DE2845071A1

DE2845071A1 - Verfahren und einrichtung zur positionsueberwachung mit satelliten

Info

Publication number: DE2845071A1
Application number: DE19782845071
Authority: DE
Inventors: Roy Everett Anderson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-16
Publication date: 1979-04-19
Also published as: FR2406203A1; JPS5470793A; JPS6310397B2; GB1595146A

Description

Palenfcmvralie _s.

String. W ilhelm KeIcIiGl _ ₉ „ *ϊ

DipL-Ing. Woligang Beichol

Frankfurt a. M. 1 2845071

Paiksiiaße 13 9225

General Electric Company, Schenectady,V.St.A.

Verfahren und Einrichtung zur Positionsüberwachung mit Satelliten.

Die Erfindung betrifft die Funk-Positionsüberwachung mit Hilfe von künstlichen Erdsatelliten und bezieht sich insbesondere auf Verfahren und Einrichtungen zur Positionsüberwachung mit einem aktiven Entfernungsmeßsatelliten und einem unabhängigen Satelliten , der Zeitsignale überträgt. Für eine Positionsortung mit Höhenangabe ist ein. zusätzlicher Satellit notwendig, der Zeitsignale über trägt.

Um ein See- oder Landfahrzeug auf der Oberfläche der Erde durch Entfernungsmessungen zu orten, sind zwei Satelliten erforderlich. Funksignale wandern mit der Lichtgeschwindigkeit und die Entfernung wird aus der Laufzeit eines Zeit- oder Entfernungsmeßsignals bestimmt , das von einem Satelliten übertragen wird und am Fahrzeug empfangen wird. Wenn man die Lage eines Satelliten kennt, kann eine Positionslinie für das Fahrzeug von Jedem der beiden Satelliten berechnet werden, wobei der Ort des Fahrzeuges an dem Schnittpunkt der zwei Positionelinien liegt. Die Tatsache, daß zwei Satelliten erforderlich sind, wird häufig beanstandet, wenn Nachrichtensatelliten für die Funkmessung verwendet werden sollen, die als Ortung mit Hilfe von Funksignalen bezeichnet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden, indem nur ein aktiver Entf ernungsmeß-(und Nachrichten-)Satellit verwendet wird. Die Aufgabe des

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zweiten Satelliten wird durch irgendeinen anderen unabhängigen Satelliten erfüllt, der Zeitsignale überträgt,z.B. durch einen Normalzeitsatelliten, der sich aus Gründen, die ganz unabhängig von der Positionsüberwachung sind, im Räume befindet· Dieser Satellit braucht keine Signale, die für das System erforderlich sind, zu empfangen und wieder auszusenden.

Die Erfindung kann mit Vorteil auch zur Positionsüberwachung benutzt werden, d.h. um die Position eines Fahrzeugs oder Flugzeugs von einer ortsfesten Bodenstation aus zu verfolgen , und zwar frühzeitig mit vorhandenen oder geplanten Satelliten. Einige Anwendungen liegen z.B. in der Positionsüberwachung von öltankern und anderen Fahrzeugen mit gefährlichen Ladungen, um Unglücksfälle zu vermeiden und die Umgebung zu schützen. Es können auch fremde F_ahrzeuge|wirksam überwacht werden, die sich innerhalb der neu festgelegten 200-Meilen -Grenze aufhalten. Ferner ist es möglich, Transozeanflugzeuge im Verkehr zu überwachen, der Handelsschifffahrtsnavigation zu helfen und Schiffspositionen von der Küste aus zu überwachen. Auch Landfahrzeuge können z.B.aus gesetzlichen Gründen überwacht werden. Die Erfindung kann in einem weltweiten Dienst mit hoher Genauigkeit angewendet werden und die Kosten sind im Vergleich mit anderen vorgeschlagenen Systemen bescheiden.

Die Navigations- und Positionsüberwachung mit Hilfe eines anderen Verfahrens, bei dem die Ankunftszeit eines Signals von zwei Zeitsatelliten mit Hilfe einer an Bord befindlichen Quarzuhr überwacht wird, und die Uhr durch gelegentliche aktive ZweiTtfegentfernungsmessungen korrigiert wird,ist in der US-Anmeldung Serial Nr.842 402 entsprechend der deutschen , am 7. Oktober 1978 eingereichten Patentanmeldung Nr. P 28 43 812.2 mit Priorität vom 17.Oktober 1977 beschrieben,und verschiedene andere aktive und passive Einweg- und Zweiweg-Entfernungsmeßverfahren sind auch in

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dem US-Patent 3,384,891 beschrieben.

Gemäß der Erfindung wird das Verfahren der Positionsüberwachung mit einem aktiven Entfernungsmeß-Satelliten und einem zweiten unabhängigen Satelliten, der Zeitsignale überträgt, so ausgeführt, wie es in den Ansprüchen 1, 6 und gekennzeichnet ist. Dabei wird ein Zeitsignal, sowohl einer ortsfesten Bodenstation; als auch auf einem Schiff, einem Flugzeug, einem Landfahrzeug oder einem anderen Gegenstand, der geortet werden soll, empfangen. Eine aktive Zweiwegentfernungsmessung wird unmittelbar nach dem Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation durchgeführt oder nach einer bekannten Zeitspanne nach dem Empfang,in dem ein aktives Entfernungsmeßsignal von der Bodenstation über den aktiven Entfernungsmeßsatelliten zu dem Gegenstand und zurück übertragen wird, und in dem mindestens die Zweiweglaufzeit zwischen der Übertragung und dem Empfang des Entfernungs meßsignals an der Bodenstation gemessen wird. Die Entfernung zwischen dem Gegenstand und dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten kann aus dieser Information berechnet werden. Die Daten, aus denen der Abstand des Gegenstandes von dem Zeitsignalsatelliten bestimmt werden kann ., werden durch Messung des Zeitintervalls zwischen der Ankunft des Zeitsignals an dem Gegenstand relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals am Gegenstand bestimmt, und es wird ein zwischen diesen Zeitpunkten liegendes Zeitintervall ermittelt. Das Zeitintervall wird gewöhnlich nach der aktiven Entfernungsmeßantwort auf die Bodenstation übertragen und wird einem Rechner zusammen mit Daten über die Position der Satelliten und der Bodenstation und auch mit Daten über die aktive Entfernungsmessung überöitrfcelb , um den Ortungspunkt zu berechnen.

