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Positionsbestimmungssystem
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Die Erfindung geht aus von einem Positionsbestimmungssystem gemäß
der Patentanmeldung P 33 01 613.5. Bei diesem System werden mitteLs Einwegentfernungsmessungen
Entfernungen zwischen jeweils zwei Stationen gemessen. Hierzu ist es unter anderem
notwendig, daß in der ersten Station, die die Entfernung zu einer zweiten Station
mißt, die Ankunftszeit des von der zweiten Station abgestrahlten Signals gemessen
wird. Dies ist relativ einfach, wenn das empfangene Signal aus einem einzelnen Impuls
großer Amplitude besteht, weil dieser Impuls deutlich vom Rauschen unterscheidbar
ist.
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Bei dem in der oben genannten Patentanmeldung ist dies jedoch nicht
der Fall. Deshalb wird zur Messung der Ankunftszeit zumindest der Teil des empfangenen
Signals, der die Synchronisationspräambel enthält, ausgewertet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, anzugeben, wie die Ankunftszeit gemessen
wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Patentanspruch 1 angegebenen
Mitteln. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den
Unteransprüchen zu
entnehmen.
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Die Synchronisationspräambel ist ein Signal, das so moduliert ist,
daß zeitlich aufeinanderfolgende Abschnitte dieses Signals voneinander unterschieden
werden können.
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Dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß die aufeinanderfolgenden
Abschnitte mit unterschiedlichen Pseudorauschsignalen moduliert sind oder daß einem
einzigen Pseudorauschsignal ein weiteres Signal überlagert ist, das so gewählt ist,
daß die einzelnen Abschnitte voneinander unterscheidbar werden.
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Bei der neuen Lösung erfolgt zuerst eine mehrdeutige Messung der Ankunftszeit,
die jedoch sehr schnell durchgeführt werden kann. Bei dieser "Schnellmessung" wird
nicht berücksichtigt, welcher der oben genannten Abschnitte zur Messung herangezogen
wurde. Danach folgt eine eindeutige Messung des Empfang sze i tpunkts, bei der die
"Numerierung" der einzelnen Abschnitte mit berücksichtigt wird. Dies hat den großen
Vorteil, daß die Messung der Ankunftszeit insgesamt gesehen sehr schnell durchgeführt
werden kann.
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Der dazu notwendige gerätetechnische Aufwand ist gering.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der mehrdeutigen Synchronisation,
und Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Empfangsgerätes.
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In der Patentanmeldung 33 Ol 613.5 ist ein Positionsbestimmungssystem
beschrieben. Bei diesem Positionsbestimmungssystem
ist es unter
anderem notwendig, mittels Einwegentfernungsmessung die Entfernung zwischen zwei
Stationen zu bestimmen. Bei der Einwegentfernungsmessung wiederum ist es notwendig,
den Empfangszeitpunkt des Signals genau zu messen. Mit dem anhand der Fig. 2 beschriebenen
Empfangsgerät ist dies sehr genau möglich.
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Auf die sonst noch notwendigen Maßnahmen zur Messung der Entfernung
aus der Differenz von Zeitpunkten wird hier nicht näher eingegangen, da dies an
sich bekannt ist.
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Bei dem genannten System enthält das Signal, das zur Einwegentfernungsmessung
verwendet wird, eine Synchronisationspräambel. Die Synchronisationspräambel ist
ein Signal, das so moduliert ist, daß zeitlich aufeinanderfolgende Abstände dieses
Signals voneinander unterschieden werden können, wie bereits in der Beschreibungseinleitung
erwähnt.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung wird zunächst davon ausgegangen,
daß dieses Signal mit einem einzigen Pseudorauschsignal moduliert ist, welches wiederum
so moduliert ist, daß einzelne zeitlich aufeinanderfolgende Abschnitte voneinander
unterschieden werden können. Zur Messung der Ankunftszeit erfolgen im wesentlichen
zwei Auswertungsvorgänge. Es müssen einerseits die von einem Taktgenerator abgegebenen
Signale mit den einzelnen Abschnitten des empfangenen Signals synchronisiert werden,
wodurch man eine Feinmessung erhält,und andererseits muß noch dafür Sorge getragen
werden, daß der Ankunftszeitpunkt eindeutig bestimmt wird.
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Anhand der Fig. 1 wird erläutert wie die zur Feinmessung notwendige
Synchronisation zwischen den Ausgangssignalen
des Taktgenerators
und den Abschnitten des empfangenen Signals durchgeführt wird. Das Signal wird von
einer Antenne 1 empfangen und in einem Mischer 2 mit einem in einem Oszillator 3
erzeugten Signal in die ZF-Lage heruntergemischt.
