DE3713778C2 - Anordnung und Verfahren zur Positionsbestimmung und Kollisionsverhütung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Positionsbestimmung von Verkehrsmitteln wie z. B. Flugzeugen, insbesondere zur Kolli­ sionsverhütung, wobei die normalen Signale des Air Traffic Control Radio Beacon System (ATCRBS) verwendet werden, um die Positionen von Stationen, die mit Transponder ausgestat­ tet sind, innerhalb des Versorgungsbereichs eines Sekundär­ rundsicht-Radars (SSR) zu bestimmen. Es sind verschiedene Kollisionsverhütungs-Systeme entworfen oder vorgeschlagen worden, welche die ATCRBS-Signale benutzen. Manche dieser Systeme liefern einfach eine Anzeige oder einen Alarm, wenn die eigene und eine fremde Station einander nahekommen; einige Systeme arbeiten mit aktiver Aussendung von Signalen zur Entfernungsbestimmung, und wiederum andere Systeme be­ nötigen aufwärtsgerichtete Datensendungen von einer Einrich­ tung am Boden. Alle diese Systeme neigen mehr oder weniger dazu, falsche Alarme auszulösen oder Alarme zu versäumen, oder sie leiden unter Störungen durch Funksignale. Solche Mängel treten besonders häufig in überfüllten Lufträumen auf, wo sie am wenigsten tolerierbar sind. Man kann auch die Peilwinkel von der eigenen zu anderen Stationen ermit­ teln, um die richtigen Manöver zum Verhüten einer drohen­ den Koilision durchführen zu können, jedoch sind entspre­ chende Peilungen schwierig durchzuführen; die zu diesem Zweck vorgeschlagenen Bord-Richtantennensysteme haben sich für den praktischen Einsatz als zu unzuverlässig und teuer erwiesen.

Zur Bestimmung der Peilwinkel kann man zwar auch Nordim­ puls-Sendungen von SSRs benutzen, mit der vorliegenden Er­ findung soll jedoch die Notwendigkeit vermieden werden, so­ genannten Nordimpuls-"Gepäck" installieren zu müssen.

Es gibt ferner Systeme, die innerhalb des überlappungs­ bereiches zweier oder mehrerer SSRs verwendbar sind. Derartige, sich überlappende versorgungsbereiche existieren überall dort, wo der Luftverkehr so stark ist, daß ein dringender Bedarf nach Kollisionsverhütungssystemen besteht. Andererseits bleibt aber auch entfernten oder unterentwickelten Gebieten, wo nur ein SSR aktiv ist, ein Bedarf nach Kollisionsverhütungssystemen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Kollisions­ verhütungssystem anzugeben, bei dem selbst in Gebieten mit nur einem SSR ein Fehlalarm in allen Relativpositionen der eigenen und der fremden Stationen in bezug auf die SSR vermeidbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Ortungsanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Patentanspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung werden Methoden angewandt, wie sie in der US-Patentschrift 4 021 802 und den darin angeführten anderen Patentschriften beschrieben sind, um mit Hilfe gespeicherter Daten über die Standorte und Kennungen aller oder einer passenden Auswahl existierenden SSRs auf passi­ ve Weise an der eigenen Station die Positionen irgendwelcher anderen Stationen zu bestimmen, die mit Transponder aus­ gestattet sind und sich innerhalb eines interessierenden Gebietes befinden, das von mindestens einem SSR versorgt wird. Die Position der eigenen Station kann unabhängig bestimmt werden, z. B. mittels eines bordeigenen Loran-C- Empfängers oder aus den SSR-Abfragen und den dadurch her­ vorgerufenen Antworten eines an bekanntem Standort befind­ lichen Transponders.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist ein geometrisches Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Systems nach Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines Transponders, der zur Verwendung mit dem System nach Fig. 1 in einer alter­ nativen Betriebsweise modifiziert ist;

Fig. 4 ist ein geometrisches Diagramm zur Erläuterung der alternativen Betriebsweise des Systems.

Gemäß der Fig. 1 enthält die Ausrüstung einer eigenen Sta­ tion, z. B. an Bord eines Flugzeuges, einen Empfänger 1, der dazu ausgelegt ist, herkömmliche ATCRBS-Abfragen auf einer Frequenz von 1030 MHz zu empfangen und auf den Emp­ fang einer jeden Abfrage hin einen Ausgangsimpuls zu liefern. Ein weiterer, auf 1090 MHz arbeitender Empfänger 2 empfängt die Antworten irgendwelcher Transponder an fremden Statio­ nen innerhalb seines Bereichs und liefert Ausgangsimpulse entsprechend diesen Antworten. Ein Höhenmesser 3 liefert ein Signal, das die barometrische Höhe der eigenen Station angibt.