Der Abstand zwischen dem Zeitsatelliten und dem Gegenstand wird aus dem Abstand zwischen dem Zeitsatelliten und der Bodenstation berechnet, sowie aus dem Abstand zwischen

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der Bodenstation und dem Entfernungsmeßsatelliten und dem Abstand zwischen dem Entfernungsmeßsatelliten und dem Gegenstand,und das Zeitintervall wird am Gegenstand gemessen· Wenn man die Lage des Zeitsatelliten im Raum und den Abstand vom Gegenstand kennt, kann eine erste Positionslinie bestimmt werden,und wenn man die Lage des aktiven Entfernungsmeßsatelliten und den Abstand gegenüber dem Gegenstand kennt, kann eine zweite Positionsiinie bestimmt werden. Der ge suchte Ort liegt an der Schnittstelle der beiden Positionslinien· Eine Abänderung ergibt sich daraus, daß ein zweiter Zeitmeßsatellit benutzt wird, so daß im ganzen drei Satelliten verwendet werden, wenn es erforderlich ist, den Ort auch bezüglich der Höhe und der geographischen Länge und Breite zu bestimmen.

Die Zeitsignalsatelliten sind vorzugsweise Normalzeitsatelliten, wie sie z.B. bei dem GOES-System oder bei dem geplanten WWS-System verwendet werden, die Zeitsignale in regelmäßigen Abständen aussenden. Am Gegenstand wird ein Zeitintervallzähler in Gang gesetzt und nach jedem regel mäßigen Intervall zurückgesetzt, wenn er nicht durbh ein empfangenes aktives Entfernungsmeßsignal abgestoppt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden in Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert, in denen:

Fig. 1 ein Diagramm ist, das die Positionsüberwachung mit einem aktiven Entf ermmgsmeßsatelliten und einem Zeitsignalsatelliten darstellt und auch einen zweiten Zeitsignalpatelliten für eine Ortung bezüglich der Höhe zeigt;

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Satellitenantwortgeräts;

Fig. 3 ist ein Schaltbild der elektronischen Ausrüstung, die an Bord des Schiffes oder eines anderen zu ortenden Gegenstandes benutzt wird; und

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Pig. 4 ist ein Blockschaltbild des elektronischen Geräts an der Bodenstation.

Die Position eines entfernten Gegenstandes wird an einer Bodenstation durch Messung der Entfernung des Gegenstandes von zwei künstlichen Satelliten bestimmt, deren Lage bekannt ist und dabei braucht nur einer der Satelliten ein aktiver Entf ernungsmeß- und Nachrichtensatellit zu sein. Eine Positxonslinie des Gegenstandes, dessen Lage geortet werden soll, wird durch eine aktive Zweiwegentfernungsmessung über einen Satelliten bestimmt. Die andere Positionslinie wird durch eine Einweg entfernungsmessung von einem zweiten Satelliten bestimmt, der nur Signale zu übertragen braucht, aus denen eine Zeitinformation abgeleitet werden kann. Die Einwegent fernungsmessung wird dadurch bewerkstelligt, daß an dem Gegenstand die Ankunftszeit eines Signals von dem zweiten Satelliten relativ zur aktiven Entfernungsmeßanfrage gemessen wird,und die Messung wird auf die Bodenstation zusammen mit der Entfernungsmeßantwort des Gegenstandes übertragen. Die Position des Gegenstandes wird dann nach Lange und Breite an der Bodenstation berechnet. Der zu ortende Gegenstand kann ein Hochseeschiff, ein Flugzeug, ein Wetterballon, eine Meeresboje, ein Lastfahrzeug oder Landfahrzeug oder sogar eine Person sein, vorausgesetzt, daß entsprechende elektronische Ausrüstungsgegenstande an dem Ort des Benutzers vorhanden sind, wobei jedoch der Gegenstand auch selbsttätig und unbemannt arbeiten kann.

In der folgenden Beschreibung wird davon ausgegangen, daß der zu ortende Gegenstand und der Gegenstand der Positionsüberwachung ein Hochseeschiff ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 wird für die Positionsüberwachung ein aktiver Entfernungsmeßsatellit und ein Zeitsignalsatellit S benutzt. Der Satellit für

