurch können diese Sendestationea und die von ihnen benutzten Frequenzbereiche mehrfach ausgenutzt werden.

Beschreibung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des für die Erfindung wesentlichen Teils des Bordgerätes,

Fig.2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel des für die Erfindung wesentlichen Teils des Bordgerätes,

Fig.3 bis Fig.6 Diagramme zur Erläuterung der Funktion des Bordgerätes.

Als Sendestation kann beispielsweise eine GPS(Glo·

bal Positioning System)-Sendestation. eine TACAN-Sendestation oder auch eine Sendestation, die CW-Signale abstrahlt, verwendet werden. Wie bereits erwähnt, ist es hinsichtlich der benötigten Frequenzen besonders vorteilhaft, wenn die Sendestation auch andere Navigationsinformationen liefern kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn eine TACAN-Sendesta-

tion verwendet wird.

Es wird deshalb angenommen, daß die Sendestation eine TACAN-Sendestation ist TACAN-Sendestationen (i. A, sind dies die Bodenstationen) sind beispielsweise in dem Buch »Funksysteme für Ortung und Navigation«, Verlag Berliner Union GmbH, Stuttgart 1973, auf den Seiten 161 bis 169 beschrieben. Sie werden hier deshalb nicht näher erläutert

Von TACAN-Sendestationen werden unter anderem aus Impulsen bestehende 135-Hz-Bezugssignale abgestrahlt Diese lSS-Hz-TACAN-Bezugssignale werden in dem Bordgerät als genaue Zeitbezugsmarken verwendet Dies setzt voraus, daß die 135-Hz-Bezugssignale von der Sendestation in sehr konstanter Folge abgestrahlt werden müssen, was technologisch realisierbar ist Abgesehen von dieser, verglichen mit bekannten TACAN-Sendestationen erhöhten Genauigkeit können für die Einwegentfernungsmessung TACAN-Sendestationen unverändert verwendet werden, was besonders vorteilhaft ist

Als nächstes wird anhand der F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Bordgerätes erläutert Auch hier wird wieder angenommen, daß ein TACAN-Bordgerät verwendet wird, das jedoch — wie nachfolgend beschrieben - erweitert ist Im folgenden wird nur dieser Zusatz beschrieben, da das TACAN-Bordgerät ebenfalls in dem Buch von R Krarnar beschrieben ist Für das Verständnis der Erfindung und die Funktionsweise des gesamten Bordgerätes ist lediglich wichtig zu wissen, daß das TACAN-Bordgerät eine 135-Hz-Impulsfolge abgibt woraus sich aneinandergereihte Zeitbereiche, die jeweils '/13SS lang sind, ergeben. Diese Impulsfolge wird dem in F i g. 1 dargestellten Zusatz zum bekannten TACAN-Bordgerät zugeführt

Der Zusatz zum TACAN-Bordgerät enthält einen Oszillator 1, dessen Ausgangssignal, das beispielsweise eine Frequenz von 135 MHz hat, einem ersten 4 und einem zweiten 3 Zähler zugeführt wird. Der zweite Zähler 3 erhält außerdem die 135-Hz-TACAN-lmpulsfolge, deren Impulse als Meßimpulse verwendet werden, und der erste Zähler 4 eine an Bord erzeugte 135-Hz-Impulsfolge, deren Impulse als Bezugsimpulse verwendet werden. Diese Impulsfolge wird durch einen Bordquarzoszillator 5, dem ein Teiler 6 und eine Verzögerungseinrichtung 7 nachgeschaltet sind, er* zeugt Die Zähler 3,4 werden von jedem neuen Impuls einer Impulsfolge auf Null gestellt Die maximalen Zählerstände der Zähler 3,4 werden einem μ-Rechner 2 zugeführt, in dem aus den Zählerständen die Entfernung ermittelt wird so

Dies wird nachfolgend anhand der F i g. 3 bis 6 näher erläutert

Wie bereits erwähnt, gibt der Taktgeber für die Zähler - der Bordoszillator 1 - ein Signal mit der Frequenz 135 M Hz ab. Die Zähler 3,4 zählen jeweils die Taktimpulse zwischen aufeinanderfolgenden Meßimpulsen und aufeinanderfolgenden Bezugsimpulsen, d. h. jeweils während </i3s s. Unter der Voraussetzung, daß das Bordgerät in Ruhe ist und daß der Bord^uarzoszillator 5 und der Bordoszillator i sehr konstant sind, erreichen beide Zahlerden maximalen Zählerstand 10⁶,

Zu Beginn des Flugs, d. h. in der Entfernung Null oder in einer anderen genau bekannten Entfernung wird die Verzögerungseinrichtung 7 über den μ-Rechner 2 von einem Bediengerät aus so eingestellt, daß die vom Teiler <>■> 6 abgegebenen 135-Ht-Bezugsimpulse zeitlich mit den 135-Hz-Meßimpulsen, die von der Sendestation abgestrahlt werden, zusammenfallen. In der Zeit von einem Impuls zu dem nächsten Impuls, d. h, während '/135 s zählen die Zähler 3, 4 jeweils auf 10⁶, Gleicher Zählerstand zur gleichen Zeit bedeutet Entfernung Null. In dem in F i g, 3a dargestellten Beispiel erreichen beide Zähler zu den Zeiten T₀ (hier ist der Zählerstand Null), T\ bzw. T₂ gleiche Zählerstände Z₀, Z\ bzw. Z₂.