Eine Speichereinrichtung 4, vorzugsweise ein leistungsunab­ hängiges Register wie etwa ein Festwertspeicher (ROM), ent­ hält eine organisierte Auflistung aller SSRs, die für eine Zusammenarbeit mit dem System in Frage kommen, einschließ­ lich der Kennung und des geographischen Standortes jedes dieser Radars.

Die Kennung eines SSR ist eine einzigartige Kombination, bestehend aus einer Angabe der Rotationsperiode des Haupt­ strahls und einer Angabe der Pulswiederholungs-Charakte­ ristik des betreffenden Radars. Mit dem gewählten Ausdruck "Charakteristik" soll dem Umstand Rechnung getragen werden, daß manche SSRs feste Pulswiederholungsperioden haben, wäh­ rend andere mit sogenannten "gestaffelten" Pulswiederho­ lungsperioden arbeiten, wobei sich die Zeit zwischen auf­ einanderfolgenden Abfragen in einer vorbestimmten Sequenz ändert. Da es auf der ganzen Welt nur wenige tausend SSRs des ATCRBS-Standards gibt, ist es leicht möglich, gewünsch­ tenfalls die Kennungen und Standorte aller dieser Radars in der Einrichtung 4 zu speichern.

Eine Einrichtung 5 zur Bestimmung der eigenen Position, bei der es sich um irgendein Präzisions-Ortungsgerät wie etwa ein Empfänger für das weltumspannende satellitenge stützte Navigationssystem oder um einen Loran-C-Empfänger handeln kann, liefert Daten über den eigenen geographischen Standort an einen SSR-Wähler 8. Dieser Wähler enthält Da­ tenvergleichseinrichtungen, die in bekannter Weise ange­ ordnet sind, um auf der Basis des eigenen Standortes und der in der Einrichtung 4 gespeicherten SSR-Positionsdaten ein passend gelegen es SSR innerhalb einer Entfernung von z. B. 100 Meilen vom eigenen Standort zu wählen. Die Kennung und der Standort des ausgewählten SSR werden auf einen Rech­ ner 9 für die Größen A, T und H gegeben. Der Wähler 8 ent­ hält außerdem eine Einrichtung zum Ausrechnen der vom Rech­ ner 9 ebenfalls benötigten Entfernung von der eigenen Sta­ tion zum ausgewählten SSR.

Die durch die Abfrage verursachten Impulse vom Empfänger 1 und die von den Antworten anderer Stationen herrührenden Im­ pulse vom Empfänger 2 sowie die Daten über die eigene Höhe von der Einrichtung 3 werden ebenfalls auf den Rechner 9 gegeben, bei dem es sich im wesentlichen um die gleiche Einrichtung handeln kann, die in der US-Patentschrift 4 021 802 in Verbindung mit den oberen drei Vierteln der dortigen Fig. 3 beschrieben ist, insbesondere mit denjeni­ gen Elementen, die dort die Bezugszahlen 301-304 und 306-319 tragen.

Die den Elementen 301 und 304 in der genannten US-Patent­ schrift entsprechenden Wähler der Pulswiederholungs-Charak­ teristik ("PRC selectors") werden durch den SSR-Wähler 8 so eingestellt, daß die Abfragen des ausgewählten SSR und die dadurch hervorgerufenen Antworten angenommen werden. Das dem Element 310 in der genannten US-Patentschrift ent­ sprechende Tor für verbreiterten Azimutsektor ("widened azimuth sector gate") wird in inverser Beziehung zur Ent­ fernung zwischen dem eigenen Standort und dem ausgewählten SSR eingestellt. So kann z. B. für eine Entfernung von 100 Meilen der Azimutsektor die Breite des SSR-Strahls sein, sagen wir 3°. Bei kleineren Entfernungen wird der Azimut­ sektor verbreitert, z. B. auf 60° für Entfernungen unter 5 Meilen.

Der Rechner 9 arbeitet in der Weise, wie sie in der US-Pa­ tentschrift 4 021 802 beschrieben ist, um Ausgangsdaten zu liefern, welche die Identität jeder fremden Station inner­ halb des interessierenden Bereichs angeben, sowie die Azi­ mutdifferenz A, die Eintreffzeitdifferenz T (Differenz der Eintreffzeiten des SSR-Signals) und die Höhendifferenz H der betreffenden fremden Station gegenüber der eigenen Sta­ tion. Diese Daten erscheinen in getrennten Bündeln oder Bursts nacheinander, so wie der SSR-Strahl die Standorte der fremden Stationen überstreicht.