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die aktive Entfernungsmessung ist normalerweise ein Nachrichtensatellit, da die Nachrichtenverbindung zum Schiff für geschäftliche Nachrichten , für Wettervoraussage und Notfallinformationen wünschenswert ist. Der Zeitsignalsatellit S ist vorzugsweise ein geostationärer Satellit, der Normalzeitsignale überträgt, wde sie von dem National Bureau of Standard zur Zeit über die GQES-Satelliten (Geostationary Operational Environmental Satellites) übertragen werden und wie sie in Zukunft durch die WWVS -Normalzeitsatelliten übertragen werden sollen. Die GOES-Zeitsignale werden mit einer sehr schmalen Bandbreite übertragen und haben möglicherweise nicht die Genauigkeit , die erforderlich ist, um eine genaue Positionsüberwachung durchzuführen, jedoch soll der WWVS-Dienst, den das National Bureau of Standards beabsichtigt, Zeitsignale durch Satelliten ausstrahlen, die eine hohe Genauigkeit haben, so daß Positionszeitsignale laufend zur Verfügung stehen, so wie zur Zeit dies bei den GOES -Signalen der Fall ist. Die Zeitsatelliten haben Antwortgeräte zum Empfangen und Übertragen eines digitalen Zeitcodes mit einer Zeitmarke oder Markierung, die dazu benutzt werden kann, um die Ankunftszeit des Signales an dem Schiff zu messen und festzustellen. Die Erfindung kann mit Hilfe von Signalen beliebiger Form verwirklicht werden, die ein identifizierbares Zeitsignal ergeben, und diese Zeitsignale werden auch als Zeit "ticks" bezeichnet, die in genau abgemessenen Intervallen von einer Sekunde auftreten. Der Satellit S ist ein beliebiger und bequem erreichbarer Satellit , der aus Gründen, die vollständig unabhängig von dem Überwachungssystem sind, sich in Umlauf befindet, wie z.B. ein Zeitsignalsatellit oder ein Datenrelaissatellit , und er braucht keine Signale, die für die Positionsbestimmung speziell. ausgebildet sind, zu empfangen und zu übertragen.

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Das zu ortende Fahrzeug ist mit V bezeichnet, während die Bodenstation O sich ortsfest an einer genau bekannten Stelle befindet. Die Lage des Entfernungsmeßsatelliten S„ und des Zeitsatelliten R im Raum sind auch bekannt; so daß der Abstand R^ zwischen dem Zeitsatelliten und der Bodenstation und der Abstand R₂ zwischen der Bodenstation und dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten festliegen. Die aktive Zweiwegentfernungsmessung auf dem Schiff ermittelt den Abstand R^ von dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten zum Schiff. Wenn man die Lage des aktiven Entfernungsmeßsatelliten S_R im Raum kennt, und der Abstand vom Schiff bekannt ist, kann eine erste Positionslinie 10 für das Schiff errechnet werden· Durch die Einwegentfernungsmessung * von dem Zeitsignalsatelliten S wird der Abstand R^ zwischen dem Zeitsatelliten und dem Schiff bestimmt. Wenn man die Lage des Zeitsatelliten S im Raum kennt und der Abstand zum Schiff ebenfalls bekannt ist, kann eine zweite Positionslinie 11 für das Schiff berechnet werden. Beide Positionslinien sind je ein Stück eines Kreises auf der Oberfläche der Erde, wobei der Mittelpunkt auf einer Linie liegt, die den Satelliten mit dem Mittelpunkt der Erde verbindet. Der Schnittpunkt der Positionslinien 10 und 11 ergibt die Position des Schiffes.

Zur Durchführung des Verfahrens zur Positionsüberwachung wird ein Zeitsignal oder Zeittick vom Satelliten im Zeitpunkt Tg ausgestrahlt und an der Bodenstation 0 und dem Schiff V empfangen. In Abhängigkeit vom Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation,entweder unmittelbar danach ©der nach einer bekannten Zeitverzögerung, wird eine aktive Entfernungsmeßabfrage an der Bodenstation eingeleitet. Vorzugsweise wird eine hochgenaue Toncode-Entfernungsmeßtechnik benutzt. Es kann jedoch auch ein anderes Verfahren verwendet werden, bei dem eine Zeitmarke auf einem Punksignal übertragen wird, wie z.B. Pseudo-random Entfernungsmessungen oder Entfernungsmessungen mit mehrfachem Seitenton. Die Ton-code-Entfernungsmessung ist z.B. in einem

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Aufsatz "Communications and Position Fixing Experiments Using the ATS Satellites" in der Zeitschrift "IfAVIGATION", Band 20, Nr. 4,Jahrgang 1973/74 vom Erfinder beschrieben. Das aktive Entfernungsmeßsignal, welches die Adresse des Schiffes enthält, und an der Bodenstation 0 seinen Ursprung hat, wird durch ein Antwortgerät auf dem Satelliten S_R auf das Schiff V übertragen und dann zurück übertragen vom Schiff über den Satelliten S_R zur Bodenstation 0. In der Bodenstation wird das Zeitintervall von der ursprünglichen Aussendung des Abfragesignals bis zu seiner Rückkehr von dem Satelliten nach der Rückübertragung vom Schiff in Mikrosekunden und Zehntel Mikrosekunden oder in Nanosekunden gemessen. Das Zeitintervall entspricht der doppelten Laufzeit von der Bodenstation zum Satelliten plus der doppelten Laufzeit vom Satelliten zum Schiff. Wenn man die genaue Lage der Bodenstation 0 und des Satelliten S₀ kennt, ist auch die Laufzeit von der Bodenstatt .■ - .

tion zum Satelliten bekannt und kann abgezogen werden. Das Ergebnis wird durch zwei geteilt, um die Einwegentfernungsmeßzeit vom Satelliten S_R zum Schiff V zu erhalten. Das Schiff empfängt das aktive Entfernungsmeßsignal von der Bodenstation 0 im Zeitpunkt Ty₀* °a^s Schiff hat vorher das Zeitsignal vom Satelliten S zum Zeitpunkt Ty₂ aufgenommen. Automatische Geräte auf dem Schiff messen die Zeit zwischen Ty₃ und Ty₀ in Mikrosekunden und zehntel Mikrosekunden oder in Nanosekunden und senden die Messung als Datenübertragung zurück über den Satelliten S_R , nachdem dieser auf das Entfernungsmeßsignal geantwortet hat. Wie aus Fig. 1 und den folgenden mathematischen Ableitungen hervorgeht, hat die Bodenstation dann alle Informationen , die erforderlich sind, um die Entfernungen von dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten S_R und dem Zeitsignal Satelliten S zum Schiff zu berechnen und dadurch den Ort zu bestimmen.