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Das Ausgangssignal des Mischers 2, das ein seudorauschmoduliertes
Signal in der ZF-Lage ist (diesem Signals ist noch eine weitere Modulation, die
die einzelnen Abschnitte des empfangenen Signals voneinander unterscheidbar macht,
überlagert), wird einem SAW-Korrelator 4 zugeführt. In dem SAW-Korrelator ist der
Code, der die Aufeinanderfolge der einzelnen Abschnitte in dem empfangenen Signal
bestimmt, eingeprägt. Das Ausgangssignal des SAW-Korrelators ist ein impulsförmiges
Signal; die Trägerschwingung dieses Signals ist die ZF-Frequenz.Zwischen den einzelnen
Impulsen ist außer einem evtl. vorhandenen Rauschen kein Signal vorhanden. Dieses
Signal wird in einem Gleichrichter 5 gleichgerichtet und dessen Ausgangssignal wird
einer Abtast- und Halteschaltung 6 zugeführt. Deren Ausgangssignal wird nach Analog-Digital-Wandlung
9 einer Auswerteeinrichtung 8 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung 8 steuert die Phasenlage
eines Taktgenerators 7, welcher die Abtasthalteschaltung 6 steuert. Zur Synchronisation
der Ausgangssignale des Taktgenerators 7 mit den einzelnen Abschnitten des empfangenen
Signals wird wie folgt vorgegangen: Es wird ausgegangen von dem gerade vorhandenen
Phasenzustand des Taktgenerators. Bei diesem Phasenwert wird über eine bestimmte
Anzahl von Abtastwerten die Summe gebildet.
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überschreitet diese Summe einen vorgegebenen Schwellwert, dann ist
das empfangene Signal bereits richtig aufgenommen (aKquiriert). Ist dies nicht der
Fall,so wird die Phase des Taktgenerators um kleine Schritte weitergeschaltet.
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Bei jedem Schritt erfolgt eine Aufsummierung über eine vorgegebene
Anzahl Ausgangssignale der Abtasthalteschaltung. Das empfangene Signal ist bei dem
Phasenwert akquiriert, bei dem die Summe zum erstenmal den bereits erwähnten Schwellwert
überschreitet. Nach der Akquisition des Signals wird nochmals um einenPhasenwert
weitergeschaltet und aus der Differenz der Amplituden wird ein Signal zur genauen
Einstellung der Synchronisation gewonnen.
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Während nämlich während der Akquisitionsphase die Veränderung der
Phase in größeren Schritten erfolgte, wird sie hier zur genauen Synchronisation
um kleinere Schritte verändert.
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Nach dieser Synchronisation ist zwar erreicht, daß das empfangene
Signal synchron ist zu dem Ausgangssignal des Taktgenerators, jedoch ist hiermit
noch nicht die Messung der Ankunftszeit des zur Einwegentfernungsmessung auszuwertenden
Signales möglich, weil die Synchronisation noch kein eindeutiges Meßergebnis liefert.
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Anhand der Fig. 2 wird erläutert, wie die eindeutige Ankunftszeit
gemessen wird. Wie in der Fig. 1 wird auch hier das Signal von einer Antenne 1 empfangen
und in einem Mischer 2 mit einem Mischsignal, das in einem Oszillator 3 erzeugt
wurde, gemischt. Das heruntergemischte Signal wird einem SAW-Korrelator 4 zugeführt.
Das Ausgangssignal des SAW-Korrelators wird sowohl einem ersten Mischer 21 als auch
einem zweiten Mischer 23 zugeführt. In den beiden Mischern werden die beiden Signalanteile
mit denen in einem Oszillator 32 erzeugten Signal gemischt. Dieses Mischsignal wird
dem Mischer 21 direkt und dem Mischer 23 um 2 phasenverschoben zugeführt. Die Ausgangssignale
der beiden Mischer werden jeweils über Tiefpässe 24 und 25 Abtast-
und
Halteschaltungen 26 und 27 zugeführt. Die Tiefpässe 24 und 25 dienen dazu die unerwünschten
hochfrequenten Signalanteile auszufiltern. Gleichzeitig wird dadurch eine gewisse
Mittelwertbildung über einen Impuls erzeugt. Die Abtast- und Halteschaltungen 26
und 27 werden von den Ausgangssignalen eines Taktgenerators 31 gesteuert. Die Ausgangssignale
der Abtast- und Halteschaltungen werden in Analog-Digital-Wandler 28 und 29 digitalisiert.
Die digitalisierten Werte werden einer Auswerteeinrichtung 30 zugeführt. Die Auswerteeinrichtung
30 sorgt zunächst für die Synchronisation der Ausgangssignale des Taktgenerators
31 mit den einzelnen Abschnitten des empfangenen Signals wie bereits anhand der
Fig. 1 erläutert. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 kein Gleichrichter für die Ausgangssignale des SAW-Korrelators
vorgesehen. Statt dessen werden zur Nachbildung des Gleichrichters die Ausgangssignale
der Analog-Digital-Wandler zunächst quadriert, danach addiert und schließlich wird
aus der Summe die Wurzel gezogen. Im übrigen erfolgt die Regelung wie anhand der
Fig. 1 erläutert.
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Als nächstes wird erläutert'wie man zu einer eindeutigen Messung zur
Ankunftszeit des auszuwertenden Signals gelangt. Die einzelnen voneinander unterscheidbaren
Abschnitte des empfangenen Signals unterscheiden sich durch ihre Phase. Es werden
vorzugsweise Phasenwerte von 0° und 1800 gewählt. Deshalb wird bei der Auswertung
wieder ermittelt,welche Phasenwerte vorliegen. Hierzu wird der Quotient der Ausgangssignale
der Analog-Digital-Wandler 28 und 29 gebildet. Dieser Quotient enthält die Phaseninformation.