Die Daten vom Rechner 9 werden so wie sie erscheinen in einem Puffer 10 gespeichert, der eine Gruppe von Registern aufweist, deren jedes die A-, T- und H-Daten über ein je­ weils zugeordnetes Exemplar der identifizierten fremden Stationen speichert, gemeinsam mit der Identität der be­ treffenden Station. Sobald ein solcher Datensatz jeweils fertig ist, liefert ihn der Puffer 10 an einen Positions­ rechner 11. Wenn der Rechner 11 irgendeine gerade laufende Berechnung beendet hat und frei dafür ist, nimmt er den angebotenen Datensatz auf und gibt das betreffende Puffer­ register für Akkumulation eines weiteren Datensatzes frei.

Der Rechner 11 kann ein kleiner Allzweckrechner oder ein Spezialrechner sein, der dazu programmiert ist, die Posi­ tionen der fremden Stationen durch trigonometrische Opera­ tionen mit den Eingangsdaten zu berechnen. Gewöhnlich ist der Rechner mit der Verarbeitung eines Datensatzes fertig, bevor ein nachfolgender Datensatz verfügbar ist. Andernfalls werden die Daten im Puffer zurückgehalten, bis der Rechner für ihre Annahme bereit ist.

Die Positionsdaten über die eigene Station und die fremden Stationen, die z. B. in Form von Angaben der Länge und Brei­ te und im Falle der fremden Stationen auch mit Angabe der Identitätscodes vorliegen, werden auf einen Koordinatenum­ setzer 12 bekannten Typs gegeben. Dieser Umsetzer liefert Ausgangsgrößen, welche die Entfernungen und Peilwinkel der identifizierten fremden Stationen gegenüber dem eigenen Standort darstellen. Ein Display-Generator 13 ebenfalls be­ kannten Typs verarbeitet diese Ausgangsgrößen zur Erzeugung von Signalen für die Steuerung eines Sichtgerätes 15 wie etwa einer Kathodenstrahlröhre, um die Entfernungen und Peilwinkel der fremden Stationen sowie deren Identität an­ zuzeigen. Der eigene Steuerkurs, der von einer Einrichtung 14 wie etwa einem Kompaß geliefert wird, kann ebenfalls zum Display-Generator gegeben werden, um die Anzeige gegen­ über dem eigenen Kurs zu orientieren. Die Positionskoordina­ ten der eigenen Station, z. B. die Länge und Breite, können ebenfalls auf dem Sichtgerät 15 angezeigt werden, als Hilfe für die eigene Navigation.

Die Fig. 2 zeigt wie auf einer Landkarte die bekannten Positionen eines ausgewählten SSR und der eigenen Station sowie die anfänglich unbekannte Position einer fremden Station. Die Entfernung R zwischen der eigenen Station und dem SSR wird von der Einrichtung 8 angegeben. Die Azimut­ differenz A zwischen der fremden und der eigenen Station wird durch den Rechner 9 bestimmt, ebenso wie die Eintreff­ zeitdifferenz T. Die anfänglich unbekannten Entfernungen der anderen Station vom SSR und von der eigenen Station seien mit S bzw. Y bezeichnet.

Nach Berücksichtigung eventuell er Systemverzögerungen gilt folgendes:

T = (S + Y - R)/c,

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Funkwellen ist. Aus dieser Gleichung und mit den bekannten Werten von A und R lassen sich S und B mit Hilfe des Cosinusgesetzes berech­ nen und läßt sich der Winkel zwischen den Linien S und Y be­ stimmen. Aus diesem Winkel und aus dem bekannten Peilwinkel vom SSR zum eigenen Standort kann der Peilwinkel vom eigenen Standort zur fremden Station leicht bestimmt werden. Dieser Peilwinkel kann mittels des eigenen Kompasses auf den Eigen­ kurs bezogen werden. In der gleichen Weise kann praktisch jede beliebige Anzahl anderer Stationen innerhalb des in­ teressierenden Gebietes behandelt werden, ohne daß irgend­ welche anderen Funksendungen nötig sind als diejenigen, die im normalen Betrieb des ATCRBS-Systems auftreten.