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R₁ + R₂ +
^TVO ^{= T}S ⁺ C

wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist, während der Abstand R₁ des Satelliten S ist und die Zeitintervalle R₂/C und

R-z/C aus der aktiven Zweiwegentfernungsmessung^T bekannt sind.

τ - τ

S " VO

^TVS ^{= T}S ⁺ C~» C ~ ^TVS " ^TS ' Daraus folgt:

R/. R^i + Ro +

f ¹ <^{T 1}

+ R₂ + R,

5 v^{T T} * ( 5 )

= X ist das Zeitintervall, das am Schiff gemessen wurde und in Form von Daten während der Entfernungsmeßabfrage zurückübertragen wird.

R^ = R₁ + R₂ + R₃ - CX . ( 6 )

Alle Ausdrücke in der Gleichung (6) zusammen sind nun bekannt , da R3 aus der Zweiwegentfernungsmessung berechnet wurde.

Eine andere Erklärung , wie der Abstand R^ aus dem Zeitintervall zwischen der Ankunftszeit des Zeitsignals auf dem Schiff und der Ankunftszeit des aktiven Entfernungsmeßsignals auf dem Schiff ermittelt werden kann, ist folgende:

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Die Ermittlung des Schiffes in der Entfernung R^ vom Satelliten S lokalisiert das Schiff auf einem Kreis auf der Oberfläche der Erde, von dem ein kleiner Abschnitt durch die Linie 11 angedeutet ist. In ähnlicher Weise kann aus der bekannten Entfernung R-j zwischen der Bodenstation O und dem Satelliten S ein weiterer Kreis auf der Oberfläche der Erde ermittelt werden. Wenn man die Abstandslinie R^ auf die Entfernung R^ überlagert, ist ersichtlich, daß das Zeitintervall, das am Schiff gemessen wird, gleich der Zeit ist, die das Punksignal braucht, um die Abstände Rj-R^ und den Abstand R₂ plus R^ zurückzulegen. Wenn man dieses Zeitintervall mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und das Ergebnis von der Summe R^ + R₂ + R^ abzieht, erhält man den Abstand R^.

Eine Abänderung des Verfahrens der Positionsüberwachung, bei dem zwei Satelliten verwendet werden, von denen der eine ein Zeitsignalsatellit ist, besteht darin, daß ein zweiter Zeitsignalsatellit S. , der in Pig. I in gestrichelten Linien dargestellt ist, erforderlich ist, wenn die Lage bestimmung für das Fahrzeug die Höhe zusätzlich zur Länge und Breite enthält. Luftfahrzeuge, wie z.B. Flugzeuge oder Ballons,, haben oft einen Höhenmesser oder ein . anderes Instrument an Bord, um die Höhe unabhängig zu bestimmen, jedoch kann dies auch durch eine Einwegentfernungsmessung von den Satelliten S und S. und eine Zweiwegentfernungsmessung von dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten S_R geschehen, indem man eine Positionslinie für jeden der drei Fälle errechnet, wobei der Schnittpunkt der drei Linien den Ort des Gegenstandes festlegt. Die Ankunftszeit des Zeitsignals vom Satelliten S. wird auf dem Schiff relativ zum Empfang der aktiven Entfernungsmeßabfrage vom Satelliten S_R gemessen. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen dem zweiten Zeitsignalsatelliten und dem Schiff in der Boden -

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station berechnet werden.. Bezüglich weiterer Einzelheiten über die Entfernungsmessungen für eine Ortung bezüglich der Höhe zusätzlich zur Länge und Breite und die aktiven Zweiwegentfernungsmessungen durch Satelliten und die erforderlichen elektronischen Geräte in der Bodenstation sei auf die oben erwähnte Patentschrift 3 384 891 verwiesen, deren Inhalt zur Ergänzung der Offenbarung herangezogen wird. In der obigen Beschreibung sind interne Zeitverzögerungen in dem elektronischen Gerät nicht erwähnt worden, jedoch sind solche Verzögerungen bekannt,oder sie können geschätzt oder gemessen werden· Die automatische bezw. Fernmessung von internen Zeitverzögerungen bei unbemannten Antwortgeräten ist in der US-Patentschrift 4 042 926 beschrieben. Präzisionsentfernungsmessungen und -Ortungen erfordern , daß eine Korrektur interner Zeitverzögerungen angebracht wird.

Fig. 2, 3 und 4 sind Blockschaltbilder der elektronischen Geräte , die in dem Satelliten, an Bord des Schiffes und in der Bodenstation gemäß der Erfindung bei dem Verfahren zur Positionsüberwachung benutzt werden. Das Antwortgerät, das auf einem Zeitsignalsatelliten oder einem aktiven Entfernungsmeßsatelliten stationiert wird, um einen digitalen Zeitcode oder eine Entfernungsmeßanfrage zu empfangen und sofort weiterzugeben, ist in Fig. 2 dargestellt. Das ankommende Funksignal wird von einer Antenne 12 aufgenommen und läuft über eine Diplexschaltung 13 zu einem Empfänger 14 und wird dort in einer Mischaltung 15 mit einer Zwischenfrequenz gemischt, die in dem örtlichen Oszillator erzeugt wird. Das Ausgangs signal der Mischachaltung hat eine andere Frequenz als das empfangene Signal und wird über einen Sender 17 zurück zur Diplexschaltung 13 geleitet und zur Antenne 12,um ausgestrahlt zu werden.

