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NAVIGATIONSSYSTEM ZUR RICHTUNGS-
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UND ENTFERNUNGSMESSUNG Stand der Technik Die Erfindung betrifft ein
Navigationssystem wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben. Ein derartiges Navigationssystem
ist aus der Druckschrift "STEFAN, Sektor-Fahrzeugnavigationssystem" der Firma Standard
Elektrik Lorenz AG, Stuttgart 1975 bekannt. Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses
Navigationssystem ist in der deutschen Patentanmeldung P 28 08 982 beschrieben.
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Aufgabe Bei der in der Patentanmeldung P 28 08 982 beschriebenen Lösung
ist der Transponder der richtungsbestimmende Teil des Navigationssystems. Es ist
Aufgabe der Erfindung, ein Navigationssystem anzugeben, bei dem die Meßstation der
richtungsbestimmende Teil ist.
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Lösung Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Vorteile Da bei dieser Lösung der richtungsbestimmende Teil zur Meßstation
gehört, kann auf einfache Weise die Ausrichtung der Leitlinie (elektronisch oder
mechanisch) verändert werden.
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Die Meßstation kann beispielsweise das Bordgerät eines navigierenden
Fahrzeugs oder die Überwachungsstation eines Verkehrsüberwachungssystems sein, d.h.
die Daten fallen je nach Anwendung wahlweise an der Fest- oder der Bewegtstation
an.
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Mit der Weiterbildung dieses Navigationssystems, bei der die Winkel-
und Entfernungsauswertung wahlweise durch den Transponder oder die Meßstation erfolgt,
erzielt man eine optimale Flexibilität.
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Beschreibung Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise
näher erläutert. Es zeigt; Fig.1 die räumliche Anordnung von Bordgerät und Transponder;
Fig.2 ein Blockschaltbild des Bordgerätes; Fig.3 ein Blockschaltbild des Transponders;
Fig.4, 5 Blockschaltbilder für Einrichtungen, die sowohl als Transponder als auch
als Bordgerät verwendet werden können.
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In Fig.1 überquert ein Wasserfahrzeug mit einem Bordgerät (wird anhand
der Fig,2 näher erläutert) einen Fluß vom einen zum anderen Ufer. Als Navigationshilfe
ist am anderen Ufer ein Transponder (wird anhand der Fig.3 näher erläutert) installiert.
Eine Navigation ist solange möglich, wie der Transponder innerhalb eines durch die
Bordgeräteantennen festgelegten Sektors liegt. Außerhalb dieses Sektors sind die
Messungen mehrdeutig und es müssen für diesen Fall weitere Einrichtungen, die eine
Eindeutung ermöglichen, installiert werden. Bei dieser Anwendung - und somit auch
bei der weiteren Beschreibung - ist angenommen, daß die Meßstation das Bordgerät
ist.
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Das Bordgerät mißt die Entfernung Y zu dem Transponder und den Winkelih
zwischen einer Geraden durch Bordgerät und Transponder und einer Leitlinie. Die
Leitlinie ist die Winkelhalbierende des Sektors.
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Das Bordgerät hat zwei Antennen 29, 30, die einen Abstand b voneinander
haben. Der Sektor (und somit auch die Leitlinie) kann mechanisch oder elektronisch
geschwenkt werden, was hier jedoch nicht näher erläutert wird, weil diese Erweiterung
vom Fachmann ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden kann.
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Das Schwenken der Leitlinie und somit des Sektors ist vorteilhaft,
weil in diesem Fall der Sektor so ausgerichtet werden kann, daß der Transponder
unabhängig von der Ausrichtung des Wasserfahrzeugs innerhalb des Sektors liegt.
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Die Entfernungg vom Bordgerät zum Transponder wird aus der Laufzeit
eines vom Bordgerät abgestrahlten Signals zum Transponder und zurück ermittelt.
Die Laufzeit ist auch der Phasenverschiebung zwischen dem abgestrahlten und dem
empfangenen Signal proportional. Deshalb wird die Entfernung aus der Phasenverschiebung
zwischen einem Abfrageentfernungsmodulationssignal und einem im Empfänger des Bordgerätes
demodulierten Antwortentfernungsmodulationssignal ermittelt.