Befindet sich das Flugzeug in einer bestimmten Entfernung, dann benötigt das HF-Signal, das mit dem 135-Hz-TACAN-Bezugssignal moduliert ist eine bestimmte Zeit, bis es das Flugzeug erreicht Diese Zeit ist der Entfernung proportional. Der erste Zähler 4, dem die Bezugsimpulse zugeführt werden, erreicht einen dieser Zeitspanne proportionalen größeren Zählerstand. Es ist z. B. zur Zeit 71 der Zählerstand Z\ des ersten Zählers 4 größer als der Zählerstand Z\' des zweiten Zählers 3; entsprechendes gilt für die Zeit T₂ und die Zählerstände Z₂ und Z₂'. Die Differenzen Zi-Zi' bzw. Zi-Z₂ sind gleich und proportional zur Entfernung. Um genaue Entfernungsmessungen zu erhalten, ist es notwendig, daß der Bordquarzoszillator 5 hochkonstant ist

Gegenüber diesem angenommenen Idtalfall treten jedoch folgende Schwankungen auf:

— der Bordquarzoszillator 5 ist nicht hochkonsiant (wenn man ein billiges Bordgerät erhalten will);

— der Bordoszillator 1 ist nicht hochkonstant;

— infolge der Flugzeugbewegung weicht der Abstand der 135 Hz-Meßimpulse geringfügig von '/135 s ab.

Wie bereits erwähnt erhalten beide Zähler 3 und 4 Taktimpulse von demselben Bordoszillator 1. Der erste Zähler 4 muß also, wenn der Bordquarzoszillator 5 mit der richtigen Frequenz schwingt denselben maximalen Zählerstand wie der zweite Zähler, dem die Meßimpulse mit dem hinreichend genauen Abstand </i3s s zugeführt werden, erreichen. Ist dies nicht der Fall, dann kann der Bordquarzoszillator 5 in Abhängigkeit von der Differenz der maximalen Zählerabstände nachgeregelt werden. Alternativ hierzu kann die Abweichung der Bezugsimpulsabstände vom Sollwert Vi 35 s auch bei der Auswertung im μ-Rechner berücksichtigt werden.

Hierbei wurde jedoch angenommen, daß die Meßimpulse den richtigen Abstand haben.

Nachfolgend wird beschrieben, wie die Korrektur durchgeführt wird, wenn auch der durch die Bewegung verursachte Frequenzfehler berücksichtigt werden soll.

In der Fig.4a bis 4d ist jeweils die Zeitspanne zwischen zwei Impulsen angegeben. In diese Zeitspanne fallen im dargestellten Beispiel 25 Taktimpulse. Zur verständlicheren Darstellung wurde hier eine unrealistisch kleine Taktinipulszahl angenommen. Ebenso werden für die Schwankungen unverhältnismäßig große Änderungen angenommen. Die tatsächliche Taktimpulszah! ist am rechten Rand angegeben. Sie beträgt bei den angenommenen Frequenzen 10*. In der Fig.4a hat die Zeitspanne (¹Aw s) den Sollwert Is und die Taktfrequenz hat ebenfalls ihren Sollwert (q.

In der F i g. 4b ist angenommen, daß die Taktfrequenz den Wert {q+&(q annimmt, d. h. sie weicht um Afp ab. Die Taktimpulszahl während tu ist in der gewählten Darstellung 31, im Realfall beispielsweise 10⁶+2, In der Fig. 4c weicht außer der Taktfrequenz auch i/v um ADtu (verursacht durch die Bewegung des Bordgerätes) von dem Sollwert ab. Die Taktimpulszahl in der Darstellung ist 33 + 2, im Realfall z.B. 106 + 2+1. Bei einer angenommenen relativen Geschwindigkeit von 1000 km/h in Bezug auf die Sendestation ist Δ Dtsi ca. 7 ns. Somit kann in die Zeit In+ΔDtN bei einer

Taktfrequenz von 135 MHz ein zusätzlicher Taktimpuls fallen. In der Fig.4d ist angenommen, daß auch der Bordquarzoszillator 5 schwankt, womit eine Änderung der Zeit In zwischen Bezugsimpulsen um ΔΟΙν verbunden ist. Es werden bei dem dargestellten Beispiel > 33 + 3 Taktimpulse und im Realfall 1O* + 2 + 2 Taktimpulse gezählt.