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-SD-

Fig·' 3 zeigt in vereinfachter Form das elektronische Gerät an Bord des Schiffes zur Positionsüberwachung in passenden zeitlichen Abständen, wobei ein aktiver Entfernungsmeßsatellit und ein Zeitsignalsatellit benutzt werden. Außerdem zeigt die Figur in gestrichelten Linien die zusätzlichen Geräte, die erforderlich sind,\eem die Positionsbestimmung auch die Höhe einschließen soll. Das Gerät kann unbemannt arbeiten. Ein Empfänger 20 mit einer Antenne 21 nimmt die Zeitsignale von dem Satelliten S auf, die in Abständen von einr Sekunde oder in anderen regelmäßigen Zeitabständen übertragen werden. Der Zug der Zeitimpulse oder Zeitticks 22 , die in Abständen von einer Sekunde auftreten, wird., einer synchronisierten Uhr 23 zugeführt, die '.infolge einer Integration über eine Anzahl von '■■··Ticke eine genauer präzisierte Folge von Zeitimpulsen liefert, die mit denen aus dem Empfänger synchronisiert sind.Ein Zeitintervallzähler 24 wird von jedem Zeitimpuls aus der synchronisierten Uhr gestartet und wenn keine aktive Entfernungsmeßabfrage von dem Satelliten Sq empfangen wird, kehrtder Zähler auf Null zurück und beginnt bei jedem tick eine neue Zählung. Wenn ein Entfernungsabfragesignal an dem Schiff empfangen wird, beendet die Zeitmarkierung bezw. der Impuls 25 in dem empfangenen Entfernungsmeßsignal die Arbeitsweise des Zeitzählers 24. Der übliche Weg eines toncodierten Entfernungsmeßsignals , das von dem Stelliten S„ übertragen wird, ist die Aufnahme durch eine Atenne 26 und die Weiterleitung über eine Diplexschaltung 27 und einen Empfänger 28 zu einem Antwortgerät 29. Das Antwortgerät leitet automatisch die Rückübertragung des Entfernungsmeßsignals über einen Sender 30, die Diplexschaltung 27 und die Arfcenne... 26 ein. Gemäß der Erfindung wird das aktive Entfernungsmeßsignal, welches die Zeitmarkierung enthält, auch von dem Antwortgerät 29 dem Zeitintervall-

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zähler 24 zugeführt· Das gemessene Zeitintervall ist gleich (T_vo - T_vs) in Gleichung (5) und ist das Intervall zwischen der Ankunftszeit eines Zeitsignals auf dem Schiff und der Ankunft des aktiven Entfernungsmeßsignals auf dem Schiff. Dieses Zeitintervall wird aus dem Zähler 24 dem Antwortgerät 29 zugeführt und als digitale Nachricht unmittelbar nach der Toncode-Entfernungsmeßantwort des Schiffes übertragen.

Die von dem Zeitsatelliten S in regelmäßigen Intervallen übertragenen Zeitsignale werden auch an der Bodenstation empfangen und die aktive Zweiwegentfernungsmessung wird in Abhängigkeit von dem Empfang eines Zeitsignals eingeleitet, und zwar entweder sofort oder mit einer bekannten Zeitverzögerung nach dem Empfang· In Fig. 4 ist dargestellt, daß die Zeitsignale, die von der Antenne 32 aufgenommen werden, einem Empfänger 33 zugeleitet werden und dann an eine synchronisierte Uhr 34 abgegeben werden, an deren Ausgang ein Zug von Zeitimpulsen 35 mit regelmäßigen Zeitabständen von einer Sekunde auftreten. Wenn eine Positionsbestimmung für ein zu überwachendes Schiff ausgeführt werden soll, betätigt eine Folgeschaltung 36, welche eine . Toncode-Entfernungsmeßabfrage einer Anzahl von Schiffen, deren Ort bestimmt werden soll, zuleitet, einen Toncode- Entfernungsmeßgenerator 37, der sofort in Abhängigkeit von einem Zeitimpuls 35 oder einem Ankunftszeitsignal, das von der synchronisierten Uhr 35 dem Generator zugeleitet wird, ein digitales Zeitcodesignal, welches die Zeitmarkierung enthält, und auch die Adresse des Schiffes V aufweist, erzeugt. Diese Entfernungsmeßfrage durchläuft einen Sender 38 und gelangt zu einer Folgeantenne 39. In der Praxis läuft gewöhnlich die Folgeschaltung 36 frei und das Toncode-Entfernungsmeßsignal wird nach einer beliebigen Zeit nach dem Empfang eines Zeitimpulses 35 erzeugt, jedoch

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ist dies unerheblich, solange das Zeitintervall zwischen dem Zeitimpuls und dem aktiven Entfernungsmeßsignal gemessen wird und dann von dem am Schiff gemessenen Zeitintervall subtrahiert wird. Die Folgeschaltung 36 betätigt auch einen Korrelator 40, der mit einem Empfänger 41 zusammengebaut ist und der die Adresse in der Entfernungsmeßabfrage erkennt, die von dem Schiff über den aktiven Entfernungsmeßsatelliten S_R^ über eine Antenne 42 zur Bodenstation übertragen wird.

Die toncodierte Entfernungsmeßabfrage wird auch einem Zeitintervallzähler 43 zugeführt und die Zeit markierung setzt den Zähler in Gang. Die rückübertragene toncodierte Entfernungsmeßabfrage , die durch den Satelliten Sq zur Bodenstation übertragen ist, wird durch die Antenne 42 aufgenommen und gelangt vom Empfänger zum Korrelator 40, wo die Adresse bekannt wird. Die Zeitmarkierung in dem aufgenommenen aktiven Entfernungssignal unterbricht den Zeitintervallzähler 43 und das verstrichene Zeitintervall in Sekunden und zehntel Mikrosekunden oder Nanosekunden stallt, die aktive Zweiweglaufzeit dar . Die Information wird einem Rechner 44 zugeleitet. Wenn man die Lage der Bodenstation 0 und des Entfernungsmeßsatelliten S„ kennt oder die Zeit kennt, die das aktive Entfernungsmeßsignal braucht, um von 0 nach S„ und zurück zu gelangen, kann der Abstand Sq₂ berechnet werden. Da die Laufzeit des aktiven Entfernungsmeßsignals gemessen ist und R₂ bekannt ist, kann der Abstand R, zwischen dem Satelliten S_R und dem Schiff V bestimmt werden. Die Entfernungsmeßabfrage , die über den Empfänger 41 läuft, enthält auch das verstrichene Zeitintervall , das am Schiff gemessen worden ist und zwar zwischen der Ankunftszeit eines Zeitsignals und dem Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals am Schiff. Das Zeitintervall T_vo - Ty₃ wird direkt vn dem Empfänger 41 an den Rechner 44 abgegeben, zusammen mit Positionsdaten