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Der Zusammenhang zwischen den Signalen wird anhand der weiteren Figuren
näher erläutert.
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Die Messung des Winkels 9 , der die Abweichung der Richtung zum Transponder
von der Leitlinie angibt, kann durch Auswertung der unterschiedlichen Laufzeiten
der von den beiden Bordgeräteantennen 29, 30 abgestrahlten Signale zu der Transponderantenne
13 erfolgen.
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Während bei der Entfernungsmessung das niederfrequente Modulationssignal
die Entfernungsinformation enthält, ist bei der Winkelmessung die Richtungsinformation
in der Laufzeitdifferenz - und somit auch in der Phasendifferenz -zweier hochfrequenter
Signale enthalten.
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Weil die genaue Messung der hochfrequenten Phase technisch sehr aufwendig
ist, werden von den Bordgeräteantennen zwei hochfrequente Signale abgestrahlt, wobei
eines der beiden hochfrequenten Signale mit einem kohärenten Frequenzversatz fR
ausgestattet ist. Der hochfrequente Phasenunterschied zwischen den von den beiden
Bordgeräteantennen abgestrahlten und von der Transponderantenne empfangenen hochfrequenten
Signale bildet sich direkt auf die Niederfrequenz fR ab.
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Diese Niederfrequenz enthält also die Richtungsinformation und sie
wird phasenkohärent zum Bordgerät übertragen. Dort wird durch Phasenvergleich des
empfangenen Signals mit der Frequenz zur und dem im Bordgerät erzeugten Winkelmodulationssignal
fR der Winkelig, bestimmt. Er ergibt sich aus der Gleichung (?= 2w b sin 1, wobei
q der Phasenunterschied zwischen den beiden Signalen mit der Frequenz f A die der
Frequenz fTB (wird weiter unten näher erläutert) entsprechende Wellenlänge und b
der Abstand der Bordgeräteantennen in Wellenlängen A ist.
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Anhand der Fig.2 wird zunächst das Bordgerät erläutert.
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Ein in einem HF-Oszillator 21 erzeugtes Dauerstrichsignal fTB (fTB
ist beispielsweise 1205 MHz) wird in einem Zweiseitenbandmodulator 22 mit dem Abfrageentfernungsmodulationssignal
fGB (fGB ist beispielsweise 200 kHz) moduliert. Die Ausgangssignale des Modulators
22 haben die Frequenzen fTB und
fTB i fGB. Sie werden in einem
Verstärker 23 verstärkt und von der Antenne 29 abgestrahlt. Das Dauerstrichsignal
wird außerdem einem Einseitenbandmodulator 27 zugeführt und dort mit dem Winkelmodulationssignal
fR (fR ist beispielsweise 1,2 kHz) moduliert. Das Ausgangssignal des Modulators
27 hat die Frequenz fTB + fR (der Träger wird unterdrückt). Es wird TB R in einem
Verstärker 28 verstärkt und von der Antenne 30 abgestrahlt.
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Ein Teil dieser Signale gelangt auch zu einem Empfänger 25.
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Zwischen den Antennen 29, 30 und dem Empfänger 25 befinden sich nur
passive Leitungsstücke gleicher Länge. Frequenzweichen zur Trennung der Sendesignale
und der über die beiden Antennen empfangenen Signale sind nicht notwendig, wenn
sich die Signalpegel um mehr als 10 dB unterscheiden. Diese Forderung wird bei einem
Abstand von 0,5 m zwischen Bordgerät und Transponder bereits übertroffen. Die Sender
(21, 22, 23 bzw. 21, 27, 28) wirken in diesem Fall auf die empfangenen Signale wie
50Q-Widerstände.
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Die abgestrahlten Signale gelangen zu dem Transponder (Fig.3), wo
sie vorn der Antenne 13 aufgenommen und zu einem Empfänger 10 geleitet werden. An
die Antenne 13 ist außerdem ein Sender, bestehend aus Verstärker 3, Zweiseitenbandmodulator
2 und HF-Oszillator 1, angeschlossen. Aus den oben erläuterten Gründen sind auch
hier zwischen Sender und Empfänger keine Frequenzweichen notwendig.