In den Fig.4e bzw. 4f sind mehrere aufeinanderfolgende Meßimpulse bzw. Bezugsimpulse dargestellt, und es sind die jeweils erreichten maximalen Zählerstände in Zm bzw. Zb angegeben. Es wird darauf hingewiesen, daß in der Darstellung die Zählabweichungen infolge der Schwankungen auf die einzelnen Ursachen aufgegliedert sind. Der Zähler hingegen zählt nur den Endstand. Bildet man die Summe Zm + Ze und zieht hiervon 2 10* ι *> ab, dann erhält man die Differenz AZ. Diese Differenz ist in analoger Form in F i g. 4g dargestellt. Sie setzt sich aus den punktiert dargestellten Fehleranteilen zusammen. Aus dem Verlauf für AZ können die Fehleranteile, die durch die Bewegung des Bordgerätes und die 2» Schwankung des Bordquarzoszillators 5 verursacht werden, ermittelt werden. Wie dies geschieht, wird weiter unten näher erläutert.

Der bisherigen Beschreibung wurde das Bordgerät nach Fi g. 1 zugrundegelegt. Gleiche Ergebnisse erzielt >> man auch mit einem Bordgerät nach F i g. 2.

Einem Zähler 10 werden die 135-Hz-MeBimpulse und die Taktimpulse des Bordquarzoszillators 11 zugeführt. Die Zählerstände werden zu dem μ-Rechner 2 übermittelt. Dies stimmt mit dem Ausführungsbeispiel i< > nach F i g. I überein. Die Taktimpulse werden außerdem einem Teiler 8 zugeführt, der die 135-Hz-Bezugsimpulse erzeugt. Die Bezugsimpulse werden über eine einstellbare Verzögerungseinrichtung 9 dem μ-Rechner 2 zugeführt. Die Verzögerungseinrichtung 9 wird von π dem Bediengerät über den μ-Rechner 2 zu Beginn des Flugs so gesteuert, daß die gewünschte Synchronisation von Meßimpulsen und Bezugsimpulsen erfolgt. Dies stimmt ebenfalls mit dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 überein. -w

In den F i g. 5a - 5d ist entsprechend den F i g. 4a - 4d dargestellt, welche Schwankungen auftreten können.

FVe Aneah*»n in F i σ ζη Rntcnrprhpn Hpn Snllu/prtpn In F i g. 5b ist angenommen, daß die Taktfrequenz /ipum A (q größer ist. ^4ί·

Da bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand der Bezugsimpulse aus dem Bordquarzoszillator 11 abgeleitet wird und dieser im angenommenen Fall mit einer höheren Frequenz schwingt, wird der Abstand zwischen den Bezugsimpulsen entsprechend der Oszillator- w Schwankung kleiner, d. h. A OtN ist in diesem Fall negativ. Wie leicht zu sehe-ist — fAfwird um AOtskleiner, (qist um den entsprechenden Betrag Afp größer - liegen zwischen allen Bezugsimpulsen 10* Taktimpulse (F ig. 5b).

In der Zeitspanne In werden jedoch mehr Taktimpulse gezählt (in der Darstellung 25 + 8). z.B. 10*+ 2 (Fig. 5d). Die Werte, die man erhält, wenn sich außer der Bordquarzoszillatorschwankung auch der Abstand zwischen den Meßimpulsen infolge der Bewegung w ändert, sind in F i g. 5d dargestellt.

In der F i g. 5e sind die Zählerstände für aufeinanderfolgende Perioden dargestellt. Zieht man hiervon jeweils 10⁶ ab und wählt man eine analoge Darstellung dieser Differenz, dann erhält man F i g. Sf, die der Fi g. 4g entspricht.

Es wurde hier angenommen, daß die vom Bordquarzoszillator 11 verursachte Abweichung in dem betrachteten Zeitraum nicht konstant ist, sondern daß sie sich linear ändert. Die Gesamtabweichung setzt sich also aus der Bordquarzoszillatorabweichung und der Abweichung infolge der Bewegung zusammen.

Für diesen Fall wird erläutert, wie diese beiden Anteile getrennt werden können. Entsprechendes gilt für die in F i g. 4g dargestellten Schwankungen.