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des Satelliten aus einem Speicher 45 , so daß der Rechner nunmehr alle erforderlichen Informationen hat, um den Standort des Schiffes zu bestimmen.

Normalzeitsatelliten, \ wie diejenigen des GOES-Systems oder WWVS- Systems werden von den Eigentümern beobachtet und verfolgt, die daher zusätzliche Daten übertragen können, z.B^ Informationen über Parameter , aus denen die Position des Satelliten bestimmt werden kann oder Angaben über die geographische Länge und Breite und den Abstand vom Erdmittelpunkt. Es ist auch möglich, die Lage des Satelliten an der Bodenstation durch Trilateration zu berechnen. Bei den Trilaterationen werden die Abstände von drei weit auseinanderliegenden Bodenstationen ermittelt, von denen zwei unbemannt sein können. Die Lage des Satelliten wird aus den drei Entfernungen und den bekannten Ortsangaben der Bodenstation errechnet. Die Entfernung R= ergibt sich aus der aktiven Zweiwegentfernungsmessung und die Entfernung R4 wird nach Gleichung £6) berechnet. Wenn man die Lage des Satelliten S_R im Raum kennt und seinen Abstand von dem Schiff, kann die Positionslinie 10 normal berechnet werden und wenn man die Lage des Satelliten S im Raum kennt und seinen Abstand vom Schiff, kann die Positionslinie 11 berechnet werden. Der Schnittpunkt der Linien 10 und 11 ist der Ort des SchiffesV. Eine Sichtvorrichtung 46 , die z.B. eine Kathodenstrahlröhre oder einen Drucker enthält, liefert eine sichtbare Darstellung des Ortes des Schiffes. Bei geostationären Satelliten besteht eine Mehrdeutigkeit darin, daß zwei Orte be stimmt werden, von denen einer auf der nördlichen Halbkugel und der andere auf der südlichen Halbkugel liegt.

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Man muß also vorher wissen, auf welcher Halbkugel sich das Schiff befindet, um diese Mehrdeutigkeit zu beseitigen. Wenn ein PDP- 11 -Minicomputer der Firma Digital Equipment Corporation benutzt wird, kann dieser Computer die Rechnung durchführen und die Position des Schiffes nach Länge und Breite innerhalb einer Sekunde, nachdem die Entfernungsmeßabfrage vom Schiff empfangen wird, ausdrucken. Ortsbestimmungen mit einer Genauigkeit von 0,1 Seemeile können im Abstand von zwei oder drei Sekunden nacheinander ausgeführt werden oder auch nach längeren Zeitabschnitten , wie dies gewünscht wird.

Insgesamt drei Satelliten, zu denen ein zweiter ZeitSignalsatellit S^ gehört, sind erforderlich, eine Bestimmung nach Breite , Länge und Höhe durchzuführen. Das Gerät enthält in diesem Fall nach Fig. 3 eine weitere Antenne 47 , einen Empfänger 48 und eine synchronisierte Uhr 49 , um einen Zug von Zeitimpulsen zu erzeugen, die regelmäßige Abstände haben und die Ankunftszeit von Signalen von dem zweiten Zeitsatelliten darstellen. Die Zeitimpulse, die in Abständen von einer Sekunde oder in anderen regelmässxgen Zeitabständen eintreffen, setzen einen Zeitintervallzähler 50 in Gang und wenn kein Entfernungsmeßabfragesignal von dem Satelliten Sn empfangen wird, kehrt der Zähler auf Null zurück und beginnt bei jedem Zeittick neu zu zählen. Wenn ein Abfragesignal aufgenommen wird, wird der Zähler durch die Zeitmarkierung 25 in dem aktiven Entfemungsmeß signal angehalten, und die abgelaufene Zeit zwischen dem Zeitimpuls und dem Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals wird als digitale Nachricht zusammen mit der Entfernungsmeßantwort an das Schiff übertragen. Wenn der Abstand R^ errechnet ist, hat die Bodenstation alle Informationen, die notwendig sind,

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um die dritte Positionslinie für das Flugzeug zu errechnen,

Die Positionsüberwachung für ein Schiff, ein Flugzeug, ein Landfahrzeug oder einen anderen Gegenstand, dessen Lage geortet werden soll, erfordert nur einen aktiven Entfernungsmeß-( und Nachrichten-) Satelliten und der andere Satellit ist ein IJormalzeitsatellit oder ein anderer unabhängiger Satellit, der Zeitsignale in regelmäßigen Abständen aussendet. Um eine Ortsbestimmung einschließlich der Höhe durchzuführen, sind zwei Zeitsignalsatelliten erforderlich. Die eine Positionslinie wird durch eine aktive Entfernungsmessung bestimmt , und die andere Positionslinie oder Positionslinien aus der Ankunftszeit von Signalen des Zeitsignalsatelliten relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an dem zu ortenden Gegenstand. Der Ort des Gegenstandes wird an der Bodenstation berechnet.