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Der Empfänger 10 erhält folgende Signale: Winkelabfragesignale: fTBt
fTB+fR Entfernungsabfragesignale: FTB' fTB + fGB Ausgangssignale des Verstärkers
3: fTU' f f fGUi tf tf TU' TU GU TU R
Der Frequenzunterschied zwischen
den Träger frequenzen fTB-fTu ist die für die Verarbeitung im Empfänger 10 maßgebliche
Zwischenfrequenz fz; es sind keine zusätzlichen Signale zum Heruntermischen in niedrigere
Frequenzbereiche notwendig. Der Empfänger enthält u.a. einen Hüllkurvendetektor
und es wird eine additive Mischung durchgeführt. Diese Ausführungen zu dem Empfänger
10 sind auch für den Empfänger 25 mit den dort vorhandenen Frequenzen des Bordgerätes
(Fig.2) gültig. Von den im Empfänger 10 erzeugten Signalen werden nur das Signal
mit der Frequenz zur und das Signal mit der Frequenz fGB weiterverarbeitet.
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In der Phasenverschiebung des Signals mit der Frequenz fR gegenüber
dem Modulationssignal mit der Frequenz zur im Bordgerät ist die Winkelinformation
enthalten. Das vom Transponder abgestrahlte Signal muß daher diese Phase - entsprechendes
gilt für die Phase des Entfernungsmodulationssignals - unverfälscht enthalten.
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Das Winkelmodulationssignal zur wird einerseits dem bereits erwähnten
Zweiseitenbandmodulator 2, der weiterhin das vom HF-Oszillator 1 erzeugte Dauerstrichsignal
erhält, und andererseits einem Frequenzverdoppler 12 zugeführt. Das Entfernungsmodulationssignal
fGB wird in einem Mischer 11 mit dem Ausgangssignal 2fR des Frequenzverdopplers
gemischt. Das Ausgangssignal des Mischers 11, das die Frequenz fGU=fGB-2fR hat,
ist das Antwortentfernungsmodulationssignal und wird ebenfalls dem Zweiseitenbandmodulator
2 zugeführt.
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Der Zweiseitenbandmodulator 2 erzeugt Signale mit den Frequenzen fTU'
fTU fR und fTUffGU' die in dem Verstärker 3 verstärkt und über die Antenne 13 abgestrahlt
werden.
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Die von dem Transponder abgestrahlten Signale werden von den Antennen
29 und 30 des Bordgerätes empfangen und über einen Leistungsteiler 15 dem Empfänger
25 zugeführt. Durch den Leistungsteiler 15 sind die beiden Antennen 29, 30 zueinander
mit 30 dB entkoppelt.
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Befindet sich der Transponder nicht auf der Leitlinie, dann gelangen
die Entfernungsantwortsignale zu unterschiedlichen Zeiten und somit mit unterschiedlichen
Phasen zu den beiden Antennen (entsprechendes gilt für die Abstrahlung vom Bordgerät).
Da sich die über die beiden Antennen empfangenen gleichfrequenten Signale überlagern,
wird dieser Fehler ausgemittelt. Selbst wenn dies nicht der Fall wäre, würde dies
nicht stören, denn bei den gewählten Frequenzen könnte dieser Fehler vernachlässigt
werden. Bei der Winkelmessung ist zu berücksichtigen, daß die vom Bordgerät abgestrahlten
Winkelabfragesignale einseitenbandmoduliert sind und daß sich nur deshalb die hochfrequente
Phasendifferenz auf die Niederfrequenz fR abbildet. Die von dem Transponder abgestrahlten
Winkelantwortsignale hingegen sind zweiseitenbandmoduliert.
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Es gelten daher dieselben Überlegungen wie für das Entfernungsantwortsignal.
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Nachfolgend wird anhand der Fig.2 die weitere Auswertung beschrieben.