In manchen Gebieten mit SSR-Versorgung kann des wünschenswert sein, Naßnahmen zur Kollisionsverhütung ohne Loran-C- oder ähnliche Navigationshilfen zu treffen. Für solche Fälle kann die eigene Position mit Hilfe eines Transponders bestimmt werden, der an einem festen bekannten Standort z. B. auf ei­ nem Turm oder auf einer Bergspitze im interessierenden Ge­ biet aufgestellt ist. Gemäß der Fig. 3 kann ein Standard- Transponder, der einen 1030-MHz-Empfänger 31, einen Abfrage­ decoder 32, einen Antwortcodierer 33 und einen 1090-MHz- Sender 34 enthält, durch Hinzufügung eines Impulszählers 35 modifiziert, werden, der die vom Decoder 32 erzeugten Antwort-Triggerimpulse zählt und Ausgangsimpulse nur auf bestimmte Exemplare des typischen Bündels von z. B. 18 Ab­ fragen hin erzeugt, die während des Vorbeistreichens des SSR-Strahls erscheinen, z. B. auf das zweite und das sech­ zehnte Exemplar hin. Diese Impulse werden zur Triggerung des Antwortcodierers benutzt, so daß der Transponder wäh­ rend eines Strahldurchgangs nur zweimal sendet und dadurch eine mögliche Störung mit ATCRBS minimal gehalten wird. Ein ansonsten ungenutzter ID-Code und die Standortdaten des Transponders sind im Codierer eingestellt, um in auf­ einanderfolgenden Antworten gesendet zu werden. So kann beispielsweise die erste Antwort während jedes Durchlaufs des SSR-Strahls für die Identität und die zweite Antwort für den Betrag einer der Positionskoordinaten des Trans­ ponders benutzt werden. Diese Koordinaten können als Breite und Länge ausgedrückt werden, oder als Entfernung und Peil­ winkel vom SSR. Aufeinanderfolgende Strahldurchgänge können für die Sendung zusätzlicher Daten wie z. B. die Höhe des Transponders benutzt werden. Der Rechner 11 nach Fig. 1 kann so ausgelegt werden, daß er die Daten des festen Trans­ ponders aufgrund deren Identitätscode aus den Berechnungen der Positionen fremder Stationen ausschließt, damit es kei­ ne Verwechslung mit Fremdstationen in der Nähe dieses Trans­ ponders gibt.

Wie in Fig. 4 dargestellt, hat der feste Transponder FXT vom SSR aus gesehen eine bekannte Entfernung RX und einen bekann­ ten Peilwinkel BX. Die Rechner 9 und 11 sind so ausgelegt, daß sie die Azimutdifferenz AX und die Empfangszeitdifferenz TX zwischen der eigenen Station und dem festen Transponder FXT liefern und aus diesen Größen die Entfernung R und den Peilwinkel der eigenen Station vom SSR errechnet. Unter Ver­ wendung dieser Daten wird die Entfernung Y und der Peilwinkel B zur fremden Station berechnet, wie weiter oben beschrieben.

Claims (12)

1. Ortungsanordnung in einer eigenen Station innerhalb des Versorgungsgebietes eines Sekundärrundsicht-Radars zum Bestimmen der Position einer mit Transponder ausgestatteten fremden Station innerhalb dieses Gebietes, mit folgenden, an der eigenen Station vorgesehenen Teilen:

• a) eine Einrichtung (1) zum Empfang der vom Sekundärrund­ sicht-Radar (SSR) gesendeten Abfragen;
• b) eine Einrichtung (2) zum Empfang von Antworten, die von der fremden Station auf die Abfragen hin gesendet werden;
• c) eine Einrichtung (9), die aus den zeitlichen Beziehungen zwischen den empfangenen Abfragen und Antworten Daten ermittelt, welche die Relativposition der fremden Station gegenüber der eigenen Station in Koordinaten definieren, welche die Azimutdifferenz (A) und die Eintreffzeit­ differenz (T) angeben; gekennzeichnet durch
• d) eine Einrichtung (4, 8) zur Angabe der geographischen Position des Sekundärrundsicht-Radars;
• e) eine Einrichtung (5) zum Bestimmen der Position der eigenen Station; und
• f) eine Einrichtung (11), die aus den genannten Daten und aus den bekannten Positionen des Sekundärrundsicht-Radars und der eigenen Station die Position der fremden Station errechnet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Torschaltung für verbreitertes Azimut enthält und eine Einrichtung aufweist, um die Breite der Azimut-Torschaltung entsprechend der berechneten Entfernung der eigenen Station vom Sekundärrundsicht- Radar einzustellen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Bestimmen der Position der eige­ nen Station eine Empfangseinrichtung ist für den Betrieb mit einem Präzisions-Ortungssystem wie etwa dem Loran-C- System oder dem weltumspannenden Satelliten-Navigations­ system (Global Satellite Positioning System).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen der Position der eigenen Station Mittel enthält, um aus den zeitlichen Beziehun­ gen zwischen den empfangenen Abfragen und den Antworten eines an bekanntem Standort befindlichen Transponders Daten zu ermitteln, welche die Position der eigenen Station bezüglich dieses Transponders in Azimutdifferenz- und Eintreffzeitdifferenz-Koordinaten definieren, und um aus diesen Daten und aus den bekannten Positionen des Sekundärrundsicht-Radars und des besagten Transponders die Position der eigenen Station zu errechnen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an bekanntem Standort befindliche Transponder (FXT) mit dieser Anordnung zusammenwirkt und folgendes enthält:

• g) einen Empfänger (31) und Codierer (32) für die Ab­ fragen;
• h) einen Antwort-Sender (34);
• i) eine Einrichtung zur Erzeugung von Antwort-Trigger­ impulsen als Reaktion auf empfangene Abfragen;
• j) eine Einrichtung (35) zum Zählen der während des Durchgangs eines Strahls des Sekundärrundsicht-Radars empfangenen Abfragen;
• k) eine auf die Zähleinrichtung (35) ansprechende Einrichtung (in 33), welche die Triggerimpulse beim Auftreten ausgewählter Exemplare der gezählten Impulse an den Sender (34) legt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (33), welche die Antworten des an bekann­ tem Standort befindlichen Transponders so codiert, daß sie die Identität und die Position dieses Transponders angeben.

7. Verfahren, um an einer eigenen Station innerhalb des Versorgungsgebietes eines Sekundärrundsicht-Radars die Position einer mit Transponder ausgestatteten fremden Station innerhalb dieses Gebietes zu bestimmen, mit den folgenden Schritte:

• a) die vom Sekundärrundsicht-Radar gesendeten Abfragen werden empfangen;
• b) die auf die Abfragen hin von der fremden Station gesendeten Antworten werden empfangen;
• c) aus den zeitlichen Beziehungen zwischen den Abfragen und Antworten werden Daten bestimmt, welche die Relativposition der fremden Station in Azimutdifferenz- und Eintreffzeitdifferenz-Koordinaten (A und T) definieren; gekennzeichnet durch die Schritte
• d) die geographische Position des Sekundärrundsicht-Radars wird angegeben;
• e) die Position der eigenen Station wird bestimmt; und
• f) aus den erwähnten Daten und aus den bekannten Positionen des Sekundärrundsicht-Radars und der eigenen Station wird die Position der fremden Station errechnet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß um die Position der eigenen Station ein verbreiterter gemeinsamer Azimutsektor des Betriebs geschaffen wird und daß die Breite dieses Sektors in inverser Beziehung zur Entfernung vom Sekundärrundsicht-Radar eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Position der eigenen Station durch Empfang und Verarbeitung von Sendungen eines Präzisions- Ortungssystems erfolgt, etwa eines Loran-C-Systems oder eines weltumspannenden satellitengestützten Navigations­ systems (Global Satellite Positioning Systems).

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Position der eigenen Position da­ durch erfolgt, daß aus den zeitlichen Beziehungen zwi­ schen den empfangenen Abfragen und den Antworten eines an bekanntem Standort befindlichen Transponders Daten gewonnen werden, welche die Position der eigenen Station bezüglich dieses Transponders in Azimutdifferenz- und Eintreffzeitdifferenz-Koordinaten (A- und T-Koordinaten) definieren, und daß aus diesen Daten und aus den be­ kannten Positionen des Sekundärrundsicht-Radars und des besagten Transponders die Position der eigenen Station errechnet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antwort-Triggerimpulse gezählt werden, die als Reak­ tion auf die empfangenen Abfragen in dem an bekanntem Standort befindlichen Transponder während des Durchgangs eines Strahls des Sekundärrundsicht-Radars erzeugt wer­ den, und daß der besagte Transponder so getriggert wird, daß er nur beim Auftreten ausgewählter Exemplare der ge­ zählten Impulse antwortet.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antworten des an bekanntem Standort befindlichen Transponders so codiert werden, daß sie dessen Identi­ tät und Position angeben.