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Claims

Patentanwalts

Dr.-Ing. Wiüielin Reichel

DipL-Ing. Wolfgang Mchel

6 Frankfurt a. M. 1
Paikstraße 13

9225

SS=S=SS

GENJRAL_ELECTRIC_CgMPANY__t_SchenectadY_J,_N_iY_ii_VStA_-.

1y Verfahren zur Positions-Überwachung mit mehreren Satelliten, von denen ein erster Satellit Zeitsignale überträgt,

dadurch gekennzeichnet, daß an dem zu ortenden Gegenstand und an einer festen Bodenstation das Zeitsignal des ersten Satelliten aufgenommen wird,

daß eine aktive Zweiweg-Entfernungsmessung nach dem Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation durchgeführt wird, indem ein aktives Entfernungsmeßsignal von der Bodenstation über einen zweiten Satelliten zum Gegenstand und zurück übertragen wird und dadurch die Laufzeit zwischen dem zweiten Satelliten und dem Gegenstand bestimmt wird, daß die Ankunftszeit des Zeitsignals am Gegenstand relativ zum Empfang des aktiven Entfemungsmeßsignals am Gegenstand gemessen und daraus das dazwischenliegende Zeitintervall abgeleitet und zur Bodenstation übertragen wird und

daß der Ort des Gegenstandes aus der bekannten Lage des ersten und zweiten Satelliten und der Bodenstation, aus dem am Gegenstand gemessenen Zeitintervall und aus der Laufzeit zwischen dem zweiten Satelliten und dem Gegenstand errechnet wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß bei der aktiven Zweiweg-Entfernungsmessung mindestens die Zweiweg-Laufzeit zwischen Sendung und Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an der Bodenstation gemessen wird, und daß das am Gegenstand gemessene Zeitintervall über den zweiten Satelliten zur Bodenstation übertragen wird, nachdem das aktive Entfernungsmeßsignal von dem Gegenstand über den zweiten Satelliten zur Bodenstation zurückübertragen ist.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Ortes des Gegenstandes eine erste Positionslinie des Gegenstandes aus der bekannten. Lage des zweiten Satelliten und der Entfernung von dem zweiten Satelliten zum Gegenstand berechnet wird und daß eine zweite Positionslinie des Gegenstandes aus der bekannten Lage des ersten Satelliten und der Entfernung des ersten Satelliten von dem Gegenstand berechnet wird, wobei die zuletzt genannte Entfernung aus a) den Entfernungen des ersten und zweiten Satelliten von der Bodenstation, b) der Entfernung des zweiten Satelliten von dem Gegenstand und c) aus dem am Gegenstand gemessenen Zeitintervall abgeleitet wird,und daß der Ortungspunkt am Schnittpunkt der ersten und zweiten Positionslinie liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satellit ein Zeitsignalsatellit ist, der Zeitsignale in genauen regelmäßigen Intervallen ausstrahlt, daß das aktive Entfernungsmeßsignal eine Zeitmarke enthält und daß bei der Messung der Ankunftszeit des Zeitsignales relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignales am Gegenstand ein Zeitintervallzähler

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mit Hilfe des Zeitsignals eingeschaltet, und danach durch das Markierungsisignal abgestoppt wird ·'
5. Verfahren nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e η η ζ ei c h net, daß ein dritter Satellit vorgesehen ist, der Zeitsignale gleichzeitig mit den Zeitsignalen des ersten Satelliten überträgt,·. ·> daß an dem Gegenstand die von dem dritten Satelliten übertragenen Zeitsignale empfangen werden, daß ein zweites Zeitintervall zwischen der Ankunftszeit der Zeitsignale des dritten Satelliten am Gegenstand und dem Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals am Gegenstand gemessen wird und daß dieses zweite Zeitintervall auf die Bodenstation übertragen wird. ■
6. Verfahren zur Positionsüberwachung mit Hilfe von zwei Satelliten,

dadurch gekennzeichnet, daß an dem zu ortenden Gegenstand und an einer festen Bodenstation das von dem ersten Satelliten ausgesandte Zeitsignal empfangen wird,

daß eine aktive Zweiweg-Entfernungsmessung nach einem bekannten Zeitintervall,; nacit- dem Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation durchgeführt wird, indem ein aktives Entfernungsmeßsignal von der Bodenstation über den zweiten Satelliten zum Gegenstand und zurück über den zweiten Satelliten zur Bodenstation übertragen wird,und daß mindestens die Zweiweg-Laufzeit zwischen der Sendung und dem Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an der Bodenstation gemessen wird,

daß die Ankunftszeit des Zeitsignals an den Gegenstand relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals am Gegenstand gemessen wird und daraus das dazwischenlie-gende Zeitintervall abgeleitet wird,und daß das Zeitintervall über den zweiten Satelliten zur Bodenstation übertragen wird und

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daß mindestens die Zweiweglaufzeit, das Zeitintervall, das am Gegenstand gemessen worden ist und die Positionsdaten des ersten und zweiten Satelliten sowie der Bodenstation einem Rechner zugeführt werden, der den Ortungspunkt des Gegenstandes errechnet.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satellit Zeitsignale in regelmäßigen Intervallen überträgt und das aktive Entfernungsmeßsignal eine Zeitmarkierung hat,und daß bei der Messung der Ankunftszeit des Zeitsignals relativ zum Empfang des akti-

mit Hilfe des aufgenommenen Zeitsignals eingeschaltet und durch das Markierungssignal des Entfernungsmeßsignals abgestoppt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satellit ein Zeitsignalsatellit ist, der Zeitsignale in genauen regelmäßigen Intervallen aussendetjUnd daß der zweite Satellit ein aktiver Entfernungsmeß- und Nachrichtensatellit ist und das aktive Entfernungsmeßsignal eine Zeitmarkierung enthält,

daß bei der Messung der Ankunftszeit des Zeitsig nals relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an dem Gegenstand ein Zeitintervallzähler wiederholt mit den Zeitsignalen in regelmäßigen Intervallen gestartet wird,und daß der Zähler mit Hilfe der Zeitmarkierung des Entfernungsmeßsignals abgestoppt wird,wenn ein aktives Antfernungsmeßsignal empfangen wird, um hierdurch das verstrichene Zeitintervall zu bestimmen.