Wie bereits erwähnt, werden im Bordgerät aus einem NF-Oszillator 29 ein Winkelmodulationssignal
f und R ein Abfrageentfernungsmodulationssignal fGB abgeleitet. Das Abfrageentfernungsmodulationssignal
fGB wird in einem Mischer 30 mit dem im Empfänger 25 erzeugten Antwortentfernungsmodulationssignal
fGU gemischt. Das Mischerausgangssignal mit der Frequenz 2fR wird einer Phasenvergleichsmeßeinrichtung
31 zugeführt,
die als Bezugssignal das im Empfänger 25 erzeugte
Winkelmodulationssignal R' dessen Frequenz in einem Frequenzverdoppler 26 auf 2fR
verdoppelt wird, erhält. Würde man das Bezugssignal 2f direkt aus dem Ausgangssignal
des NF-Oszil-R lators 29 ableiten, dann würde das Meßergebnis des Phasenvergleichers
noch einen Phasenanteil enthalten, der dem Winkels proportional ist, denn das Antwortentfernungsmodulationssignal
fGU wurde im Transponder aus dem phasenverschobenen Winkelmodulationssignal zur
abgeleitet.
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Aus dem in der Phasenvergleichseinrichtung 31 gemessenen Phasenwert
wird auf bekannte Weise die Entfernung 9 berechnet.
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Hierbei kann gegebenenfalls der auf den Winkeln zurückgehende Teil
der Phasenverschiebung von fGU - wenn das Bezugs signal aus dem NF-Oszillator 29
abgeleitet wurde - berücksichtigt werden.
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Zur Winkelmessung wird einer weiteren Phasenvergleichseinrichtung
32 als Bezugssignal das Ausgangssignal des NF-Oszillators 29 zugeführt, wobei dessen
Frequenz vorher in einem Frequenzteiler auf fR heruntergeteilt wird, und als richtungsabhängiges
Signal erhält die Phasenvergleichseinrichtung 32 das Ausgangssignal fR des Empfängers
25. Aus der gemessenen Phasenverschiebung wird nach der o.a. Gleichung der Winkel
4 berechnet. Die Berechnung von tS und f kann in einem (nicht dargestellten) Rechner
durchgeführt werden.
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Das Bezugssignal zur ist auch das oben erwähnte Winkelmodulationssignal,
das dem Einseitenbandmodulator 27 zugeführt wird. Das Ausgangssignal fGB des NF-Oszillators
ist das Abfrageentfernungsmodulationssignal, das dem Zweiseitenbandmodulator 22
zugeführt wird.
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Durch die gewählten Frequenzbeziehungen der Modulationssignale zueinander
wird verhindert, daß durch Nichtlinearitäten im hochfrequenten Übertragungssystem
(Modulatoren, Demodulatoren, Verstärker usw.) unerwünschte Mischprodukte und damit
Verfälschungen der Entfernungsmeßwerte entstehen können. Ohne die Teilung bzw. Verdopplung
der Referenzfrequenz würde die Winkelmessung bereits prinzipbedingt (infolge der
Mischprodukte) die Entfernungsmessung verfälschen.
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Zur Reduzierung der durch Mehrwegausbreitung verursachten Fehler können
anstatt der Antenne 13 für den Transponder,wie in der deutschen Patentanmeldung
P 28 08 982 beschrieben, zwei hintereinander angeordnete Antennen verwendet werden.
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Die Antennen haben einen Abstand von mehreren Betriebswellenlängen
und es wird von Zeit zu Zeit von einer Antenne zur anderen Antenne umgeschaltet
und die Meßergebnisse werden gernittelt.
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Mit diesem Navigationssystem erhält man sehr gute Meßergebnisse.
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Diese lassen sich noch weiter verbessern, wenn im Bordgerät und im
Transponder Regelschleifen vorgesehen sind, die die Signallaufzeiten der für die
Auswertung wichtigen Signale regeln und die korrekte Abstrahlung überprüfen. Zur
Vermeidung von Phasenfehlern müssen beispielsweise die Laufzeiten der Modulationssignale
im Transponder exakt auf ganzzahlige Vielfache der Modulationssignalperioden ergänzt
werden. Hierfür geeignete Itegelschleifen und Monitorschleifen zur Überwachung der
richtigen Signalabstrahlung sind in der bereits zitierten deutschen Patentanmeldung
anhand der Fig.4 und 5 ausführlich beschrieben. Sie können vom Fachmann leicht an
das Bordgerät bzw. den Transponder dieser Anmeldung angepaßt werden.