Führt man im Rechner 2 eine Fourieranalyse dieses Differenzsignals über z. B. 135 Perioden (Entsprechend I s) durch, dann ergibt sich das in Fig.6 dargestellte Frequenzspektrum. Dem Spektrum ist zu entnehmen, daß das Gesamtspektrum aus zwei trennbaren Teilspektren besteht, von denen eines von der Bordgeratbewegung und das andere von der Abweichung des Oszillators 1 bzw. 5 (aus den Signalen dieser Oszillatoren werden die Bezugsimpulse abgeleitet) von seiner Sollfrequenz verursacht wird.

Die Mittenfrequenzen der beiden Spektren, die durch ein digitales Filter voneinander getrennt werden können, werden numerisch ermittelt. Dies ist beispielsweise auf den Seiten 44-8 bis 44-10 des Reference Data for Rudtk· Engineers Howard W. Sams, New York. 1975 beschrieben.

Die Frequenz f_a die zur Oszillatorschwankung proportional ist, kf.nn dazu verwendet werden, den Bordoszillator 5 oder den Bordquarzoszillator 11 (beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2) nachzuregeln. Es ist weiterhin möglich, den hierdurch bedingten Fehler bei der Entfernungsauswertung im μ-Rechner 2 geeignet zu berücksichtigen.

Ebenso kann die Frequenz /"» die der relativen Geschwindigkeit des Bordgeräts proportional ist. dazu verwendet werden, die Abweichung des Meßimpulsabstandes von '/us s bei der Auswertung auf geeignete Weise zu berücksichtigen.

Dip F.nifprniing von Bordgerät zu Bodenstation erhält man besonders vorteilhaft, wenn man aus der Frequenz (o die Relativgeschwindigkeit berechnet und diese Relativgeschwindigkeit über die Zeit integriert.

Wie oben beschrieben, wird die Frequenz fa dazu verwendet, die Abweichungen der Abstände zwischen den Meßimpulsen von '/ims infolge der Bewegung zu berücksichtigen. Die Frequenz f_D ist der Relativgeschwindigkeit proportional. Die Abweichungen können demnach auch dann berücksichtigt werden, wenn die Relativgeschwindigkeit auf eine andere Weise als hier beschrieben ermittelt wird

Wie dem bereits zitierten Buch von E. Kramar entnommen werden kann, ist mit TACAN auch eine DME-Entfernungsmessung möglich. Diese Entfernungsmessung kann in bestimmten Zeitabständen zur Kontrolle der Einwegentfernungsmessung oder zur erneuten Synchronisation während des Flugs verwendet werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bordgerät für ein Einwegentfernungsmeßsystem, in dem anhand eines empfangenen hochkonstanten Meßsignals, das von einer Sendestation abgestrahlt wird, und eines in dem Bordgerät von einem nicht hochkonstanten Oszillator erzeugten Bezugssignals die Entfernung zur Sendestation ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Ober eine bestimmte Anzahl von Signalperioden die Schwankungen der Differenzen der Periodendauern von Meßsignal und Bezugssignal in einem Rechner (2) einer Fourieranalyse unterzogen werden, wodurch man zwei Frequenzanteile erhält, von welchen einer den Schwankungen des Bordoszillators (5,11) und der andere der Dopplerverschiebung, d.h. der Relativgeschwindigkeit zur Sendestation, proportional ist, und daß der den Schwankungen entsprechende Frequenzanteil zur Nachregelung des Bordosii/Iators (5, 11) verwendet oder bei der Entfernungsermittlung berücksichtigt wird, oder daß durch Integration der Relativgeschwindigkeit die Entfernung ermittelt wird.

2. Bordgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Bezugssignal impulsförmige Signale sind, daß ein Zähler (10; vorgesehen ist, der von jedem Impuls des Meßsignals zurückgestellt wird, daß die Taktimpulse für den Zähler und die Impulse des Bezugssignals, deren Iinpulsfolgefrequenz gleich der des Meßsignals ist, von dem nicht hochkonstanten Oszillator (U) abgeleitet werden und daß zur Bestimmiing der Schwankungen der Differenzen der Perioder.dauern in einem Rechner (2) von dem maximalen Zählerstr ld des Zählers (10) die Taktimpulszahl pro Abstand zwischen zwei Impulsen des Bezugssignals abgezogen wird.

3. Bordgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Meß- und Bezugssignal impulsförmige Signale sind, daß ein erster Zähler (4) von den *« Impulsen des Bezugssignals, deren Impulsfolgefrequenz gleich der des Meßsignals ist und das von dem nicht hochkonstanten Oszillator (5) abgeleitet wird, und ein zweiter Zähler (3) von den Impulsen des Meßsignals zurückgestellt werden, daß die Taktimpulse für die beiden Zähler von einem Oszillator (1) abgeleitet werden und daß zur Bestimmung der Schwankungen der Differenzen der Periodendauern in einem Rechner (2) die Summen öder die Differenzen der maximalen Zählerstände gebildet ^M werden.