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9. Verfahren zur Positionsüberwachung mit Hilfe einer Anzahl von Satelliten, zu denen ein Zeitsignalsatellit gehört, der Zeitsignale in genau bekannten Intervallen aussendet,

dadurch gekennzeichnet, daß an dem zu ortenden Gegenstand und an einer festen Bodenstation die Zeitsignale des Zeitsignalsatelliten empfangen werden,

daß eine aktive Zweiweg-Entfernungsmessung in Abhängigkeit von dem Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation durchgeführt wird, indem ein aktives Entfernungsmeßsignal über einen aktiven Entfernungsmeßsatelliten zu dem Gegenstand und zurück über den aktiven Entfernungsmeßsatelliten zur Bodenstation gesandt wird und daß mindestens die Zweiweg-Laufzeit zwischen der Aussendung unddem Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an der Bodenstation gemessen wird, um den Abstand von dem zweiten Satelliten zum Gegenstand zu bestimmen,

daß die Ankunftszeit des Zeitsignales an dem Gegenstand relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals an dem Gegenstand gemessen wird und daß das dazwischenliegende Zeitintervall bestimmt wird und daß dieses Zeitintervall über den aktiven Entfernungsmeßsatelliten zur Bodenstation tibertragen wird,

daß eine Positionslinie des Gegenstandes in bezug auf den aktiven Entfernungsmeßsatelliten aus der bekannten Lage der Bodenstation und des aktiven Entfernungsmeßsatelliten sowie der Einweglaufzeit von dem aktiven Entfernungsmeßsatelliten zum Gegenstand errechnet wird, und daß eine Positionslinie des Gegenstandes mit bezug auf den Zeitsignalsatelliten aus der bekannten Lage des aktiven Entfernungsmeß- und Zeitsignalsatelliten und der Bodenstation sowie aus dem Zeitintervall, das an dem Gegenstand gemessen worden ist und dem Abstand des aktiven Entfernungsmeßsatelliten zum Gegenstand errechnet wird und

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daß der Ort des Gegenstandes als Schnittpunkt der Positionslinien bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch geken nzeichnet, daß bei der aktiven Zweiwegentfernungsmessung das aktive Entfernungsmeßsignal um ein bekanntes Zeitintervall nach dem Empfang des Zeitsignals an der Bodenstation ausgesandt wird und daß das Zeitintervall, welches an dem Gegenstand gemessen worden ist, auf die Bodenstation nach der Rückübertragung des aktiven Entfernungsmeßsignals von dem Gegenstand über den aktiven Entfernungsmeßsatelliten zur Bodenstation übertragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Entfernungsmeßsignal eine Zeitmarkierung hat, und daß bei der Messung des Zeitintervalls des Zeitsignals relativ zum Empfang des aktiven Ent.fernungsmeßsignals an der Bodenstation ein Zeitintervallzähler mit diesem Zeitsignal eingeschaltet wird und daß der Zähler mit Hilfe der Zeitmarkierung des Entfernungsmeßsignals abgestoppt wird, um das Zeitintervall zu bestimmen.
12. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitsignalsatellit Zeitsignale in regelmäßigen Intervallen aussendet, daß das aktive Entfernungsmeßsignal eine Zeitmarkierung hat, daß bei der Messung der Ankunftszeit des Zeitsignals relativ zum Empfang des aktiven Entfernungsmeßsignals am Gegenstand ein Zeitintervallzähler wiederholt mit dem Zeitsignal in regelmäßigen Intervallen eingeschaltet wird und daß der Zähler mit Hilfe der Zeitmarkierung des Entfernungsmeßsignals abgestoppt wird, wenn das aktive Entfernungsmeßsignal an

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dem Gegenstand empfangen worden ist, um hierdurch das Zeitintervall zu bestimmen.
13. Bewegbares Ortungsgerät zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche ,

dadurch gekennzeichnet, daß es einen Zeitsignalempfänger, einen durch die Ausgangsgröße des Zeitsignalempfängers eingeschalteten Zähler, einen AbfrageSignalempfänger, eine Verbindung von dem Ausgang des Abfragesignalempfänger zu einer Stoppklemme des Zählers, einen Sender, der durch den Empfang eines Abfragesignals betätigt wird und Einrichtungen aufweist, mit denen die Ausgangsschwingung des Senders mit Informationen, die der Ablesung des Zählers entsprechen, moduliert werden.
14. Ortsfestes Ortungsgerät zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Zeitsignalempfänger, einen Sender, der von der Ausgangsgröße des Zeitsignalempfängers betätigbar ist, einen Zähler mit einem Starteingang, der durch das Zeitsignal betätigbar ist, das den Sender betätigt, einen Entfernungsmeßempfänger, der dem Zähler ein Stoppsignal zuleitet und an einen Demodulatorausgang Zeitintervallsignale !liefert, die von dem Entfernungsmeßempfänger aufgenommen sind^und ein Rechengerät aufweist, das auf, den Zählerstand und auf die das Zeitintervall anzeigenden Signale anspricht.

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15. Gerät nach Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsignale, die von dem ZeitSignalempfänger aufgenommen werden, Wiederholungssignale sind und daß die Ausgangsgröße des Zeitsignalempfängers durch ein integrierendes Synchrongerät hindurchgeführt wird, bevor sie dem weiteren Gerät zugeführt wird.

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