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Wenn die Entfernungs- bzw. die Winkelauswertung wahlweise im Transponder
oder im Bordgerät ausgeführt werden soll, kann auf einfache Weise eine Erweiterung
erfolgen. Die Geräte können dann wahlweise zur Verkehrsüberwachung oder zur Eigennavigation
verwendet werden. Anhand der Fig.4 wird das entsprechend ergänzte Bordgerät beschrieben.
Es ist zusätzlich ein Mischer 24 vorgesehen, dem einerseits das Ausgangssignal fGU
des Empfängers 25 und andererseits das Ausgangssignal des Frequenzverdopplers 26
zugeführt werden. Dem Zweiseitenbandmodulator 22 wird wahlweise das Ausgangssignal
des NF-Oszillators 29 oder des Mischers 24 zugeführt und dem Einseitenbandmodulator
27 wird wahlweise das Ausgangssignal zur des Teilers 33 oder das Ausgangssignal
fR des Empfängers 25 zugeführt. Die Auswahl erfolgt über Schalter 35 und 36, die
von einer Schaltersteuerung 34 gesteuert werden. Der HF-Oszillator 21, der Zweiseitenbandmodulator
22, der Verstärker 23, der Frequenzverdoppler 26, der Einseitenbandmodulator 27,
die Verstärker 23, 28, der Empfänger 25, der Leistungsteiler 15 und die Antennen
29, 30 werden sowohl beim "Bordgerätebetrieb" als auch beim "Transponderbetrieb"
verwendet. Bei der Verwendung als Bordgerät werden die durch ausgezogen gezeichnete
Linien dargestellen Teile und bei der Verwendung als Transponder werden die durch
gestrichelt gezeichnete Linien dargestellten Teile verwendet. Der Transponder nach
Fig.4 entspricht dem Transponder der zitierten Anmeldung.
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Anhand der Fig.5 wird der entsprechend ergänzte Transponder beschrieben.
Das Ausgangssignal eines NF-Oszillators 8 wird einem Teiler 7 zugeführt, dessen
Ausgangssignal einerseits einer Phasenvergleichseinrichtung 6 als Bezugs signal
und
andererseits einem weiteren Teiler 5 zugeführt wird. Dessen
Ausgangsignal wird dem Zweiseitenbandmodulator 2 und einer weiteren Phasenvergleichseinrichtung
4 als Bezugssignal zugeführt. Ein Mischer 9 erhält das Ausgangssignal des NF-Oszillators
8 und das Empfängerausgangssignal fGB. Aus dem Phasenvergleich des entsprechenden
Bezugssignals mit dem Ausgangssignal des Mischers 9 in der Phasenvergleichseinrichtung
6 erhält man ein Signal, das der Entfernungfl proportional ist und aus dem Phasenvergleich
des entsprechenden Bezugssignals mit dem Ausgangssignal fR des Empfängers 10 in
R der weiteren Phasenvergleichseinrichtung 4 erhält man ein Signal, das dem Winkel49'proportional
ist. Im "Bordgerätebetrieb" werden dem Zweiseitenbandmodulator 2 das Ausgangssignal
des NF-Oszillators 8 und das Ausgangssignal des Teilers 5 zugeführt. Die Auswahl
erfolgt mittels Schalter 37, 38, die von einer Schaltersteuerung 16 gesteuert werden.
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Der Empfänger 10, die Antenne 12, der Verstärker 3, der Modulator
2 und der HF-Oszillator werden sowohl bei der Verwendung als Bordgerät als auch
bei der Verwendung als Transponder verwendet. Bei der Verwendung als Transponder
werden die durch ausgezogen gezeichnete Linien dargestellten Teile und bei der Verwendung
als Bordgerät werden die durch gestrichelt gezeichnete Linien dargestellten Teile
verwendet. Das Bordgerät nach Fig.5 entspricht dem Bordgerät der zitierten Anmeldung.