Die Phase erhält man durch Bildung des Arcus Tangens des Quotienten unter Berücksichtigung
des Vor-
zeichens von mindestens einem der beiden Ausgangssignale
der AnaLog-Digital-Wandler. Es werden nacheinander mehrere Phasenwerte ermittelt,
d. h. man erhält eine Folge von Phasenwerten. Diese Folge von Phasenwerten wird
mit dem Kode, der in der Empfangsstation gespeichert ist, verglichen.
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Man erhält beispielsweise eine Folge von Phasenwerten: 00, 00, 1800,
00, 1800, 1800, 1800, 00.
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Der gespeicherte Kode sei die Folge der Phasenwerte: -900, -900, +900,
900, +900, +900, +900, 900: Vergleicht man diese beiden Folgen von Phasenwerten,
so stellt man fest, daß die Winkeldifferenz immer den gleichen Differenzwinkel ergibt.
Sind die beiden Phasenwinkelfolgen zeitlich gegeneinander verschoben, dann erhält
man nicht stets dieselben Differenzwerte. Durch Vergleich der bei den Folgen ist
es möglich,zu erkennen, an welcher Stelle des Kodes (bei welcher"Mummer") man sich
befindet. Dies wiederum macht es möglich, innerhalb des empfangenen Kodes eine bestimmte
Stelle für die Abgabe eines Triggersignals zu definieren. Dieses Triggersignal (Grobmessung
der Ankunftszeit) und das Ausgangssignal des Taktgenerators 31 (mehrdeutige Feinmessung)
werden einer UND-Schaltung 33 zugeführt, deren Ausgangssignal das Auslesen der Zeit
aus einer Uhr 34 auslöst. Die ausgelesene Zeit ist die Ankunftszeit des Signals,
die zur Einwegentfernungsmessung ausgewertet wird.
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Es ist möglich, daß dem empfangenen Signal eine Doppler-Verschiebung
überlagert ist. Dies zeigt sich beispielsweise darin, daß die oben gemessene Folge
von Phasenwerten
nicht die Phasenwerte 00, 00, 1800, 00 usw. aufweist,
sondern daß Phasenwerte 00, 50, 1900, 150 gemessen werden.
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Aus der Abweichung der gemessenen Phasenwerte von den zu erwartenden
Phasenwerten kann die Dopplerverschiebung ermittelt werden. Es ist nun einerseits
möglich, die Dopplerverschiebung bei der Auswertung rechnerisch zu berücksichtigen
oder die Frequenz des Mischoszillators 3,mit dem das empfangene Signal gemischt
wird,so zu ändern, daß das Ausgangssignal des Mischers 2 eine konstante Frequenz
aufweist.
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Es wurde oben davon ausgegangen, daß sich die einzelnen Abschnitte
des empfangenen Signals durch ihre Phase unterscheiden. Statt dessen ist es auch
möglich, für die einzelnen Abschnitte unterschiedliche Pseudorauschkodes zu wählen.
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In diesem Fall reicht es nicht aus, empfangsseitig nur einen Korrelator
vorzusehen, sondern es muß für jeden Pseudorauschkode ein Korrelator vorgesehen
werden. Dementsprechend sind auch die nachfolgenden Schaltungen mehrfach vorhanden.
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Bei der obigen Beschreibung wurde davon ausgegangen, daß zur Synchronisation
lediglich die Synchronisationspräambel ausgewertet wurde. Eine Synchronisation ist
jedoch auch mit dem anderen Signalteil möglich .vorausgesetzt, diesem ist derselbe
Pseudorauschkode unterlegt.
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Anstelle zur Auswertung die Quotienten der Ausgangssignale der Analog-Digital-Wandler
zu bilden, kann auch eine Fourier-Auswertung durchgeführt werden. Es wird zunächst
die Fouriertransformierte der Ausgangssignale gebildet und diese Fouriertransformierte
wird
mit der konjugiert komplexen Fouriertransformiertenfür den
gespeicherten Kode multipliziert. Aus dem Produkt läßt sich direkt die Phasenlage
der empfangenen Phasenwinkelwerte in Bezug auf die Phasenwinkelwerte des gespeicherten
Kodes und die Dopplerverschiebung des empfangenen Signals schließen.
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Zum Schluß noch eine Bemerkung zum Positionsbestimmungssystem insgesamt:
Mittels der neuen Einrichtung zur Ermittlung der Ankunftszeit ist es in besonders
vorteilhafter Weise möglich, die Ankunftszeit auch aus einem sehr kurzen Signal
genau zu bestimmen. Die neue Lösung macht die Verwendung der SAW-Technologie möglich,
was wiederum die Möglichkeit bietet, die Empfangseinrichtung preiswert und vorwiegend
in digitaler Technik zu realisieren.
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- L e e r s e i t e -