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Je nach gewünschter Anwendung können Bordgerät und Transponder erweitert
werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, daß sowohl für die Winkelals auch für
die Entfernungsmessung jeweils unterschiedlich hohe Frequenzen verwendet werden
können, denn dadurch ist eine Grob/Fein-Messung möglich. Die Entfernungs-Meßgenauigkeit
wird von der höchsten Meßfrequenz und die Winkel-Meßgenauigkeit von der größten
Antennenbasis bestimmt. Die anderen Signale dienen der Eindeutung.
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Wenn die Fahrt entlang einer gewünschten beliebigen Bahnkurve erfolgen
soll, kann die Verarbeitung der Daten in einem Rechner so durchgeführt werden, daß
die "Leitlinie" entsprechend der bisherigen Beschreibung scheinbar den gewünschten
Verlauf hat.
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Das Navigationssystem kann vorteilhafterweise so ergänzt werden, daß
nicht nur eine zweidimensionale Führung sondern auch eine dreidimensionale Führung
möglich ist. Es werden dann zwei senkrecht zueinander stehende Leitebenen (storen)
notwendig. Wenn der Transponder der richtungsbestimmende Teil ist (Fig.4, gestrichelte
Darstellung), ist zusätzlich zu den beiden horizontal angeordneten Antennen 29,
30 noch eine vertikal versetzt angeordnete weitere Antenne notwendig.
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Die zugehörigen Schaltungen zur Signalverarbeitung benötigen nur einen
geringen Aufwand. Als weiteres Signal kann beispielsweise ein weiteres Seitenband
verwendet werden. Ein soiche3Navigationssystem kann beispielsweise besonders vorteilhaft
als Landehilfe für Hubschrauber auf dem Dach eines Hochhauses angeordnet werden.
Dabei ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Antennen direkt auf dem als Massefläche
wirkenden Dach anzuordnen. Hierdurch werden Fehler durch unerwünschte "Antennen-
spiegelungen"
vermieden. Weiterhin stehen die Führungsinformationen beim Anflug bis zum Aufsetzen
ununterbrochen und unverfälscht zur Verfügung.
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Bei einer stationären Anordnung der Auswertestation können Störungen,
die durch Reflexionen verursacht werden, bei der Auswertung in einem Rechner berücksichtigt
werden.
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Es ist weiterhin möglich, für die richtungsbestimmende Station drei
Antennen, die an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet sind, vorzusehen. Dadurch
ist mit der neuen Einrichtung in besonders vorteilhafter Weise eine Rundumbedeckung
möglich.
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Von den drei Antennen können beispielsweise nacheinander jeweils zwei
ausgewählt werden und (z.B. bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2) mit dem Empfänger
und den Verstärkern verbunden werden. Der dritten Antenne kann jedoch auch wie bei
der dreidimensionalen Führung ein weiteres Seitenband zugeführt werden. In diesem
Fall ist in der ganzen Horizontalebene - im Gegensatz zu dem oben angegebenen Fall,
bei dem nacheinander jeweils zwei Antennen ausgewählt werden -gleichzeitig eine
Führung möglich. Durch die dreieckförmig angeordneten Antennen werden drei aneinander
angrenzende oder sich überlappende Sektoren gebildet.
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Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft zur gegenseitigen Vermessung
von mehreren Fahrzeugen geeignet. Die in den Fahrzeugen installierten Geräte werden
hierbei abwechselnd als Transponder oder als Meßstation verwendet.
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Wenn von den Antennen der richtungsbestimmenden Station nur ein Sektor,
in dem eine Navigation möglich ist, erzeugt werden soll, kann das bereits mehrfach
erwähnte weitere Seitenband auch zusammen mit dem Trägersignal zur "Winkel feinmessung"
verwendet werden. Die "Winkelgrobmessung" erfolgt mit Hilfe des Trägers und dem
anderen Seitenbandsignal.